專利名稱：一種高精度線圈位置自動調(diào)整裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及線圏位置自動調(diào)整技術(shù)，特別是一種高精度線圈位置自動 調(diào)整裝置及方法。
技術(shù)背景肋骨中頻線圈加熱彎曲淬火機目前普遍采用的線圈位置調(diào)整方法是人 工調(diào)整法，即通過人眼檢測鋼料與線圈之間的距離來手動調(diào)整線圏位置。 由于鋼料在彎制加工過程中鋼料的位置會實時發(fā)生變化，這種變化又是隨機的，而且鋼料在加熱時溫度達到110(TC以上，線圈附近的鋼料會發(fā)出刺 眼的光，極易造成人眼的視覺疲勞，經(jīng)常出現(xiàn)由于調(diào)整不及時導致鋼料與 線圈接觸，造成線圈短路燒毀，并導致正在加工的鋼料報廢。鋼料在加工過程中，如果鋼料與線圈位置發(fā)生變化，則鋼料的加熱溫 度就會發(fā)生變化，過大的溫度變化會導致鋼料內(nèi)部的金相組織發(fā)生變化， 從而影響鋼料的強度。因此，研制一種能夠自動檢測線圈與鋼料之間的位 置并自動進行調(diào)整的裝置，提高鋼料的質(zhì)量及成品率，降低工人勞動強度， 是目前亟待解決的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高精度線圈位置自動調(diào)整裝置及方法，用于 潛艇及船體肋骨的中頻連續(xù)熱彎加工。 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 測控裝置包括直線位移檢測機構(gòu)，安裝在中頻變壓器基座上，與鋼料進給方向垂直，并 與鋼料變形區(qū)域起始段抵接，并設置于線圈外側(cè)，用于測量鋼料的變形量；線圈，通過連接板與中頻變壓器副邊相連，并以非接觸方式套裝在鋼 料上，通過渦流感應對鋼料加熱；閉環(huán)PID數(shù)字控制器，運行在存有測量控制程序的工控機里，其輸入 信號來自直線位移檢測機構(gòu)，輸出端通過模擬量輸出卡控制線圈位置；執(zhí)行機構(gòu)，由伺服驅(qū)動器、伺服電機、絲杠構(gòu)成，中頻變壓器底座連 有絲杠裝置，絲杠由伺服電機驅(qū)動；伺服電機由伺服驅(qū)動器控制，用于調(diào) 整線圈位置；伺服驅(qū)動器的模擬量輸入端與模擬量輸出卡相連；其中伺服電機軸上接有旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器與計數(shù)卡相連，用于 檢測線圈位置；所述線圈為由方形銅管制成的具有淬火功能的水冷式單匝線 圈，能夠通過其中流過的中頻電流對其包圍的鐵磁性材料進行中頻感應加熱。所述直線位移檢測機抅以直線位移傳感器為核心，還包括檢測輪、導 桿和裝有變送器的滑塊，其導桿前端通過檢測輪與鋼料抵接，使導桿可頂緊鋼料，后端與裝有直線位移傳感器的滑塊相連；滑塊另一端經(jīng)壓縮彈簧 安裝在中頻變壓器基座上，滑塊上的變送器接至工控機中計數(shù)卡；所述直 線位移傳感器采用具有將直線位移信號轉(zhuǎn)換為5V方波脈沖功能的直線位 移傳感器。 測控方法首先，由直線位移檢測機構(gòu)檢測鋼料的變形量，將檢測的變形量通過 直線位移傳感器轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能 的計數(shù)卡，通過公式計算出線圈位置設定值；其次，由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測線圈的實際位置，通過編碼器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電 路轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能的計數(shù)卡，通 過公式計算出線圈位置反饋值；然后，當鋼料位置發(fā)生變化時，通過閉環(huán)PID數(shù)字控制器調(diào)整中頻變 壓器的位置進而調(diào)整線圈位置，以保持線圈與鋼料之間的相對位置不變；所述閉環(huán)PID數(shù)字控制器建立在工控機內(nèi)，由線圏位置設定值作為閉 環(huán)PID數(shù)字控制器的給定值，由線圈位置反饋值作為閉環(huán)PID數(shù)字控制器 的反饋值，計算二者之間的差值作為誤差，經(jīng)對所述誤差PID運算后，得 到控制量，控制量經(jīng)插在工控機擴展槽上的模擬量輸出卡轉(zhuǎn)換成電壓信號 (具體為-10V—10V),模擬量輸出卡與伺服驅(qū)動器的模擬量輸入端相連， 伺服驅(qū)動器得到模擬量輸出卡的控制信號后驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，伺 服電機與絲杠相連，通過絲杠來調(diào)整中頻變壓器位置，由于中頻變壓器與 線圈連接，這樣就起到了調(diào)整線圈位置、保持線圈與鋼料之間相對位置不變的作用；其中所述線圈位置設定值Ps的計算方法為 Ps=R-H/2-sqr ((R-H/2 ) 2陽(L2-L3 ) 2);其中R= ((L1+L2-L3) 2+X2) / (2X) -r; H為鋼料寬度，Ll為直線位 移傳感器到線圈距離，L2為線圈到硬支撐輪距離，L3為鋼料圓心02到硬 支撐輪的橫向距離。