压力控制精度范文

2024-06-11

压力控制精度范文（精选7篇）

压力控制精度第1篇

由于精冲模的凸、凹模间隙非常小(通常为0.01mm~0.03mm),所以在精冲加工时,应精确控制设备的上死点位置(一般应控制在0.02mm以内),使得既要让工件与原材料分离,又不能允许凸模进入凹模,以造成模具刃口损坏,这一点与普通冲裁加工截然不同。上死点位置控制就是指设备的上死点重复精度控制,设备每运行一个循环,滑块即通过一次上死点,冲出一个工件。在模具完成冲裁动作的瞬间,由于惯性力的作用,滑块还将继续运行,直到限位装置发生作用。因此滑块惯性力大小、限位装置的结构形式、刚度大小、接触间隙等因素,都会给滑块上死点位置精度产生影响。

2 技术方案分析

根据精冲过程分析,如果能够减少滑块惯性力,并提高限位装置刚度,就能有效提高滑块上死点精度。滑块惯性力是在精冲过程完成的瞬间,材料突然断裂后,滑块剩余的动能所产生的。而滑块的能量来源是液压系统提供的液压能,液压系统又是靠控制系统控制的,因此只能从液压与控制系统着手分析。滑块运动到上死点时,控制系统要给液压系统发出回程换向信号,各种执行元件(如电磁阀等)动作,驱动滑块回程。假设在控制程序设计时,预先给换向动作设置一个合适的提前量,保证滑块既能完成冲裁动作,使工件与材料顺利分离,又没有太大的能量剩余,就可以大大减少惯性力,减低对限位装置的撞击,从而提高上死点精度。

液压式压力机不像机械式压力机那样,有一个固定的死点位置。普通的液压机,是靠行程开关控制死点位置的,行程开关的固有结构决定了死点位置误差较大,不能满足精冲工艺与模具要求。因此在精冲压力机上必须专门设置刚性限位装置,强行给滑块限位。由于在同一台压力机上安装使用的精冲模具会有不同的封闭高度,因此该限位装置的高度也必须随之调节。这就必须设计一个既能调节高度,调节后又要保持较大刚度的限位装置。

3 限位装置设计

根据以上分析,设计了一套如图1、图2所示的上死点高度调节装置。

该装置由主油缸、限位螺母、主柱塞、传动装置、驱动装置和锁紧油缸等组成。限位螺母内置于主油缸内,通过梯形螺纹与主油缸内壁连接。当步进电机驱动限位螺母旋转时,限位螺母即沿主油缸内壁上下移动,螺母下端面与主柱塞环形上端面之间的距离,决定了主柱塞的上行位移大小,也即决定了滑块上死点高度。当限位螺母往上运动到某一位置停止时,滑块的上升距离增大,设备(模具)的闭合高度减小;当限位螺母往下运动到某一位置停止时,滑块的上升距离减小,设备(模具)的闭合高度增大。为了提高调节精度,该装置采取了以下措施:

(1)适当增加限位螺母的厚度以增强其自身刚度,减小因主柱塞撞击产生的变形。

(2)提高螺纹副的加工精度,减小螺纹副间隙。

(3)在主油缸沿周增设四个锁紧油缸,在每次调节动作完成后,给油缸通以高压油,使四个锁紧柱塞始终顶紧限位螺母法兰,从而使限位螺母的螺纹副始终压靠在同一侧,进而强制消除螺纹副间隙。锁紧油缸液压系统原理图如图3所示。

4 调试与控制程序设计

设置滑块提前换向量以降低其惯性力的设计思路,也已进行了整机控制程序的编制:在设备人机操作界面上,设计提前换向时间选项,该时间从0.01s~0.50s无级可调,方便用户根据不同材质和厚度调节,效果明显。

5 结束语

根据上述研究成果,设计完成了10000k N精冲压力机封闭高度调节装置,目前已随主机一起投入使用,并取得了很好的效果。图4为10000k N精冲压力机。

摘要：通过对精冲过程分析、限位装置设计、控制程序设计等方面的研究,介绍了目前一种精冲压力机上死点精度控制技术。

关键词：机械设计,压力机,精密冲裁,上死点,精度,限位

参考文献

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压力控制精度第2篇

目前,对伺服压力机下死点精度国内外还未有统一的标准,表1 为日本能率制作所(LEM)要求的高精密压力机下死点精度[1]。

下死点精度属于压力机的一种动态精度,随压力机工作环境和工作状况而呈动态变化。如何保证在任意工况条件下压力机下死点精度的稳定性,是提高压力机性能和档次的一项关键技术。本文侧重介绍在从事伺服压力机下死点精度控制研究中,所探索的一种下死点精度自动调节技术。

1 影响因素

压力机下死点精度的主要影响因素包括压力机整体刚度、加工装配精度、工作环境及冲压模式等。

1.1 压力机整体刚度

压力机整体刚度对下死点精度有较大影响。如拉伸成形加工,若压力机承载部件的刚度不足,会使滑块到不了所需下死点位置;若是冲裁加工,压力机承载部件由于弹性变形所积蓄的能量将得到释放,形成所谓“反向负载”,会使下死点向下偏移,其偏移量与压力机刚度有关,刚度愈差偏移量愈大,刚度高则偏移量小。表2 为我国现有压力机和一些国外压力机的角刚度统计值[6]。

1.2 加工装配精度

压力机核心功能部件的加工精度,例如机身体孔系位置精度、齿轮齿形精度、曲轴偏心长度、连杆和肘杆长度等,均会对滑块下死点精度产生一定影响。还有许多功能部件及整机的装配精度,如各杆系之间的运动间隙、平衡气缸的压力波动、调模装置的液压锁紧状态等。

1.3 工作环境

压力机工作时,传动部件各运动副之间产生大量摩擦热,使各杆系、导柱导套、机身滑块等压力机部件因温升而伸长,导致滑块下死点位置漂移。由压力机结构可知,随连杆和导柱温度的上升会使下死点位置下移,而机身的温升将使下死点上移[2],但由于各部件的温升量、结构尺寸以及材料热特性的不同,难以建立下死点温度影响模型。图1 为机械压力机随开机时间而变化的压力机下死点漂移曲线。

1.4 冲压模式

压力机选择不同的工作模式或者客户根据冲压工件定制模式,都会不同程度改变滑块的运行速度和冲压次数。压力机运动部件作用有惯性力,其大小是与速度的平方成正例,其行程次数越高,惯性力越大,尤其高速压力机其惯性力往往数倍于压力机负载力。因而,随着压力机行程次数的改变以及上模重量的不同,即使是同一台压力机,对下死点的影响也不尽相同。

2 调节控制技术研究现状

对于压力机下死点精度的控制和调节,国内外众多学者及压力机制造商进行了大量研究,取得了富有成效的成果。

例如应对温升,通过采用对润滑油制冷或加热等控制措施,以减小机械结构热变形对下死点精度的影响;通过采用对称传动机构,使工作过程中的热变形互相抵消。

再如应对惯性力,采用多连杆机构减小滑块下死点附近加速度,采用轻质高强度材料以减轻滑块的质量,将模高调节机构布置在上横梁以减轻运动件质量,等等,从降轻运动部件质量以及减小运动加速度两方面入手以降低运动系统的惯性力。

