CN101210275A - 一种高精度线圈位置自动调整装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线圈位置自动调整技术，特别是一种高精度线圈位置自动调整装置及方法。由直线位移检测机构检测钢料的变形量，将检测的变形量通过直线位移传感器转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置设定值；其次，由旋转编码器检测线圈的实际位置，通过编码器内部的转换电路转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置反馈值；然后，当钢料位置发生变化时，通过闭环PID数字控制器调整中频变压器的位置进而调整线圈位置，以保持线圈与钢料之间的相对位置不变；采用本发明可高精度调整线圈位置，用于潜艇及船体肋骨的中频连续热弯加工。
Description
技术领域
本发明涉及线圈位置自动调整技术，特别是一种高精度线圈位置自动调整装置及方法。
背景技术
肋骨中频线圈加热弯曲淬火机目前普遍采用的线圈位置调整方法是人工调整法，即通过人眼检测钢料与线圈之间的距离来手动调整线圈位置。由于钢料在弯制加工过程中钢料的位置会实时发生变化，这种变化又是随机的，而且钢料在加热时温度达到1100℃以上，线圈附近的钢料会发出刺眼的光，极易造成人眼的视觉疲劳，经常出现由于调整不及时导致钢料与线圈接触，造成线圈短路烧毁，并导致正在加工的钢料报废。
钢料在加工过程中，如果钢料与线圈位置发生变化，则钢料的加热温度就会发生变化，过大的温度变化会导致钢料内部的金相组织发生变化，从而影响钢料的强度。因此，研制一种能够自动检测线圈与钢料之间的位置并自动进行调整的装置，提高钢料的质量及成品率，降低工人劳动强度，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度线圈位置自动调整装置及方法，用于潜艇及船体肋骨的中频连续热弯加工。
本发明的技术方案是这样实现的：
测控装置包括：
直线位移检测机构，安装在中频变压器基座上，与钢料进给方向垂直，并与钢料变形区域起始段抵接，并设置于线圈外侧，用于测量钢料的变形量；
线圈，通过连接板与中频变压器副边相连，并以非接触方式套装在钢料上，通过涡流感应对钢料加热；
闭环PID数字控制器，运行在存有测量控制程序的工控机里，其输入信号来自直线位移检测机构，输出端通过模拟量输出卡控制线圈位置；
执行机构，由伺服驱动器、伺服电机、丝杠构成，中频变压器底座连有丝杠装置，丝杠由伺服电机驱动；伺服电机由伺服驱动器控制，用于调整线圈位置；伺服驱动器的模拟量输入端与模拟量输出卡相连；
其中伺服电机轴上接有旋转编码器，旋转编码器与计数卡相连，用于检测线圈位置；所述线圈为由方形铜管制成的具有淬火功能的水冷式单匝线圈，能够通过其中流过的中频电流对其包围的铁磁性材料进行中频感应加热。
所述直线位移检测机构以直线位移传感器为核心，还包括检测轮、导杆和装有变送器的滑块，其导杆前端通过检测轮与钢料抵接，使导杆可顶紧钢料，后端与装有直线位移传感器的滑块相连；滑块另一端经压缩弹簧安装在中频变压器基座上，滑块上的变送器接至工控机中计数卡；所述直线位移传感器采用具有将直线位移信号转换为5V方波脉冲功能的直线位移传感器。
测控方法：
首先，由直线位移检测机构检测钢料的变形量，将检测的变形量通过直线位移传感器转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置设定值；
其次，由旋转编码器检测线圈的实际位置，通过编码器内部的转换电路转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置反馈值；
然后，当钢料位置发生变化时，通过闭环PID数字控制器调整中频变压器的位置进而调整线圈位置，以保持线圈与钢料之间的相对位置不变；
所述闭环PID数字控制器建立在工控机内，由线圈位置设定值作为闭环PID数字控制器的给定值，由线圈位置反馈值作为闭环PID数字控制器的反馈值，计算二者之间的差值作为误差，经对所述误差PID运算后，得到控制量，控制量经插在工控机扩展槽上的模拟量输出卡转换成电压信号(具体为-10V～+10V)，模拟量输出卡与伺服驱动器的模拟量输入端相连，伺服驱动器得到模拟量输出卡的控制信号后驱动伺服电机正转或反转，伺服电机与丝杠相连，通过丝杠来调整中频变压器位置，由于中频变压器与线圈连接，这样就起到了调整线圈位置、保持线圈与钢料之间相对位置不变的作用；