r為檢測輪半徑，R為鋼料外圓半徑；X為鋼料變形量;所述鋼料變形量X為直線位移傳感器的計數(shù)值CNT1 xml;其中ml 為直線位移傳感器的分辯率；所述線圈位置反饋值Pf的計算方法為P^CNT2fm2;其中CNT2為與 旋轉(zhuǎn)編碼器相連的計數(shù)卡的計數(shù)值，m2為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；所述閉環(huán)PID數(shù)字控制器的測量控制程序具體流程為首先，初始化參數(shù)，然后設定線圏位置設定值，讀直線位移傳感器的 計數(shù)值，讀與旋轉(zhuǎn)編碼器相連的計數(shù)卡的計數(shù)值，將直線位移傳感器的計 數(shù)值轉(zhuǎn)換成鋼料變形量，計算線圈位置反饋值；計算線圈位置設定值與線 圈位置反饋值之間的誤差，當所述誤差大于設定值時，執(zhí)行所述誤差的PID 計算，得到控制量；將控制量經(jīng)模擬量輸出卡轉(zhuǎn)換成電壓信號，送至伺服 驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機調(diào)整線圈位置；判斷鋼料是否加工完畢， 如果鋼料未加工完畢，則返回設定線圈位置設定值，否則程序結(jié)東；當所 述誤差小于設定值時，不執(zhí)行PID計算，直接跳轉(zhuǎn)到判斷鋼料是否加工完 畢的步驟。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1. 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，測量使用方便，測量精度高，能夠精確控制線圈 位置，彌補了原肋骨中頻熱彎加工機床線圈位置控制的不足，適合各種艦 船肋骨或圓弧形鋼料熱彎加工時使用。2. 本發(fā)明能在工控機上顯示線圈位置、故障自動報警、配合中頻肋骨 熱彎加工機床完成高精度肋骨曲率加工。


圖l為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明方法的線圈位置計算圖。圖3為本發(fā)明方法的控制原理圖。圖4為本發(fā)明方法的測量控制程序流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明線圈位置檢測控制裝置包括直線位移檢測機構(gòu)l，安裝在中頻變壓器基座4上，與由硬支撐輪6支 撐的鋼料7進給方向垂直，并與鋼料7變形區(qū)域起始段抵接，并設置于線 圏2外側(cè)，用于測量鋼料7的變形量；線圈2，通過連接板3與中頻變壓器5副邊相連，并以非接觸方式套裝 在鋼料上，通過渦流感應對鋼料7加熱；、閉環(huán)PID數(shù)字控制器，運行在存有測量控制程序的工控機里，其輸入 信號來自直線位移檢測機構(gòu)，輸出端通過模擬量輸出卡控制線圈位置。執(zhí)行機構(gòu)，由伺服驅(qū)動器、伺服電機、絲杠構(gòu)成，中頻變壓器基座4 連有絲杠裝置，絲杠由伺服電機驅(qū)動。伺服電機軸上裝有與計數(shù)卡相連的 旋轉(zhuǎn)編碼器，伺服電機由伺服驅(qū)動器控制，伺服驅(qū)動器的模擬量輸入端與 模擬量輸出卡相連。其中所述直線位移檢測機構(gòu)以直線位移傳感器為核心，還包括檢測輪、 導桿和裝有變送器的滑塊，其導桿前端通過檢測輪與鋼料抵接，使導桿可 頂緊鋼料，后端與裝有直線位移傳感器的滑塊相連；滑塊另一端經(jīng)壓縮彈 簧安裝在中頻變壓器基座4上，滑塊上的變送器接至工控機中計數(shù)卡。所述的計數(shù)卡插在工控機內(nèi)的擴展槽上,通過DB25接口與直線位移傳 感器和旋轉(zhuǎn)編碼器連接；'、所述的模擬量輸出一插在工控機內(nèi)的擴展槽上，通過DIP20接口與伺 服驅(qū)動器相連。所述線圏2為由方形銅管制成的具有淬火功能的水冷式單匝線圈，能夠通 過其中流過的中頻電流對其包圍的鐵磁性材料進行中頻感應加熱。