在下死点精度自动调节技术方面,国外公司近年来推出了可靠的案例,如日本小松公司H1F系列复合型AC伺服压力机配置的下死点自动补偿功能,如图2 所示。它利用位置检测器、变频驱动器和控制器之间的检测和反馈再驱动,来实现下死点的自动补偿,使实时、动态调节滑块下死点高度成为可能[4]。

图3 为国家知识产权局所公示的一款发明专利。由图示可见,该专利为一高速压力机多杆传动系统(图3a),通过图示中H点高度方向的位置改变可实现滑块下死点高度的调节。图3b为位于H点的调节机构,通过伺服电机带动偏心套旋转,由偏心套驱动小滑块以及与小滑块固联的两个支撑杆同步进行上下运动,最终实现滑块下死点的动态调节。

3 自动调节技术实施原理

在分析压力机下死点精度影响因素以及对下死点精度控制技术研究现状调研的基础上,结合公司伺服压力机开发项目,进行了对压力机下死点精度自动调节技术的研究,并提出下死点自动调节的具体实施技术。

3.1 下死点精度自动调节机构

如图4 所示,伺服电机经蜗轮蜗杆减速后直接驱动调节螺杆转动,通过改变调节螺杆与驱动杆的相对长度达到改变滑块高度的目的,配合控制系统和相关的检测模块,可实现对下死点精度的自动调节。这样,可将压力机力和运动的传递机构、模高调节机构以及下死点精度调节机构的功能集为一体,具有结构简洁、紧凑,制造成本低廉的特点。

3.2 自动调节控制原理

压力机下死点精度自动调节控制原理如图5 所示。由图可见,系统有两支控制回路,一支为主伺服电机的主控回路,另一支为下死点精度自动调节回路。

在主控回路中,主伺服电机按照给定的滑块位移指令,经伺服驱动器的位置调节和速度调节,驱动曲轴按给定的角度进行旋转,进而经传动机构驱动滑块沿压力机导轨上下移动。在主控回路中,附设于曲轴上的光电编码器检测曲轴的实际转角并反馈,构成主驱动回路的全闭环控制。

下死点精度自动调节回路由NC装置、伺服调模电机、滑块位移光栅尺和温度控制装置组成。位移光栅尺实时扫描监测滑块的实际位移,并经下死点判别模块将滑块下死点的实际位置反馈给系统控制器;系统控制器中比较模块将当前下死点实际位置与系统设定位移进行比较,计算下死点当前偏移量;将下死点当前偏移量与所设定的阈值进行比较,若超过阈值系统自动起动调模系统,以偏移量作为调节量将下死点调整到指令位置,从而达到下死点精度控制的目的。

3.3 自动调节技术的实施

精密伺服压力机下死点精度必须控制在 ±0.01mm以内。因此,对调模机构提出较高的制造精度要求,包括蜗轮/蜗杆副的制造精度、传动间隙、调节螺杆/螺母副螺距误差以及减速器的精度等级等。

在控制系统中依照图5 所示控制原理编制相应的软件模块,包括下死点读取判别、比较模块、启动阈值模块、温度控制模块等,图6 为软件模块流程图。在模高调节时,要求设置新下死点位置,与原下死点位置差值作为调节量启动调模电机。在下死点精度调节时,首先读取滑块位移传感器数值并判别是否为下死点;为消除读取误差,连续读取n个下死点数值并取平均;经与设定阈值比较后,将平均偏移值设定为调节量,启动调模电机进行下死点精度调节。

4 结论

利用压力机调模机构,由NC装置、伺服调模电机、滑块位移光栅尺以及温度控制装置构成反馈控制回路,并配置以滑块下死点读取判别、实际值与理论值比较以及启动阈值等软件模块,可实现在任何工况条件下对压力机下死点精度进行实时监控和自动动态调节,保证了压力机下死点的工作精度和精度稳定性,大大提高了冲压件质量和模具的使用寿命。

参考文献

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高速压力机动态精度测量方法研究第3篇

动态精度是评定高速精密压力机技术水平、制造水平的一项重要指标[1,2,3], 它不但影响冲压件的精度, 而且还决定着模具的使用寿命。对于压力机的动态精度, 目前国家标准中尚没有相应条款规定, 国际上也没有统一的标准。现有的压力机性能考核指标仅以压力机的静态精度标准为参考, 如工作台板上表面与滑块底平面的平行度、滑块上下运动对工作台板上表面的垂直度、施力机构总间隙等, 而实际应用中需要的是动态精度。而压力机的动态精度测量非常困难, 目前国内外鲜有比较成熟的测量方法[4]。

对于高速精密压力机动态精度所包含的内容, 国内外并没有统一的定义。文献[5]对动态精度的定义为:冲压过程中滑块相对于工作台面在纵向、横向和垂直方向的位移给制件的加工精度带来的影响程度。国家科技重大专项“高速精密数控冲床”动态考核技术指标, 也只对整机垂直方向和水平方向动态重复精度进行了要求。因此, 本文将压力机的动态精度包含的内容归结为滑块的下死点重复精度、滑块相对于工作台的前后、左右方向位置的动态重复精度。

对于大吨位、大行程的高速压力机, 在高速状态下, 滑块在下死点的惯性力非常大, 从而引起连杆的拉伸及曲轴和机身的弹性变形, 致使滑块的下死点位置较低速状态下滑块的下死点位置有较大的下移, 最大下移量甚至超过200μm, 因此, 目前市场上的高速压力机多具有下死点自动调整功能[6,7]。行业内对压力机的下死点动态重复精度也有两种理解方式, 一种是压力机在某一速度下滑块下死点相对于工作台的位置波动值, 另一种是压力机在不同运转速度下滑块下死点相对于工作台的位置波动值。压力机滑块的前后、左右方向位置不具备自动调整功能, 因此压力机水平方向动态重复精度可定义为:在任意速度状态下, 滑块在工作角范围内某一固定高度处, 相对于工作台在前后、左右方向的位移波动值。

压力机的动态精度测量理论上应取其工作状态进行测量, 但在该状态下需要考虑模具的安装、制件的加工工艺等问题, 测量条件难以满足, 本文的目的是验证所述测量方法的可行性, 因此水平方向动态精度测量实例中选择空载状态进行测量。

1 压力机动态精度测量现状

鉴于压力机动态精度测量技术并不成熟, 目前行业内只对下死点动态重复精度进行测量, 对同样重要的压力机滑块相对于工作台前后、左右方向动态重复精度尚缺少合理的测量手段。

对于压力机下死点动态重复精度测量, 徐州锻压机床有限公司采用下死点测试仪对压力机的下死点精度进行过测量, 并对下死点的波形随速度变化规律、不同速度下的下死点位置偏移, 温度对下死点位置偏移的影响等进行了分析[3,8,9];李乐超[10]基于虚拟仪器及电涡流位移传感器, 开发了压力机下死点重复精度测试平台, 并对测量中的信号采用率、数据处理中的滤波器及滤波频率选择等进行了分析。

