CN108857589A - 一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统 - Google Patents

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戴斌
卢易天
徐玉明
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Abstract

本申请公开了一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，包括磁极调节单元和磁极，磁极调节单元包括电源、开关、电流采集器、电压检测器和第二控制器，电源、开关、电流采集器与磁极串联形成磁极回路，电压检测器外接于磁极回路，电流采集器、电压检测器和开关均与第二控制器之间电连接。由此，通过在磁极回路中设置电流采集器和电压检测器，能够检测磁极的磁极电流和磁极电压，当磁极电流和磁极电压出现异常时，通过控制断开开关来保护磁极。

Description

一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统
技术领域
本发明涉及磁流变抛光领域，尤其涉及一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统。
背景技术
随着现代科技的进步，金属注射成型(Metal Injecting Molding，简称MIM)作为一种新型的金属零部件成型技术得到了飞速的发展，MIM产品已广泛应用到各行各业，包括航天航空、国防军工、汽车、机械等。但MIM产品由于形状复杂，烧结收缩大，需要对其表面进行抛光处理。目前对于MIM产品，包括一些多曲面的小型零部件的抛光主要由手工操作以及机械抛光完成，不仅抛光效率低，劳动强度大，而且无法保证其抛光效果，可见研究出一种新型抛光设备的重要性。
磁流变抛光是二十世纪90年代出现的一种新型抛光技术，与传统抛光相比，磁流变抛光具有可以得到质量很高的光学表面，易于通过计算机控制，去除率可控等优势，被受到广泛关注。磁流变液是铁磁性颗粒、抛光粉颗粒、基载液和表面活性剂等组成。在磁场作用下，铁磁性颗粒会瞬间在磁力线作用下排列成链，带动抛光粉颗粒形成自适应柔性类固体；通过自适应柔性类固体与工件的相对运动实现对工件表面抛光。由此可见对于磁流变抛光机械的设计方面，磁场强度、自适应柔性类固体与工件之间的间隙和相对运动速度是影响磁流变抛光效果的主要因素。
由于抛光线速度的不同，离圆心远的线速度越快，给定磁极相同电流的条件下，离圆心远的磁流变抛光类固体的剪切力大于离圆心近的磁流变抛光类固体，从而导致离圆心近的磁极抛光强度小于离圆心远的磁极，导致工件抛光不均匀，抛光效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本发明的一个方面，提供一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，包括磁极调节单元和磁极，磁极调节单元包括电源、开关、电流采集器、电压检测器和第二控制器，电源、开关、电流采集器与磁极串联形成磁极回路，电压检测器外接于磁极回路，电流采集器、电压检测器和开关均与第二控制器之间电连接。
本发明通过在磁极回路中设置电流采集器和电压检测器，能够检测磁极的磁极电流和磁极电压，当磁极电流和磁极电压出现异常时，通过控制断开开关来保护磁极。
在一些实施方式中：还包括数字式调压电路，数字式调压电路包括升降压模块、电压滤波器和数字电位器，升降压模块、电压滤波器串联于磁极回路，磁极回路外接有数字电位器，数字电位器与第二控制器通信连接。通过能够对磁极两端的电压进行调节，以调节磁场强度，由中心到两端的磁极的磁场强度逐渐减弱，使得磁流变抛光类固体的剪切力由中心到两端逐渐减小，配合由圆心向外的工件旋转的线速度逐渐变大，能够使磁流变抛光类固体与工件之间的抛光强度均匀稳定，使得工件表面抛光更加均匀。
在一些实施方式中：开关为继电器。
在一些实施方式中：还包括短路保护开关，短路保护开关串联于磁极回路。
在一些实施方式中：还包括磁极温度传感器，磁极温度传感器能够检测磁极的温度，第二控制器与温度传感器通信连接。
附图说明
图1是本发明一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统的结构示意图；
图2是本发明一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统的第一控制器的结构示意图；
图3是本发明一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统的第二控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明，对本发明作进一步详细说明。