其中所述线圈位置设定值Ps的计算方法为：
Ps＝R-H/2-sqr((R-H/2)2-(L2-L3)2)；
其中R＝((L1+L2-L3)2+X2)/(2X)-r；H为钢料宽度，L1为直线位移传感器到线圈距离，L2为线圈到硬支撑轮距离，L3为钢料圆心O2到硬支撑轮的横向距离。r为检测轮半径，R为钢料外圆半径；X为钢料变形量；
所述钢料变形量X为直线位移传感器的计数值CNT1×m1；其中ml为直线位移传感器的分辩率；
所述线圈位置反馈值Pf的计算方法为：Pf＝CNT2*m2；其中CNT2为与旋转编码器相连的计数卡的计数值，m2为旋转编码器每转脉冲数；
所述闭环PID数字控制器的测量控制程序具体流程为：
首先，初始化参数，然后设定线圈位置设定值，读直线位移传感器的计数值，读与旋转编码器相连的计数卡的计数值，将直线位移传感器的计数值转换成钢料变形量，计算线圈位置反馈值；计算线圈位置设定值与线圈位置反馈值之间的误差，当所述误差大于设定值时，执行所述误差的PID计算，得到控制量；将控制量经模拟量输出卡转换成电压信号，送至伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机调整线圈位置；判断钢料是否加工完毕，如果钢料未加工完毕，则返回设定线圈位置设定值，否则程序结束；当所述误差小于设定值时，不执行PID计算，直接跳转到判断钢料是否加工完毕的步骤。
本发明具有如下优点：
1.本发明结构简单，测量使用方便，测量精度高，能够精确控制线圈位置，弥补了原肋骨中频热弯加工机床线圈位置控制的不足，适合各种舰船肋骨或圆弧形钢料热弯加工时使用。
2.本发明能在工控机上显示线圈位置、故障自动报警、配合中频肋骨热弯加工机床完成高精度肋骨曲率加工。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明方法的线圈位置计算图。
图3为本发明方法的控制原理图。
图4为本发明方法的测量控制程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明线圈位置检测控制装置包括：
直线位移检测机构1，安装在中频变压器基座4上，与由硬支撑轮6支撑的钢料7进给方向垂直，并与钢料7变形区域起始段抵接，并设置于线圈2外侧，用于测量钢料7的变形量；
线圈2，通过连接板3与中频变压器5副边相连，并以非接触方式套装在钢料上，通过涡流感应对钢料7加热；
闭环PID数字控制器，运行在存有测量控制程序的工控机里，其输入信号来自直线位移检测机构，输出端通过模拟量输出卡控制线圈位置。
执行机构，由伺服驱动器、伺服电机、丝杠构成，中频变压器基座4连有丝杠装置，丝杠由伺服电机驱动。伺服电机轴上装有与计数卡相连的旋转编码器，伺服电机由伺服驱动器控制，伺服驱动器的模拟量输入端与模拟量输出卡相连。
其中所述直线位移检测机构以直线位移传感器为核心，还包括检测轮、导杆和装有变送器的滑块，其导杆前端通过检测轮与钢料抵接，使导杆可顶紧钢料，后端与装有直线位移传感器的滑块相连；滑块另一端经压缩弹簧安装在中频变压器基座4上，滑块上的变送器接至工控机中计数卡。
所述的计数卡插在工控机内的扩展槽上，通过DB25接口与直线位移传感器和旋转编码器连接；
所述的模拟量输出卡插在工控机内的扩展槽上，通过DIP20接口与伺服驱动器相连。
所述线圈2为由方形铜管制成的具有淬火功能的水冷式单匝线圈，能够通过其中流过的中频电流对其包围的铁磁性材料进行中频感应加热。
如图2、4所示，本发明线圈位置测量控制方法的具体操作步骤有三：
(1)由直线位移检测机构检测钢料的变形量X，将检测的钢料变形量X通过直线位移传感器转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置设定值Ps；
(2)由旋转编码器检测线圈的实际位置，通过编码器内部的转换电路转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置反馈值Pf；