压力机水平方向动态位移与滑块相对于工作台的运动方向垂直, 是其难以进行准确测量的关键。本课题组早期对压力机水平方向动态精度进行测量的方法是:将传感器水平固定于工作台上, 感应面板固定于滑块上随滑块上下往返运动, 位移传感器连续采集滑块相对于工作台在水平方向的动态位移, 并将采集的所有位移值间的最大波动值近似作为滑块水平方向的动态精度。该测量方法的误差较大, 以非接触式电涡流位移传感器测量为例, 其存在的问题如下: (1) 传感器的安装、感应面板的加工及安装均存在误差, 导致滑块在上死点与下死点处, 传感器探头相对于感应面板的位移值并不相同, 位移差值致使测量结果中存在一个较大的原始误差; (2) 感应面板的运动, 致使探头在感应面板上的电涡流感应面的位置也随之改变, 感应面板的光洁度、材料的均匀性及厚度等因素也使测量结果存在一定的误差; (3) 由于受压力机传动系统中皮带滑块、齿轮间隙等影响, 压力机的运行速度也不稳定, 给数据处理中剔除上述误差带来很大困难。

基于上述原因, 本文介绍一种新的压力机水平方向动态精度测量方法。

2 压力机水平动态精度测量

2.1 测量原理

图1为压力机水平方向动态精度测量方法原理图, 具体测量原理为:电涡流位移传感器、光电传感器连接于数据采集卡不同通道, 并处于连续采集状态;遮光板在滑块带动下往返运动, 到达光电传感器高度时阻挡光电传感器的光信号传递, 使其输出信号产生脉冲突变, 触发保存电涡流位移传感器在该瞬间的位移值;每次脉冲突变对应的滑块位置不变, 通过多次触发保存滑块在同一位置处的位移值, 并对位移值进行一定的数据处理即可获得测量参数的动态精度值。

1.滑块2.工作台3.感应面板4.电涡流位移传感器5.固定架6.遮光板7.光电传感器8.数据采集卡9.显示存储器

2.2 具体测量方法

基于图1所示的触发测量原理, 根据数据采集卡的类型及信号采样率的要求, 可通过硬触发和软触发两种测量方法进行测量。

2.2.1 硬触发测量

该测量方式要求数据采集卡具有触发功能 (如NI公司的6251采集卡) , 有指定的数据采集触发通道, 光电传感器信号连接于该通道, 当光电传感器信号满足触发条件时, 数据采集卡开始对其他通道的位移传感器信号进行采集, 采集个数达到指定个数后停止采集, 等待下次触发。

该采集方式的优点是:保存的数据少, 数据处理简单, 可对高采样率的信号进行采集。缺点是:抗干扰能力差, 对由于外界干扰或采集卡自身原因等造成的误触发无法进行辨别, 致使测量结果存在不确定的误差。

2.2.2 软触发测量

数据采集卡进行连续信号采集时, 一般是先将采集的信号存入缓存区[11], 然后将数据读取出来写入保存的文件内。软触发测量的原理是在数据读取与数据保存间增添一个“软触发程序”环节 (图2) 。

软触发测量不要求数据采集卡具有硬触发功能, 测量过程中光电传感器与位移传感器连接于数据采集卡不同通道, 并保持连续采集状态, 采集程序的“数据读取” (结合图2) 端口从“缓存区”循环读取相同时间段位移信号和触发信号, 通过“软触发程序”处理后, 将处理后的位移信号进行保存。

该采集方式的优点是:能够对误触发进行辨识, 测量结果的可信度高。缺点是:“软触发程序”对信号的分析需要一定的时间, 因此只能对采样率较低的信号进行采集, 当采样率较高时, 由于从缓存区读取数据的速度小于设备将采得的数据往缓存中存放的速度, 所以容易造成数据的堆积而产生“缓存区”数据溢出错误。

针对软触发测量方法只适用于低采样率信号的问题, 可将图2的软触发信号采集流程进行改进, 将其中的“软触发程序”改在数据保存之后, 即先对光电触发信号和位移信号进行连续同步保存, 然后将数据读取出来, 再通过“软触发程序”找出触发时刻的位移值。软触发程序的工作流程如图3所示, 首先对读取的光电传感器脉冲信号进行分析, 找出脉冲信号的触发沿, 记录下各个触发沿对应的时间点, 并对相邻触发沿的时间间隔进行分析, 辨别其是否为误触发, 然后在读取的位移信号中, 保存触发沿瞬间所对应的位移值。

改进后的软触发测量方式既能满足高采样率要求, 又能对误触发进行辨别。

3 压力机动态精度测量实例

3.1 测量内容

压力机动态精度测量内容为某公司生产的800次/min、800 k N高速精密压力机, 空载状态下滑块相对于工作台左右方向的动态重复精度。

3.2 测量工具

测量工具有:NI公司的USB-9215 (BNC) 数据采集卡;基恩士EX-V系列电涡流位移传感器;欧姆龙E3XR-CE4光电传感器;24 V直流电源、PC机等其他辅助工具。

3.3 测量方法

USB-9215 (BNC) 不具备硬触发功能, 压力机的工作频率较高, 需要的信号采样率较高, 因此本次测量选用上述改进后的软触发测量方式。

测量中电涡流位移传感器通过固定架固定于工作台上, 感应面板固定于滑块上, 位移传感器探头为左右方向且与感应面板垂直, 光电传感器的触发高度选择在工作角高度范围内, 测量现场如图4所示。

3.4 测量中注意事项

压力机的水平方向动态精度较高, 尤其是高速精密压力机, 一般在50μm以下, 因此, 测量过程中要求外界干扰对测量结果的误差影响尽可能地小, 测量中应注意以下几点:

(1) 在压力机的动态精度测量中, 车间的电磁信号干扰较大, 因此采集信号的信号输入输出线必须是屏蔽线, 屏蔽线的接地方式根据屏蔽线的类型确定。本次测量采用单芯屏蔽线, 接地方式采用单端接地。

(2) 遮光板的端部要求加工为楔形, 而不是常用的矩形, 这是因为:遮光板固定于滑块下表面, 在机身振动的影响下存在一定的摆动, 结合遮光板的厚度影响, 遮光板的触发高度与理论高度相比存在一定的偏差, 致使光电传感器的触发早于理论触发, 即触发时间存在一定的偏差。图5为光电传感器触发偏差示意图, 图中实线为楔形遮光板, 虚线为矩形遮光板, 通过示意图可以看出, 触发时间偏差与Δz相对应, 遮光板的厚度及摆动角度越大, Δz越大, 对应的触发时间偏差越大。为了减小机身振动的影响, 遮光板的遮光方向要求选择为机身摆动较小的方向。

3.5 数据降噪方法

图6为压力机左右方向动态重复精度采集的信号图, 图中实线为电涡流位移传感器信号, 虚线为光电传感器的触发脉冲信号, 通过位移信号曲线可以看出, 由于受感应面板的加工及安装误差、传感器的安装误差等因素的影响, 采集到的位移信号近似为“V形”。由于受仪器自身因素或外界干扰影响, 信号噪声也较大, 为了降低信号噪声影响, 在触发测量原理的基础上, 本文给出两种数据处理方法:

