數(shù)顯電容高低調(diào)節(jié)器的原理與應(yīng)用

1 引言

    許多大型裝備制造企業(yè)和造船行業(yè)普遍使用火焰切割機(jī)自動(dòng)套料切割鋼板，而電容高低調(diào)節(jié)器是切割機(jī)中必不可少的配套部件。該設(shè)備的主要功能是保證切割機(jī)的割炬頭與被切割工件始終保持最佳切割距離，從而消除由于被切割工件的不平度變化而引起的加工精度誤差，進(jìn)而保證切割質(zhì)量，同時(shí)也是自動(dòng)切割必不可少的附屬設(shè)備，切割機(jī)割矩和電容探頭示意圖如圖1所示。由于切割機(jī)在工作過程中不能準(zhǔn)確探知切割割炬與鋼板的距離，這就必然影響鋼板的切割質(zhì)量。為了保證切割過程中割縫寬度均均，提高切割精度，采用一種2位數(shù)碼管顯示割炬與被切鋼板的距離，這就可以在切割過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控割炬與鋼板的距離，從而有效保證鋼板的切割質(zhì)量。

    2 數(shù)顯高低調(diào)節(jié)器的組成

    2.1 電容傳感器

    數(shù)顯高低調(diào)節(jié)器系統(tǒng)組成如圖2所示。探頭電路如圖3所示。探頭由直徑80 cm的金屬環(huán)做成，通過屏蔽線連接到電容傳感器電路，電容傳感器電路由晶體振蕩器、高頻檢波器、比較運(yùn)算放大器組成。晶體振蕩器產(chǎn)生6 MHz頻率，分兩路，一路送往R4、D2、C5、R6組成的高頻上檢波器，另一路送往電容探頭和由R5、D3、C6、R7組成的高頻下檢波器。兩路高頻信號(hào)經(jīng)過高頻檢波后，經(jīng)過差分電壓比較放大，輸出放大緩慢的電壓，這一電壓是變化的，因?yàn)殡娙莪h(huán)在相對(duì)金屬板材高低運(yùn)動(dòng)過程中，從電容環(huán)反饋至R5、D3、C6、R7組成的高頻下檢波器的信號(hào)是變化的高頻電壓信號(hào)，經(jīng)過檢波輸出的直流信號(hào)也是變化的緩慢的信號(hào)。當(dāng)A1正端的變化信號(hào)與A1負(fù)端的不變信號(hào)電壓比較時(shí)，將電容環(huán)對(duì)鋼板感應(yīng)的變化信號(hào)通過A1轉(zhuǎn)換成緩慢的直流電壓輸出信號(hào)，為送往比較放大電路和階梯比較電路作準(zhǔn)備。

    2.2 放大比較電路

    放大比較電路如圖4所示。來自電容傳感器電路的變化直流信號(hào)送入A2放大器放大，A2的正端電壓通過A3被R18和R20分壓，A2的反向端直接接至VR2電位器中點(diǎn)，調(diào)節(jié)VR2電位器中點(diǎn)可改變A2反向端的電位，也就是改變A2的輸出電壓。來自電容傳感器電路的變化直流信號(hào)電壓和VR2電位器中點(diǎn)的直流電壓疊加到A2的反向端，通過A2線性放大后，A2輸出變化的直流電壓，調(diào)節(jié)電位器VR2中點(diǎn)電壓實(shí)際就是改變電容探頭離鋼板的實(shí)際探測(cè)距離。A2輸出電壓一路接A4的正向輸入端，另一路接A5的反向輸入端，調(diào)節(jié)VR3電位器中點(diǎn)電壓，可同時(shí)改變A4的反向電壓和A5的正向電壓，D5起箝位電壓作用。當(dāng)A2輸出電壓跌落至D5箝位電壓時(shí)，A4和A5之間無輸出電壓。當(dāng)A2輸出電壓大于A4反向端電壓時(shí)，A4輸出高電平，D6發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)A2輸出電壓小于A5正向輸出電壓時(shí)，A5輸出高電平，D7發(fā)光二極管點(diǎn)亮，指示電容探頭升高或降低。當(dāng)手動(dòng)／自動(dòng)開關(guān)閉合時(shí)，A4和A5的電壓能通過模擬開關(guān)M傳輸?shù)紻8和D9，以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的光耦電路。在自動(dòng)狀態(tài)下也可以進(jìn)行手動(dòng)上下調(diào)節(jié)，手動(dòng)上下調(diào)節(jié)比自動(dòng)上下調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)高，所以在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)，處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)如果遇到緊急狀態(tài)，可以手動(dòng)人工緊急干預(yù)，按上升鍵或下降鍵，以免碰到鋼板或障礙物造成事故發(fā)生。

    2.3 光電耦合與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

    光電耦合與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。來自放大比較電路的高低調(diào)節(jié)信號(hào)通過光耦G1和G3送到功率驅(qū)動(dòng)電路，光耦的作用是把電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與放大比較電路隔離，將強(qiáng)電與弱電分離。這樣電機(jī)干擾和現(xiàn)場(chǎng)干擾就不會(huì)進(jìn)入放大比較電路。

