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磁致伸縮位移傳感器與精密注塑
日期：2026-04-03 15:30
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摘要：
磁致伸縮位移傳感器與精密注塑
O前言
O前言
精密注塑成型是用控制精密注塑機(jī)螺桿的運(yùn)動(dòng)來間接控制模腔送料的速度和壓力，以確保成品的質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量不僅體現(xiàn)在外形尺寸上，同樣對制品的密度、應(yīng)力，以及表面都有相應(yīng)的要求。對于精密注塑機(jī)來說，位移控制無疑是*為重要的一部分，它直接影響塑料制品的質(zhì)量，而由其表征的速度也關(guān)系著制品的內(nèi)在品質(zhì)和生產(chǎn)效率。比如在射膠時(shí)，用于控制射膠螺桿的位移來控制熔融物料的用量，以保證精密注塑計(jì)量準(zhǔn)確；準(zhǔn)確控制開鎖模是精密注塑的必要條件，若位置不夠準(zhǔn)確，則可能產(chǎn)生不完全合模，不能完成注塑。此外，為了得到密度均勻，應(yīng)力小的塑料制品，必須嚴(yán)格控制速度來滿足注塑工藝要求。如必須在熔融狀態(tài)將物料快速充滿整個(gè)模腔，如果此時(shí)射膠速度變慢，充模時(shí)間長，制品容易產(chǎn)生冷接縫，密度不均，應(yīng)力大等缺陷。但是，若是射膠速度過快，熔融物料容易在澆注口處形成不規(guī)則的流動(dòng)，并造成空氣吸入和排氣**等現(xiàn)象而直接影響制品的表面質(zhì)量。因此，有效控制注射位置及其表征的速度對于精密注塑來說是非常重要的。
然而，對于傳統(tǒng)的注塑機(jī)來說，位移傳感器往往采用電子尺，其原理與電位器相似，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，故廣泛用于注塑機(jī)上。但屯子尺的參考電壓將直接影響信號精度，在注塑加工現(xiàn)場，會(huì)有復(fù)雜的電磁和電壓波動(dòng)干擾，對測量精度影響甚大；另一方面，對于大型注塑機(jī)，須配備的電子尺必定很長，有的長達(dá)2500 mm，甚至更長。對于精密注塑機(jī)來說，位移控制精度要達(dá)到0. 01 -0.1 mm，這里以1000 mm的尺子為例，對應(yīng)電壓值為0.5 mV，這樣就提高了AD采樣分辨率的要求，增加了PCB布線的難度，同時(shí)對電源也提出了更高的要求。此外，傳統(tǒng)注塑機(jī)的位置尺還存在穩(wěn)定性差、重復(fù)性差、易磨損、安裝復(fù)雜等問題。因此，將非接觸式的磁致伸縮式位移傳感器應(yīng)用于注塑機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)大尺度范圍內(nèi)的精密測量，同時(shí)該傳感器還配備有CAN，SSI等數(shù)字接口，采用數(shù)字傳輸，*大程度上減少了精度在傳輸過程中的損失。
1磁致伸縮位移傳感器測量原理
磁致伸縮技術(shù)原理它利用2個(gè)不同的磁場相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號，然后，計(jì)算這個(gè)信號被探測所需收稿日期：2010-01-14+基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007BAF1303)；中國博士后基金資助項(xiàng)目(20090451451)第9期王智強(qiáng)，等：磁致伸縮位移傳感器在精密注塑機(jī)上的應(yīng)用139要的時(shí)間周期，換算出準(zhǔn)確的**位置。這2個(gè)磁場一個(gè)來自傳感器外面的活動(dòng)磁鐵，另一個(gè)來自傳感器頭部固有的電子部件產(chǎn)生的電流脈沖。注塑機(jī)當(dāng)2個(gè)磁場相遇時(shí)，所產(chǎn)生的一個(gè)應(yīng)變脈沖會(huì)以聲波的固定速度返回電子部件的感測線圈，通過測量電流脈沖從產(chǎn)生到感測到返回的應(yīng)變脈沖所需的時(shí)間，再乘以聲波的速度，便能準(zhǔn)確地計(jì)算出位置磁鐵的變動(dòng)。利用此法所得的是**位置讀數(shù)，免除了放大器環(huán)節(jié)，因而不存在信號漂移或變值的情況，而且不需要定期重新標(biāo)定。同時(shí)，非接觸式的測量消除了機(jī)械磨損的問題，保證了*佳的重復(fù)性和持久性。此外，該傳感器非常適合在內(nèi)置高壓的液壓或氣動(dòng)環(huán)境中使用，具有很強(qiáng)的抗震性能，且測量誤差*大為50 lim，整體線性度不超過10 p_m，且采用數(shù)字接口傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能。不僅如此，該傳感器兼具測量速度的功能，為注塑過程的速度控制提供了方便，并節(jié)省CPU的處理時(shí)間。
2 累統(tǒng)總體框架與硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體框架
注塑機(jī)控制系統(tǒng)采用ARM +DSP雙核控制，ARM負(fù)責(zé)人機(jī)交互，DSP負(fù)責(zé)底層實(shí)際控制。位移傳感器具有模擬電壓信號，SSI和CAN等數(shù)字接口，本系統(tǒng)采用CAN接口，使DSP與多路位移傳感器構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，通過編程可以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)的位移進(jìn)行定時(shí)采樣，設(shè)置零點(diǎn)等，為注塑機(jī)精密控制提供了足夠的采樣精度。
位移傳感器將注塑過程中的位置、速度信號，如，開模位置、開模速度、射膠位置、射膠速度等轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過CAN接口送入DSP控制器。DSP將位置信號通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，根據(jù)傳感器輸出的位移和速度數(shù)據(jù)，控制DA輸出和相應(yīng)的開關(guān)輸出，進(jìn)而改變液壓閥，從而達(dá)到位移和速度控制的目的。