(1) 滤波降噪法。先对位移信号进行滤波处理, 除去高频噪声的影响, 然后再分析每个触发沿瞬间的位移波动值。

(2) 多点取平均降噪法。在每个触发沿瞬间保存若干个位移值, 将若干个位移值取平均作为该次触发下的位移值, 以降低信号噪声影响。

滤波降噪法仅适用于软触发测量及改进后的软触发测量数据分析;多点取平均降噪法主要用于对硬触发测量的信号降噪处理, 同时也适用于软触发及改进后的软触发测量数据处理。

1.位移传感器信号2.光电传感器信号

3.6 测量数据处理

3.6.1 滤波降噪法数据处理

滤波数据处理采用低通滤波方式, 滤波截止频率要求大于10倍工作频率;本次分析的压力机最高工作频率为13 Hz, 滤波截止频率选择300 Hz。

图7所示为不同速度状态下, 触发位移信号的最大值、最小值及平均值变化曲线, 图中横坐标为转速, 纵坐标为传感器的位移, 滤波数据平均值、最大值、最小值分别为在固定的某一速度状态下, 所有触发瞬间位移信号的平均值、最大值和最小值。

1.最大值2.平均值3.最小值

在各个运行速度状态下, 触发瞬间的位移值呈现正态分布状态, 因此对于其中的奇异点, 采用3σ原则进行剔除[12]。结合本文对压力机水平方向动态重复精度的定义, 取所有速度下的滤波数据平均值的平均作为感应面板距位移传感器探头的平均距离, 取所有速度下的滤波数据最大值中的最大数值作为感应面板距位移传感器探头的最远距离, 取所有速度下的滤波数据最小值中的最小数值作为感应面板距位移传感器探头的最近距离, 则感应面板距位移传感器探头的平均距离为0.993 mm, 最远距离为1.009 mm, 最近距离为0.974 mm。即压力机滑块相对于工作台在左右方向的动态重复精度分别为0.016 mm、-0.019 mm。

3.6.2 多点取平均降噪法数据处理

多点取平均降噪数据处理要求所取的若干点对应的滑块竖直方向移动量尽可能地小, 从而将每次触发保存的若干位移值看作是滑块静止在触发高度处所采集的位移信号, 所取若干点所对应的滑块竖直方向移动量Δh计算如下:

式中, v为触发瞬间滑块竖直方向运行速度;m为每次触发所取的位移值个数;k为数据采集卡设置的采样频率。

通过式 (1) 可以看出, 在一定的压力机运转速度下, 触发高度处的滑块运行速度是固定值, 要想使Δh变小, 必须增大采集卡的采样频率, 减小所取的位移值个数。

滑块的许用高度变化量Δh, 本文给出一个范围供参考, 即要求其小于滑块行程的1/50。试验中触发高度处滑块的最高运行速度在0.6 m/s左右, 位移信号的采样率设置为3000 s-1, 滑块行程为30 mm, 结合式 (1) , 本次多点取平均降噪数据处理在每个触发瞬间取3个位移值。

图8所示为采用多点平均降噪方法, 并采用3σ原则剔除奇异点后, 不同速度状态下触发位移信号的最大值、最小值及平均值曲线。通过图8可以看出, 感应面板距位移传感器探头的平均距离为0.993 mm, 最远距离为1.008 mm, 最近距离为0.975 mm。即压力机滑块相对于工作台在左右方向的动态重复精度分别为0.015 mm、-0.018 mm。

3.6.3 两种数据处理结果比较

表1为两种降噪方法的数据处理结果比较, 通过表1可以看出, 两种方法所获得的感应面板距位移传感器探头的平均距离相同, 最大波动值、最小波动值间的差别仅为0.001 mm;结合图7、图8可以看出, 两种数据处理方法所获得的数据平均值、数据最大值、数据最小值随速度增大的变化趋势也基本相同。

1.最大值2.平均值3.最小值

4 结语

针对压力机水平方向动态重复精度测量的难点, 提出基于光电传感器与位移传感器复合的触发测量方法, 试验证明该测量方法可行, 数据处理简单, 测量结果准确可信。

硬触发测量不仅要求数据采集卡具有触发功能, 而且无法对误触发进行辨别, 而软触发只能满足低信号采样率信号采集。改进后的软触发测量方式, 不要求数据采集卡具备触发功能, 既能够对高采样率信号进行采集, 又能够对误触发进行辨别。

硬触发测量只能采用多点平均降噪方法, 软触发测量两种降噪方法均适用, 两种降噪方法所获得的测量结果基本相同。

光电传感器可以对多个位移传感器进行同步触发, 从而可以同步完成对压力机多个方向的动态重复精度的触发测量。参照压力机静态平行度测量标准, 在压力机工作台上布置若干个电涡流位移传感器, 采用触发测量方法, 可以对压力机运行状态下, 触发高度处滑块相对于工作台的平行度波动进行测量。本文触发测量方法还可应用于液压机、转塔冲床等其他冲压成形设备的动态重复精度测量。

摘要：针对压力机水平方向动态精度测量的难点, 提出了一种基于位移传感器与光电传感器复合原理的压力机动态精度触发测量方法;对软触发和硬触发的测量方法及存在的缺陷进行了分析, 提出了一种改进后的软触发测量方法;通过试验对所述测量方法的可行性进行了验证, 对试验中的注意事项进行了说明;针对触发采集的初始位移信号噪声较大的问题, 给出了滤波和多点平均两种降噪方法, 并对两种处理方法的分析结果进行了比较。

关键词：压力机,动态精度,触发测量,降噪方法

参考文献

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浅谈如何提高压力机零件加工精度第4篇

1 压力机精度对冲压件的影响

1.1 对冲裁加工件的影响

在冲裁加工中, 从滑块下面到模座上面的精度和其它各种精度对工件精度都有影响。最重要的问题: (1) 凸模和凹模的垂直度, 也就是保证上下模同心。 (2) 弹性缓冲, 在冲裁结束时负荷变为零, 由于压力机的变形能量使凸模突然插入凹模内, 这种锤击缓冲是导致模具损耗的原因。在高精度冲裁时, 变形量δ是重要的, 应防止或限制在最小限度。为此, 压力机必须保证静态高精度。特别是C形框架压力机由于开口变形, 容易出现上下模中心线大倾斜, 平行度也相应地发生偏差。如图3所示, 倾斜使剪断面不一致, 产生毛刺, 明显地缩短了模具寿命。尤其是高速自动冲床, 因为冲裁力是周期性反复的, 所以刚性达不到普通压力机的两倍以上的话, 各部位就要产生异常的挠度和变形, 产生大的噪音和振动, 以致不能进行连续运转。象这样的作业一定要使用A1级以上的压力机, 小型压力机应采用A特级。

对于板厚0.5mm以下的板料进行手工送料冲裁及一般的整修或精密冲裁等, 模具间隙在很小的情况下, 如不使用A1级精度的压力机很难长期保证制件精度。在冲裁0.8~1.2mm的板料时, 如模具间隙大, 垂直度好, 就能稍减少压力机刚性对制件的影响, 使用B1级的压力机也不会出现什么问题。料厚在1.6~2.4mm或更厚时, 生产批量不大可使用B2级压力机, 由于模具在偏斜造成的制件精度或外观影响不大。但在加工3mm以上的中厚板料时, 冲裁压力集中载荷作用在滑块上。因此压力机刚性又成为非常重要的因素, 在使用C形压力机时, 若压力不能控制在公称压力的60%以下, 不仅降低制件的质量, 对压力机寿命也有很大的影响。