如图1-3所示，一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，包括机架1、以及设置于机架1的抛光液容器2、磁极装置3、第一驱动装置4和第二驱动装置7，第一驱动装置4能够驱动抛光液容器2旋转，抛光液容器2内设有用于放置工件的放置槽21，磁极装置3设置于抛光液容器2正上方，第二驱动装置7能够驱动磁极装置3升降。磁极装置3包括盒体31和沿直线排列设置于盒体31内的多个磁极51，在本实施例中，磁极51包括工字型硅钢片和卷绕于工字型硅钢片的线圈；还包括控制系统，控制系统能够控制每个磁极磁场强度、以及控制抛光液容器2的转速。
控制系统包括控制装置6，控制装置6包括第一控制器61和变频器62，第一控制器61与变频器62通信连接，变频器62与第一驱动装置4电连接；还包括远程监控系统63，远程监控系统63与第一控制器61通信连接；还包括触摸屏64，触摸屏64与第一控制器61通信连接。
在本实施例中，由西门子S7-1200PLC作为第一控制器，实现：通过PROFINET以太网口1与远程监控系统通信，实现远程对磁流变抛光设备的监控，远程监控系统实时显示磁流变抛光设备的工作数据和工作状态。通过PROFINET以太网口2，与触摸屏通信，实现输入设定参数，对设备的手动控制，显示磁流变抛光设备的工作数据和工作状态，选择加工件的光洁度。PLC模拟量4-20mA，对变频器实现调速控制，实现对第一驱动装置的调速控制。
每个磁极51均一一对应配置有磁极调节单元5，磁极调节单元5能够调节磁极51的磁场打下，磁极调节单元5包括数字式调压电路52、电源53、开关54和第二控制器55，电源53、开关54、数字式调压电路52与磁极51串联形成磁极回路，数字式调压电路52与第二控制器55之间电连接，第二控制器5与开关54之间电连接，第二控制器5控制开关54的开合，第一控制器61与第二控制器55通信连接。电源53为220V市电。
数字式调压电路52包括升降压模块521、电压滤波器522和数字电位器523，升降压模块521、电压滤波器522串联于磁极回路，磁极回路外接有数字电位器523，数字电位器523与第二控制器55通信连接；还包括电流采集器56，电流采集器56串联于磁极回路，电流采集器56能够检测磁极51的磁极电流，第二控制器55与电流采集器56电连接，第二控制器55能够采集电流采集器56检测到的磁极电流信号；磁极回路外接有电压检测器57，电压检测器57能够检测磁极51两端的磁极电压，第二控制器55与电压检测器57电连接，第二控制器55能够采集电压采集器57检测到的磁极电压信号；开关54为继电器；还包括短路保护开关58，短路保护开关58串联于磁极回路；还包括磁极温度传感器59，磁极温度传感器59能够检测磁极51的磁极温度，磁极温度传感器59可以安装于磁极51的硅钢片上，具体来说，在磁极51端部的硅钢片上钻设有供磁极温度传感器59嵌设的嵌槽，第二控制器55与温度传感器59通信连接。
在本实施例中，第二控制器55是STM8S105单片机，能够采集电压、电流、温度，调节数字电位器，控制电流，达到恒定磁场的目的。第一控制器PLC的RS485通信模块，实现与每个磁极调节单元5的第二控制器55的通信。。升降压模块521为SEPICDC/DC升降压模块，SEPICDC/DC升降压模块、电压滤波、数字调节电位器D5272；依据电阻与数字电位器的分压值，实现升降压调节。电压检测器57为ADC121S，能够检测磁极51两端的电压信号，并发送给第二控制器55。电流采集器56为ACS712，电流采集器56于第二控制器55之间还电连接有仪表运放AD8237，电流采集器56用于检测磁极51的电流信号，并发送给第二控制器55，作为实测电流。磁极温度传感器59为DS18B20总线式数字温度传感器，单片机通过DS18B20实现对磁极51硅钢片温度的检测。单片机能够设定磁极51的磁极电流、磁极电压和磁极温度。单片机根据设定的磁极电流与实测电流，来调节数字电位器，调节SEPICDC/DC升降压模块的电压，达到控制恒定电流、恒定磁场的作用。
每个磁极51由自身单片机控制，独立工作，与PLC的RS485通信。
磁极根据磁流变抛光设备的工艺需要，独立设定磁极的磁极电流，单片机通过调节电压，实现对磁极51电流的恒值控制，从而达到控制磁极恒定磁场的目的。
磁流变抛光设备的自保护有：过电流保护、过电压保护、过热温度保护和磁流变的磁极线圈的短路保护。(1)过电流保护，单片机实时检测磁极电流，当磁极电流失去控制并超过设定上限时，采取过电流保护，切断开关54，达到保护磁极51的目的；(2)过电压保护，单片机实时检测磁极电压，当磁极电压超过设定上限时，采取过电压保护，切断开关54，达到保护磁极51的目的；(3)过热温度保护，单片机实时检测磁极温度，当磁极温度超过设定上限时，采取过热电流保护，切断开关54，达到保护磁极51的目的；(4)磁极线圈的短路保护，当磁极短路时，短路保护开关58自行断开，保护磁极51。
