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西北工业大学硕士学位论文摘要 超塑性微挤压成形系统与测控技术基础研究+ 摘要 超塑性微挤压成形系统是用于制备毫米级和微米级零件的一种新型微小型 机电系统。该系统具有成形温度低、挤压力小，成本低，成形制件性能优良等优 点，在诸多领域具有广泛的应用前景。虽然国内外学者对常规尺寸超塑性成形技 术进行了有意义的研究工作，对微超塑成形也进行了探索性研究，但目前还尚无 理想的成形系统来实现微小零件的超塑性成形，因此研究超塑性微成形系统成为 当前超塑性成形发展亟待解决的重要问题。 本文对超塑性微挤压成形系统及其控制系统进行了研究，根据超塑性微小型 挤压系统及其子系统的功能和技术指标，建立了挤压系统、机械本体及传动系统、 传感装置和控制部分等子系统，完成了超塑性微挤压系统的总体设计。 根据超塑性微小型挤压系统及其子系统的功能和技术指标，建立了挤压系 统、机械本体及传动系统、传感装置和控制部分等子系统，实现了超塑性微挤压 系统的总体设计。 采用工业控制计算枧和多功能数据采集卡p c i - 1 7 1 0 的硬件平台，利用快速 控制原型的设计概念，在m a t l a b s i m u l i n k 集成环境下开发了温度、速度、压 力、位移的实时控制程序。该方法使复杂控制算法简单实现，大大缩短了实时控 制程序的开发周期。 基于超塑性挤压成形工艺的恒温要求，本文中控制器通过p w m 的方式控制 加热炉的功率，进行恒温控制系统设计。针对加热系统的大延迟特性，对多种控 制方法进行了研究，分别采用了传统p i d 控制、p is m i t h 预估控制、模糊p is m i t h 预估控制，并进行了温度控制性能的仿真和实验对比。温度控制实验取得了满意 的控制效果。 超塑性微挤压成形系统采用步进电机驱动方式，可实现超低速的平稳运行； 控制系统通过寄存器级访问的方式，能实现p c i 1 7 1 0 的高细分步进电机控制功 能，完成了位置开环、闭环及速度开环控制开发。实验证明该方法是一种可行方 案。 在上述研究基础上，开发了超塑性微挤压成形系统的测控平台和实时控制程 序，从而为微小零件的超塑性成形及其控制奠定了基础。 关键词：超塑性微挤压快速控制原型温度控制速度控制 西北 业人学计究生创业种了基金资助项日 塑i ! 三些奎兰堡圭兰堡丝塞垫矍 a b s t r a c t s u p e r p l a s t i cm i c r o e x t r u s i o nf o r m i n gs y s t e mi s ak i n do fs m a l lm a c h t r o n i c s y s t e m ，w h i c hc a l lp r o d u c es m a l la n dm i c r op a r t sw i t ht h em i c r og r a i ns u p e r p l a s t i c m a t e r i a l t h i si sb a s e do nt h e1 0 ws t r a i na n dm a t e r i a lo ft h es u p e r p l a s t i cm a t e r i a l t h e t e c h n o l o g ys u c c e e d si nl o w e rm e t a lf o r m i n gt e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n dc o s t i na d d i t i o n ， t h ep r o d u c t sh a v ea d v a n t a g ei nh i g hm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dw o n td e f o r m t h e r e f o r ei th a sap o t e n t i a la p p l i c a t i o ni na v i a t i o na n dn a t i o n a ld e f e n s ea r e a t h e f o r m i n gs y s t e me q u i p sw i t hs e n s o r sf o rt h et e c h n i c sp a r a m e t e r , d e t e c ta n dr e c o r dt h e e x t r u s i o np r o c e s s t h a tw o u l db eu s e di nt h et e c h n i c sa n a l y s i sa n do p t i m i z e t h i s p r o v i d e san e w m e t h o df o rt h es u p e r p l a s t i cr e s e a r c h i nt h i st h e s i s ，t h ew h o l ec o n f i g u r a t i o na n dt h em a i np a r a m e t e