1.2 对弯曲成形件的影响

在弯曲成形加工中, 压力机静态精度的好坏对制件的影响不大, 但压力机的刚性对制件有一定的影响。为把回弹误差控制在最小范围内, 使上下模镦死, 进行校正弯曲是一个较好的办法, 但夹在凸模和凹模之间的板料厚度存在一定范围的波动, 又因拉伸强度和其它机械性能也是变化的, 所以弯曲力有时可能是所需最低压力的几倍, 使压力机产生弹性变形影响制件精度。

弯曲成形加工一般使用A2级压力机, 如对制件精度特别是回弹量要求很严时, 板厚允许误差很小的磷青铜和其它薄板件的弯曲, 只有使用A1级压力机才能达到所要求的精度。因此, 制件材质厚度的不同比压力机规格还重要。如2级精度材料在进行弯曲成形时精度上没什么问题的话, 使用B2级压力机也能得到较好的结果。但这样的板料有时会混入厚而硬的材料, 使模具产生过载现象, 如压力机刚性好, 可能不产生变形, 但造成模具损坏或变形。

1.3 对拉深件的影响

在拉深、多次拉深、变薄拉深加工中, 当板料进入凹模圆角后, 板料只能沿着凸模压入凹模, 凸模很少成压死状态, 而且其加工压力比下死点的公称压力小的多, 因拉深力是在滑块行程中间到下死点这一段时间内连续作用, 所以压力机刚性对制件的影响很小。制件壁厚不均以及出现突耳等其它缺点, 主要是受冲模结构、尺寸和精加工程度的影响。如果凸模同样通过导向进入凹模, 压力机垂直度较好时, 对制件精度影响也不大, 所以一般使用B2级压力机就能满足要求。

可是很多压力机的滑块行程很长, 在测定滑块垂直度值时, 这个测定值虽然小, 但有些压力机的滑块出现8字形或矩形, 在变薄加工或铝等软板的拉深加工中, 制件的侧壁厚度不同和超出一般的突耳就会出现壁部高度不同的情况, 增加了制件的废品率。小型压力机滑块出现这种情况, 进行仔细研磨还能得到解决, 而大型压力机则要拆开进行机械加工来修整。

2 提高加工精度的措施

2.1 选择正确的压力机

压力机的选择, 主要是根据所需要完成的冲压工艺性质、生产批量、冲压件的尺寸及精度要求等。

中、小型的冲裁件、弯曲件或拉深件, 主要选用开式单柱 (或双柱) 的机械压力机, 大、中型冲压件, 多选用双柱闭式的机械压力机, 包括通用压力机、专用挤压压力机、精压机、双动拉深压力机等。

大批量生产中, 尽量选用高速压力机, 或是多工位自动压力机, 在小批量生产中, 尤其是对于大型厚板件的成形工序, 多采用液压机。

摩擦压力机, 结构简单、造价低、行程不是固定的。在冲压件的校平, 或是整形时, 不会因为板料厚度的波动而引起设备或模具的损坏, 因而在小批量.生产中, 摩擦压力机常用来进行弯曲、成形校平、整形等工作。

对于薄板冲裁、精密冲裁等, 应注意选择刚度和精度高的压力机, 以保证模具精度和冲压件质量, 对于校正弯曲、整形、挤压等冲压工艺, 选择刚度好的机械压力机, 以提高冲压件的尺寸精度。

2.2 采取合适的模式

精冲工艺要求设备同时提供冲裁力、压边力和反压力, 通常在专用的精冲压力机上进行。但是., 在不具备精冲压力机的条件下, 采取一定的技术措施, 即通过附加的机械液压装置获得压边力和反压力, 也可在通用压力机上实现精冲。

2.2.1 机械式

机械式压力机有两种精冲模式:弹簧施压简易精冲模、聚氨醋橡胶施压简易精冲模。由于这两种压料装置在精冲过程结束, 模具开启时容易将已冲成的工件顶人废料中;另外精冲过程中, 弹簧或橡胶施加的压边力和反压力将随着冲裁的进行而不断增大, 这样将恶化精冲模具的受力条件和刃口的工作状况, 降低模具的使用寿命, 因此现已较少采用。

2.2.2 液压式

由于液压力均衡平稳, 可按工艺要求在精冲过程中实现保压或减压, 控制简便.因此精冲技术中的压边和反压普遍采用液压来实现。有两种形式:一种是液压装置和精冲模具作为一体, 称为液压精冲模;另一种是液压装置和精冲模具完全分开, 称为液压模架。两种形式采用相同的液压系统:

1) 液压精冲模。它的特点是下液压缸安装在压力机工作台的下部, 上液压缸安装在上模内和精冲模合为一体, 结构紧凑.模具整体的结构高度小, 在封闭高度小的压力机上也可以采用。适合于生产中小型精冲件。液压精冲模集液压装里和精冲模具为一体, 增加了结构的复杂程度和造价, 因此液压精冲模的制造难度高于一般专用的精冲模。

2) 液压模架。它由上、下模座, 上、下活塞, 上、下压板.导柱、导套及弹簧组成, 结构十分简单。上、下模座有液压缸和活寨, 通人液压油后.合模时可分别提供压边力和反压力, 开启时可分别提供卸料力和顶件力。这样通用压力机装七液压模架后, 就具有精冲压力机的功能。液压模架的安装和拆卸, 和普通模具完全相同.不需对压力机进行任何改装。卸下液压模架后, 压力机即可用于其他非精冲的生产。

3 结束语

进行冲压加工的压力机基本是机械式、液压式或气动式, 这些机器本身的精度对所加工的零部件的精度有很大的影响。因此, 我们需要通过用选择正确的设备和采取合适的措施等方法, 来提高压力机零件加工的精度

摘要：精冲工艺要求压力机同时提供冲裁力、压边力和反压力, 通常是在专用的精冲压力机上进行。但是在不具备精冲压力机的条件下, 采取一定的技术措施, 也可在通用压力机上实现精冲。本文即是探讨如何在普通压力机上提高加工精度。

关键词：压力机,加工精度

参考文献

[1]王新华.简明冲模设计手册.2008.

[2]饶传峰.冲压工.2007.

压力控制精度第5篇

测压电路往往需要恒压或恒流源、A/D转换器和高精度运放。当测量精度较高时, 复杂的调理电路和高位数的A/D转换使成本和功耗增加。随着大规模集成电路的发展, 许多外设可以集成在片内, 为设计低功耗高精度测压系统提供了硬件基础[1,2,3]。

利用MSP430F2013的片上16位A/D和20ppm的电压基准, 辅助以非平衡电桥和过采样的方式, 能够实现高精度的压力测量;通过BP神经网络智能化数据融合方法对扩散硅压力传感器输出进行处理以消除非目标参量 (温度) 对传感器的影响;所完成的测压系统具有精度高、功耗低、成本低的特点。①

2测压硬件电路设计

在压力采集电路中, 需要高分辨率A/D变换器把测量电路的模拟信号进行数字化MSP430F20XX系列单片机具有功耗低、运行速度快的特点, 其中MSP430F2013内置16位A/D模块和18ppm的1.2V的参考电压, 适合做低功耗传感器信号采集和处理。

