引 言

精密注塑成型是用控制精密螺桿的運(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(duì)制品的密度、應(yīng)力，以及表面都有相應(yīng)的要求。對(duì)于精密注塑機(jī)來說，位移控制無疑是最為重要的一部分，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不良等現(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(duì)于精密注塑來說是非常重要的。

然而，對(duì)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。但直線位移傳感器的參考電壓將直接影響信號(hào)精度，在注塑加工現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)有復(fù)雜的電磁和電壓波動(dòng)干擾，對(duì)測(cè)量精度影響甚大；另一方面，對(duì)于大型注塑機(jī)，須配備的直線位移傳感器必定很長，有的長達(dá)2500mm，甚至更長。對(duì)于精密注塑機(jī)來說，位移控制精度要達(dá)到0.01～0.1mm， 這里以 1000mm 的尺子為例，對(duì)應(yīng)電壓值為0.5mV， 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(duì)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(cè)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，最大程度上減少了精度在傳輸過程中的損失。

1 磁致伸縮測(cè)量原理

磁致伸縮技術(shù)原理見下圖，它利用2個(gè)不同的磁場(chǎng)相 交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，然后，計(jì)算這個(gè)信號(hào)被探測(cè)所需。

要的時(shí)間周期，換算出準(zhǔn)確的絕對(duì)位置。這2個(gè)磁場(chǎng)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。當(dāng)2個(gè)磁場(chǎng)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(cè)線圈，通過測(cè)量電流脈沖從產(chǎn)生到感測(cè)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)。利用此法所得的是絕對(duì)位置讀數(shù)，免除了放大器環(huán)節(jié)，因而不存在信號(hào)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(cè)量消除了機(jī)械磨損的問題，保證了最佳的重復(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(cè)量誤差最大為50 μm，整體線性度不超過10 μm，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(cè)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。

磁致伸縮位移傳感器原理

2 系統(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(hào)，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(duì)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。

下圖為注塑機(jī)關(guān)于位置控制的系統(tǒng)框圖。位移傳感器將注塑過程中的位置、速度信號(hào)，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(hào)，通過CAN接口送入DSP控制器。DSP將位置信號(hào)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。

注塑機(jī)位置控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)中的微處理器采用Ti 的DSP 和Atmel 的ARM構(gòu)成上、下位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)系統(tǒng)以高性能的 DSP為核心控制器，主頻最高可達(dá)150 MHz，并通過16位AD，DA轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度、高速度。上位機(jī)系統(tǒng)以ARM為核心，提供鍵盤，顯示屏等人機(jī)接口，方便用戶操作。此外，系統(tǒng)外擴(kuò)以I2C接口的EEPROM 用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)，包括位置傳感器零點(diǎn)、使用量程及其他注塑過程參數(shù)等，這些參數(shù)皆可以通過用戶界面進(jìn)行修改。

2.2 傳感器與控制器接口設(shè)計(jì)

傳感器與DSP采用CAN 總線通信，如下圖所示。 DSP 中集成了CAN 總線控制器，只需要設(shè)置1個(gè)CAN 驅(qū)動(dòng)器就可以和位移傳感器方便的互聯(lián)。

CAN總線磁致伸縮位移傳感器連接圖

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(chǎng)合，非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。它具有高級(jí)別的安全性，可以有效地支持分布式實(shí) 時(shí)控制，通信速率最高可達(dá)1Mbps。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(duì)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(duì)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(duì)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。 CAN2.0總線規(guī)范定義了2種不同的數(shù)據(jù)格式，具有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。位移傳感器與 DSP 之間采用具有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀傳送，其幀格式如表1所 示 。

表 1 CAN 數(shù)據(jù)幀格式

1位起始域，11位標(biāo)識(shí)符（COB-ID），1位遠(yuǎn)程傳送請(qǐng)求 位，6位控制位構(gòu)成控制域，0~8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)域，其長度由控制位來決定，15位 CRC 校驗(yàn)碼構(gòu)成校驗(yàn)域，3位 ACK構(gòu)成應(yīng)答域，以及7位0構(gòu)成結(jié)束域。

DSP具有32個(gè)郵箱用來收發(fā)數(shù)據(jù)，且每個(gè)郵箱都可以配置成發(fā)送或者接收方式，標(biāo)識(shí)符、幀數(shù)據(jù)長度都可以配置，同時(shí)還有一個(gè)可編程接收濾波器屏蔽寄存器，可以接收總線上具有不同標(biāo)識(shí)符的消息，兼具消息保護(hù)功能。