如圖2、 4所示，本發(fā)明線圈位置測量控制方法的具體搡作步驟有三 (1 )由直線位移檢測機構(gòu)檢測鋼料的變形量X,將檢測的鋼料變形量X 通過直線位移傳感器轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù) 功能的計數(shù)卡，通過公式計算出線圈位置設定值Ps;(2) 由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測線圈的實際位置，通過編碼器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能的計數(shù)卡，通過 公式計算出線圈位置反饋值Pf;(3) 在工控機內(nèi)建立閉環(huán)PID數(shù)字控制器，由線圈位置設定值Ps作 為閉環(huán)PID數(shù)字控制器的給定值，由線圈位置反饋值Pf作為閉環(huán)PID數(shù)字 控制器的反饋值，計算二者之間的差值e=Ps-Pf作為誤差，經(jīng)對所述誤差 PID運算后，得到控制量u,控制量u經(jīng)插在工控機擴展槽上的模擬量輸出 卡轉(zhuǎn)換成電壓信號U (具體為-10V +10V),模擬量輸出卡與伺服驅(qū)動器的 模擬量輸入端相連，伺服驅(qū)動器得到模擬量輸出卡的控制信號后驅(qū)動伺服 電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，伺服電機與絲杠相連，通過絲杠來調(diào)整中頻變壓器位置， 由于中頻變壓器與線圏連接，這樣就起到了調(diào)整線圈位置、保持線圈與鋼 料7之間的相對位置不變的作用。其中所述線圈位置設定值Ps的計算方法為 Ps=R-H/2-sqr ((R-H/2 ) 2- (L2-L3 ) 2) 其中R= ((Ll+L2-L3 ) 2+X2) / (2X) -r其中H為鋼料寬度，Ll為直線位移傳感器到線圈2距離，L2為線圈2 到硬支撐輪6距離，L3為鋼料圓心02到硬支撐輪6的橫向距離。r為檢測 輪ll半徑，R為鋼料7外圓半徑。X為鋼料變形量。其中所述鋼料變形量X為直線位移傳感器的計數(shù)值CNT1 xml;其中 ml為直線位移傳感器的分辯率。其中所述線圏位置反饋值Pf的計算方法為P,CNT2*m2;其中CNT2 為與旋轉(zhuǎn)編碼器相連的計數(shù)卡的計數(shù)值，m2為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。所述計數(shù)卡插在工控機內(nèi)的擴展槽上，通過DB25接口與變送器連接； 所述模擬量輸出卡插在工控機內(nèi)的擴展槽上，經(jīng)接口板與伺服控制器連接。閉環(huán)PID數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示在工控機中構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 先設定線圈位置設定值Ps作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的給定值，線圈位置反饋值Pf 由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測后經(jīng)公式計算得到。線圈位置設定值Ps與線圈位置反饋 值Pf做減法運算后得到誤差信號，再經(jīng)PID運算后通過模擬量輸出卡輸出， 模擬量輸出卡經(jīng)接口板與執(zhí)行機構(gòu)的伺服驅(qū)動器連接，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動 伺服電機控制線圈位置完成線圈位置自動調(diào)整操作。所述工控機中存有測量控制程序，如圖4所示，具體流程為首先，初始化參數(shù)直線位移傳感器到線圈之間的距離L1、直線位移 傳感器到基準線之間的距離L2、直線位移傳感器分辯率m、檢測輪半徑r; 然后，設定線圈位置設定值Ps，讀直線位移傳感器的計數(shù)值CNTl,讀旋轉(zhuǎn)
