電渦流式轉速傳感器在三輥卷板機定位改造中的應用

洪英勇

（福建省工業設備安裝有限公司，福建 福州 350001）

在機械設備加工制造領域，由于加工精度、加工效率等要求，部分機械設備需要滿足一定的移動定位要求，但受加工工件沖擊振動幅度大、工作環境惡劣等因素影響，機械設備加裝自動化定位控制裝置的成本較高，定位精度難以滿足機械加工需求，不得不采用人工調節的方式進行機械移動定位，不僅效率低下，而且存在一定的操作風險。電渦流傳感器是一種基于電渦流效應原理對被測體、探頭相對位置進行監測的一種傳感器。該類傳感器具有可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量和響應速度快等特點，廣泛應用于大型設備軸振動、位移、轉速等參數的實時監測。本文以三輥卷板機定位改造為例，深入分析電渦流式轉速傳感器在機械定位中的應用，以期提高機械設備定位精度。

1 設備轉速定位改造方案

現有三輥卷板機三個輥軸呈品字形，上輥位于兩下輥中央位置，上輥軸在驅動裝置傳動軸的作用下帶動下輥軸運動，主驅動電機借助主減速機末級齒輪帶動下輥軸做旋轉運動，從而為板材卷制提供扭矩。待加工的金屬板經多次連續彎曲加工后，形成永久性塑性變形，進而加工為預期的圓筒型或圓弧型產品。在加工過程中，由于加工制作精度要求，需要操作工人手動調節上輥軸下壓位置，以滿足加工精度和加工效率要求。但在實際生產中，人工調節方式不僅效率低下，而且定位精度不高，可能出現調節不到位或過度調節的問題，進而影響了機械加工質量。

鑒于此，有必要借助電渦流轉速傳感器對原三輥卷板機進行改造。通過在傳動軸上安裝位置傳感器，實時監測傳感器的位移量并判斷上輥軸位置，從而達到準確定位的作用。

在實際應用中，由于三輥卷板機存在正轉、反轉的實際需求，而單個的傳感器難以準確判斷傳感器正反轉，也就無法實現自動定位的功能。針對該問題，在此次改造中，在三輥卷板機傳動軸上安裝一個自制感應體，在感應體兩側安裝兩個電渦流式轉速傳感器，兩個傳感器電位角互差90°，以此組成計數脈沖發生器，從而達到上輥軸位置實時監測的目的。經試驗，兩個傳感器組合能夠判斷傳動軸的方向及位移量，并輸出相應的增減脈沖信號，經逆計數器處理，能夠得到傳動軸實時角位移量，進而獲得上輥軸實時位置。當上輥軸位置與預設位置出現偏移時，控制器會自動判斷上輥軸當前狀態并發出相應的控制指令，從而實現三輥卷板機的準確定位。

2 電渦流式轉速傳感器控制系統設計

電渦流式轉速傳感器由微處理器、位置傳感器、可逆計數器、顯示電路、程序存儲器和輸入輸出設備組成。

2.1 微處理器選擇

在本次改造項目中，微處理器選擇Intel公司生產的MSC-51系列8位單片機處理器8031.該型號處理器內置32根I/O線，即4個并行接口（P0、P1、P2、P3），其中，2根I/O線為全手工串行口，P0為雙向串行口，P1、P2、P3為準雙向串行口。P0和P2可用于外部存儲器的通信口，P0口作為邏輯地址和數據復用口。該處理器可通過編程實現4種不同的工作模式，有5個中斷源，可設置兩個優先級，能夠滿足三輥卷板機定位和控制需求。

