磁致伸縮位移傳感器在精鍛機夾頭中的應用

王飛偉，朱秦嶺，楊鵬飛，張少林，何賓

（西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

精鍛機即徑向精密鍛造機，是一種高頻次的精密鍛壓設備，主要以工業控制計算機作為主控制單元，將CNC技術和數字控制技術相結合，通過對現場各傳感器采集的數值與各編碼器反饋數值進行模數轉換和計算，經主控單元與目標程序對比計算，輸出不同命令到液壓伺服油缸系統、液壓伺服馬達旋轉系統、氣動雙向運動機構等來實現目標程序所需的執行動作，統一組成精鍛機整體的閉環控制系統，最終實現精鍛機的全自動化高精度鍛造。鍛造基體分為主機和夾頭兩大部分，主機包含齒輪傳動箱體和鍛造箱體，齒輪傳動箱體用來實現4組大齒輪的鍛造動力的均勻分散傳動，鍛造箱體用來完成工件的均勻鍛造，主機兩側裝配有最大位移、長度不等的夾頭，該夾頭的位移值精準，根據主機鍛造節奏可實時快速調節進給速度，從而完成工件的高質量的鍛造。

1 夾頭移動檢測

1.1 夾頭移動控制原理

精鍛機工作時，一臺主電機驅動4組互對稱的錘頭對工件進行高頻次鍛打，同時主機兩側的夾頭夾持住工件，按照預設程序進行往返移動來完成工件的鍛造。由于每批次工件起始加工長度的多樣性以及工件材料的特殊性，對于不同直徑的工件，在不同道次鍛造時要設定不同的變形量以及進給速度，從而確保鍛造后工件的材料組織性能的一致性和穩定性。因此在整個精鍛機鍛造過程的控制中，對主機兩側夾頭軸向往返夾持移動有著非常嚴格的控制精度的要求，要求保證在0.1mm以內。精鍛機夾頭軸向移動實時控制系統由上位機、CNC控制器、數模轉換板卡、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軌外側，夾頭軸向移動由伺服液壓油缸進行推動。夾頭移動實時控制系統原理框圖如圖1所示。

圖1 夾頭移動實時控制系統原理框圖

從圖1可知，位移傳感器實時檢測夾頭的位移值，并作為反饋信號送入CNC控制器，CNC控制器對目標位移值和實際反饋位移值比對計算后，輸出數字量控制信號，該信號經數模轉換板卡，把數字量信號轉換為模擬量信號，并輸出給液壓伺服閥，液壓伺服閥根據輸入信號的大小實時調節腔體液壓油流量的多少，從而驅動夾頭液壓油缸伸縮完成整個夾頭的軸向移動。精鍛機高精度的鍛造性能離不開夾頭軸向移動的高精度，而夾頭軸向移動的高精度就必然要求作為反饋環節的位移傳感器也擁有優秀的檢測性能和特性參數。根據位移傳感器的測量原理，常見的位移傳感器大致可分為磁致伸縮式、差動變壓器式、電感式、編碼器式、超聲波式和電阻式等。考慮到工業現場電磁干擾的復雜性，溫濕度情況不穩定、現場震動大及油污粉塵多等惡劣因素，尤其是精鍛機主機兩側夾頭5m和7m長位移數值的實時精準的檢測需求，通過綜合考慮，選用了美國MTS系統公司的RF型磁致伸縮位移傳感器作為核心測量元件。該傳感器的感應元件與測量介質之間不直接接觸，長期使用后不存在磨損的情況，且線性度高、遲滯特性和重復性好、可靠性高，非常適合工業鍛造現場的使用環境，諸多優點完全優于其它類型的位移傳感器，這些就嚴格保證了精鍛機夾頭移動位移的實時穩定的檢測效果。

1.2 夾頭位移檢測原理

夾頭位移檢測由磁致伸縮位移傳感器來實現，其分為波導管、電路單元和位置磁鐵3個部分。波導管由可彎曲的柔性外管保護并封裝成一體，沿軸向安裝在夾頭床身下方的不銹鋼套管內；電路單元固定在夾頭床身端部；位置磁鐵安裝在精鍛機夾頭基體下部，跟隨夾頭基體一起軸向往復移動。當夾頭末端的電路單元對波導管施加一定的電流激勵脈沖后，電流脈沖就沿波導管向鍛造主機方向傳播，伴隨產生一個圍繞波導管的環形磁場，與此同時，夾頭基體上的位置磁鐵也會產生一個平行于波導管的磁場。根據磁致伸縮效應，在兩磁場相遇處會產生扭力應變脈沖，這個應變脈沖以固定速度分別向波導管兩端傳播，其中傳播到主機箱體側無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部參與計算，從而計算出位置磁鐵的位移。磁致伸縮位移傳感器檢測原理圖如圖2所示。