图1是系统硬件电路图, 压力传感器一般采用桥式电路, 在金属梁上贴有4个对称的应变电阻片, 在压力发生变化时金属梁发生形变, 导致4个桥臂上的应变片电阻发生变化, 输出电位差。因为压力桥的输出幅度不仅正比于被测压力, 也正比于激励电压, 故采用内部参考基准1.2V, 激励电压的变化将导致输出信号和基准源同时发生变化, 两者变化比例相等, ADC采样结果实际上是两者相除, 电压的影响将完全被消除[1]。因为是比值测量系统, 所以可以消除系统中的漂移误差。

MSP430F2013的SD 16模块不带输入缓冲, 其差分输入阻抗在PGA增益为2时约为250kΨ, 直接测量输出千欧级的电桥输出时会带有mV级的测量误差。为提高测量精度, 要在外部提供输入缓冲, 缓冲运放采用低噪低温漂双运放。

3 压力数据的融合方法

扩散硅压力传感器在输入压力P数值不变的情况下, 当工作温度T变化时将引起传感器输出发生变化。为了消除非目标参量 (温度) 对传感器输入-输出特性的影响, 可采用多种先进补偿算法。本文采用BP神经网络智能化数据融合方法, 对压力传感器进行温度补偿, 并就补偿效果进行分析。

3.1 数据采样

在压力传感器的量程范围内确定n个压力的标定点, 在工作温度范围内确定m个温度标定点, 于是由压力P与温度T标准值产生各个标定点的标准输入值为:

对应上述各个标定点的标准输入值读取压力传感器输出值为X和温度输出值Y, 这样我们实现了样本的实验标定。

3.2 BP神经网络法

BP算法的基本思想是:学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成[4]。正向传播时, 输入样本从输入层传入, 经各隐层逐层处理后, 传向输出层。若输出层的实际输出与期望的输出不符, 则转入误差的反向传播阶段。误差反传是将输出误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传, 并将误差分摊给各层的所有单元, 从而获得各层单元的误差信号, 此误差信号即作为修正各单元权值的依据。这种信号正向传播与误差反向传播的各层权值调整过程是周而复始地进行的。权值不断调整的过程, 也就是网络学习训练的过程。此过程一直进行到网络输出的误差减少到可接受的程度, 或进行到预先设定的学习次数为止[5,6,7]。

图2给出了单隐层BP神经网络模型, 它具有两个输入, 每个输入都是通过一个适当的权值ω和下一层相连, 网络输出可以表示为式 (1) , f是表示输入/输出关系的传递函数[7]。

在网络中, 隐含层的激励函数选用S型函数, 即:

输出层的激励函数选用线性函数, 即:

各层节点的输出可按下式计算:

式中:y———节点输出;xi———节点接收的信息;ωij———相关连接权重;θ———阀值;n———节点数。

如上所述, 建立一个三层BP神经网络模型, 把实际标定的样本数据输入网络进行学习训练后, 再进行交叉敏感的消除, 从而达到数据融合的目的。

4 数据分析处理

4.1 补偿前压力传感器数据

本压力计的量程为0～10MPa, 根据传感器的测试要求, 对实验数据进行标定, 压力测试点从0～10MPa内选择6个点, 温度测试点从-10～50℃度范围内选择7个点, 每个温度点内对传感器进行了3个循环的标定, 表1中的数据为3个循环的平均值, 因为扩散硅压力传感器具有很好的滞后性和重复性, 所以未列出回程数据, 只对传感器的非线性进行计算[6]。

4.2 BP神经网络法

按图2所示的模型, 建立三层BP神经网络, 输入层和隐层神经元激励函数选sigmod函数, 输出层神经元为f (x) =x, 选用收敛速度最快的Levenberg-Marquardt学习算法对网络进行训练[4]。经过试训发现训练步数选为50步已经可以达到很好的融合效果。网络经过训练后, 用simff函数对网络进行仿真试验, 然后经过反归一化可得到温度补偿后的压力输出值, 如表2所示。

为了更好地检验补偿后效果, 补偿后测量温度点和压力点和补偿前的不完全相同, 目的是检测非标定点的测量值。

在MATLAB中绘出补偿前后输入/输出关系, 从图3中能直观地看出, 温度补偿前不同温度条件下曲线稀疏, BP神经网络法处理后曲线紧密, 这表明BP神经网络数据融合算法达到了补偿效果, 并且从图中可以看出BP神经网络法融合效果几乎是y=x一条直线, 能满足高精度的测量场合。

5 系统软件设计

主程序流程如图4所示:主程序的初始化指时钟的初始化, SD 16相关寄存器的设定, 最后打开内部参考电压给外面的传感器供电, 在输入压力信号稳定后, 打开SD 16进行采样, 采样结束系统进入休眠模式, 等待SD 16完成128次采样并退出休眠模式, 最后将得到的采样值通过BP神经网络法运算得到压力值。

6 结束语

该系统采用高集成度的MCU, 片上实现了信号放大、A/D转换、校正和拟合, 实现了低成本高精度测压。BP神经网络算法能有效地达到温度补偿的效果, 数据融合能力强, 补偿效果明显, 但是算法理解较难, 可以用于其它类型的传感器的数据智能化处理中。实际设计中如果采用更高精度和分辨率的压力标定设备和更多的数据来融合, 压力的测量会达到更高的精度。

摘要：针对高精度测压的要求, 提出一种基于MSP430F2013的高精度测压方案。利用单片机上20ppm电压基准和16位AD, 辅助以非平衡电桥和过采样的方式, 能够实现高精度的压力测量;通过BP神经网络智能化数据融合方法对压力传感器输出进行处理以消除非目标参量 (温度) 对传感器的影响。该方案具有测压精度高、功耗低、成本低的特点。

关键词：压力测量,高精度,低成本,MSP430F2013

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压力控制精度第6篇

系统由直流稳压源提供±12 V和±5 V 两种电压。设定±12 V供电时,系统电压输出满量程为5 V,传感器承受静压力满量程为19.6 N。满量程范围内测量时,静压力信号最大绝对误差<9.8×10-3 N,相对误差<0.02%。测力传感器输出信号经放大电路后提供电压和电流两种输出方式。

2 系统硬件电路整体设计方案

系统整体设计流程如图1所示。系统硬件电路主要由LC7012测式力传感器、AD620仪表放大器、参考电压源以及电压调零电路、信号滤波整形电路和电压电流转换电路组成。

2.1 压力测量电路

压力测量采用LC7012测力传感器,配以全桥测量电路实现。LC7012测力传感器受到压力作用时有以下两个特点:(1)同样压力情况下传感器应变片的应变量和电桥的输出电压是常量,且与压力作用在传感器受力端的精确位置无关。(2)应变片组成的全桥电路的输出电压与压力基本成线性关系。

LC7012测力传感器中4片电阻应变片粘贴在双孔梁的应变区,在有静压力作用时,双孔梁在压力和系统底盘对双孔梁的支持力的作用下产生四边形形变。4片应变片以全桥方式接成全桥电路,在供桥电压的激励下,随压力不同而输出不同的微弱电压信号,放大电路将电桥送来的微弱电压信号进行放大。

全桥式等臂电桥的结构简单、对称性强、灵敏度高、各臂参数一致性好,各种干扰的影响可以相互抵消,比如可以抑制温度变化的影响,以及抑制侧向力的干扰、较方便地解决测力传感器的补偿等问题。全桥测量电路可使输出的微弱电压信号,尽可能地排除由电路本身干扰而引起的误差,为系统整体精度要求提供最初的保障。

