材料成型裝備控制技術(shù)課件

1、材料成型裝備控制技術(shù)材料成型裝備控制技術(shù)材料成型裝備控制技術(shù)凌宏江、熊曉紅、吳豐順華中科技大學材料學院材料學院13級研究生用電子教案2013-2014學年第一學期材料成型裝備控制技術(shù) 2目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 材料成型過程中的檢測技術(shù)材料成型過程中的檢測技術(shù)第三章第三章 材料成型裝備常用的執(zhí)行裝置材料成型裝備常用的執(zhí)行裝置第四章第四章 PID控制技術(shù)控制技術(shù)第五章第五章 材料成型裝備計算機控制系統(tǒng)材料成型裝備計算機控制系統(tǒng)第六章第六章 材料成型過程中的電加熱裝置及控制材料成型過程中的電加熱裝置及控制第七章第七章 材料連接成型設(shè)備及控制技術(shù)材料連接成型設(shè)備及控制技術(shù)第八章第

2、八章 鑄造成型裝備及控制技術(shù)鑄造成型裝備及控制技術(shù)第九章第九章 塑性成型設(shè)備及控制技術(shù)塑性成型設(shè)備及控制技術(shù)材料成型裝備控制技術(shù) 3第二章第二章 材料成型過程中的檢測技術(shù)材料成型過程中的檢測技術(shù) 材料成形過程裝備的控制、成形質(zhì)量的控制涉及一些過程參數(shù)的檢測和控制，如焊接電流、電弧電壓等電量的檢測和控制，溫度、位移、速度、壓力、焊縫熔深、焊縫寬度等非電量的檢測與控制。本章主要針對材料成形裝備及材料成形過程控制參數(shù)，介紹這些參數(shù)的檢測技術(shù)。材料成型裝備控制技術(shù) 42.1 概述概述 溫度控制：溫度的檢測。 位置控制：位移、角度、高度等的檢測。 速度控制：位移量檢測 流量控制：流量和流速檢測。 恒流控

3、制：電流檢測。 恒壓控制：電壓檢測。 力的控制：應(yīng)力和應(yīng)變的檢測、變形的檢測。 稱重控制：質(zhì)量的檢測。材料成型裝備控制技術(shù) 5 一、一、 測量測量 測量是以確定量值為目的的一系列操作。 所以測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標準量進行比較, 確定被測量對標準量的倍數(shù)。 它可由下式表示：式中： x被測量值; u標準量, 即測量單位; n比值（純數(shù)）, 含有測量誤差。nux uxn 或材料成型裝備控制技術(shù) 6 由測量所獲得的被測的量值叫測量結(jié)果。測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可以用一條曲線或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分：比值和測量單位。確切地講，測量結(jié)果還應(yīng)包括誤差部分。

4、實現(xiàn)被測量與標準量比較得出比值的方法，稱為測量方法。針對不同測量任務(wù)進行具體分析以找出切實可行的測量方法，對測量工作是十分重要的。 測量過程就是傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)過變換、傳輸、處理，從而獲得被測量的量值。 材料成型裝備控制技術(shù) 7二、傳感器二、傳感器 傳感器是借助檢測元件將一種形式的傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。物物 理理 量量電電 量量傳感器傳感器 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電量因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的

5、非電量信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。材料成型裝備控制技術(shù) 8三、傳感器的組成三、傳感器的組成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。V材料成型裝備控制技術(shù) 92.2 溫度的測量溫度的測量材料加工離不開溫度的測量和控制： 塑性變形：溫擠、鍛壓、成型，金屬加熱降低變形抗力，有利于成型及質(zhì)量控制。 鑄造：

6、金屬的熔化等。 焊接：金屬的熔化、焊接結(jié)構(gòu)變形控制、擴散焊接等。焊接熱過程貫穿整個焊接過程的始終，一切焊接的物理化學過程都是在熱過程中發(fā)生和發(fā)展的。溫度的準確測量是焊接冶金分析、焊接應(yīng)力應(yīng)變分析和對焊接過程進行控制的前提。材料成型裝備控制技術(shù) 10一、溫度及溫度測量的基本知識一、溫度及溫度測量的基本知識 溫標：溫標：表示物體溫度高低的尺度，是溫度量值的表示物體溫度高低的尺度，是溫度量值的表示法。只有確定了溫標，溫度測量才有實際意表示法。只有確定了溫標，溫度測量才有實際意義。用來衡量物體溫度的標尺稱為義。用來衡量物體溫度的標尺稱為“溫度標尺溫度標尺”，簡稱簡稱“溫標溫標”。 溫標的確定溫標的確定