此外，磁极电流调节方法可以包括：
采用离线测试，通过曲线拟合方法，获得下述两个公式：
1、数字电位器值R与设定电流ISV之间关系
R＝-0.0001505*ISV 3+0.03661*ISV 2+4.579*ISV+48.92 (1)
2、磁极电流IPV与磁极电流采集值DAD之间关系
IPV＝2.088*DAD-206.2 (2)
3、在线磁极电流调节过程：
(1)当接收到PLC下传的电流设定值ISV后，先按式(1)计算出数字电位器R值，控制数字电位器在此R值位置；
(2)程序按0.5秒采样周期，获取磁极电流采集值DAD，按式(2)计算磁极电流IPV；
(3)再按下式计算电流误差值e％：
(4)磁极电流自动调节
当电流误差e％小于等于5％时，电流已在允许误差范围内，程序不对数字电位器R值调整；
当电流误差e％大于5％时，程序按下式对数字电位器R值调整：
Rn＝Ro+4.579/2*(ISV-IPV) (4)
上式中：Ro为原数字电位器R值，Rn为调整后数字电位器R值。
(5)重复(2)≈(4)过程，直至电流误差在允许范围内。
此外，当磁极在工作时，随着工作时间增加，磁极的温度会增加，若磁极电流不变，会导致磁极的磁场降低。通过磁极温度传感器59测量到磁极温度，通过电流采集器56测量到磁极电流，第二控制器55根据测量到的磁极温度升高，来升高磁极电流，进而保持磁极51的磁场强度不变，使得抛光更加均匀，提高抛光效率。
此外，当单片机检测磁极温度明显升高时，证明磁极电流增大，而磁极电流增大磁场强度不会增大，反而会损坏电路，会损坏磁极线圈。因而，在磁场温度明显升高时，主动降低磁极电流，通过提高工件旋转速度或研磨时间，来达到同样的研磨效果。
抛光液容器2呈上端开口的筒体结构，抛光液容器2内底部开设有多个用于放置工件的放置槽21，抛光液容器2内可以盛装有抛光液。
第一驱动装置4包括转轴41、底座42、电机43和传动件44，转轴41通过轴承安装于机架1，底座42中心安装于转轴41上端部，抛光液容器2固定安装于底座42，电机43通过传动件44传动于转轴41。传动件44可以为齿轮或皮带。
第二驱动装置7为气缸或油缸，第二驱动装置7还可以是手动式机械升降机构，第二驱动装置7固定安装于机架1，第二驱动装置7位于于抛光液容器2正上方，第二驱动装置7的输出端固定连接盒体31。由此，当需要进行抛光工作时，控制盒体下降到贴近工件处，启动磁极产生磁场，使抛光液变成磁流变抛光类固体，进行抛光工作；也能够改变工件与磁流变抛光类固体之间的距离，来改变抛光效果和抛光效率
综上所述，本发明通过多个磁极形成磁场，抛光液容器内的抛光液在磁极下侧面形成磁流变抛光类固体，第一驱动装置驱动抛光液容器旋转，使得抛光液容器内的工件与磁流变抛光类固体之间进行抛光工作；且每个磁极均可以单独控制磁场强度，由中心到两端的磁极的磁场强度逐渐减弱，使得磁流变抛光类固体的剪切力由中心到两端逐渐减小，配合由圆心向外的工件旋转的线速度逐渐变大，能够使磁流变抛光类固体与工件之间的抛光强度均匀稳定，使得抛光更加均匀，提高抛光效率。
以上所述仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，其特征在于，包括磁极调节单元(5)和磁极(51)，所述磁极调节单元(5)包括电源(53)、开关(54)、电流采集器(56)、电压检测器(57)和第二控制器(55)，所述电源(53)、开关(54)、电流采集器(56)与所述磁极(51)串联形成磁极回路，所述电压检测器(57)外接于所述磁极回路，所述电流采集器(56)、电压检测器(57)和开关(54)均与所述第二控制器(55)之间电连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，其特征在于：还包括数字式调压电路(52)，所述数字式调压电路(52)包括升降压模块(521)、电压滤波器(522)和数字电位器(523)，所述升降压模块(521)、电压滤波器(522)串联于所述磁极回路，所述磁极回路外接有所述数字电位器(523)，所述数字电位器(523)与所述第二控制器(55)通信连接。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，其特征在于：所述开关(54)为继电器。
4.根据权利要求1所述的一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，其特征在于：还包括短路保护开关(58)，所述短路保护开关(58)串联于所述磁极回路。
5.根据权利要求1所述的一种磁流变抛光设备的磁极调节单元保护系统，其特征在于：还包括磁极温度传感器(59)，所述磁极温度传感器(59)能够检测磁极(51)的温度，所述第二控制器(55)与所述温度传感器(59)通信连接。
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