r so ft h em i c r o f o r m i n gs y s t e ma r ep r e s e n t e di nd e t a i l s ，a n dt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r t h et e m p e r a t u r ea n ds p e e di sd e v e l o p e d a l lt h er e s e a r c he s t a b l i s h e sab a s ef o rd e v i c e d e s i g na n ds u p e r p l a s t i cf o r m i n gs t u d y b a s e do i la ni n d u s t r yc o m p u t e ra n dam u l t if u n c t i o nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，u n d e r t h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h er e a l t i m em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m f o rs o m ek e yp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e 、v e l o c i t y 、p r e s s u r e 、d i s p l a c e m e n ti s d e v e l o p e du s i n gt h er a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y b yt h i sw a y , ac o m p l e x c o n t r o la l g o r i t h mc a nb er e a l i z e de a s i l ya n dd e c r e a s et h ed e v e l o p m e n tc i r c l et i m e t om e e tac o n s t a n ts u p e r p l a s t i cf o r m i n gt e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ep o w e ro ft h er e s i s t a n c ef l l l r n a c eb yp w m w i t hd e f f e r e n tc o n t r o l l e r a i m i n ga tt h eg r e a tt i m e d e l a yc h a r a c t e ro ft h eh e a t i n g s y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fat r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sn o ts a t i s t i e d t h i s p a p e rd e v e l o p sas m i t hp r e d i c t o rc o m b i n e dw i t hp ia n df u z z yp ic o n t r o la l g o r i t h mt o t h et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 u t i l i z i n gt h es t e p s e r v om o t o rt oi m p l e m e n tt h e d r i v eo ft h e s u p e r p l a s t i c m i c r o e x t r u s i o nf o r m i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v i d e db yr e g i s t e ra c c e s s i n g c a r le x t e n dt h ec o n t r o la b i l i t yo fas t e p p e rm o t o r 谢t hh i g hd i v i d eo fp c i 一1 7 1 0 d i s p l a c e m e n to p e n l o o pc o n t r o l ，c l o s e l o o pc o n t r o la n do p e n - l o o ps p e e dc o n t r o la r e r e a l i z e d t e s ti n d i c a t e st h em e t h o di sr e l i a b l ea n d a p p l i c a b l e w i t ht h es t u d yo nt h es u p