數(shù)顯電容高低調(diào)節(jié)器的原理與應用

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自動套料切割鋼板，而電容高低調(diào)節(jié)器是切割機中必不可少的配套部件。該設備的主要功能是保證切割機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，進而保證切割質(zhì)量，同時也是自動切割必不可少的附屬設備，切割機割矩和電容探頭示意圖如圖1所示。由于切割機在工作過程中不能準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時監(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，因為電容環(huán)在相對金屬板材高低運動過程中，從電容環(huán)反饋至R5、D3、C6、R7組成的高頻下檢波器的信號是變化的高頻電壓信號，經(jīng)過檢波輸出的直流信號也是變化的緩慢的信號。當A1正端的變化信號與A1負端的不變信號電壓比較時，將電容環(huán)對鋼板感應的變化信號通過A1轉換成緩慢的直流電壓輸出信號，為送往比較放大電路和階梯比較電路作準備。

    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，調(diào)節(jié)VR2電位器中點可改變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電壓和VR2電位器中點的直流電壓疊加到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中點電壓實際就是改變電容探頭離鋼板的實際探測距離。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電位器中點電壓，可同時改變A4的反向電壓和A5的正向電壓，D5起箝位電壓作用。當A2輸出電壓跌落至D5箝位電壓時，A4和A5之間無輸出電壓。當A2輸出電壓大于A4反向端電壓時，A4輸出高電平，D6發(fā)光二極管點亮；當A2輸出電壓小于A5正向輸出電壓時，A5輸出高電平，D7發(fā)光二極管點亮，指示電容探頭升高或降低。當手動／自動開關閉合時，A4和A5的電壓能通過模擬開關M傳輸?shù)紻8和D9，以驅動后續(xù)的光耦電路。在自動狀態(tài)下也可以進行手動上下調(diào)節(jié)，手動上下調(diào)節(jié)比自動上下調(diào)節(jié)優(yōu)先級高，所以在實際工作現(xiàn)場，處于自動狀態(tài)時如果遇到緊急狀態(tài)，可以手動人工緊急干預，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 光電耦合與電機驅動電路

    光電耦合與電機驅動電路如圖5所示。來自放大比較電路的高低調(diào)節(jié)信號通過光耦G1和G3送到功率驅動電路，光耦的作用是把電機驅動電路與放大比較電路隔離，將強電與弱電分離。這樣電機干擾和現(xiàn)場干擾就不會進入放大比較電路。

    當上升信號通過G1時，發(fā)光二極管D10導通發(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，由于G3無信號，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導通的同時，被選通的S4輸出信號加到S3三態(tài)門控制端。封鎖S3三態(tài)門導通。這種狀態(tài)是S1、S2、S4選通。

    當下降信號通過G3時，D12導通發(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，由于G1無信號，D10截止，在R27電阻上就無法建立電壓，該低電平信號通過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導通的同時，被選通的S2輸出信號加給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M正反轉的情況。當S1、S2、S4選通時，T1、T5、T6、T4、T10導通；T2、T7、T3、T8、T9截止，此時由于T6和T10導通．整流的直流110V電壓直接加在電機兩端，電機正轉，電容探頭提升；當S2、S3、S4選通時，T2、T7、T3、T8、T9導通；T1、T5、T6、T4、T10截止，此時由于T9和T7導通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機反轉，電容探頭下降。

    若電路受到外界電磁干擾或者誤操作同時按動“上升”和“下降”按鈕，就有可能導致G1和G3同時選通，但由于74LS125三態(tài)門具有保護作用，只允許上升信號或下降信號一個信號通過。電路具有互鎖性，從而避免燒壞后續(xù)的驅動管。當電機的電流超過T6、T7或T9、T10驅動管的額定電流時，就有可能燒壞驅動管，為了避免燒壞驅動管，該電路設計采用74LS125三態(tài)門互鎖，并在T7和T10發(fā)射極增加采樣電阻，當采樣電壓超過光耦的導通電壓，光耦的輸出就會把調(diào)高的信號電壓短路，使信號電壓不能通過G1或G2，這樣對驅動管具有保護作用。

    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，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和二極管譯碼電路，其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1是個位數(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，整個電路可以對4～14個數(shù)字進行譯碼顯示。采用共陰極七段發(fā)光數(shù)碼管。

    當電容探頭下降時，電容傳感器電路輸出的電壓信號很小，小于Y14比較器的負向電壓，此時，Y14輸出低電平，Y5～Y13比較器輸出高電平，M14模擬開關選通，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導相，輸出為高電平，此時，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。

    當電容探頭繼續(xù)下降時，電容傳感器電路輸出的電壓大于Y14比較器的負向電壓，小于Y13比較器正向電壓時，Y5～Y14輸出高電平，M14、M0～M9模擬開關全部輸出高電平，T11晶體管導通；T11晶體管的導通使二極管D30、D33二極管對地導通，從而使a1、d1、e1得不到導通電壓，a1、d1、e1不發(fā)光，此時兩位數(shù)碼發(fā)光二極管顯示為“14”。

    當電容探頭再下降時，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，此時只有Y13輸出低電平，Y14器輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管點發(fā)亮；而Y13輸出低電平時，同時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，同時也拉低D32、D36陽極電位，使e1、f1達不到點亮電壓，此時，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，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，同時也拉低D35陽極電位，使c1、f1達不到點亮電壓，此時，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，Y11輸出低電平，Y14輸出高電平，b2、c2發(fā)光二極管點亮；Y11輸出低電平時同時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達不到點亮電壓，此時，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，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，同時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達不到點亮電壓，此時，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，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，M0封鎖，Y9的低電平通過M9模擬開關拉低D25陽極電位，使e1達不到點亮電壓，此時a1、b1、c1、d1、f1、g1發(fā)亮，個位數(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，Y8輸出低電平，Y7輸出高電平，Y8輸出低電平時，M9封鎖，此時，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)光管全部點亮，個位數(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，Y7輸出低電平，Y6輸出高電平，而Y7輸出低電平時，M8封鎖，Y7的低電平通過M7模擬開關拉低D31、D32、D36、D37陽極電位，使d1、e1、f1、g1達不到點亮電壓，此時a1、b1、c1發(fā)亮，個位顯示為“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，Y6輸出低電平，Y5輸出高電平，Y6輸出低電平時，M7封鎖，Y6的低電平通過M6模擬開關拉低D23陽極電位，使b1達不到點亮電壓，此時a1、c1、d1、e1、f1、g1發(fā)亮，個位數(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，Y5輸出低電平，N6封鎖，Y5的低電平通過M5模擬開關拉低D29、D34陽極電位，使b1、e1達不到點亮電壓，此時a1、c1、d1、f1、g1發(fā)亮，個位顯示為“5”。

    通過以上對階梯比較和澤碼顯示電路的詳細解剖分析，可以看出。隨著割炬的下降，電容傳感器電路輸出的信號電壓隨之上升，每步進上升一步電壓，比較器輸出電壓就為低電平，同時封鎖下一級模擬開關，唯獨Y14不同，因為其正端和負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)場調(diào)試時，VR2、VR4、VR5也應進行相應調(diào)整。

    3 結束語

    在火焰切割機自動套料切割鋼板中，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強度，具有定位距離可調(diào)、切割精度和自動化程度高、安全可靠等特點。通過多年的實際應用，該系統(tǒng)使用效果很好