三坐標(biāo)磁場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)及控制裝置的實(shí)驗(yàn)研究

袁 博，吳曉光，張 弛

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三坐標(biāo)磁場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)及控制裝置的實(shí)驗(yàn)研究

袁 博，吳曉光*，張 弛

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

針對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)提花針織機(jī)研究，設(shè)計(jì)了一種三坐標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測(cè)裝置。介紹了磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，結(jié)合高斯計(jì)作為數(shù)據(jù)采集裝置，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并保存。通過(guò)Matlab仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證了三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置能夠精確檢測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測(cè)的一種方法。

高斯計(jì)；磁場(chǎng)檢測(cè)；提花針織機(jī)

傳統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x器為手持式高斯計(jì)，這種手持方式雖然簡(jiǎn)易，但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)手持式測(cè)量的位置點(diǎn)不夠精確，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，而且只進(jìn)行個(gè)別位置點(diǎn)的磁場(chǎng)測(cè)量已不能滿足研究人員的要求。本文設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置中的高斯計(jì)由于是機(jī)械夾持，位置精度較高，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，并且可沿預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)裝置中的三坐標(biāo)平臺(tái)可以保證高斯計(jì)測(cè)量速度高、效率高，且在多次測(cè)量時(shí)，測(cè)試結(jié)果一致性好。

1 高斯計(jì)檢測(cè)對(duì)象

1.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)

在建立磁力驅(qū)動(dòng)提花織針懸浮控制模型[1]的過(guò)程中，為確定理論模型的正確性，需要將理論模型數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比。由于高斯計(jì)探頭呈扁長(zhǎng)型，為方便實(shí)際測(cè)量，故選取通電線圈端面，如圖1(a)，及其軸心位置，如圖1(b)，作為對(duì)比點(diǎn)[2]，測(cè)量點(diǎn)的位置如圖1所示。

本文測(cè)量使用的通電線圈規(guī)格為：內(nèi)徑8mm，外徑10mm，高度20mm，選取磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量間距為0.5mm，測(cè)量方式為從左到右、從上到下依次測(cè)量。

圖1(a) 端面測(cè)量點(diǎn)

圖1(b) 軸心測(cè)量點(diǎn)

空間磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度可簡(jiǎn)化為三個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即X、Y、Z軸磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖2所示。圖2中XYZ為空間坐標(biāo)系，其定義與高斯計(jì)探頭定義一致。B代表空間磁場(chǎng)的向量，其中磁場(chǎng)B主要包括三個(gè)參數(shù):俯仰角Fai，水平偏置角Theta以及B的標(biāo)量值B。如圖2所示Fai代表B與水平面X-Y的夾角，Theta表示B在水平面的投影與X軸正方向的夾角。

圖2 空間磁場(chǎng)示意圖

磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系如下：

式中：B是測(cè)量點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度，X是測(cè)量點(diǎn)X軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Y是測(cè)量點(diǎn)Y軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，Z是測(cè)量點(diǎn)Z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)測(cè)量點(diǎn)位置與測(cè)量方式的要求，本文選取北京翠?？萍迹–H-HALL）公司生產(chǎn)的高分辨率、高精度、高頻率的CH-3600型三通道高斯計(jì)。

2 三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的主要結(jié)構(gòu)包括兩坐標(biāo)平臺(tái)、Z軸滑臺(tái)，如圖3(a)、(b)所示。兩坐標(biāo)平臺(tái)中的X軸底座固定在Y軸滑臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)固定在X軸滑臺(tái)上，被測(cè)物體通電線圈放置在平臺(tái)上。

高斯計(jì)在測(cè)量通電線圈磁場(chǎng)任意一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的過(guò)程中，需要高斯計(jì)探頭能夠精確移動(dòng)到該點(diǎn)位置，基于此需要，本文設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置應(yīng)能使高斯計(jì)探頭向空間三軸方向移動(dòng)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)上述功能，該裝置并不是直接通過(guò)控制高斯計(jì)向X、Y軸移動(dòng)來(lái)到達(dá)所測(cè)位置點(diǎn)，而是通過(guò)控制平臺(tái)向X、Y軸移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高斯計(jì)相對(duì)于平臺(tái)的X、Y軸方向的移動(dòng)。在實(shí)際測(cè)量中，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制Y軸絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)X軸與移動(dòng)平臺(tái)整體沿著Y軸方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)向Y軸方向的移動(dòng)；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制X軸絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平臺(tái)向X軸方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)向X軸方向的移動(dòng)。

高斯計(jì)沿Z軸移動(dòng)由Z軸直線滑臺(tái)完成，該裝置將高斯計(jì)固定在Z軸絲杠滑臺(tái)上，Z軸滑臺(tái)固定在Y軸滑臺(tái)的電機(jī)上方，通過(guò)控制Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高斯計(jì)探頭向Z軸方向移動(dòng)。在Z軸滑臺(tái)上設(shè)計(jì)了一種如圖3所示的支撐裝置，將高斯計(jì)探頭放置于套筒中，套筒固定在L型板上，通過(guò)利用Z軸滑臺(tái)導(dǎo)柱、滑臺(tái)、直線軸承將L型板固定在絲杠上，實(shí)現(xiàn)了高斯計(jì)隨著絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而沿Z軸移動(dòng)的功能。