e r p l a s t i cm i c r o e x t r u s i o nf o r m i n gs y s t e ma n di t s m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，af e a s i b l es t r u c t u r et ot h i ss y s t e mi sd e s i g n e d t h e h a r d w a r e o fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sb u i l d e d ；t h er e a l - t i m ec o n t r o l p r o g r a mi sd e v e l o p e d a l lo f t h e s eh a v eb e e np r o v i d et h en e c e s s a r yp r e p a r a t i v ef o rt h e d e v e l o p m e n to f t h es u p e r p l a s t i cm i c r o e x t r u s i o nf o r m i n gd e v i c e k e y w o r d ：s u p e r p l a s t i cm i c r o f o r m i n gr a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n gt e m p e r a t u r e c o n t r o ls p e e dc o n t r o l i j 西北工业大学硕士学位论文 绪论 第1 章绪论 1 。1 引言 随着微制造技术的不断发展和微小型零件需求量的不断增大，研发制各高强 度、低成本微小型零件的成形技术已成为世界各国家研究的热点。超塑性成形以 其变形抗力低，成形性能好等优点在微小型成形领域具有广阔的应用前景。虽然 国内外学者对超塑性微成形理论与装备进行探索性研究，但目前尚没有一种完善 的成形设备来实现超塑性微成形工艺，因此研究超塑性微成形机理开发超塑性微 成形设备成为当前超塑性成形在微成形领域发展亟待解决的重要问题。 1 2 超塑性成形概述 超塑性( s u p e r p l a s t i c i t y ) 是材料在恒温、低速变形情况下高拉伸率和低流变应 力( l o wf l o ws t r e s s ) f 拘特性【“j 。 金属材料在超塑性的状态下受到拉伸时，其伸长率异常增大，可达3 0 0 5 0 0 甚至更高。对于材料的一般状态而言，在达到屈服强度时，由于局部颈缩现象而 造成材料的破断，即使在高温下进行拉伸，其延伸率低于1 0 0 。而在超塑性状 态下，材料的变形抗力小，流动应力低，一般在l o 2 0 m p a t 5 嘲范围内， 受到微小作用力即可产生大变形，使得驱动机构的功率大大降低，设备尺寸 也随之降低，有助于成形设备微小型化，增加模具的使用寿命。超塑成形技术 ( s u p e r p l a s t i cf o r m i n g ，s p f ) 具有成形性好、设计自由度大、成形精确、没有回弹、 无残余应力、能够加工常温下成形性差的材料等优点。成形零件满足强度要求， 组织无各向异性，尺寸稳定，不变形。超塑性成形的诸多优点使其在制造复杂及 微小型的金属零件上具有广阔的应用前景，该技术逐步成为一个新型的微小型制 造工艺。 超塑现象的研究最早出现在1 9 2 0 年，德国人罗申汉( n r o s e n h a i m ) 对冷轧后 的a 1 一z n c n 三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的现象。其后，英 国、苏联等国的学者都对其进行了研究。二战后，苏联金属学家包赤瓦尔( a a e o u b a p ) 对此进行了系统的研究，用z n a l 共析合金在高温拉伸试验中得到了异 常大的延伸率，并首次提出“超塑性这个概念，1 9 6 4 年美国学者贝克芬f wa b a c k o f e n ) t7 】对超塑性力学特性进行了分析研究，提出了变形应力6 与应变速率舌 的关系方程式： 6 = k ( 1 1 ) 式中k 为与材料有关的常数；m 为应变速率敏感性指数，它与材料有关，是 评价金属超塑性的一个指标，并提出了测定材料m 值的方法。该关系式奠定了 超塑性的力学基础。 西北工业大学硕士学位论文 绪论 1 3 超塑性材料的分类及成形技术 超塑性材料主要分为两种【8 州：细晶超塑性材料和环境超塑性材料。细晶超 塑性( m i c r o g r a i ns u p e r p l a s t i c i t y ) 因为其组织须具有微细的晶粒结构( f i n e - g r a i n s t r u c t u r e ) ，又称为组织超塑性( s t r u c t u r a ls u p e r p l a s t i c i t y ) ，而且操作温度固定，也 称为恒温超塑性( i s o t h e r m a ls u p e r p l a s t i c i t y ) 。