2.2 位置傳感器選擇及構成

采用電渦流傳感器最為重要的原因是其對油污不敏感，能夠實現非接觸式實時監測，滿足三輥卷板機上輥軸定位要求。本次改造中，采用三個電渦流式傳感器組合的方式進行定位監測，A、B傳感器位于渦輪副輸入軸側，主要實現上下輥軸位置監測，兩個傳感器電位角互差為90°。傳感器C作為基點傳感器，作為上輥軸位置判斷依據，當上輥軸提升到傳感器C位置時，控制器做出相應的壓輥、退輥、停輥和計數器清零指令，從而實現卷板機的自動化定位與控制。

2.3 可逆計數器

可逆計數器的主要作用計樹來自于位置傳感器的增減脈沖，并與控制器預設數值進行比較，當數據一致時，計數器向控制器發出請求，控制器自動判斷輥軸位置并執行下一步動作。根據設備改造需求，可逆計數器選擇4路同步十進制計數器，計數行程為0～9999，滿足卷板機生產加工實際需求。

2.4 控制系統組成及原理

本控制系統由8031微處理器、74LS373地址鎖存器及外部存儲器27128組成，具備32K存儲空間和2個可編程芯片8255，其中，8255A通過集成動態驅動芯片連接輸入輸出設備；8255B連接A、B兩個傳感器，并接受可逆計數器信號輸入，當傳感器數據與計數器數據一致時，8255B向微處理器發出中斷請求。同時，傳感器C與8255B相連，當滿足中斷條件時，8255B發出中斷請求，并經微處理器判斷后由8255B執行相關動作。8255B可執行指令包括停壓輥、壓輥正輥、壓輥反輥、計數器清零。

3 定位系統制造及安裝

3.1 電路板印刷及安裝

電路板是控制系統的集成化，其印刷質量直接影響壓輥卷板機定位系統運行的可靠性與穩定性。因此，在線路板印刷制作時，應加強線路設計的優化，合理布局線路、方向和印刷工藝。印刷電路板分為三個區域，即模擬區、數字區與功率驅動區，在電路板設計時，應盡量將存在功能聯系的電子元器件聚集在一起，盡量減少線板走線。針對存在相互作用的電子元器件，如噪聲器件、大電流電路、開關電路等，應盡量遠離邏輯和存儲元件，避免因互相作用而影響控制系統的可靠性。為了提高線路板邏輯、存儲元件的抗干擾能力，應合理規劃、設計線路板地線的走線及面積，分開設置模擬區和邏輯區地線。在模擬區，地線可采用粗的線路，以閉環的方式設置邏輯區底線，降低地線信號對邏輯區的干擾。此外，針對主要的噪聲元件應采取必要的屏蔽措施，如晶體振蕩器等，可采取外殼接地等方式進行處理。

3.2 感應器設計與安裝

在本次機械改造中，傳感器精度受傳動齒數的影響，感應器齒數越多，其定位精度越高。然而，在定位精度和行程控制滿足要求的前提下，過度追求精度是無意義的，將過度占用計數器行程，因此，在感應器設計時，應在滿足定位和行程控制精度的前提下，盡可能降低感應器齒數。經試驗和測算，感應器齒數以4～6齒為宜。同時，感應體尺寸是獲取準確信號的基礎，本次改造所選用的感應體直徑為150mm，厚度為40mm，寬度為20mm，能夠捕獲并輸出穩定的定位信號。在傳感器安裝時，應準確控制傳感器與感應器間隙，可使用塞尺測量間隙，間隙過小時，感應器與傳感器易發生碰撞進而穩定性不高，當間隙過大時，傳感器信號輸出強度不足，定位精度不高，經反復試驗，感應器與傳感器精度以0.8mm～1mm為宜。傳感器與感應器安裝時，A、B傳感器應呈90°角，并固定牢靠。

4 設備改造結果研究

三輥卷板機改造完成后，經安裝調試，其定位精度控制在0.1mm以內，滿足卷板機定位要求。經長時間生產運行，該系統具有較高的可靠性和穩定性，年穩定率約為97.8%，有效提高了三輥卷板機的生產效率，降低了勞動強度，取得了良好的經濟效益。