圖3（a） 檢測(cè)裝置三維圖

圖3（b） 檢測(cè)裝置實(shí)物圖

2.2 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集電路和三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)組成。數(shù)據(jù)采集電路以單片機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，結(jié)合3個(gè)霍爾傳感器和信號(hào)放大電路，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)串口傳送到上位機(jī)作進(jìn)一步的處理，上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)。三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)組成，完成對(duì)被測(cè)物體的測(cè)量。三個(gè)移動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)精度為±0.05mm，XY方向運(yùn)動(dòng)范圍≤15cm，z方向運(yùn)動(dòng)范圍≤20cm。

根據(jù)三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)，本文要實(shí)現(xiàn)高斯計(jì)探頭沿X、Y、Z軸移動(dòng)，需要通過(guò)單片機(jī)控制三軸的步進(jìn)電機(jī)的脈沖、轉(zhuǎn)向、速度[3]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，本文設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)的模塊圖如圖4所示，該控制系統(tǒng)的模塊主要包括主控模塊、人機(jī)界面模塊、串口通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)輸入模塊。

圖4 控制系統(tǒng)模塊圖

三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示?？刂七^(guò)程如下：一開(kāi)始在上位機(jī)軟件中輸入高斯計(jì)所需測(cè)量位置點(diǎn)的坐標(biāo)，上位機(jī)將位置信號(hào)發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡接收并處理信號(hào)，然后將處理過(guò)的信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，由驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，從而使高斯計(jì)探頭到達(dá)相對(duì)于平臺(tái)的指定位置，到達(dá)測(cè)量位置點(diǎn)后，高斯計(jì)測(cè)量該位置點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 磁懸浮驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建立

在分析單個(gè)通電線圈時(shí)，如圖6，在平面xoy內(nèi)有一通電線圈，空間內(nèi)任意一點(diǎn)P處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以通過(guò)畢奧-薩伐爾定律公式[4]推得通電線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度公式如下：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，I為電流，線圈半徑a為矢量，z為軸向距離。

圖6 空間一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度

3.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)搭建

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，本文選用單層電磁線圈作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，電磁線圈參數(shù)設(shè)定為：電壓5V，電流0.3A，線圈長(zhǎng)度為20mm，線圈內(nèi)徑8mm，外徑10mm。通過(guò)在三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置中設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡，使高斯計(jì)在電磁線圈軸心處從下往上進(jìn)行測(cè)量，選擇測(cè)量間距為0.5mm，測(cè)量長(zhǎng)度為40mm。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置測(cè)量得出，如圖7所示，其中Z是測(cè)量點(diǎn)距離線圈下端面的距離，B是測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文中理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比對(duì)象為單層電磁線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度值，其中理論數(shù)據(jù)由軟件Matlab仿真得出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置測(cè)量得出。如圖8所示，其中曲線1是仿真計(jì)算得到的單層電磁線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度值，曲線2是實(shí)測(cè)的單層電磁線圈軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度值，將兩組數(shù)據(jù)記錄并繪制出該圖，從圖中可以看出，曲線1與曲線2的軌跡基本重合，這說(shuō)明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本相等，證明磁懸浮驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的正確性，也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置測(cè)量精度較高，能夠很好的完成空間磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量任務(wù)。

圖7 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)符合要求，具備測(cè)量空間磁感應(yīng)強(qiáng)度的能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裝置測(cè)量精度較高，能夠很好地完成對(duì)不同規(guī)格的通電線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量，為利用高斯計(jì)測(cè)量空間磁感應(yīng)強(qiáng)度提供了一種可靠的方法。

[1] 高艷艷，吳赟松，吳學(xué)杰，等．基于單片機(jī)與FPGA的多通道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．變流技術(shù)與電力牽引，2012，(5)：43-46．

[2] 張建永，饒連周，柳東，等．新型便攜式多功能數(shù)字高斯計(jì)的設(shè)計(jì)[J]．三明高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2014，(6)：50-55．

[3] 朱文斌，吳曉光，張弛，等．懸浮式提花織針驅(qū)動(dòng)模型的建立及結(jié)構(gòu)的研究[J]．針織工業(yè)，2011，(6)：1-4．

[4] 陳秉乾．電磁學(xué)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2012．

Research on Structure Design and Control System of Coordinate Magnetic Field Detection

YUAN Bo, WU Xiao-guang, ZHANG Chi

(College of Electromechanical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China）

In this paper, we design a kind of three coordinate magnetic induction strength testing device for the study of the magnetic drive jacquard knitting machine. The magnetic detection system hardware structure and software design are introduced, the system according to the motion control card as the core, combined with Gauss meter as a data acquisition device, the collected data is sent to the host computer and through the host computer of the data were analysis, processing and preservation. By comparing the simulation results with the measured data, the results show that the three coordinate magnetic field detection device can accurately detect all kinds of data, and a method of detecting the magnetic induction intensity is realized.

gauss meter; magnetic field testing; jacquard knitting machine

TM937.1

A

2095－414X(2016)06－0077－04

吳曉光（1954-），男，教授，研究方向：數(shù)字化紡織裝備及關(guān)鍵技術(shù).

國(guó)家自然科學(xué)基金（51175384）.