它主要有以下特征：( 1 ) 细晶结构组 织，晶粒尺寸大小三1 0um ，而且在超塑性成形时晶粒的稳定性要高。( 2 ) 超塑性 成形温度通常至o 5 t m ( t m ：材料熔点温度) ，而且加工温度保持一致。( 3 ) 应力一 应变速率( 盯一营) 的对数关系曲线，曲线上斜率定义为应变速率敏感系数( m ：s t r a i n r a t es e n s i t i v i t y ) ，通常认为m 大于0 3 时，材料就具有超塑性，m 值在o 5 左右 呈现出良好的超塑性i lo j 。 环境超塑性材料与组织超塑性材料不同之处，为环境超塑性的材料上晶粒不 须特别要求为细晶，而且超塑性成形温度不用加以固定，而是循环性，通常可分 为两种情况：( 1 ) 利用材料相变态或同素异相转换温度附近上、下作热循环时， 此时材料强度明显降低，受外力作用会产生极大的伸长率。f2 ) 利用材料在热 循环时，由于材料为非等向性( a n i s o t r o p y ) 热膨胀，或组织上不同相的热膨胀不 同，导致结构上产生内应力，产生小量的塑性交形，若以多欢的热循环，则可累 积得相当大伸长量。该材料加工过程中由于需要反复加热冷却，工业实施不方便。 对其研究相对较少，本文中系统的加工对象也是针对缅晶超塑性材料的。 目前在工业上应用的超塑性成形方式有下列几种： ( 1 ) 气压成形；( 2 ) 真空成形；( 3 ) 超塑成形合并扩散接合；( 4 ) 热力成形； ( 5 ) 深抽法；( 6 ) 锻造法；( 7 ) 挤压成形( 8 ) 无模抽拉法。本文采用了挤压 成形工艺，其制备的零件具有力学性能优良、尺寸精度高、表面质量好，该方法 属于少、无切削加工，大大节约了原材料等众多优良特点。 1 4 超塑微挤压成形国内外研究现状 由于超塑性微挤压技术能一次成形结构复杂的微小型零件，制件力学性能优 秀、尺寸误差小，受到国内外学者的重视，并迸行了探索性研究。日本学者y a s u n o r i s a o t o m e 等人先后提出并设计两种关于微米级零件成形的设备【“42 j ， 一种是基于磁致伸缩驱动的正向挤压成形装置，一种是基于压电致动器的反 向微挤压成形装置，其装置原理图如图5 所示。该设备利用电压作用下的压电陶 瓷发生压电效应，通过该效应产生的力推动模具完成成形过程。整个设备尺寸较 小，由于成形原理影响，其模具行程约l m m ，仅能够完成类似锻压的成形过程， 漫备加工范围限制于微米级之内； 西北工业大学硕士学位论文绪论 图1 1 微挤压设备 国内郭斌等人研制出的精密微塑性成形系统【1 3 1 。 用于微塑性锻造成形，原理示意图如图6 。由于其成形力产生原理和前者相 似，因此其加工范围也局限于微米级。 图1 2 微塑性成形系统 1 5 选题的目的及意义 从国内外研究状况来看，上述几种设备主要针对微米级零件成形，而在毫米 级小型化器件的成形领域研究或开发较少；且超塑性微成形主要是在大型设备上 实现，增加了微成形的研究成本，不便于该技术的广泛研究与应用。因此，因此 迫切需要研究与开发微形和小形零件的柔性化成形装置来实现超塑性微成形技 术。 生产过程中，利用材料超塑性状态下变形抗力小，流动应力低等特点使得挤 压设备小型化成为可能，也可增加模具的使用寿命。研究表明成形设备尺寸微缩 至原来的1 】0 时，其功耗为原来的1 1 0 0 。，因此本文提出了适于办公环境下的 西北工业大学硕士学位论文绪论 超塑性微小型挤压系统的研究。超塑性成形设备及生产系统的微型化，可以节省 能源、空间和资源，并降低成本。 本文将利用材料的超塑性，设计一种新的微小型成形系统一超塑性微小型挤 压系统，将解决目前超塑性成形仅限在微型零件的制造上，可将其应用于小型化 器件的制备；本文作为超塑性微挤压成形的基础研究将为超塑性成形工艺过程中 温度、位移、速度及压力的检测与控制提供平台；本研究中实时记录功能，可对 超塑性变形过程进行分析与优化，将为研究超塑合金的变形规律及加工工艺奠定 基础；本文的研究成果将为超塑性成形在微小型领域的发展提供了一个新途径。 1 6 主要研究内容 本文进行了超塑性微挤压成形系统及其控制系统的基础研究，主要内容如 下： 1 超塑性微小型挤压系统设计：超塑性微小型挤压系统功能分析、工艺分析及 系统性能指标、总体方案设计，并阐述其中各子系统：挤压系统、机械本体 及传动系统、传感装置和控制部分的主要功能和技术指标； 2 基于超塑性微小型挤压系统的控制系统：采用工业p c 和数据采集卡 p c i 1 7 1 0 开发基于超塑性微小型挤压的控制系统；设计温度、压力传感器的 放大调理电路及外围输入输数接口电路；在m a t l a b s i m u l i n k 环境下根据 模型辨识结果采用r c p 进行p i s m i t h 和模糊p i 控制： 3 超塑成形工艺温度控制：根据超塑成形工艺恒温性要求，在s i m u l i n k 环境中 采用传统p i d 、p is m i t h 预估控制和模糊p is m i t h 预估控制等算法进行温度 控制仿真分析；通过p w m 调功输出实现恒温控制；采用r c p 开发温度实时 控制系统并进行试验验证； 4 超塑成形工艺速度控制：根据超塑成形工艺超低速的要求设计速度开环控制 系统和位移闭环控制系统；对凹模进行运动控制实现挤压与退模的工艺过 程。 