电涡流式转速传感器在三辊卷板机定位改造中的应用

洪英勇

（福建省工业设备安装有限公司，福建 福州 350001）

在机械设备加工制造领域，由于加工精度、加工效率等要求，部分机械设备需要满足一定的移动定位要求，但受加工工件冲击振动幅度大、工作环境恶劣等因素影响，机械设备加装自动化定位控制装置的成本较高，定位精度难以满足机械加工需求，不得不采用人工调节的方式进行机械移动定位，不仅效率低下，而且存在一定的操作风险。电涡流传感器是一种基于电涡流效应原理对被测体、探头相对位置进行监测的一种传感器。该类传感器具有可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量和响应速度快等特点，广泛应用于大型设备轴振动、位移、转速等参数的实时监测。本文以三辊卷板机定位改造为例，深入分析电涡流式转速传感器在机械定位中的应用，以期提高机械设备定位精度。

1 设备转速定位改造方案

现有三辊卷板机三个辊轴呈品字形，上辊位于两下辊中央位置，上辊轴在驱动装置传动轴的作用下带动下辊轴运动，主驱动电机借助主减速机末级齿轮带动下辊轴做旋转运动，从而为板材卷制提供扭矩。待加工的金属板经多次连续弯曲加工后，形成永久性塑性变形，进而加工为预期的圆筒型或圆弧型产品。在加工过程中，由于加工制作精度要求，需要操作工人手动调节上辊轴下压位置，以满足加工精度和加工效率要求。但在实际生产中，人工调节方式不仅效率低下，而且定位精度不高，可能出现调节不到位或过度调节的问题，进而影响了机械加工质量。

鉴于此，有必要借助电涡流转速传感器对原三辊卷板机进行改造。通过在传动轴上安装位置传感器，实时监测传感器的位移量并判断上辊轴位置，从而达到准确定位的作用。

在实际应用中，由于三辊卷板机存在正转、反转的实际需求，而单个的传感器难以准确判断传感器正反转，也就无法实现自动定位的功能。针对该问题，在此次改造中，在三辊卷板机传动轴上安装一个自制感应体，在感应体两侧安装两个电涡流式转速传感器，两个传感器电位角互差90°，以此组成计数脉冲发生器，从而达到上辊轴位置实时监测的目的。经试验，两个传感器组合能够判断传动轴的方向及位移量，并输出相应的增减脉冲信号，经逆计数器处理，能够得到传动轴实时角位移量，进而获得上辊轴实时位置。当上辊轴位置与预设位置出现偏移时，控制器会自动判断上辊轴当前状态并发出相应的控制指令，从而实现三辊卷板机的准确定位。

2 电涡流式转速传感器控制系统设计

电涡流式转速传感器由微处理器、位置传感器、可逆计数器、显示电路、程序存储器和输入输出设备组成。

2.1 微处理器选择

在本次改造项目中，微处理器选择Intel公司生产的MSC-51系列8位单片机处理器8031.该型号处理器内置32根I/O线，即4个并行接口（P0、P1、P2、P3），其中，2根I/O线为全手工串行口，P0为双向串行口，P1、P2、P3为准双向串行口。P0和P2可用于外部存储器的通信口，P0口作为逻辑地址和数据复用口。该处理器可通过编程实现4种不同的工作模式，有5个中断源，可设置两个优先级，能够满足三辊卷板机定位和控制需求。

2.2 位置传感器选择及构成

采用电涡流传感器最为重要的原因是其对油污不敏感，能够实现非接触式实时监测，满足三辊卷板机上辊轴定位要求。本次改造中，采用三个电涡流式传感器组合的方式进行定位监测，A、B传感器位于涡轮副输入轴侧，主要实现上下辊轴位置监测，两个传感器电位角互差为90°。传感器C作为基点传感器，作为上辊轴位置判断依据，当上辊轴提升到传感器C位置时，控制器做出相应的压辊、退辊、停辊和计数器清零指令，从而实现卷板机的自动化定位与控制。

2.3 可逆计数器

可逆计数器的主要作用计树来自于位置传感器的增减脉冲，并与控制器预设数值进行比较，当数据一致时，计数器向控制器发出请求，控制器自动判断辊轴位置并执行下一步动作。根据设备改造需求，可逆计数器选择4路同步十进制计数器，计数行程为0～9999，满足卷板机生产加工实际需求。

2.4 控制系统组成及原理

本控制系统由8031微处理器、74LS373地址锁存器及外部存储器27128组成，具备32K存储空间和2个可编程芯片8255，其中，8255A通过集成动态驱动芯片连接输入输出设备；8255B连接A、B两个传感器，并接受可逆计数器信号输入，当传感器数据与计数器数据一致时，8255B向微处理器发出中断请求。同时，传感器C与8255B相连，当满足中断条件时，8255B发出中断请求，并经微处理器判断后由8255B执行相关动作。8255B可执行指令包括停压辊、压辊正辊、压辊反辊、计数器清零。

3 定位系统制造及安装

3.1 电路板印刷及安装

电路板是控制系统的集成化，其印刷质量直接影响压辊卷板机定位系统运行的可靠性与稳定性。因此，在线路板印刷制作时，应加强线路设计的优化，合理布局线路、方向和印刷工艺。印刷电路板分为三个区域，即模拟区、数字区与功率驱动区，在电路板设计时，应尽量将存在功能联系的电子元器件聚集在一起，尽量减少线板走线。针对存在相互作用的电子元器件，如噪声器件、大电流电路、开关电路等，应尽量远离逻辑和存储元件，避免因互相作用而影响控制系统的可靠性。为了提高线路板逻辑、存储元件的抗干扰能力，应合理规划、设计线路板地线的走线及面积，分开设置模拟区和逻辑区地线。在模拟区，地线可采用粗的线路，以闭环的方式设置逻辑区底线，降低地线信号对逻辑区的干扰。此外，针对主要的噪声元件应采取必要的屏蔽措施，如晶体振荡器等，可采取外壳接地等方式进行处理。

3.2 感应器设计与安装

在本次机械改造中，传感器精度受传动齿数的影响，感应器齿数越多，其定位精度越高。然而，在定位精度和行程控制满足要求的前提下，过度追求精度是无意义的，将过度占用计数器行程，因此，在感应器设计时，应在满足定位和行程控制精度的前提下，尽可能降低感应器齿数。经试验和测算，感应器齿数以4～6齿为宜。同时，感应体尺寸是获取准确信号的基础，本次改造所选用的感应体直径为150mm，厚度为40mm，宽度为20mm，能够捕获并输出稳定的定位信号。在传感器安装时，应准确控制传感器与感应器间隙，可使用塞尺测量间隙，间隙过小时，感应器与传感器易发生碰撞进而稳定性不高，当间隙过大时，传感器信号输出强度不足，定位精度不高，经反复试验，感应器与传感器精度以0.8mm～1mm为宜。传感器与感应器安装时，A、B传感器应呈90°角，并固定牢靠。

4 设备改造结果研究

三辊卷板机改造完成后，经安装调试，其定位精度控制在0.1mm以内，满足卷板机定位要求。经长时间生产运行，该系统具有较高的可靠性和稳定性，年稳定率约为97.8%，有效提高了三辊卷板机的生产效率，降低了劳动强度，取得了良好的经济效益。