圖2 磁致伸縮位移傳感器檢測原理

精鍛機主機右側夾頭選用的是最大測量范圍為7m的磁致伸縮位移傳感器,其輸出信號為24位格雷碼，采用了SSI同步串行數字接口，分辨率可達到0.01mm，完全滿足夾頭雙向移動時對精度檢測的實時要求。只要測量出從電路單元發送激勵脈沖到接收返回脈沖所需要的時間，通過計算便可得出位置磁鐵的具體位移值，即就是精鍛機夾頭所處的實際位置，而且檢測到的位移值為一個絕對值的位置讀數，不存在定期標定或設備斷電后位移歸零的問題。夾頭移動位移測量如圖3。

圖3 夾頭移動位移測量

夾頭位移值可根據以下公式計算得到：

S為夾頭實時位移值，V為磁致伸縮位移傳感器特定的傳輸速度，取2757.57m/s，為發出激勵脈沖到接收返回脈沖的時間差。

1.3 現場故障的研究與解決

精鍛機在數年的實際運行過程中，出現了夾頭位置數據漂移不定、數據紊亂的異常情況，實時監測曲線如圖4所示，其中下方的平直跳變曲線為夾頭移動到最小極限值的名義值曲線，上方的紊亂曲線為監測到的夾頭實際移動曲線。

圖4 夾頭位移曲線

從圖4可見，當CNC發出夾頭向最小極限位置方向移動的命令后，監測到的前段部分的移動曲線趨勢穩定，平滑向下，當移動到距最小極限位置尚有2621.83mm的位置時，夾頭軸向移動出現了劇烈震顫，監測數值處于極不穩定的狀態，設備故障報警停機。針對突發故障，結合夾頭移動控制系統的原理，對夾頭移動機構進行分步檢查：確認CNC與上位機的正常通訊，通訊板卡撥碼開關狀態正常，通訊地址無錯誤，通訊狀態指示綠燈閃爍正常，控制系統正常；數模轉換板卡表面干凈整潔，各電子元件無明顯燒毀黑斑，各接頭緊固，直流電源及信號指示燈工作正常；控制夾頭移動的液壓伺服油缸機構無油液滲漏、各液壓管路接頭無松動，伺服閥電氣接線正常。排查完外界各控制、通訊、執行元件后，最后需對實時位移檢測的反饋元件自身進行檢查。將柔性磁致伸縮位移傳感器從不銹鋼外保護管中抽出檢查，發現遠離電路單元端部的位移傳感器表面明顯污黑，處于嚴重的污染狀態，如圖5所示。

圖5 位移傳感器表面比較

經對夾頭床身和不銹鋼保護管拆卸檢查，發現保護管內部的原位移傳感器死區、零點位置及部分工作區域大量存在黑色油泥積存，對其進行徹底清潔后原位置安裝。為徹底杜絕油液雜質進入保護管內部侵蝕傳感器，克服精鍛機原廠設計時的疏漏無防護，特在保護管端部進行特殊密封膠防護，并對位移傳感器的直出電纜和屏蔽層進行檢查確認無誤后，新更換位移傳感器，聯機通電測試。整個夾頭往復移動機構恢復正常，夾頭位移絕對值顯示正常，但夾頭相對于主機的位移相對值明顯不符合設備的工作要求，存在較大的安全隱患。故對夾頭系統參數進行調閱分析，認為必須對位移補償量等相關參數進行匹配性調整，以此來保證兩側夾頭移動的一致性。位移補償值的計算方法是：

Offset=Offset1+ΔS

ΔS=S1-S2

其中，Offset1為系統原有補償值；S1為原位移監測值，S2為上位機人機界面位移監測值。

2 夾頭實際移動測試

完成對夾頭硬件的改動及調整系統參數后，對夾頭軸向往復移動進行測試，實時位移監測曲線如圖6所示。從圖6可見，夾頭移動的名義值曲線和實際位移監測曲線完全重合，且夾頭軸向往復移動的動作平緩，監測曲線趨勢平穩，數值穩定，無異常突變跳躍。經過幾年的實際運行檢驗，該故障再未發生，得到徹底解決。

圖6 夾頭位移曲線

3 結語

文中闡述了磁致伸縮位移傳感器在精鍛機夾頭位移檢測中的具體原理及應用，解決了實際工作中突發的設備故障，彌補了設備安裝時的疏漏，徹底消除了設備隱患，極大保證了設備運行的高精度和可靠性，為公司節約了大量寶貴的維修時間和檢修成本，加快了進口設備技術的消化吸收與改造的步伐，促進了后續的設備管理與維修工作。