西北工业大学硕士学位论文第2 章超塑性微挤压成形系统设计 第2 章超塑眭微挤压成形系统设计 2 1 引言 本项目是通过理论研究和实验探索的方法，进行超塑性微挤压成形系统的设计 研究，以期实现一种新的微零件成形设备，满足日益增长的微零件需求。丽对超塑 性微挤压系统的研制是集材料学、热力学、机械学、检测与传感技术、自动控制技 术和计算机信息技术为一体的多学科交叉领域，是一个典型且复杂的机电一体化产 品，因此总体结构的分析设计是实现该复杂系统的一个重要环节，它的好坏直接影 响到系统的投资、品质及实施细则【i4 1 。本章将首先对微挤压成形系统的总体布局进 行设计，并重点对检测装置设计及控制开发进行详细的分析。 2 。2 超塑性微挤压系统功能分析 超塑性微挤压系统是基于细晶粒材料超塑性成形的微小型系统，用于成形微小 型零件。其原理是利用材料在超塑状态变形时的高拉伸率和低流变应力( l o wf l o w s t r e s s ) 的特性，通过挤压成形微小型零件。系统应具备以下功能： ( 1 ) 利用材料超塑性挤压成形直径范围为5 m m 1 0 0ur l l 的零件； ( 2 ) 高精度恒温控制系统，满足不同超塑材料的恒温成形工艺； ( 3 ) 具备速度、压力检测系统，能实现各种速率挤压成形，并实时对成形过程进 行检测、控制和实时数据存储功能； f 4 ) 具有试验数据分析、演示仿真功能，实现材料超塑性的成形工艺的研究； ( 5 ) 适合办公环境下进行试验，应具备噪音低、能耗小的特点。 2 3 超塑性微挤压成形系统性能指标 超塑性微挤压成形系统设计主要依据超塑性成形理论和z n a l 2 2 的超塑性材料 试验数据，同时兼顾其它材料的成形工艺参数。超塑性成形是在恒温、慢速条件下 进行的，并保证足够大的挤压力使得成形能够顺利进行。 细晶粒超塑性又称为恒温超塑性，温度是影响材料超塑性的一个关键参数，温 度一般在材料的o 5 t m ( 材料熔点) 至极限温度之间温度区间内的某一恒定值，材料才 呈现出超塑特性，属于高温成形。本系统中恒温控制设计要求测量精度为2 ，温 度控制波动小于1 。可以加工超塑状态温度要求在5 0 0 以下常见的超塑性材料。 材料应变速率在l o 一一1 0 - 2 具有较好的超塑性的【1 5 】，在成形速度上体现为一个 慢速的变形过程，为了满足这一要求，成形系统挤压速度设计为在 l0 m m m i n 0 0 5 r a m r a i n 之间可调。 该系统用以成形直径范围为5 m m 1 0 0um 的零件，设计过程中采用具有代表性 的超塑材料z n a l 2 2 进行计算验证，超塑材料在2 5 0 2 时，其应力应变曲线如图 21 所示。 西北工业大学硕士学位论立 第2 章超塑性秘i 挤压成形系统设计 正 享 - 景 矧 螺 冀赛崖壁t 圈21 不同挤压速度的应力应变曲线h 根据上图，最大挤压力按以下条件计算，挤压速度为】0 i n i “$ ，零件直径为5 m m ， 挤压比设为9 ：1 ，计算得到最大挤压力为5 8 9 k n ，并经过s u p e f f o r m 仿真验证，结 果一致。系统设计最大挤压力为1 0 k n 。 2 4 超塑性微挤压总体设计 超塑性微挤压系统总体结构示意图如图2 2 所示。 圈2 2 系统结构不意图 根据一般机电一体化装置的基本构成n q ，将上图中系统分为以下五个子系统： 1 ) 机械本体，2 ) 传动机构，3 ) 挤压系统，4 ) 检测与传感系统，5 ) 控制系统。挤压系统 是零件成形机构，零件成形的过程为：首先坯料置于模具形腔内，经加热、保温( 恒 温) 使坯料的材料处于超塑状态，然后驱动机构开始工作带动传动机构，传动机构为 成形机构施动，以慢速进行正向挤压，坯料通过模具成形所需零件，最后完成零件 提樽。 24 1 挤压系统 挤压系统包括了凸模、凹模、加热炉、项杆及退模等部件，并安装有测力传感 器和温度传感器，成形机构如图23 所示。本文采用了正挤压的方法进行挤压成形， 可更换模具成形不同的零件。图中凸模是固定的，通过凹模移动进行挤压。在成形 过程中，首先将坯料放入凹模中，当温度达到设足的温度井恒定厉，压杆向上移动， 过程中，首先将坯料放入h 模中，当温度达到设疋的温度并恒定后，压杆向上移动， 西北工业大学硕士学位论文第2 章超塑性微挤压成形系统设计 推动凹模移动，实现低速的挤压过程，进行挤压成形。挤压完成后，冷却，压杆向 下移动，由退模机构将成形零件顶出。 6 i 顶扦2 导向机构3 项出机榴4 凹摸应力圃 5 凹模6 压板7 凸摸固定板8 凸模 9 加热炉 图2 3 挤压系统结构图 2 4 2 机械本体及传动系统 超塑性微挤压成形系统中，机械本体包括了机身、框架、机械联接等在内的产 品支持机构，是系统的基础部分，实现系统的构造功能。系统中，机身采用圆筒式 结构，这样不仅具有强度高、加工简单的特点，而且安装调试方便，变形小，性能 比框架式结构优越。 传动系统采用丝杠螺母副实现回转到直线运动的变换，其螺距为3 m m ，具有自 锁功能。根据保守算法，产生1 0 k n 的挤压力，丝杠上需要加载8 0 n m 的力矩。螺 母由机身限制旋转自由度实现直线输出，在传动系统输出端装有位移传感器。 2 4 3 驱动系统 在机电一体化产品中除常用的电力驱动之外，还有液压驱动、气压驱动等，组 成动力系统。