編碼器相連的計數(shù)卡的計數(shù)值CNT2,將直線位移傳感器的計數(shù)值轉(zhuǎn)換成變 形量X (直線位移傳感器具有將直線位移信號轉(zhuǎn)換5V方波脈沖功能)，計 算線圈位置反饋值Pf;計算線圈位置設定值Ps與線圈位置反饋值Pf誤差 e=Ps-Pf，當所述誤差e大于設定值時，執(zhí)行所述誤差e的PID計算，得到 控制量u;將控制量u經(jīng)模擬量輸出卡轉(zhuǎn)換成電壓信號U,送至伺服驅(qū)動器, 伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機調(diào)整線圈位置；判斷鋼料7是否加工完畢，如果 鋼料7未加工完畢，則返回設定線圈位置設定值Ps，否則程序結(jié)束。當所 述誤差e小于設定值時，不執(zhí)行所述誤差e的PID計算，直接跳轉(zhuǎn)到判斷 鋼料是否加工完畢處。本發(fā)明在工控機擴展槽加裝計數(shù)卡來檢測直線位移傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼 器的脈沖數(shù)，加裝模擬量輸出卡來控制線圈位置，所述計數(shù)卡采用PCL-833 (臺灣研華公司)，它是3通道脈沖輸入卡，并可進行加減計數(shù)，接口形式 為DB25。所述模擬量輸出卡釆用PCL-726 (臺灣研華公司)，它有6個通 道，接口形式為DIP20。直線位移傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器與PCL-833計數(shù)卡 的DB25 口相連，分別接計數(shù)卡的第1和第2通道，用來控制線圈位置的 伺服驅(qū)動器接模擬量輸出卡的第一通道。直線位移傳感器測量長度100mm(TTL輸出)，英國NEWALL公司。
權(quán)利要求
1. 一種高精度線圈位置自動調(diào)整裝置，其特征在于直線位移檢測機構(gòu)，安裝在中頻變壓器基座上，與鋼料進給方向垂直，并與鋼料變形區(qū)域起始段抵接，并設置于線圈外側(cè)，用于測量鋼料的變形量；線圈，通過連接板與中頻變壓器副邊相連，并以非接觸方式套裝在鋼料上，通過渦流感應對鋼料加熱；閉環(huán)PID數(shù)字控制器，運行在存有測量控制程序的工控機里，其輸入信號來自直線位移檢測機構(gòu)，輸出端通過模擬量輸出卡控制線圈位置；執(zhí)行機構(gòu)，由伺服驅(qū)動器、伺服電機、絲杠構(gòu)成，中頻變壓器基座連有絲杠裝置，絲杠由伺服電機驅(qū)動；伺服電機由伺服驅(qū)動器控制，用于調(diào)整線圈位置；伺服驅(qū)動器的模擬量輸入端與模擬量輸出卡相連。
2. 按照權(quán)利要求l所述高精度線圈位置自動調(diào)整裝置，其特征在于-. 其中伺服電機軸上接有旋轉(zhuǎn)編碼器，與計數(shù)卡相連，用于檢測線圈位置。
3. 按照權(quán)利要求1所述高精度線圈位置自動調(diào)整裝置，其特征在于 所述線圈為由方形銅管制成的具有淬火功能的水冷式單匝線圈，能夠通過其中 流過的中頻電流對其包圍的鐵磁性材料進行中頻感應加熱。
4. 按權(quán)利要求1所述高精度線圈位置自動調(diào)整裝置，其特征在于其 中所述直線位移檢測機構(gòu)以直線位移傳感器為核心，還包括檢測輪、導桿 和裝有變送器的滑塊，其導桿前端通過檢測輪與鋼料抵接，使導桿可頂緊 鋼料，后端與裝有直線位移傳感器的滑塊相連；滑塊另一端經(jīng)壓縮彈簧安 裝在中頻變壓器基座上，滑塊上的變送器接至工控機中計數(shù)卡。
5. 按權(quán)利要求4所述高精度線圈位置自動調(diào)整裝置，其特征在于所述直線位移傳感器釆用具有將直線位移信號轉(zhuǎn)換為5V方波脈沖功能的直線位移 傳感器。
6. —種應用按權(quán)利要求1所述高精度線圈位置自動調(diào)整裝置的測控方 法，其特征在于步驟包括首先，由直線位移檢測機構(gòu)檢測鋼料的變形量,將檢測的變形量通過直 線位移傳感器轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能的 計數(shù)卡，通過公式計算出線圈位置設定值；其次，由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測線圈的實際位置，通過編碼器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電 路轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能的計數(shù)卡，通 過公式計算出線圈位置反饋值；然后，當鋼料位置發(fā)生變化時，通過閉環(huán)PID數(shù)字控制器調(diào)整中頻變壓器的位置進而調(diào)整線圈位置，以保持線圈與鋼料之間的相對位置不變。