2.2傳感器與控制器接口設(shè)計(jì)
CAN總線是一種多主串行通信協(xié)議，具有很強(qiáng)的干擾能力，可以應(yīng)用在電磁干擾比較大的場合，非常適合工業(yè)現(xiàn)場。它具有**別的**性，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，通信速率*高可達(dá)lMbps。CAN協(xié)議內(nèi)核CPK的功能主要有2個(gè)：根據(jù)CAN協(xié)議對總線上的接收到的信息進(jìn)行解碼，向接收緩沖器發(fā)送解碼后的消息，以及根據(jù)CAN協(xié)議對CPU需要發(fā)送的消息進(jìn)行編碼并通過發(fā)送緩沖發(fā)送出去。而消息控制器則是對接收緩沖器里的消息進(jìn)行判定，以決定是否把消息送給CPU還是直接丟棄。CAN2．O總線規(guī)范走義了2種不同的數(shù)據(jù)格式，具有11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀。
2.3 CAN接口通信協(xié)議
NMT指的是DSP作為CAN網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端，對傳感器等二手注塑機(jī)客戶端進(jìn)行控制的服務(wù)指令。所有基于CAN協(xié)議的客戶端都必須支持NMT服務(wù)，一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)NMT服務(wù)器，它可以對CAN網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、復(fù)位，或?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)位。除此之外，它還可以采用定期或者心跳功能對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，以保證各節(jié)點(diǎn)工作正常。其指令格式為COB-ID-CS-NodeID，依次代表的含義是，11位網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，具體服務(wù)（如，啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入預(yù)工作狀態(tài)），節(jié)點(diǎn)號（傳感器節(jié)點(diǎn)號，O表示對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作）。例如：復(fù)位所有傳感器，指令則為Ox000 -OxOI-Ox0。
3基于傳感器的采樣程序設(shè)計(jì)
傳感器共有3種工作狀態(tài)：初始狀態(tài)、預(yù)操作態(tài)、工作狀態(tài)。傳感器上電進(jìn)入初始狀態(tài)，從內(nèi)置的EEPROM中讀取其配置參數(shù)以進(jìn)入一個(gè)可知的狀態(tài)。當(dāng)所有參數(shù)均已完成初始化，則進(jìn)入預(yù)操作狀態(tài)，此時(shí)可以修改SDO參數(shù)，或者發(fā)送NMT啟動(dòng)命令，使傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)就會(huì)向DSP定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，或者在收到DSP的遠(yuǎn)程同步幀后發(fā)送數(shù)據(jù)。由于注塑機(jī)的位置信號非常重要，其實(shí)時(shí)性也必須保證。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，必須實(shí)時(shí)取得當(dāng)前的準(zhǔn)確的位置信號，從而做出正確的判斷。注塑機(jī)各機(jī)構(gòu)中，只有開鎖模的移動(dòng)速度*大，現(xiàn)今*快可達(dá)1 m/s，因此，為了配合CPU的速度和信號的實(shí)時(shí)性，采樣時(shí)間選擇為l ms，可以將傳感器配置為異步方式，每l ms向DSP傳送PDO的數(shù)據(jù)，DSP采用中斷的方式，實(shí)時(shí)她接收當(dāng)前的位置與速度信息，并用于注塑機(jī)的過程控制，同時(shí)將位置信息傳送給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
應(yīng)用新型的傳感器與傳統(tǒng)電子尺在注塑機(jī)上進(jìn)行位移測量，對一個(gè)固定的位置以l ms的速度進(jìn)行采樣500次。這里僅以500 mm的電子尺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以看出：傳統(tǒng)的傳感器由于傳感器本身和電路設(shè)計(jì)，電源噪聲，放大器偏移，AD采樣精度損失等諸多因素，使得*終測量結(jié)果不很理想，誤差*大可達(dá)0.7 mm，若是尺子長度增加，誤差也會(huì)成倍增長。而基于磁致伸縮原理的傳感器因其省去了放大器，AD采樣等精度損失環(huán)節(jié)，同時(shí)傳感器自身具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，采用CAN總線傳輸，減少了信號在轉(zhuǎn)換傳輸時(shí)的精度損失。從結(jié)果可以看出其采樣*大誤差僅為1個(gè)刻度，即5¨m，具有很高的穩(wěn)定性和**度。
5結(jié)束語（磁致伸縮位移傳感器與精密注塑）
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：磁致伸縮位移傳感器具有較高的精度和穩(wěn)定性，注塑機(jī)價(jià)格適舍用于精密注塑控制系統(tǒng)，且該傳感器有CAN總線數(shù)字接口，不但節(jié)省了許多信號處理環(huán)節(jié)，節(jié)省了許多硬伴與軟件的消耗，同時(shí)也避免了由這些環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差干擾，為精密注塑控制提供了良好的硬件平臺(tái)，為今后的算法設(shè)計(jì)提供了更多的基礎(chǔ)。（磁致伸縮位移傳感器與精密注塑）