动力系统向机电产品的各功能系统供应能量，以驱动它们进行各种运 动和操作。 超塑性微挤压系统成形的设计最大挤压直径为1 5 m m ，最大挤压力为1 0 k n 。因 为力较大，液压系统比较适合，但需增加许多外围装置及成本，加大了系统的体积， 且控制较为复杂；气压驱动亦然，因此本系统采用了电力驱动方式。 电力驱动元件的主要类型有两种：回转运动型电力驱动元件，其功能是将电能 转换为机械能，输出回转运动和转据，如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机 等；直线运动型电力驱动元件，其功能是将电能转换为机械能，输出直线运动和力， 如直线步进电机、平面步进电机、直线伺服电机等。 直线伺服电机是带有位置反馈环节的直线步进电机，它是步进电机震为平面结 构的一种电机形式，它输出直线运动和力，因此系统中去除了回转运动预直线运动 的变换环节，使得机械系统的设计非常简单，同时提高了运动精度。日机线性伺服 电机可以达到01 址m 的定位精度，但持续推力最大为15 0 0 n ，不符合本系统的要求。 西北工业大学硕士学位论文第2 章超塑性微挤压成形系统设计 而且价格极为昂贵，因此选用回转型电力驱动元件、减速器和丝杠螺母副实现直线 运动和大挤压力的输出。电机扭距为2 n m ，减速比为1 ：6 4 。 1 ) 电机选择 步进电机和交流伺服电机是回转运动控制系统中经常采用的两种驱动元件，根 据系统的性能指标，参照下表，系统选用了步进电机作为电力驱动元件。 表2 1 步进电机与交流伺服电机比较 步进电机系统伺服电机系统 力矩范围 中小力矩( 一般在2 0 n m 以下)小中大，全范围 速度范围 机更可达l 2 万转分 低f 一般在2 0 0 0 r p m 以下，大 高f 可达5 0 0 0 r p m ) ，直流伺服电 力矩电机小于1 0 0 0 v , p m ) 多样化智能化的控制方式，位置 控制方式主要是位置控制 转速转矩方式 低速时有振动r 但用细分型驱 平滑性 好，运行平滑 动器则可明显改善) 精度一般较低，细分型驱动时较高 高( 具体要看反馈装置的分辨率) 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步 可3 1 0 倍过载( 短时) 大多数为开环控制，也可接编 反馈方式闭环方式，编码器反馈 码器，防止失步 编码器类光电型旋转编码器( 增量型绝对 型值型) ，旋转变压器型 响应速度一般快 耐振动好 一般( 旋转变压器型可耐振动) 温升运行温度高一般 维护性基本可以免维护较好 价格低高 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个 脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距角”) ，它 的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加 速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没 有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、混 合式步进电机( h b ) 等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般 为7 5 度或15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1 5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上 有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和 反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为l8 度而五相步进角一般 为o7 2 度。这种步迸电机的应用最为广泛，本方案采用了细分驱动的两相混合式步 西北工业大学硕士学位论文第2 章超塑性徽挤压成形系统设计 进电机8 5 b y g h l 0 5 ，如图2 4 所示。 图2 41 $ s g y b h l 0 5 步进电机 8 5 b y g h l 0 5 步进电机的基本参数如表2 1 所示。 表2 28 5 b y g h 步进电机基本参数 型号相数电压电流电阻电感静转矩定位 转矩 单位 va qm h k g c mk g ，c m 8 5 b y g h l 0 14 24 20 4 71 12 l3 8 5 b y g h l0 24 24o 5l2 13 8 5 b y g h l 0 34 2 7 3o 9 32 1 8 5 b y g h l 0 4462 5 2 4 7 8 2 l3 8 5 b y g h l0 543 82 51 552 13 2 ) 步进电机驱动及电源选择 因开关电源技术成熟，价格便宜，步进电机电源采用了开关电源供电方案。根 据经验，供电电源电流一般是驱动器的输出相电流的1 5 2 倍，步进电机的工作电 流为2 5 a ，设置s h 2 0 3 4 m 的相电流为2 6 a ，选用思达公司的s d b 1 0 0 ，2 4 v 、4 a 开关电源，用于步进电机供电，同时该电源带有5 v 电源用于外部电路供电。 