霍爾傳感器的一種特殊應用
等離子自動高低調節(jié)器是切割機中必不可少的配套設備,廣泛應用于大型裝備制造、造船和切割等領域,其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持最佳切割距離,消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機在工作過程中不能準確獲取切割割炬與鋼板的距離,這就必然影響鋼板的切割質量。切割的弧電流強光會給操作人員造成視覺疲勞。因此,給出了一種基于霍爾傳感器的設計方案,保證切割過程中割縫寬度均勻,切割精度提高。
2 系統(tǒng)設計
該設計方案利用霍爾效應原理產生隨磁場變化而產生變化的電壓,把變化的電壓送到自動高低調節(jié)器,控制割炬的上升與下降,形成一個閉環(huán)的自動高低調節(jié)系統(tǒng),如圖1所示。該閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關手動自動轉換器、光電耦合器、三態(tài)門互鎖器、電機驅動器以及機械絲桿傳遞定位系統(tǒng)組成。圖2所示是系統(tǒng)控制電路圖,從而能在切割過程中實時控制割炬與鋼板的距離,有效保證鋼板的切割質量。
2.1 霍爾傳感器
將一塊導體板置于磁場,使磁場的磁感應強度B的方向與板垂直,當導體板中流經一定電流時,垂直于磁場和電流方向的導體板的橫向兩側會產生一定的電勢差,這一現象稱為霍爾效應。霍爾傳感器是根據該原理制成的。圖3是一個霍爾傳感器,它共有4個接線端,分別為接地、+5 V,-5 V和電壓輸出,水電纜通過中間空心圓。
等離子發(fā)生器起弧后,霍爾傳感器采集割炬與鋼板之間的電流,水電纜中的電流穿過霍爾傳感器,在其周圍產生恒定磁場。向霍爾傳感器預先施加一恒壓,產生一恒定電流,霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。如果切割電流有微小變化,則產生變化的磁場,而輸出的霍爾電壓也是變化的,這樣就把切割中的變化電流轉化為變化電壓,輸出的霍爾電壓包含有干擾信號,其高頻信號的范圍較寬,這就需對信號電壓進行高頻濾波,從而獲取有用信號,再將其信號送至等離子自動高低調節(jié)器。以運算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓,并通過調節(jié)VR1改變其輸出電壓,也可以模擬霍爾傳感器輸出電壓。
2.2 高頻濾波電路
高頻濾波電路由C1,L1,R1組成。由于高頻信號經LM324運算放大器后,還有部分雜散的高頻信號沒有濾除,電容C1用于濾除高頻信號,而電感L1阻礙高頻信號,只允許被檢波的低頻解調信號通過,這樣在負載R1上就建立了微弱的電壓信號。
2.3 差分運算放大器
運算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸入B1的引腳3,引腳3緩沖輸出,用于隔離信號源,提高負載驅動能力。D2和D3二極管具有箝位作用,正向導通,信號電壓被耦合至R2,R2上的電壓隨R1變化,具有電壓跟隨器的作用,R2的電壓輸入至后續(xù)B2的12引腳,14引腳和8引腳分別輸出電壓V14和V8。采用雙端輸入、單端輸出放大信號,將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號輸入至差分放大器B4的5引腳和6引腳,由B4的7引腳輸出放大后的信號。
2.4 比較器
控制系統(tǒng)中的比較器將差分運算放大器B4輸出的電壓施加至LM339比較器的E3和E4的5引腳和6引腳,而4引腳和7引腳被二極管D5箝位于0.3 V。當差分運算放大器輸出的電壓落在5引腳和6引腳中,即輸出電壓比E3的4引腳電壓低,而高于E4的7引腳,比較放大器的E3的2引腳和E4的1引腳無電壓輸出。這時割炬與鋼板的距離保持靜止,發(fā)光二極管D19和D20不亮。當電壓高于E3的4引腳電壓,比較器E3的2引腳輸出高電平,D19點亮;當電壓低于E4的7引腳,比較器1引腳輸出高電平,D20點亮,從而指示割炬的升高或降低。調節(jié)VR3電位器中點電壓,改變E4的4引腳和7引腳電壓,使其始終箝位于0.3 V,實際上就是改變割炬離鋼板的實際距離。由圖2看出,當割炬離鋼板時,霍爾傳感器和B4都輸出低電壓,甚至低于E2的8引腳電壓。使E2的14引腳輸出低電平,從而控制M1模擬開關的12引腳和6引腳,M1變?yōu)殚_路狀態(tài)。比較器信號無法通過,割炬保持靜止。