7、：首先應(yīng)規(guī)定一系列恒定的溫度作為：首先應(yīng)規(guī)定一系列恒定的溫度作為固定點固定點。通常用純物質(zhì)的三相點（沸點、凝固點。通常用純物質(zhì)的三相點（沸點、凝固點和超導轉(zhuǎn)變點）作為溫度計量的固定點，并賦予和超導轉(zhuǎn)變點）作為溫度計量的固定點，并賦予固定點一個確定的溫度。由固定點、測溫儀器以固定點一個確定的溫度。由固定點、測溫儀器以及內(nèi)插公式構(gòu)成了溫標的主要內(nèi)容。及內(nèi)插公式構(gòu)成了溫標的主要內(nèi)容。 目前，在國際上廣泛應(yīng)用的有三種溫標，即目前，在國際上廣泛應(yīng)用的有三種溫標，即攝氏攝氏溫標溫標、華氏溫標華氏溫標和和國際溫標國際溫標。材料成型裝備控制技術(shù) 111. 常用溫標常用溫標華氏溫標：華氏溫標：1706年Dani

8、l Fahrenheit提出以水和氯化銨融體為“32”。正常人體溫為“96”，后改為冰水融體為“32”，水的沸點為“212”，中間等分為180份，每份為1度，以 表示。攝氏溫標：攝氏溫標：1742年Anders Celsius提出采用水銀溫度計。在標準大氣壓下，以水純的冰點為“0”，水的沸點為“100”，中間等分為100份，每份為1度，以表示。熱力學溫標：熱力學溫標：Kelvin提根據(jù)卡諾原理提出了熱力學溫標，以K表示。國際溫標：國際溫標：國際實用溫標有兩種溫度，國際實用開爾文溫度和國際實用攝氏溫度。國際溫標是以水的三相點為基準點，以11個固定的平衡狀態(tài)溫度為基準而設(shè)立的。各溫域的分度均有相應(yīng)

9、的數(shù)學公式。材料成型裝備控制技術(shù) 122. 溫度的檢測元件溫度的檢測元件 熱電偶 熱電阻及熱敏電阻 紅外輻射測溫等材料成型裝備控制技術(shù) 133. 溫度的測量方法溫度的測量方法溫度檢測方法根據(jù)敏感元件和被測介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式與非接觸式兩大類。前者測溫傳感元件直接放在被測溫度場中，后者測溫傳感元件完全不與被測溫度場接觸。兩者的比較如下：材料成型裝備控制技術(shù) 14必要條件接觸式接觸式感溫元件必須與被測物體相接觸，或感溫元件與被測物體雖然接觸，但后者的溫度不變非接觸式非接觸式感溫元件能接收到被測物體的輻射能特點不適宜熱容量小的物體的溫度測量，不適宜動態(tài)溫度測量；便于多點、集中測量和自動控制被

10、測物體溫度不變；適宜于動態(tài)溫度測量；適宜表面溫度測量測量范圍適宜于2000以下的溫度測量適宜于高溫測量測溫精度測量范圍1左右一般在10左右滯后較大較小材料成型裝備控制技術(shù) 15二、熱電偶（熱電偶（Thermocouples）熱電偶測溫是目前溫度測量中應(yīng)用極為廣泛的一種溫度測量系統(tǒng)。其工作原理是源于物體的熱電效應(yīng)（Seebeck Effect）。材料成型裝備控制技術(shù) 161. 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)1821年德國物理學家T.J. Seebeck發(fā)現(xiàn)將將兩種不同材料的導體兩種不同材料的導體A和和B串接成一個閉合回串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會

11、產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效熱電效應(yīng)應(yīng)。熱電勢的大小由兩種材料的熱電勢的大小由兩種材料的接觸電勢接觸電勢和和單一材料的單一材料的溫差電勢溫差電勢決定。決定。材料成型裝備控制技術(shù) 17a. a. 接觸電勢接觸電勢K - 玻耳茲曼常數(shù)；玻耳茲曼常數(shù)；e - 電子電荷量；電子電荷量；T - 接觸處的溫度；接觸處的溫度；NA，NB - 分別為導體分別為導體A和和B的自由電子密度。的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(B自由電子擴散EAB接觸電勢的形成過程NANBNBNA材料成型裝備控制技術(shù) 18b. b. 溫差電勢溫差電勢（湯姆遜電勢）（湯姆遜電勢）-