3 ) 减速器的选择 减速器的选择要根据需求力矩和电机提供的力矩确定。减速器的有效功率一般 在8 0 9 5 ，考虑到减速器有效率损耗，应再留一定的富余。减速器有如下几种： ( 1 ) 摆线针轮减速器 摆线针轮减速器是一种采用摆线针齿啮合行星传动原理设计制造的减速机，行 星轮齿廓不是通常的渐开线曲线，而是采用变态外摆线的等矩曲线，中心轮齿廓采 用圆柱形针齿，啮合齿数多，设计先进，具有承载能力大、传动效率高、使用寿命 长、结构新颖紧凑、运转平稳、维修方便等显著优点。 ( 2 ) 谐波传动减速器 谐波传动的特点是输出力矩大，谐波传动是一种依靠齿轮的弹性变形运动来达 到传动口的新型传动。它的主要特点是：结构简单、重量轻，同样的设计参数条件 下，此种减速器的重量与零件数约为其他减速器的一半左右。其单级传动比可达7 0 一2 5 0 。它运行时同时啮合齿数为总齿数的2 0 赶右，因而承载能力大、运转平稳、 西北工些大学硕士学位论文 第2 章超塑性微挤压成形系统设计 运动精度亦高，相对滑动速度低，容损情况良好。可达到无侧隙啮合运动，无需用 密封元件即可向密闭空间传递运动。 ( 3 ) 蜗轮蜗杆减速器 蜗轮蜗杆减速的优点是结构简单，承载力距大，检修方便，价格便宜，但其与 步进电机的配合安装较为麻烦，且存在较大的回程间隙。 ( 4 ) 行星齿轮减速器 行星齿轮减速是一种经典的减速器，行星齿轮就是无定轴齿轮，行星齿轮既公 转又自转。行星齿轮减速可以多级串联，越往前，齿轮轴承受的力矩就越大，因此 行星齿轮就变粗。行星齿轮减速器广泛应用于矿山、冶金、起重运输、纺织、化工、 轻工等行业，是一种应用三个行星轮的负荷均匀分配，采用了齿式浮动机构，其行 星齿轮采用优质低碳合金钢，经渗碳、淬火、磨齿等工艺，齿轮精度可达6 级，具 有运转平稳、承载能力大、效率高、性能可靠、寿命长等优点。 图2 5 行星减速器 从结构、体积、性价比等方面比较以上几种减速齿轮，本文选择了行星齿轮减 速器：西安郦山电子3 5 g 行星减速器( 图2 5 ) ，它最大能承载6 2 2 牛米的力矩，与步 进电机装配后可实现超低速运行，大扭距输出。 2 4 4 传感装置 传感装置包括了温度、压力、位移传感器及相应的信号调理电路和接口电路【l ”， 用于检测系统成形时的坯料温度、挤压力、挤压行程。检测信号输入数字计算机中， 作为成形工艺参数的反馈和控制输入。 温度传感器常见的测量方式可以分为两类：非接触式和接触式测温方法。本文 中，被测对象的温度范围0 5 0 0 。c ，根据测温方法的分析，选择适合于接触式测温 的传感器元件。热电阻、热电偶可用于2 0 0 1 2 0 0 范围内，是最简单、可靠的常 用接触式测温传感器，比较而言，热电偶具有结构简单、价格便宜、灵敏废高、测 温范围宽的特点，因此本文采用了线径为l m m 的k 型热电偶。 测力传感器应用比较广泛的有应变片式和压阻式、压电式和电容式，根据系统 安装尺寸要求，选择了永正公司的y z 2 4 7 s 型微型传感器，其外形如图2 6 所示，该 传感器采用不锈钢结构，直径只有2 5 4 m m ，满量程为1 吨，准确度等级o 5 。 图2 ，6 压力传感器 位移传感器常见的有光栅式、容栅式、电感调频式和电感差动变压器式，本文 为了达到高的位移检测精度，采用了长春光机所的光栅线位移传感器s g c 4 2 ，其外 形如图2 7 所示。因为不需选择显示部件，其价格上亦有较大优势。光栅线位移传 感器电源为5 v 供电，量程1 0 0 毫米，栅距2 0 微米，即对应5 0 线毫米，分辨率为 2 0 微米。 图2 7s g c 4 2 光栅式线位移传感器 2 4 5 控制部分 本部分根据系统功能要求和传感器的反馈信息，进行处理、运算和决策，控制 整个系统的运行。它主要由数字计算机和相应的硬、软件构成的控制系统和多种i o 模块构成，设计时需考虑系统实时性和稳定性要求。 常见的数字计算机有s t d 总线工业控制机、工业p c 计算机、可编程控制器 ( p l o 、单片机和智能调节器。本系统中，计算机不仅要完成实时控制功能，还要实 现数据记录、演示、分析的功能，除工业p c 计算机外，其它几种数字计算机存在 或者开发周期长，或者工具软件少的问题，因此本系统采用了工业p c 计算机作为 控制系统的信息处理和决策核心。 计算机控制过程中，需要把温度、速度、压力等信息输入到计算机中，计算机 按照设计的控制策略进行处理和计算后，再把控制信号输出给电阻炉和步迸电机。 i o 模块是计算机和成形系统之间信息传递和交换的桥梁，实现二者物理上的连接和 信息交换。根据系统传感器输入信号和控制输出信号，系统需要模拟输入、数字输 入，输出三种i o 通道和计数器功能，采样速率在1 0 k 以上。 硬件选型： ( 1 ) 工业p c 计算机选用研华i p c 一6 1 0 ，主板p c a 一6 0 0 6 ，c p up e n t i u m 42 8 g ，内 存5 1 2 md d r a m ，硬盘6 0 g 。另配置了人机信息交换的输入输出系统，有c r t 彩 色显示器、打印机、键盘及鼠标。 ( 2 ) i o 模块采用研华的p c i l7 1 0 多功能数据采集卡，它是一款p c i 总线的多功 能数据采集卡，驱动完善，丌发较为方便。