2.2 电压信号放大电路

为提高电桥输出的微弱电压信号的放大精度,信号放大电路选用ADI公司生产的AD620芯片为核心原件,并为其设计专门的可调参考电压源,以满足不同电压源供电对参考电压的需求和精确放大微弱信号的需求。

AD620是一款低成本、高精度的仪表放大器,仅需一个外部电阻来设置增益,增益范围为1～10 000 dB。且AD620功耗低,最大工作电流为1.3 mA。AD620具有高精度(最大线性度40×10-6)、低失调电压(最大50 μV)和低失调漂移(最大0.6 μV/℃)的特性,是传感器接口等精密数据采集系统的理想选择[1]。

AD620单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供差分双极输入,并采用β工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620内部增益电阻以调整至绝对值24.7 kΩ,因此利用一个外部电阻便可实现对增益的精确编程。

增益公式为[3]

$G = \frac{49.4}{R_{G}} + 1, R_{G} = \frac{49.4}{G - 1}$ (1)

AD620放大后的电压信号可通过滤波整形电路,并经由模数转换器模块用数码管以数字形式显示。为充分利用和展示虚拟仪器的功能,系统使用LabVIEW设计相应的信号采集处理程序和显示器界面。

2.3 参考电压源电路和电压调零电路

参考电压源电路主要由一个稳压二极管LM285、一个低功耗双运算放大器芯片LM258、一只可变电阻和若干固定阻值电阻组成,如图2左下部分。该参考电压源电路可为AD620提供1.25 V或2.5 V精确参考电压。

稳压二极管LM285提供初级稳定电压,但由于二极管的温漂较大,且同批次不同二极管的稳压值也不尽相同,所以必须对其设计相应的辅助稳压电路。运算放大器LM258U1A对来自稳压二极管的电压进行放大,并通过反馈电阻R2对输出电压进行反馈,使得输出电压更加稳定。电阻R5和电位器W1对稳压二极管的输出电压进行分压。电位器W1有两个作用:(1)调节W1可使得由运算放大器LM258U1B组成的电压跟随器有不同的输出电压,进而对AD620提供不同的稳定参考电压。(2)电位器W1还对AD620组成的放大电路起到调零作用。使用电压跟随器是因为电压跟随器可以提高输入阻抗且降低输出阻抗,而电源的要求正是需要电路有较小的输出电阻。

AD620本身具有内部调零功能,但根据实际测量发现,当差分输入为零时输出并不为零,而是大约有零点几mV的输出,所以,为提高输出的精确性,还需对AD620进行外部调零,通过对AD620参考电压管脚提供不同参考电压可使得仪表放大器AD620输出端在差分输入为零时,输出电压对地为零。电路正是通过调节W1使得电压跟随器输出端有不同的电压输出,调节AD620的参考电压,从而起到对AD620调零的作用。

参考电压不稳定会直接影响到由AD620组成的放大电路的稳定性,并导致最终输出结果的不精确。所以系统并没有直接采用直流稳压源提供的相对稳定的-12 V或-5 V作为参考电压。

2.4 电压电流转换电路

电压电流转换电路使系统可以以电流的形式输出,由AD620与一个AD705运算放大器和两个电阻相结合,构成一个静谧的电流源,AD705为基准引脚提供缓冲,以确保良好的共模抑制(CMR)性能。AD620的输出电压出现在电阻RL上,后者将其转换成电流输出。

AD705是低功耗、双极型的运算放大器,它具有双极型场效应晶体管的输入级。因此,具有输入阻抗高、输入失调电压低、输入偏置电流小、输入失调电压漂移小的特点。输入偏置电流达到了pA级的水平,它既具有双极型场效应晶体管与双极型运算放大器的许多优点,又克服了全温度范围内偏置电流漂移大的缺陷。在全温度范围内,AD705的偏置电流典型值仅增长5倍,而一般的双极型场效应晶体管运算放大器偏置电流要增长1 000倍。与OP07相比,温度漂移值为OP07的1/2,最大输入偏置电流仅为OP07的1/5,输入失调电压仅为OP07的1/20。由于是双极型场效应晶体管输入极,因此,信号源阻抗比OP07高得多,而它的直流精度却保持不变[5]。

3 系统整体软件设计方案

系统软件采用LabVIEW编写。LabVIEW是一种图形化的编程语言,作为数据采集和仪器控制软件的标准被广泛应用于各个领域。LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器。在一个硬件的情况下,通过改变软件编程,就可以实现不同仪器的不同功能,方便、快捷。

结合当前测试领域仪器发展新方向,最终输出模拟电压信号选用研华USB4716通用数据采集模块进行采集,传输到计算机。使用NI虚拟仪器(LabVIEW)设计电压信号采集控制程序和电压数据实时显示界面。利用LabVIEW软件平台分析、处理来自USB4716的数字电压信号。LabVIEW电压信号采集控制和显示的部分程序如图4所示。

4 定量测试及结果分析

4.1 数据处理方法

二阶插值(抛物线插值):在一组数据中选取(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2)这3点,相应的插值方程[1]

$f (x) = \frac{(x - x_{1}) (x - x_{2})}{(x_{0} - x_{1}) (x_{0} - x_{2})} y_{0} + \frac{(x - x_{0}) (x - x_{2})}{(x_{1} - x_{0}) (x_{1} - x_{2})} y_{1} + \frac{(x - x_{0}) (x - x_{1})}{(x_{2} - x_{0}) (x_{2} - x_{0})} y_{2} (2)$

4.2 数据处理结果

为取得压力与电压的精确对应关系,方便后续绝对误差和相对误差的分析,实验采用静态测量方法,测量一系列的静压力值,并对实验结果进行定量分析,从而测定电路精度,而没有采用常用的波形时域和频域分析的方式。

在满量程范围内由小到大测量20个静压力值,并使压力增量Δ相同。令Δ=0.98 N,采用二阶插值法分析电压与压力对应的关系。由表1中选取具有代表性的3点:(x0,y0)=(0,0);(x1,y1)=(2.498 V,9.8 N);(x2,y2)=(5.001 V,19.6 N)。带入二阶插值公式得传感器所受压力与系统输出电压关系曲线为

y=(-1.568×10-3)x2+3.927x (3)

4.3 误差分析

绝对误差反映测量值偏离真实值的大小,即测量值与真实值之差的绝对值。绝对误差可定义为

$ε = | X - L |$ (4)

式中,ε为绝对误差;X为测量值;L为真实值。

相对误差是绝对误差与测量值或多次测量平均值的比值,并且通常将其结果表示成百分数的形式,所以也叫百分误差。

绝对误差可以表示一个测量结果的可靠程度,而相对误差则可以比较不同测量结果的可靠性。当用同一种工具测量时,被测量的数值越大,测量结果的相对误差就越小。

应变式压力传感器试验系统的绝对误差和相对误差如图5和图6所示。两图中分别给出了出另外两种数据处理方法:线性插值法和平均选点法的绝对误差和相对误差曲线。从图5和图6中可以看出,二阶插值法计算精度高于其他两种方法,也证明该数据处理方法的选择是正确的。

