磁致伸縮位移傳感器在精鍛機(jī)夾頭中的應(yīng)用

王飛偉，朱秦嶺，楊鵬飛，張少林，何賓

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

精鍛機(jī)即徑向精密鍛造機(jī)，是一種高頻次的精密鍛壓設(shè)備，主要以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主控制單元，將CNC技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各傳感器采集的數(shù)值與各編碼器反饋數(shù)值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，經(jīng)主控單元與目標(biāo)程序?qū)Ρ扔?jì)算，輸出不同命令到液壓伺服油缸系統(tǒng)、液壓伺服馬達(dá)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、氣動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)程序所需的執(zhí)行動(dòng)作，統(tǒng)一組成精鍛機(jī)整體的閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)精鍛機(jī)的全自動(dòng)化高精度鍛造。鍛造基體分為主機(jī)和夾頭兩大部分，主機(jī)包含齒輪傳動(dòng)箱體和鍛造箱體，齒輪傳動(dòng)箱體用來(lái)實(shí)現(xiàn)4組大齒輪的鍛造動(dòng)力的均勻分散傳動(dòng)，鍛造箱體用來(lái)完成工件的均勻鍛造，主機(jī)兩側(cè)裝配有最大位移、長(zhǎng)度不等的夾頭，該夾頭的位移值精準(zhǔn)，根據(jù)主機(jī)鍛造節(jié)奏可實(shí)時(shí)快速調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，從而完成工件的高質(zhì)量的鍛造。

1 夾頭移動(dòng)檢測(cè)

1.1 夾頭移動(dòng)控制原理

精鍛機(jī)工作時(shí)，一臺(tái)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)4組互對(duì)稱的錘頭對(duì)工件進(jìn)行高頻次鍛打，同時(shí)主機(jī)兩側(cè)的夾頭夾持住工件，按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行往返移動(dòng)來(lái)完成工件的鍛造。由于每批次工件起始加工長(zhǎng)度的多樣性以及工件材料的特殊性，對(duì)于不同直徑的工件，在不同道次鍛造時(shí)要設(shè)定不同的變形量以及進(jìn)給速度，從而確保鍛造后工件的材料組織性能的一致性和穩(wěn)定性。因此在整個(gè)精鍛機(jī)鍛造過(guò)程的控制中，對(duì)主機(jī)兩側(cè)夾頭軸向往返夾持移動(dòng)有著非常嚴(yán)格的控制精度的要求，要求保證在0.1mm以內(nèi)。精鍛機(jī)夾頭軸向移動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、CNC控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡、液壓伺服閥、夾頭液壓油缸、位移傳感器等組成，位移傳感器軸向安裝在夾頭基體下部的導(dǎo)軌外側(cè)，夾頭軸向移動(dòng)由伺服液壓油缸進(jìn)行推動(dòng)。夾頭移動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 夾頭移動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)原理框圖

從圖1可知，位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)夾頭的位移值，并作為反饋信號(hào)送入CNC控制器，CNC控制器對(duì)目標(biāo)位移值和實(shí)際反饋位移值比對(duì)計(jì)算后，輸出數(shù)字量控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡，把數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，并輸出給液壓伺服閥，液壓伺服閥根據(jù)輸入信號(hào)的大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)腔體液壓油流量的多少，從而驅(qū)動(dòng)夾頭液壓油缸伸縮完成整個(gè)夾頭的軸向移動(dòng)。精鍛機(jī)高精度的鍛造性能離不開(kāi)夾頭軸向移動(dòng)的高精度，而夾頭軸向移動(dòng)的高精度就必然要求作為反饋環(huán)節(jié)的位移傳感器也擁有優(yōu)秀的檢測(cè)性能和特性參數(shù)。根據(jù)位移傳感器的測(cè)量原理，常見(jiàn)的位移傳感器大致可分為磁致伸縮式、差動(dòng)變壓器式、電感式、編碼器式、超聲波式和電阻式等。考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的復(fù)雜性，溫濕度情況不穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)大及油污粉塵多等惡劣因素，尤其是精鍛機(jī)主機(jī)兩側(cè)夾頭5m和7m長(zhǎng)位移數(shù)值的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的檢測(cè)需求，通過(guò)綜合考慮，選用了美國(guó)MTS系統(tǒng)公司的RF型磁致伸縮位移傳感器作為核心測(cè)量元件。該傳感器的感應(yīng)元件與測(cè)量介質(zhì)之間不直接接觸，長(zhǎng)期使用后不存在磨損的情況，且線性度高、遲滯特性和重復(fù)性好、可靠性高，非常適合工業(yè)鍛造現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境，諸多優(yōu)點(diǎn)完全優(yōu)于其它類型的位移傳感器，這些就嚴(yán)格保證了精鍛機(jī)夾頭移動(dòng)位移的實(shí)時(shí)穩(wěn)定的檢測(cè)效果。