包括五种最常用的输入和输出功能：1 6 西北工业丈学硕士学位论文第2 章超塑性微挤压成形系统设计 路单端或8 路差分模拟量输入，或组合方式输入，具有1 2 位a d 转换精度，采样 数率最快可达1 0 0k s s ，板载可编程p g i a 芯片，实现每个a d d 输入通道的增益可 编程；2 路d a 模拟量输出，1 2 位转换精度；1 6 路d i 数字量输入和1 6 路d o 数字 量输出及一路计数定时功能；板卡上还带有4 k 采样f i f o 缓冲器用于高速采样缓冲。 其内部结构电路如图2 8 所示。 图2 8p c i - 1 7 1 0 结构1 1 8 i 为了满足系统恒温、低速的超塑挤压成形工艺，分别采用以下控制策略实现上 述工艺条件： ( 1 ) 恒温控制中，采用p w m 方法控制电阻炉加热功率，一般加热系统具有延迟 特性，因此温控系统拟采用s m i t h 预估补偿环节与p i d 控制或者其它控青4 算法构成 s m i t h 预估控制系统。 r 2 1 为了满足系统位置控制和低速挤压的运动控制工艺，采用计数器输出高频脉 冲链实现高细分步进电机开环控制，利用光栅线位移传感器反馈实现位置闭环控制。 2 5 传感信号调理及接口电路设计 2 5 1 温度传感器信号放大调理 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同材料的导体或半导体a 和b 连成 闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，如图2 9 所示。 西北工业大学硕士学位论文第2 章超塑性微挤压成形系统设计 a 图2 9 热电偶原理 热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温 差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势，记为e a ( t ，t 0 ) 和e b ( t ，t 0 ) ， 而接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点 接触面处就产生自由电子的扩散现象；扩散的结果，接触面上便逐渐形成静电场。 该静电场具有阻碍原扩散继续进行的作用，当达到动态平衡时，在热电极接点处便 产生一个稳定电势差，称为接触电势，记为e a b ( t ) 和e a b ( t o ) 。 于是热电偶回路总电势为 e a 8 ( ，r o ) = e ( r ) 一e ( 瓦) 一以( r ，矗) + e 口( t ，矗) r ，孔 由于温差电势e “t ，t o ) 和e b ( t ，t o ) 均比接触电势小很多，通常均可忽略不计。 这样式简化为 e 口( r ，r o ) = 邑口( r ) 一( 瓦) 1 2 礼 我们经常使用的热电偶分度表，都是以热电偶参比端为0 条件下制作的，即 t 0 = 0 c ，e a b ( t 0 ) = c ，c 为常值。在实际工业测温现场一般不能使参比端保持o ，可利用以下公式进行校正。 e ( t ，o ) = 1 舳( 丁，t o ) + e ( t o ，o ) d4 、 该方法即冷端补偿法。式中e a b ( t ，o ) 为热电偶热端温度为t ，冷端温度为e a b ( t ， o ) 为热电偶热端温度为t ，冷端温度为0 时的热电动势；e a b ( t ，t o ) 为热电偶热端 温度为t ，冷端温度为t 0 时的热电动势；e a a ( t 0 ，o ) 为热电偶热端温度为t l ，冷端 温度为o 时的热电动势。 为了将热电偶产生的微弱信号转换为计算机可以采集的信号，温度调理电路如 图2 。1 0 所示。系统采用3 路温度传感器检测，精确控制材料及摸具的温度。放大电 路采用a d 5 9 5 芯片，温度传感器通过m a x 4 0 5 1 模拟开关接入a d 5 9 5 以降低成本。 西北工业大学硕士学位论文 第2 章超塑性微挤压成形系统设计 图2 1 0 热电偶放大调理电路 a d 5 9 5 c d 是a d 公司的k 型热电偶专用放大芯片，它集成了线性化输出和冷 端补偿两个重要功能，应用中可直接应用于温度测量，无需温度补偿电路，其输出 信号与温度线性度高，接近于1 0 m v 的。a d 5 9 5 c d 出厂前经过了激光校准，误差 校准不超过1 。其输入为高阻抗差动输入，可有效抑制了热电偶两端的共摸干扰， 并具有报警功能，热电偶一端或两端断线，芯片具有报警功能( t r y 驱动) 。 根据图2 1 1 所示a d 5 9 5 c d 芯片结构，热电偶两极通过模拟开关m a x 4 0 5 1 接 入引脚1 ( + i n ) 和引脚1 4 ( i n ) 。引脚1 1 ( v + ) 接+ 1 2 v 电压，因为本系统不需要测量0 以下的电压，引脚7 ( v - ) 接地，可测量0 - 1 0 0 0 ( 2 的温度范围。引脚9 的主放大器( a ) 输出经引脚8 引至反馈回路以作为差动放大器g ( 右) 的反相端输入。热电势经屏蔽 线送入引脚1 和1 4 引至差动放大器g ( 左) 引脚8 和9 相连对应输出- - t l 例电压信号， 接近于1 0 m