5 结束语

由相对误差和绝对误差图知,在0～4.9 N范围内电路的测量结果误差较大,但仍满足系统设计要求。经过对传感器及实验测量电路的分析,认为误差较大的原因来自于传感器的悬臂梁材料刚性以及固定应变片的粘性材料的柔性影响。由于电桥输出的微弱电压信号精确度受到影响,在经过放大电路后,误差也被放大,从而导致实验结果误差在测量值较小时误差较大。综上所述,该压力信号放大系统满足:满量程绝对误差<9.8×10-3 N,相对误差的设计要求。

摘要：微弱信号的放大要求高、难度大,涉及信号放大以及信号放大的稳定性及精密度要求。差动放大技术由于具有抑制共模信号而仅放大差模信号、增益高的特点,被应用于小信号放大技术中。系统设计采用具有差分放大功能的AD620芯片,放大了应变式传感器的微弱电压信号,以实现系统高精度的要求。采用虚拟仪器技术对放大后的信号进行采集和分析处理,并编写相应的显示界面。用二阶插值法对测量数据进行分析,验证了电路的精确性。

关键词：AD620,二阶插值,LabVIEW,测力传感器

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[4]曹军.AD620性能及其应用[J].电子器件,1997,20(3):62-66.

压力控制精度第7篇

压力传感器是工业现场最为常用的一种传感器, 广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等各种工业控制环境。常见的压力传感器包括应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电压力传感器、蓝宝石压力传感器等。目前, 市场上大多数的压力变送器以模拟量输出为主, 还有少部分是基于Hart协议的智能压力变送器。而在当今测控领域中, 几乎全部采用数字化处理, 用户需要先将模拟量转换成数字量[1]。因此, 在测量压力时, 最少需要经过1次A/D转换, 甚至2次A/D转换加1次D/A转换, 而且模拟信号的传输过程中也会引入干扰和损失, 即使精度再高的模数和数模转换都会导致较大的测量误差。而数字化的压力变送器可以省去模拟信号的传输和不必要的模数和数模转换。因此, 本文将介绍一种数字压力变送器的设计, 该压力变送器基于CAN总线[2]传输, 测量精度较高。

1 压力变送器硬件设计

基于CAN总线的高精度数字压力变送器的原理框图如图1所示。该压力变送器主要包括压力信号测量与调理部分、数字处理部分、CAN总线传输部分。

1.1 压力信号测量与调理部分

根据实际测量的需要, 笔者采用进口85型超稳型不锈钢压力芯体, 它是采用微机械加工技术制造而成的硅压阻式压力传感器。传感器芯片[3]贴装于TO型基座上, 并在膜片和传感芯片之间充有少量的硅油, 硅油在膜片与压阻式传感器之间传递压力, 最大输出信号为100 mV, 内部输入阻抗典型为3 500 Ω。

压力传感器的等效电路如图2所示。从图2可看出, 压力传感器内部可以看成是一个惠斯通电桥, 激励电源可以选择恒压源或恒流源, 采用恒流源可以有效克服激励电源波动等干扰造成的测量误差。当激励电流为1 mA时, 压力传感器满量程输出为100 mV, 因此, 压力传感器的信号还需要放大处理。

图3为压力传感器驱动放大电路。从图3可看出, 上边恒流源驱动部分为压力传感器驱动模块, 提供约为1 mA的电流, 下边为典型的仪表放大器电路。

1.2 数字处理部分

数字处理部分采用ADuC836[1]作为核心器件。ADuC836是美国AD 公司新推出的高性能单片机, 它将8051内核、2 路16位Σ-ΔA/D、12位D/A、FLASH、WDT、μP监控电路、内部基准电源、SPI 和I2C总线接口等资源集成在一起, 构成一个可编程的、能够进行自校准的高精度模拟数据采集系统, 具有体积小、功耗低等特点, 非常适用于各类智能仪表、智能传感器、变送器和便携式仪器等领域。另外, 它还采用闪速/电擦除存储器, 并且自带加载器和调试软件, 使系统的设计、编程和调试更为简便。

ADuC836有62 KB的FLASH/EE程序存储器用来存储用户代码, 4 KB的FLASH/EE数据存储器, 2 304 B的RAM, 因此, 不需进行存储器扩展。用户代码可以经过UART串行口下载到存储器, 不需要额外的硬件支持。

综上所述, 通过1片ADuc836就可以完成压力信号的模数转换, 压力数据数字化标定、校准功能及总线输出。

1.3 CAN总线传输部分

本系统采用CAN现场总线代替传统的RS485总线。CAN总线的连结节点数多达110个, 与RS485总线最大不同是它具有总线仲裁功能, 总线上的任意节点都可以随时主动发送信息且能够有效避免多下位机同时上传时数据造成的冲突。一般CAN总线使用较短的帧结构, 每帧传输占总线时间较短, 最大传输速度可达1 Mbit/s。另外, 当CAN总线上的某个节点出现严重错误时, 能够自动关闭输出, 使总线上的其它节点及通信不受影响, 从而大大提高了系统的可靠性。

CAN总线是一种多主总线, 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维, 通信距离可达10 km, 性能远远优于RS485总线。它通常由CAN总线控制器和CAN总线驱动器2个部分构成。

本文设计的压力变送器的CAN总线核心器件采用了CSM100[4]芯片。它内部集成完全电气隔离的CAN-bus接口电路, 采用全灌封工艺, 具有很强的抗干扰能力, 大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性, 其主要功能是实现了UART-CAN之间的透明转换, 用户不必深入了解CAN-bus的相关知识, 利用该芯片操作CAN-bus就如同操作UART一样方便。图4为CSM100的功能框图。

从图4可看出, CSM100只需串口就可与CPU通信, ADuC836只要正常操作串口就可以完成CAN总线通信功能, 大大提高了产品开发速度。

2 压力变送器系统设计

由于ADuC836指令与8051兼容, 故可以利用8051单片机的软件资源开发该压力变送器的软件程序;充分利用ADuC836提供的内部校准和系统校准功能, 定时进行内部零位和满量程校准, 解决了除传感器之外的漂移误差。

该压力变送器还具有非常方便的在线标定校准功能, 如图5所示, 同时将多只压力变送器连接同一个压力源, 通过CAN总线与PC机相连, 通过上位机软件可实现多只变送器同时标定校准。

上位机同时记录标准压力值和被校表对应的电压值, 经过温度补偿后, 再通过CAN总线将标定分别下载到压力变送器单片机的数据存储器中, 完成标定工作。

3 结语

本文设计的基于CAN总线传输的数字压力变送器具有精度高、体积小、集成度高、可靠性高、智能化、成本低等特点, 并具有在线标定校准和温度补偿功能, 可用于不同的工业场合。

摘要：介绍了一种基于CAN总线的高精度数字压力变送器的设计方案。该压力变送器采用高稳定性扩散硅式压力芯体, 信号经调理后由高性能ADuC836单片机进行数据处理, 最后通过CAN总线输出压力值, 具有精度高、体积小、集成度高、可靠性高、智能化、成本低等特点及在线标定校准和温度补偿功能。

关键词：压力变送器,CAN总线,ADuC836单片机

参考文献

[1]夏义全, 牟志平.应变片压力传感器变送电路的设计[J].科技资讯, 2007 (32) .

[2]饶运涛, 邹继军, 郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:航空航天大学出版社, 2003.