2.3 CAN 接口通信協(xié)議

DSP 與傳感器構(gòu)成主從模式，通信數(shù)據(jù)主要有3種格式：網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)（network management，NMT），服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（service data object，SDO），過程數(shù)據(jù)對(duì)象（process data ob- ject，PDO）。

NMT 指的是DSP 作為CAN 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端，對(duì)傳感器等客戶端進(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(duì)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(duì)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(shí)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(hào)（傳感器節(jié)點(diǎn)號(hào)，0表示對(duì)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0x000-0x01-0x0。

SDO 的數(shù)據(jù)部分包含8個(gè)字節(jié)，主要是用來配置 CAN 網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)傳感器的的參數(shù)，如在 CAN 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的節(jié)點(diǎn)號(hào)、通信波特率，還有如位移傳感器的零點(diǎn)、最大值限位點(diǎn)、數(shù)據(jù)更新計(jì)數(shù)器等。除此之外，通過讀取相應(yīng)的SDO 可以獲得傳感器本身的一些參數(shù)信息，如，位置采樣刻度、 最低最高工作溫度等，這些參數(shù)都是只讀信息，不能更改。所有SDO 都是基于傳感器的對(duì)象手冊(cè)（OD）， 包含有 index， subindex，type，default value，comment 等內(nèi)容。 OD 中含有很多參數(shù)，但是需要更改的很少，如，本系統(tǒng)中的傳感器僅僅用到設(shè)置零點(diǎn)，更新時(shí)間，節(jié)點(diǎn)ID，波特率。例如：對(duì)傳感器 設(shè)置零點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)為1.由OD可知，零點(diǎn)數(shù)據(jù)的 in-dex為 0x6010.subindex 為 0x01），因此，指令代碼為 COB-ID-Service-index-subindex-Data（4 個(gè)字節(jié)），即為0x601-0x23-0x10-0x60-0x01-Data（低字節(jié)在前）。

PDO 過程數(shù)據(jù)對(duì)象，主要用來傳送實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，如，本傳感器就可以實(shí)時(shí)的傳送當(dāng)前的位置、速度信息。其格式由傳感器定義，前4個(gè)字節(jié)構(gòu)成32位數(shù)，表示當(dāng)前的位置，第5.6個(gè)字節(jié)構(gòu)成16位的速度信息，第7個(gè)字節(jié)為狀態(tài)信 息。要傳送 PDO 數(shù)據(jù)，這里有2種方法，第1種為同步方式，即主機(jī)發(fā)送COB-ID為 0x80.數(shù)據(jù)長度為0的遠(yuǎn)程幀，從機(jī)回應(yīng)PDO 數(shù)據(jù)。第2種是異步方式，即通過 SDO設(shè)置計(jì)數(shù)器時(shí)間，然后啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)定時(shí)向主機(jī)發(fā)送 PDO數(shù)據(jù)。

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(hào)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(hào)，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)速度最大，現(xiàn)今最快可達(dá) 1m/s， 因此，為了配合CPU 的速度和信號(hào)的實(shí)時(shí)性，采樣時(shí)間選擇為1ms，可以將傳感器配置為異步方式，每1ms 向 DSP 傳送PDO 的數(shù)據(jù)，DSP 采用中斷的方式，實(shí)時(shí)地接收當(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，軟件處理流程如圖4.

軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用新型的傳感器與傳統(tǒng)傳感器在注塑機(jī)上進(jìn)行位移測(cè)量，對(duì)一個(gè)固定的位置以1ms的速度進(jìn)行采樣500次，下圖為磁致伸縮位移傳感器和傳統(tǒng)傳感器的位移測(cè)試結(jié)果。這里僅以500mm 的直線位移傳感器進(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，使得最終測(cè)量結(jié)果不很理想，誤差最大可達(dá)0.7mm， 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(hào)在轉(zhuǎn)換傳輸時(shí)的精度損失。從結(jié)果可以看出其采樣最大誤差僅為1個(gè)刻度，即5μm，具有很高的穩(wěn)定性和精確度。

位移傳感器采樣結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：新型的磁致伸縮位移傳感器具有較高的精度和穩(wěn)定性，適合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(hào)處理環(huán)節(jié)，節(jié)省了許多硬件與軟件的消耗，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)。

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審核編輯 黃宇