2.5 斷弧提升器
起弧后,霍爾傳感器產生的電壓通過D1送至E1的11引腳,由于E1的10引腳的發(fā)光二極管被箝位于2 V,所以當霍爾傳感器起弧后輸出電壓低于2 V時就為斷弧,處于斷弧狀態(tài)時E1的11引腳電壓比10引腳電壓低,13引腳輸出低電平,該下降的低電平通過微分電路C2和R17產生下降的負向微分信號來觸發(fā)NE555單穩(wěn)態(tài)2引腳。NE555在電源打開瞬間產生一個控制模擬開關的輸出電壓,選通模擬開關,這樣M1的脈沖能夠順利通過引腳,使割矩產生提升動作,從而為自動定位作好準備。即使在數控機切割爬坡過程中,突然斷弧。割炬也會順速提升,割炬避免與鋼板碰撞,從而保護割炬。
2.6 模擬開關手動自動轉換器
模擬開關是由兩片CD4066集成電路組成,用于控制手動和自動調節(jié)割矩高低。自動狀態(tài)下,K3處于自動檔位,控制M2的6引腳和12引腳來選通M2,使上升信號和下降信號順利通過M2模擬開關,發(fā)光二極管D21可指示自動和手動狀態(tài),D21點亮時表示自動狀態(tài),反之為手動狀態(tài)。也可通過手動調節(jié)SBl和SB2,以實現割矩高低調節(jié)。
2.7 定位起弧電路
自動定位時,K3處于自動狀態(tài),按下SB3按鈕,觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)556器件C1的6引腳,其5引腳輸出的高電平通過D28加到M1的5引腳,選通模擬開關M1的3引腳和4引腳,這時F1器件的9引腳輸出振蕩方波加到M1的3引腳。由于K3處于自動狀態(tài),M2的6引腳和12引腳處于高電平,振蕩方波通過M2傳輸給光電耦合驅動電機電路,從而驅動直流電機正轉。通過絲杠帶動割炬向下運動,割炬碰到鋼板,鋼板頂起割炬,直到割炬觸頭碰到微動開關L1。L1微動開關閉合,觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時電路G2的8引腳,9引腳輸出階躍上升信號,可迅速輸入到G1的2引腳復位端,使5引腳停止輸出高電平,以終止割炬繼續(xù)下降。該信號同時通過D29加到模擬開關M1的13引腳,以選通M1的1引腳和2引腳,這時G2的9引腳輸m的振蕩方波加到M1的1引腳,由于K3處于自動狀態(tài),M2的11引腳和10引腳處于選通狀態(tài),振蕩方波通過M2的11引腳和10引腳,傳輸到光電耦合驅動電機電路,從而驅動直流電機反轉,G2的9引腳延時單穩(wěn)時間或割炬上升定位時間,或直流電動機反轉提升割炬時間。定位后,G2觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路H器件555的2引腳,H通過R31和C13時間常數的積分延時,3引腳輸出一個脈沖方波,通過D29和光耦,使繼電器上電,常開觸點閉合,啟動起弧開關,傳送至等離子發(fā)生器,使得強大的電流擊穿鋼板,起弧成功?;魻杺鞲衅鞑蓸悠鸹⌒盘?,輸出電壓,傳送至B1的3引腳,使B1的1引腳輸出變化的電壓,從而實現調節(jié)。
2.8 可變占空比產生器
手動和自動振蕩器組成可變占空比發(fā)生器,其原理是由F1與R40、R41、VR5、D32、D33、C16組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。D32、D33分別是充電和放電回路的導通管。
調節(jié)VR5不會影響振蕩周期T,但可改變占空系數,即改變脈沖寬度,也就是改變電機的旋轉速度和割炬的上升速度和下降速度。
2.9 光電耦合與電機驅動電路
比較電路的高低調節(jié)信號通過光耦VLC1和VLC3傳送至功率驅動電路,使得電機驅動電路與模擬開關電路光電隔離,這樣可減少模擬開關電路的干擾。光電耦合與電機驅動電路如圖4。
當上升信號通過VLC1時。D36的發(fā)光二極管導通發(fā)亮,并在R45上建立電壓。該電壓加在三態(tài)門S1的2引腳和三態(tài)門S4的12引腳端,與此同時,由于VLC3無信號,D37截止,在R47上無電壓,該低電平信號通過S2,輸出給S1控制端,S1 三態(tài)門選通。S1導通的同時,選通的S4輸出信號加到S3三態(tài)門控制端,封鎖S3 三態(tài)門導通。