7. 按權(quán)利要求6所述的測控方法，其特征在于所述閉環(huán)PID數(shù)字控制器建立在工控機內(nèi)，由線圈位置設定值作為閉環(huán)PID數(shù)字控制器的給定 值，由線圈位置反饋值作為閉環(huán)PID數(shù)字控制器的反饋值，計算二者之間 的差值作為誤差，經(jīng)對所述誤差PID運算后，得到控制量，控制量經(jīng)插在 工控機擴展槽上的模擬量輸出卡轉(zhuǎn)換成電壓信號，模擬量輸出卡與伺服驅(qū) 動器的模擬量輸入端相連，伺服驅(qū)動器得到模擬量輸出卡的控制信號后驅(qū) 動伺服電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，伺服電機與絲杠相連，通過絲杠來調(diào)整中頻變壓 器位置，由于中頻變壓器與線圈連接，從而調(diào)整線圏位置，保持線圈與鋼 料之間的相對位置不變。
8. 按權(quán)利要求6或7所述的測控方法，其特征在于其中所述線圈位 置設定值Ps的計算方法為Ps=R-H/2-sqr ((R-H/2 ) 2誦(L2-L3 ) 2 ); 其中R= ((L1+L2-L3) 2+X2) / (2X) -r;其中H為鋼料寬度，Ll為直線位移傳感器到線圈距離，L2為線圈到 硬支撐輪距離，L3為鋼料圓心02到硬支撐輪的橫向距離；r為檢測輪半徑， R為鋼料外圓半徑；X為鋼料變形量。
9. 按權(quán)利要求8所述的測控方法，其特征在于其中所述鋼料變形量 X為直線位移傳感器的計數(shù)值CNTlxml;其中ml為直線位移傳感器的分辯率。
10. 按權(quán)利要求6或7所述的測控方法，其特征在于其中所述線圈 位置反饋值Pf的計算方法為PfK:NT2*m2;其中CNT2為與旋轉(zhuǎn)編碼器 相連的計數(shù)卡的計數(shù)值，m2為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。
11. 按權(quán)利要求7所述的測控方法，其特征在于其中所述閉環(huán)PID 數(shù)字控制器的測量控制程序具體流程為首先，初始化參數(shù)，然后設定線圈位置設定值，讀取直線位移傳感器 的計數(shù)值，讀取與旋轉(zhuǎn)編碼器相連的計數(shù)卡的計數(shù)值，將直線位移傳感器 的計數(shù)值轉(zhuǎn)換成變形量，計算線圈位置反饋值；計算線圈位置設定值與線 圈位置反饋值之間的誤差，當所述誤差大于設定值時，執(zhí)行所述誤差的PID 計算，得到控制量；將控制量經(jīng)模擬量輸出卡轉(zhuǎn)換成電壓信號，送至伺服 驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機調(diào)整線圈位置；判斷鋼料是否加工完畢， 如果鋼料未加工完畢，則返回設定線圈位置設定值Ps，否則程序結(jié)東；當 所述誤差小于設定值時，不執(zhí)行PID計算，直接跳轉(zhuǎn)到判斷鋼料是否加工 完畢的步驟。
12. 按權(quán)利要求6所述的測控方法，其特征在于其中直線位移檢測 機構(gòu)由檢測輪、導桿和裝有變送器的滑塊的直線位移傳感器組成。
13. 按權(quán)利要求12所述的測控方法，其特征在于所述直線位移傳感 器釆用具有將直線位移信號轉(zhuǎn)換為5V方波脈沖功能的直線位移傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及線圈位置自動調(diào)整技術(shù)，特別是一種高精度線圈位置自動調(diào)整裝置及方法。由直線位移檢測機構(gòu)檢測鋼料的變形量，將檢測的變形量通過直線位移傳感器轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能的計數(shù)卡，通過公式計算出線圈位置設定值；其次，由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測線圈的實際位置，通過編碼器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成5V方波脈沖信號，送至工控機內(nèi)具有加減計數(shù)功能的計數(shù)卡，通過公式計算出線圈位置反饋值；然后，當鋼料位置發(fā)生變化時，通過閉環(huán)PID數(shù)字控制器調(diào)整中頻變壓器的位置進而調(diào)整線圈位置，以保持線圈與鋼料之間的相對位置不變；采用本發(fā)明可高精度調(diào)整線圈位置，用于潛艇及船體肋骨的中頻連續(xù)熱彎加工。
文檔編號C21D1/42GK101210275SQ20061013511
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者吳景輝, 張環(huán)宇, 軍 朱 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所