12、 湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1時所產(chǎn)生時所產(chǎn)生 的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。TTAdTTTe0),(0材料成型裝備控制技術(shù) 19c. c. 熱電偶回路的總熱電勢熱電偶回路的總熱電勢TTBABABAABABBABAABABdtNNTTekTTeTTeTeTeTTeTeTTeTeTTE0)(ln)(),(),()()(),()(),()(),(00000000材料成型裝備控制技術(shù) 20d. 結(jié)論結(jié)論熱電極A和B為同一種材料時，即 NA = NB，A=B，則有，EAB(T, T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下， T=T0，則有，EAB(T

13、, T0)=0 。*熱電勢存在必須具備兩個條件：兩種不同的金屬材料組成熱電偶；它的兩端存在溫差。TTBABAABdtNNTTekTTE0)(ln)(),(00材料成型裝備控制技術(shù) 21d. 結(jié)論（續(xù)）結(jié)論（續(xù)）熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當冷端溫度T0恒定（如T0=0）時，E與T之間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應(yīng)的溫度值T。熱電偶熱電勢的大小，只與導體A和B的材料以及冷熱端的溫度有關(guān)，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關(guān)。dtNNekTTfTEBATBAAB)(ln)()0 ,(0材料成型裝備控制技術(shù) 222. 熱電偶的基本定律熱電偶的基

14、本定律a. 均質(zhì)導體定律均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何不導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何不均勻，產(chǎn)生的熱電動勢不變。均勻，產(chǎn)生的熱電動勢不變。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電偶材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的以熱電偶材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標之一。重要技術(shù)指標之一。TT0材料成型裝備控制技術(shù) 23b. 中間導體定律中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導在熱電偶回路中接入

15、第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V 為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理為用測量儀表測量回路的熱電動勢提供理論依據(jù)。論依據(jù)。材料成型裝備控制技術(shù) 24c. 中間溫度定律中間溫度定律兩種均質(zhì)導體兩種均質(zhì)導體A, B組成熱電組成熱電偶，當其兩接點處在溫度偶，當其兩接點處在溫度T和和Tn時，產(chǎn)生的熱電動勢為時，產(chǎn)生的熱電動勢為EAB(T, Tn)而當兩接點的溫度處在而當兩接點的溫度處在Tn和和T0時時產(chǎn)生的熱電動勢為產(chǎn)生的熱電動勢為EAB(Tn, T0)，則此熱電偶處在

16、溫度則此熱電偶處在溫度T和和T0兩接兩接點的熱電動勢點的熱電動勢EAB(T, T0)應(yīng)為：應(yīng)為：),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB材料成型裝備控制技術(shù) 253. 熱電偶的分類熱電偶的分類按熱電偶材料難熔金屬熱電偶貴重金屬熱電偶廉金屬熱電偶鎢錸5-鎢錸26（WRe5-WRe26）鉑銠10-鉑，銥銠-銥鎳鉻-鎳硅，鎳鉻-考銅按測溫范圍高溫熱電偶中溫熱電偶低溫熱電偶鎢錸5-鎢錸26，鉑銠30-鉑銠6鎳鉻-鎳硅，鎳鉻-考銅銅-康銅，鎳鉻-鐵金0.03按封裝形式普通熱電偶鎧裝熱電偶薄膜熱電偶表面熱電偶按標準標準熱電偶非標準熱電偶K，S，B鎳鉬石墨-碳化硅材料成型裝備控制技術(shù) 264

17、. ITS-90標準熱電偶標準熱電偶熱電偶熱電偶名稱名稱分度分度號號新新熱電極識別熱電極識別E(100,0)(mV)測溫范圍（測溫范圍（）允許偏差允許偏差極性極性識別識別長期長期短期短期使用溫使用溫度度允差允差 鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460130016006001.5負亮白柔軟6000.25% 鉑銠13-鉑R正較硬0.6470130016006001.5負柔軟11000.25% 鉑銠30-鉑銠10B正較硬0.0330160018006009004負稍軟8000.5% 鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960120013002.5負稍親磁1.5% 鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-2001200

18、13002.5或0.75%負稍親磁 鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200760850-409002.5或0.75%負亮黃 銅-康銅T正紅色4.279-2003504001負銀白色 鐵-康銅J正親磁5.269-40600750-407502.5或0.75%負不親磁材料成型裝備控制技術(shù) 27a. 鉑銠鉑銠-鉑熱電偶鉑熱電偶材料：材料：Pt90%(+), Pt(100%)(-), 分度號：S使用范圍：使用范圍： 1300 , 可長期使用，在良好的使用環(huán)境下可短期測量1600 高溫。特點：特點：線性度一般；熱電偶的復制精度和測量精度較高，可用于精密測量和作標準電偶；在氧化性和中性介質(zhì)中物理化學穩(wěn)定性好