(3)在工控机内建立闭环PID数字控制器，由线圈位置设定值Ps作为闭环PID数字控制器的给定值，由线圈位置反馈值Pf作为闭环PID数字控制器的反馈值，计算二者之间的差值e＝Ps-Pf作为误差，经对所述误差PID运算后，得到控制量u，控制量u经插在工控机扩展槽上的模拟量输出卡转换成电压信号U(具体为-10V～+10V)，模拟量输出卡与伺服驱动器的模拟量输入端相连，伺服驱动器得到模拟量输出卡的控制信号后驱动伺服电机正转或反转，伺服电机与丝杠相连，通过丝杠来调整中频变压器位置，由于中频变压器与线圈连接，这样就起到了调整线圈位置、保持线圈与钢料7之间的相对位置不变的作用。
其中所述线圈位置设定值Ps的计算方法为：
Ps＝R-H/2-sqr((R-H/2)2-(L2-L3)2)
其中R＝((L1+L2-L3)2+X2)/(2X)-r
其中H为钢料宽度，L1为直线位移传感器到线圈2距离，L2为线圈2到硬支撑轮6距离，L3为钢料圆心O2到硬支撑轮6的横向距离。r为检测轮11半径，R为钢料7外圆半径。X为钢料变形量。
其中所述钢料变形量X为直线位移传感器的计数值CNT1×m1；其中m1为直线位移传感器的分辩率。
其中所述线圈位置反馈值Pf的计算方法为：Pf＝CNT2*m2；其中CNT2为与旋转编码器相连的计数卡的计数值，m2为旋转编码器每转脉冲数。
所述计数卡插在工控机内的扩展槽上，通过DB25接口与变送器连接；所述模拟量输出卡插在工控机内的扩展槽上，经接口板与伺服控制器连接。
闭环PID数字控制器结构如图3所示：在工控机中构成闭环控制系统。先设定线圈位置设定值Ps作为闭环控制系统的给定值，线圈位置反馈值Pf由旋转编码器检测后经公式计算得到。线圈位置设定值Ps与线圈位置反馈值Pf做减法运算后得到误差信号，再经PID运算后通过模拟量输出卡输出，模拟量输出卡经接口板与执行机构的伺服驱动器连接，由伺服驱动器驱动伺服电机控制线圈位置完成线圈位置自动调整操作。
所述工控机中存有测量控制程序，如图4所示，具体流程为：
首先，初始化参数：直线位移传感器到线圈之间的距离L1、直线位移传感器到基准线之间的距离L2、直线位移传感器分辩率m、检测轮半径r；然后，设定线圈位置设定值Ps，读直线位移传感器的计数值CNT1，读旋转编码器相连的计数卡的计数值CNT2，将直线位移传感器的计数值转换成变形量X(直线位移传感器具有将直线位移信号转换5V方波脉冲功能)，计算线圈位置反馈值Pf；计算线圈位置设定值Ps与线圈位置反馈值Pf误差e＝Ps-Pf，当所述误差e大于设定值时，执行所述误差e的PID计算，得到控制量u；将控制量u经模拟量输出卡转换成电压信号U，送至伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机调整线圈位置；判断钢料7是否加工完毕，如果钢料7未加工完毕，则返回设定线圈位置设定值Ps，否则程序结束。当所述误差e小于设定值时，不执行所述误差e的PID计算，直接跳转到判断钢料是否加工完毕处。
本发明在工控机扩展槽加装计数卡来检测直线位移传感器和旋转编码器的脉冲数，加装模拟量输出卡来控制线圈位置，所述计数卡采用PCL-833(台湾研华公司)，它是3通道脉冲输入卡，并可进行加减计数，接口形式为DB25。所述模拟量输出卡采用PCL-726(台湾研华公司)，它有6个通道，接口形式为DIP20。直线位移传感器和旋转编码器与PCL-833计数卡的DB25口相连，分别接计数卡的第1和第2通道，用来控制线圈位置的伺服驱动器接模拟量输出卡的第一通道。
直线位移传感器：测量长度100mm(TTL输出)，英国NEWALL公司。
Claims (13)
1.一种高精度线圈位置自动调整装置，其特征在于：
直线位移检测机构，安装在中频变压器基座上，与钢料进给方向垂直，并与钢料变形区域起始段抵接，并设置于线圈外侧，用于测量钢料的变形量；
线圈，通过连接板与中频变压器副边相连，并以非接触方式套装在钢料上，通过涡流感应对钢料加热；
闭环PID数字控制器，运行在存有测量控制程序的工控机里，其输入信号来自直线位移检测机构，输出端通过模拟量输出卡控制线圈位置；
执行机构，由伺服驱动器、伺服电机、丝杠构成，中频变压器基座连有丝杠装置，丝杠由伺服电机驱动；伺服电机由伺服驱动器控制，用于调整线圈位置；伺服驱动器的模拟量输入端与模拟量输出卡相连。
2.按照权利要求1所述高精度线圈位置自动调整装置，其特征在于：其中伺服电机轴上接有旋转编码器，与计数卡相连，用于检测线圈位置。
