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图2是信号变换及计算机检测原理框图


  本文提出一种长行程多油缸的同步测试新方法,取代传统大量程传感器绝对位移测量方法,实现了实时检测,实践表明,方法直接、可靠,具有显著技术经济价值和广泛应用前景。

  液压同步运行的测试工作十分重要,因为这是对系统性能的科学考核的方法,也是对所研制的设备及早暴露缺陷、及时处理或改进、提高质量、确保可靠性的实用有效的重要手段。由于测试工作是在模拟实际工况下进行,能最大限度地把设计中未能考虑到的因素“加入”到试验中,技术经济价值不容忽视。长行程油缸系统的应用十分广泛,特别在大型、重型设备中使用极其普遍(如大型水闸提升设备、海洋工程、工程机械等)。设备运行中外负载总处于不平衡和随机变化状态,所以对长行程油缸的同步要求高,否则造成设备性能低劣,甚至严重损坏、崩溃失效。对长行程多油缸,如采用传统的方法进行绝对位移量检测,则必须用大量程的位移传感器,显然既不经济,安装也十分困难,不适应模拟测试及现场检测的需要。经多年研究与实践,本文提出用相对法进行长行程多油缸的同步运行状态在线检测,目前在科研和生产实践中取得良好的效果,扼要叙述如下。

  同步测试系统传感器与同步油缸连接布置工作原理如图1所示。本系统相对位移测试采用短小行程的光栅传感器作为检测元件。光栅位移传感器由定尺7和滑尺8 (读数头)组成,定尺和滑尺分别安装在不同油缸活塞杆上,系统工作时,定尺和滑尺随同活塞杆一起移动。当两个油缸活塞杆同步运动时,定尺和滑尺之间没有相对运动,读数头没有信号输出;当两个油缸活塞杆不同步运行时,定尺和滑尺之间有相对运动,读数头有位移误差信号输出。

  运行过程中,为保护光栅副由于意外原因不致于损坏,设计了光栅的安全保护结构。图1中,1为缸筒,磁铁4、连接板3与活塞杆2固定联结,定尺7则与活塞杆9固定连接,由于磁铁4与导磁板5产生的磁吸力,滑尺8将随活塞杆2运动。当意外原因使得两个油缸活塞杆相对位移较大时,导磁板5(滑尺)碰到挡铁6而不能继续移动,而磁铁4、连接板3、活塞杆2因固定联结则继续移动致使磁铁4与导磁板5脱离接触,保护了光栅副的安全。在测试中,两油缸活塞杆运行状态一致性程度是最感兴趣的,也是最本质的问题,上述方法能完善长行程多油缸的同步测试系统测试要求。

  图2是信号变换及计算机检测原理框图。读数头输出的位移信号是正弦波,且信号较弱,检测装置变换电路依实际应用需要,应具备如下基本信号处理功能:微弱信号的放大处理、提高分辩率的细分电路、区分光栅尺正反方向位移的辩向电路、实时观察的记数显示电路、改善系统可靠性和信号保护功能的绝对零电位等电路。现就光栅信号处理有关技术要点论述如下:

  细分辩向与脉冲形成电路:光栅尺有很高的刻线线/mm,要求获得检测更高的分辩率,采用小栅距,显然技术难度和经济上都是不合算的。采用电子细分技术来提高分辩率是目前采用最广的方法,常用的有四倍频、电桥、相位调制、锁相频等细分方法。本系统采用四倍频直接细分法,它是通过光栅传感器输出的两路相位差为90°的信号,经过微分,得到四路相位差依次为90°的脉冲信号,实现提高分辩率。对于25线/mm的光栅可得到数字读数10μm的分辩率,可满足同步精度测试的要求。在同步系统运行中,油缸两活塞杆移动方向相对于零位是变化的,为判别移动方向(误差的符号),必须利用光栅传感器的两路的相位差90°的输出信号。图中S和C就是输出的相位差为90°的两路正弦和余弦信号,当骨尺作某一方向移动时,C超前S π/2,S信号经微分电路产生的脉冲与C信号的高电平在与门1中相与而获得脉冲输出;而S的反相信号所产生的脉冲与C信号的低电平在与门2相与,输出低电平。同理,当滑尺作反向移动时,S超前C π/2,与门2输出脉冲,与门1输出低电平,与门1或与门2输出的脉冲信号分别控制计数器的加减计数脉冲,计数器的输出状态就可以正确反映光栅副即油缸两活塞杆移动方向。

  系统实际运作过程中,出现中断运行、停机、停电等是不可避免的,这将导致丢失或错误的测量结果。所幸大多数光栅设计时均设置有零位标记,以在工作中提供零点称为绝对零点解决上述问题。为此,应有相应的绝对零位电路,也即零位脉冲形成电路。为适应主光栅不同倍频要求和保证零位脉冲与计数脉冲同步,不能直接采用光栅输出的原始零位信号作为零位脉冲,而必须适当选取倍频后的方波与原始零位信号调理后的方波相。


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