    當(dāng)上升信號(hào)通過G1時(shí)，發(fā)光二極管D10導(dǎo)通發(fā)亮，并在R27電阻上建立電壓，該電壓加在三態(tài)門S1的2引腳和三態(tài)門S4的12引腳。與此同時(shí)，由于G3無信號(hào)，發(fā)光二極管D12截止，在R29電阻上就無法建立電壓，該低電平信號(hào)通過S2三態(tài)門，輸出給S1三態(tài)門控制端，S1三態(tài)門選通。在S1導(dǎo)通的同時(shí)，被選通的S4輸出信號(hào)加到S3三態(tài)門控制端。封鎖S3三態(tài)門導(dǎo)通。這種狀態(tài)是S1、S2、S4選通。

    當(dāng)下降信號(hào)通過G3時(shí)，D12導(dǎo)通發(fā)亮。并在R29電阻上建立電壓。該電壓加在三態(tài)門S3的9引腳和三態(tài)門S2的5引腳。與此同時(shí)，由于G1無信號(hào)，D10截止，在R27電阻上就無法建立電壓，該低電平信號(hào)通過S4三態(tài)門，輸出給S3三態(tài)門控制端，S3三態(tài)門選通；在S2導(dǎo)通的同時(shí)，被選通的S2輸出信號(hào)加給S1三態(tài)門控制端，封鎖S1。這種狀態(tài)是S2、S3、S4選通。

    再來看直流電機(jī)M正反轉(zhuǎn)的情況。當(dāng)S1、S2、S4選通時(shí)，T1、T5、T6、T4、T10導(dǎo)通；T2、T7、T3、T8、T9截止，此時(shí)由于T6和T10導(dǎo)通．整流的直流110V電壓直接加在電機(jī)兩端，電機(jī)正轉(zhuǎn)，電容探頭提升；當(dāng)S2、S3、S4選通時(shí)，T2、T7、T3、T8、T9導(dǎo)通；T1、T5、T6、T4、T10截止，此時(shí)由于T9和T7導(dǎo)通，整流的直流110 V電壓直接加在電機(jī)兩端，電機(jī)反轉(zhuǎn)，電容探頭下降。

    若電路受到外界電磁干擾或者誤操作同時(shí)按動(dòng)“上升”和“下降”按鈕，就有可能導(dǎo)致G1和G3同時(shí)選通，但由于74LS125三態(tài)門具有保護(hù)作用，只允許上升信號(hào)或下降信號(hào)一個(gè)信號(hào)通過。電路具有互鎖性，從而避免燒壞后續(xù)的驅(qū)動(dòng)管。當(dāng)電機(jī)的電流超過T6、T7或T9、T10驅(qū)動(dòng)管的額定電流時(shí)，就有可能燒壞驅(qū)動(dòng)管，為了避免燒壞驅(qū)動(dòng)管，該電路設(shè)計(jì)采用74LS125三態(tài)門互鎖，并在T7和T10發(fā)射極增加采樣電阻，當(dāng)采樣電壓超過光耦的導(dǎo)通電壓，光耦的輸出就會(huì)把調(diào)高的信號(hào)電壓短路，使信號(hào)電壓不能通過G1或G2，這樣對(duì)驅(qū)動(dòng)管具有保護(hù)作用。

    2.4 階梯比較譯碼顯示電路

    在火焰切割中，割炬與鋼板的切割距離為5mm～8mm時(shí)，切割效果最佳。為了顯示割炬與鋼板的最佳距離，采用二極管譯碼電路。圖6左邊是階梯比較電路，右邊是一組模擬開關(guān)和二極管譯碼電路，其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1是個(gè)位數(shù)的七段發(fā)光數(shù)碼管，b2、c2是十位數(shù)的發(fā)光二極管，只能顯示1，整個(gè)電路可以對(duì)4～14個(gè)數(shù)字進(jìn)行譯碼顯示。采用共陰極七段發(fā)光數(shù)碼管。

    當(dāng)電容探頭下降時(shí)，電容傳感器電路輸出的電壓信號(hào)很小，小于Y14比較器的負(fù)向電壓，此時(shí)，Y14輸出低電平，Y5～Y13比較器輸出高電平，M14模擬開關(guān)選通，b2、c2發(fā)光數(shù)碼管不亮。Y14輸出低電平也使N4輸出低電平，通過T11導(dǎo)相，輸出為高電平，此時(shí)，a1、b1、c1、d1、el、f1、g1七段發(fā)光數(shù)碼管全亮，第一次顯示為豎立的“8”，表示割炬與鋼板的距離大于14 mm。

    當(dāng)電容探頭繼續(xù)下降時(shí)，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y14比較器的負(fù)向電壓，小于Y13比較器正向電壓時(shí)，Y5～Y14輸出高電平，M14、M0～M9模擬開關(guān)全部輸出高電平，T11晶體管導(dǎo)通；T11晶體管的導(dǎo)通使二極管D30、D33二極管對(duì)地導(dǎo)通，從而使a1、d1、e1得不到導(dǎo)通電壓，a1、d1、e1不發(fā)光，此時(shí)兩位數(shù)碼發(fā)光二極管顯示為“14”。