當下降信號通過VLC3時,D37導通,并在R47上建立電壓,該電壓加到S3的9引腳和S2的5引腳。與此同時,由于VLC1無信號,D36截止,R45上無電壓,該低電平信號通過S4,輸出給S3的控制端,S3三態(tài)門選通;在S2導通的同時,選通的S2輸出信號加到S1的三態(tài)門控制端,封鎖S1。
當S1、S2、S4選通時,V1、V5、V6、V4、V10導通;V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10導通,整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端,電機正轉,電容探頭提升;當S2、S3、S4選通時,V2、V7、V3、V8、V9導通;V1、V5、V6、V4、V10截止,由于V9和V7導通,整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端,電機反轉,電容探頭下降。
該電路受外界電磁干擾或者誤操作,同時按動“上升”和“下降”按鈕,可能導致VLC1和VLC2同時選通,但由于74LS125三態(tài)門具有保護作用,只允許上升或下降信號通過,電路具有互鎖性,可避免燒壞后續(xù)驅動管。當電機電流超過V6、V7、或V9、V10驅動管額定電流時,驅動管可能被燒壞。因此,采用74LS125三態(tài)門互鎖,并在V7和V10發(fā)射極增加采樣電阻。當采樣電壓超過光耦導通電壓,光耦輸出將調高的信號電壓短路,使信號電壓不能通過VLC1或VLC2,這樣就保護了驅動管。
3 割炬定位結構系統(tǒng)圖
割炬定位機械結構是由霍爾傳感器、水電纜、微動開關、觸頭、上夾緊盤、割炬夾、壓縮彈簧、下夾緊盤、信號線、絲桿、直流電機組成。上夾緊盤、下夾緊盤和壓縮彈簧夾緊割炬,割炬穿過割炬夾圓孔。割炬夾圓孔直徑比割炬直徑稍大一些,這樣可在夾圓孔中上下活動。由于彈簧和重力的作用,割炬平穩(wěn)垂直地放在割炬夾圓盤上,水電纜穿過霍爾傳感器,霍爾傳感器采集切割變化的電流,如圖5所示。割炬定位時向下運動,割炬碰到鋼板后,鋼板頂起割炬,這時割炬與割炬夾產生相對運動,彈簧被壓縮,直到割炬觸頭碰到微動開關L1。L1閉合產生的觸發(fā)信號通過信號線傳給自動高低調節(jié)器,通過觸發(fā)單穩(wěn)延時電路,產生割炬上升定位時間,也是直流電動機反轉提升割炬時間。由于割炬的提升,壓縮彈簧逐漸恢復,如果事先通過自動高低調節(jié)器設定割炬提升時間常數,從而確定割炬提升后割炬與鋼板的距離,獲到割炬與鋼板的最佳起弧距離。
4 調試與使用
系統(tǒng)使用前應進行電路自檢。首先打開電源開關,這時電機提升,D36點亮,說明D單穩(wěn)態(tài)3引腳輸出高電平;按下SB1和SB2,割炬上升或下降,說明F1和F2振蕩器和功率驅動正常:自動/手動開關K3置于自動狀態(tài)位,按下SB3按鈕,D36先點亮,瞬間熄滅后,D37點亮,接著熄滅,說明G1和G2定位系統(tǒng)正常;K1和K2分別打在1和2位置,調節(jié)VR1電位器,如果三位半板表有電壓變化指示,說明運算放大器C1和B正常;板表測到一個電壓值,再左右調節(jié)VR3電位器,如果D19和D20交替點亮,說明比較器E正常的。
K1打在1位置,K2打在2位置,K3在手動位置,啟動起弧測量。如果板表測量值在3 V和8 V之間,將K2設在3位置,并調節(jié)VR3,使電壓介于3 V和8 V之間,然后把K3打在自動位置,就可以測量。
根據實際情況霍爾傳感器可選型為:40 A/4V,60 A/4V,80 A/4 V,100A/4 V,120A/4 V,160 A/4 V,200 A/4V,300 A/4 V?;魻杺鞲衅髋c高低調節(jié)器之間連接,應使用屏蔽電纜,屏蔽線接地,以免等離子起弧時,空間的強大電磁干擾把霍爾傳感器里面的電路擊穿而損壞。
5 結束語
霍爾傳感器應用到數控切割中是等離子切割機一種新的調節(jié)方法。這種方法不但切割后工件質量好,精度達到要求,同時還減輕了操作者的勞動強度。該系統(tǒng)設計不但可用于常規(guī)的套料切割,還可以用于水下套料切割,省時、省力、自動化程度高,安全可靠,通過多年的實際應用,使用效果良好。
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