3.按照权利要求1所述高精度线圈位置自动调整装置，其特征在于：所述线圈为由方形铜管制成的具有淬火功能的水冷式单匝线圈，能够通过其中流过的中频电流对其包围的铁磁性材料进行中频感应加热。
4.按权利要求1所述高精度线圈位置自动调整装置，其特征在于：其中所述直线位移检测机构以直线位移传感器为核心，还包括检测轮、导杆和装有变送器的滑块，其导杆前端通过检测轮与钢料抵接，使导杆可顶紧钢料，后端与装有直线位移传感器的滑块相连；滑块另一端经压缩弹簧安装在中频变压器基座上，滑块上的变送器接至工控机中计数卡。
5.按权利要求4所述高精度线圈位置自动调整装置，其特征在于：所述直线位移传感器采用具有将直线位移信号转换为5V方波脉冲功能的直线位移传感器。
6.一种应用按权利要求1所述高精度线圈位置自动调整装置的测控方法，其特征在于步骤包括：
首先，由直线位移检测机构检测钢料的变形量，将检测的变形量通过直线位移传感器转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置设定值；
其次，由旋转编码器检测线圈的实际位置，通过编码器内部的转换电路转换成5V方波脉冲信号，送至工控机内具有加减计数功能的计数卡，通过公式计算出线圈位置反馈值；
然后，当钢料位置发生变化时，通过闭环PID数字控制器调整中频变压器的位置进而调整线圈位置，以保持线圈与钢料之间的相对位置不变。
7.按权利要求6所述的测控方法，其特征在于：所述闭环PID数字控制器建立在工控机内，由线圈位置设定值作为闭环PID数字控制器的给定值，由线圈位置反馈值作为闭环PID数字控制器的反馈值，计算二者之间的差值作为误差，经对所述误差PID运算后，得到控制量，控制量经插在工控机扩展槽上的模拟量输出卡转换成电压信号，模拟量输出卡与伺服驱动器的模拟量输入端相连，伺服驱动器得到模拟量输出卡的控制信号后驱动伺服电机正转或反转，伺服电机与丝杠相连，通过丝杠来调整中频变压器位置，由于中频变压器与线圈连接，从而调整线圈位置，保持线圈与钢料之间的相对位置不变。
8.按权利要求6或7所述的测控方法，其特征在于：其中所述线圈位置设定值Ps的计算方法为：
Ps＝R-H/2-sqr((R-H/2)2-(L2-L3)2)；
其中R＝((L1+L2-L3)2+X2)/(2X)-r；
其中H为钢料宽度，L1为直线位移传感器到线圈距离，L2为线圈到硬支撑轮距离，L3为钢料圆心O2到硬支撑轮的横向距离；r为检测轮半径，R为钢料外圆半径；X为钢料变形量。
9.按权利要求8所述的测控方法，其特征在于：其中所述钢料变形量X为直线位移传感器的计数值CNT1×m1；其中m1为直线位移传感器的分辩率。
10.按权利要求6或7所述的测控方法，其特征在于：其中所述线圈位置反馈值Pf的计算方法为：Pf＝CNT2*m2；其中CNT2为与旋转编码器相连的计数卡的计数值，m2为旋转编码器每转脉冲数。
11.按权利要求7所述的测控方法，其特征在于：其中所述闭环PID数字控制器的测量控制程序具体流程为：
首先，初始化参数，然后设定线圈位置设定值，读取直线位移传感器的计数值，读取与旋转编码器相连的计数卡的计数值，将直线位移传感器的计数值转换成变形量，计算线圈位置反馈值；计算线圈位置设定值与线圈位置反馈值之间的误差，当所述误差大于设定值时，执行所述误差的PID计算，得到控制量；将控制量经模拟量输出卡转换成电压信号，送至伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机调整线圈位置；判断钢料是否加工完毕，如果钢料未加工完毕，则返回设定线圈位置设定值Ps，否则程序结束；当所述误差小于设定值时，不执行PID计算，直接跳转到判断钢料是否加工完毕的步骤。
12.按权利要求6所述的测控方法，其特征在于：其中直线位移检测机构由检测轮、导杆和装有变送器的滑块的直线位移传感器组成。
13.按权利要求12所述的测控方法，其特征在于：所述直线位移传感器采用具有将直线位移信号转换为5V方波脉冲功能的直线位移传感器。
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| CN100526482C (zh) | 2009-08-12 |
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