    當(dāng)電容探頭再下降時(shí)，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y13比較器正向電壓，而小于Y12比較器正向電壓，此時(shí)只有Y13輸出低電平，Y14器輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管點(diǎn)發(fā)亮；而Y13輸出低電平時(shí)，同時(shí)M4封鎖，M4不能選通，只有M3選通，Y13的低電平拉低D32、D36陰極電位，同時(shí)也拉低D32、D36陽極電位，使e1、f1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2和a1、b1、e1、d1、gl發(fā)亮，兩位數(shù)碼發(fā)光二極管顯示為“13”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y12比較器正向電壓，而小于Y11比較器正向電壓時(shí)，Y12輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管發(fā)亮；Y12輸出低電平的，同時(shí)M3封鎖，M3不能選通，只有M2選通，Y12的低電平拉低D35陰極電位，同時(shí)也拉低D35陽極電位，使c1、f1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2和a1、b1、d1、e1、g1發(fā)亮，兩位數(shù)碼發(fā)光二極管顯示為“12”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y11比較器正向電壓，而小于Y10比較器正向電壓時(shí)，Y11輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管點(diǎn)亮；Y11輸出低電平時(shí)同時(shí)M2封鎖，M2不能選通，只有M1選通，Y11的低電平拉低D26、D27、D31、D32、D36、D37陽極電位，使a1、d1、e1、f1、g1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2和b1、c1發(fā)亮，兩位數(shù)碼發(fā)光二極管顯示為“11”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y10比較器正向電壓，而小于Y9比較器正向電壓時(shí)，Y10輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管發(fā)亮；而Y10輸出低電平時(shí)，同時(shí)M1封鎖，M1不能選通，只有M0選通，Y10的低電平拉低D18陽極電位，使g1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)，b2、c2、a1、b1、c1、d1、e1、f1發(fā)亮，兩位數(shù)碼發(fā)光二極管顯示為“10”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y9比較器正向電壓，而小于Y8比較器正向電壓時(shí)，Y9輸出低電平，Y8輸出高電平，封鎖M14，使b2、c2發(fā)光二極管不發(fā)光；Y9輸出低電平時(shí)，M0封鎖，Y9的低電平通過M9模擬開關(guān)拉低D25陽極電位，使e1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、b1、c1、d1、f1、g1發(fā)亮，個(gè)位數(shù)顯示為“9”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y8比較器正向電壓，而小于Y7比較器正向電壓時(shí)，Y8輸出低電平，Y7輸出高電平，Y8輸出低電平時(shí)，M9封鎖，此時(shí)，譯碼二極管全部處于懸空狀態(tài)，a1、bl、c1、d1、e1、f1、g1七段發(fā)光管全部點(diǎn)亮，個(gè)位數(shù)顯示為“8”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y7比較器正向電壓。小于Y6比較器正向電壓時(shí)，Y7輸出低電平，Y6輸出高電平，而Y7輸出低電平時(shí)，M8封鎖，Y7的低電平通過M7模擬開關(guān)拉低D31、D32、D36、D37陽極電位，使d1、e1、f1、g1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、b1、c1發(fā)亮，個(gè)位顯示為“7”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y6比較器正向電壓，而小于Y5比較器正向電壓時(shí)，Y6輸出低電平，Y5輸出高電平，Y6輸出低電平時(shí)，M7封鎖，Y6的低電平通過M6模擬開關(guān)拉低D23陽極電位，使b1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、c1、d1、e1、f1、g1發(fā)亮，個(gè)位數(shù)顯示為“6”。

    電容探頭繼續(xù)下降，電容傳感器電路輸出電壓大于Y5比較器正向電壓時(shí)，Y5輸出低電平，N6封鎖，Y5的低電平通過M5模擬開關(guān)拉低D29、D34陽極電位，使b1、e1達(dá)不到點(diǎn)亮電壓，此時(shí)a1、c1、d1、f1、g1發(fā)亮，個(gè)位顯示為“5”。

    通過以上對(duì)階梯比較和澤碼顯示電路的詳細(xì)解剖分析，可以看出。隨著割炬的下降，電容傳感器電路輸出的信號(hào)電壓隨之上升，每步進(jìn)上升一步電壓，比較器輸出電壓就為低電平，同時(shí)封鎖下一級(jí)模擬開關(guān)，唯獨(dú)Y14不同，因?yàn)槠湔撕拓?fù)端與其他的比較器接法不同。為了使數(shù)碼顯示割炬與鋼板保持5 mm～14 mm的距離，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，VR2、VR4、VR5也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

    3 結(jié)束語

    在火焰切割機(jī)自動(dòng)套料切割鋼板中，數(shù)顯電容高低調(diào)節(jié)器能把割炬與鋼板的距離直觀定量地顯示出來，可降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有定位距離可調(diào)、切割精度和自動(dòng)化程度高、安全可靠等特點(diǎn)。通過多年的實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)使用效果很好