1.2 夾頭位移檢測(cè)原理

夾頭位移檢測(cè)由磁致伸縮位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其分為波導(dǎo)管、電路單元和位置磁鐵3個(gè)部分。波導(dǎo)管由可彎曲的柔性外管保護(hù)并封裝成一體，沿軸向安裝在夾頭床身下方的不銹鋼套管內(nèi)；電路單元固定在夾頭床身端部；位置磁鐵安裝在精鍛機(jī)夾頭基體下部，跟隨夾頭基體一起軸向往復(fù)移動(dòng)。當(dāng)夾頭末端的電路單元對(duì)波導(dǎo)管施加一定的電流激勵(lì)脈沖后，電流脈沖就沿波導(dǎo)管向鍛造主機(jī)方向傳播，伴隨產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)管的環(huán)形磁場(chǎng)，與此同時(shí)，夾頭基體上的位置磁鐵也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于波導(dǎo)管的磁場(chǎng)。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，在兩磁場(chǎng)相遇處會(huì)產(chǎn)生扭力應(yīng)變脈沖，這個(gè)應(yīng)變脈沖以固定速度分別向波導(dǎo)管兩端傳播，其中傳播到主機(jī)箱體側(cè)無(wú)用的波被端部的阻尼消除掉，而有效的返回脈沖傳播到電路單元內(nèi)部參與計(jì)算，從而計(jì)算出位置磁鐵的位移。磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)原理

精鍛機(jī)主機(jī)右側(cè)夾頭選用的是最大測(cè)量范圍為7m的磁致伸縮位移傳感器,其輸出信號(hào)為24位格雷碼，采用了SSI同步串行數(shù)字接口，分辨率可達(dá)到0.01mm，完全滿足夾頭雙向移動(dòng)時(shí)對(duì)精度檢測(cè)的實(shí)時(shí)要求。只要測(cè)量出從電路單元發(fā)送激勵(lì)脈沖到接收返回脈沖所需要的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算便可得出位置磁鐵的具體位移值，即就是精鍛機(jī)夾頭所處的實(shí)際位置，而且檢測(cè)到的位移值為一個(gè)絕對(duì)值的位置讀數(shù)，不存在定期標(biāo)定或設(shè)備斷電后位移歸零的問(wèn)題。夾頭移動(dòng)位移測(cè)量如圖3。

圖3 夾頭移動(dòng)位移測(cè)量

夾頭位移值可根據(jù)以下公式計(jì)算得到：

S為夾頭實(shí)時(shí)位移值，V為磁致伸縮位移傳感器特定的傳輸速度，取2757.57m/s，為發(fā)出激勵(lì)脈沖到接收返回脈沖的時(shí)間差。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)故障的研究與解決

精鍛機(jī)在數(shù)年的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)了夾頭位置數(shù)據(jù)漂移不定、數(shù)據(jù)紊亂的異常情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示，其中下方的平直跳變曲線為夾頭移動(dòng)到最小極限值的名義值曲線，上方的紊亂曲線為監(jiān)測(cè)到的夾頭實(shí)際移動(dòng)曲線。

圖4 夾頭位移曲線

從圖4可見(jiàn)，當(dāng)CNC發(fā)出夾頭向最小極限位置方向移動(dòng)的命令后，監(jiān)測(cè)到的前段部分的移動(dòng)曲線趨勢(shì)穩(wěn)定，平滑向下，當(dāng)移動(dòng)到距最小極限位置尚有2621.83mm的位置時(shí)，夾頭軸向移動(dòng)出現(xiàn)了劇烈震顫，監(jiān)測(cè)數(shù)值處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，設(shè)備故障報(bào)警停機(jī)。針對(duì)突發(fā)故障，結(jié)合夾頭移動(dòng)控制系統(tǒng)的原理，對(duì)夾頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分步檢查：確認(rèn)CNC與上位機(jī)的正常通訊，通訊板卡撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)正常，通訊地址無(wú)錯(cuò)誤，通訊狀態(tài)指示綠燈閃爍正常，控制系統(tǒng)正常；數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡表面干凈整潔，各電子元件無(wú)明顯燒毀黑斑，各接頭緊固，直流電源及信號(hào)指示燈工作正常；控制夾頭移動(dòng)的液壓伺服油缸機(jī)構(gòu)無(wú)油液滲漏、各液壓管路接頭無(wú)松動(dòng)，伺服閥電氣接線正常。排查完外界各控制、通訊、執(zhí)行元件后，最后需對(duì)實(shí)時(shí)位移檢測(cè)的反饋元件自身進(jìn)行檢查。將柔性磁致伸縮位移傳感器從不銹鋼外保護(hù)管中抽出檢查，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離電路單元端部的位移傳感器表面明顯污黑，處于嚴(yán)重的污染狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 位移傳感器表面比較

經(jīng)對(duì)夾頭床身和不銹鋼保護(hù)管拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)保護(hù)管內(nèi)部的原位移傳感器死區(qū)、零點(diǎn)位置及部分工作區(qū)域大量存在黑色油泥積存，對(duì)其進(jìn)行徹底清潔后原位置安裝。為徹底杜絕油液雜質(zhì)進(jìn)入保護(hù)管內(nèi)部侵蝕傳感器，克服精鍛機(jī)原廠設(shè)計(jì)時(shí)的疏漏無(wú)防護(hù)，特在保護(hù)管端部進(jìn)行特殊密封膠防護(hù)，并對(duì)位移傳感器的直出電纜和屏蔽層進(jìn)行檢查確認(rèn)無(wú)誤后，新更換位移傳感器，聯(lián)機(jī)通電測(cè)試。整個(gè)夾頭往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)正常，夾頭位移絕對(duì)值顯示正常，但夾頭相對(duì)于主機(jī)的位移相對(duì)值明顯不符合設(shè)備的工作要求，存在較大的安全隱患。故對(duì)夾頭系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)閱分析，認(rèn)為必須對(duì)位移補(bǔ)償量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配性調(diào)整，以此來(lái)保證兩側(cè)夾頭移動(dòng)的一致性。位移補(bǔ)償值的計(jì)算方法是：

Offset=Offset1+ΔS

ΔS=S1-S2

其中，Offset1為系統(tǒng)原有補(bǔ)償值；S1為原位移監(jiān)測(cè)值，S2為上位機(jī)人機(jī)界面位移監(jiān)測(cè)值。

2 夾頭實(shí)際移動(dòng)測(cè)試

完成對(duì)夾頭硬件的改動(dòng)及調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)后，對(duì)夾頭軸向往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，夾頭移動(dòng)的名義值曲線和實(shí)際位移監(jiān)測(cè)曲線完全重合，且?jiàn)A頭軸向往復(fù)移動(dòng)的動(dòng)作平緩，監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)平穩(wěn)，數(shù)值穩(wěn)定，無(wú)異常突變跳躍。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，該故障再未發(fā)生，得到徹底解決。

圖6 夾頭位移曲線

3 結(jié)語(yǔ)

文中闡述了磁致伸縮位移傳感器在精鍛機(jī)夾頭位移檢測(cè)中的具體原理及應(yīng)用，解決了實(shí)際工作中突發(fā)的設(shè)備故障，彌補(bǔ)了設(shè)備安裝時(shí)的疏漏，徹底消除了設(shè)備隱患，極大保證了設(shè)備運(yùn)行的高精度和可靠性，為公司節(jié)約了大量寶貴的維修時(shí)間和檢修成本，加快了進(jìn)口設(shè)備技術(shù)的消化吸收與改造的步伐，促進(jìn)了后續(xù)的設(shè)備管理與維修工作。