19、。缺點：缺點：靈敏度相對較低；熱電勢值較小。材料成型裝備控制技術(shù) 28b. 鉑銠鉑銠30-鉑銠鉑銠6（雙鉑銠）熱電偶（雙鉑銠）熱電偶材料：材料：Pt70Rh30(+), Pt94Rh6(-), 分度號：B使用范圍：使用范圍： 1600 以下 可長期使用，短期測量可達1800 高溫。特點：特點：性能穩(wěn)定，精度高，適用于氧化性和中性介質(zhì)；熱電勢值小，由于低溫度時電勢值小，因此冷端在40 以下，對熱電勢值不必修正。缺點：缺點：價格貴材料成型裝備控制技術(shù) 29c. 鎳鉻鎳鉻-鎳硅熱電偶鎳硅熱電偶材料：NiCr(+), NiSi(-), 分度號：K使用范圍：可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測量900 以下溫度

20、。特點：化學熱穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質(zhì)中長時間使用；還原性介質(zhì)中很快地受到腐蝕；線性最好，且復制性能好，產(chǎn)生的電勢值高，價格便宜；測溫精度不高，但能夠滿足工業(yè)測量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。缺點：測量精度相對較低。材料成型裝備控制技術(shù) 30d. 鎳鉻鎳鉻-康銅熱電偶康銅熱電偶材料：材料：鎳鉻(+), 考銅(-), 分度號：E使用范圍：使用范圍： 長期使用600 , 短期測量不超過800 。特點：特點：靈敏度高；價格便宜。缺點：缺點：考銅合金絲易受氧化而變質(zhì)；材質(zhì)硬，不易得到均勻的線徑。材料成型裝備控制技術(shù) 315. 熱電偶結(jié)構(gòu)型式熱電偶結(jié)構(gòu)型式 為保證熱電偶的正常工作，熱電偶

21、的兩極之間以及與保護套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護套管也是必不可少的。普通型裝配式結(jié)構(gòu)柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)材料成型裝備控制技術(shù) 32a. 普通型裝配式結(jié)構(gòu)1-接線柱；接線柱；2-接線座；接線座；3-絕緣套管；絕緣套管；4-熱電極熱電極1-測量端；測量端；2-熱電極；熱電極；3-絕緣套管；絕緣套管；4-保護管；保護管；5-接線盒接線盒材料成型裝備控制技術(shù) 33b. 柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu) 測量端的熱容量小，響應(yīng)速度快，繞測量端的熱容量小，響應(yīng)速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結(jié)構(gòu)復雜的測量場合，耐壓、耐振、耐沖擊。雜的測量場合，耐

22、壓、耐振、耐沖擊。材料成型裝備控制技術(shù) 346. 熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端的溫度有關(guān)，而且也與冷端的溫度有關(guān)，只有當冷端溫度恒定，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。熱電偶的冷端處理和補償: 當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為。材料成型裝備控制技術(shù) 35a. a. 補償導線補償導線 熱電偶補償導線功能： 其一實現(xiàn)了冷端遷移； 其二是降低了電路成本。 組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。補償導線又分為延長型和補償型兩種 延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢

23、標稱值與配用的熱電偶相同。 補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同。材料成型裝備控制技術(shù) 36常用補償導線熱電偶名稱及分度號補償導線正極負極代號材料代號材料鉑銠-鉑（S）SPCCuSNCNiCu鎳鉻-鎳硅（K）KPCCuKNC康銅鎳鉻-考銅（XK）NiCr考銅銅-康銅（T）TPXCuTNX康銅材料成型裝備控制技術(shù) 37使用補償導線時注意問題u補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0100）；u熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；u不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；u補償導線的正、負極需分別與熱電偶正、負極相連。材料成型

24、裝備控制技術(shù) 38b. b. 常用的幾種冷端處理方法常用的幾種冷端處理方法1). 熱電偶冷端溫度恒溫法熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。材料成型裝備控制技術(shù) 392). 計算修正法計算修正法 在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0 ，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。才能符合熱電偶分度表的要求。)0 ,(),(

25、)0 ,(11TETTETE可用室溫計測出環(huán)境溫度可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出，從分度表中查出E(T1, 0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T, T1)，得到得到E(T, 0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。度值。材料成型裝備控制技術(shù) 403). 冷端補償電橋法冷端補償電橋法 利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。變化值。材料成型裝備控制技術(shù) 41三、熱阻式傳感器熱阻式傳感器熱阻式傳感器的工作原理是利用了導體或半導體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)。構(gòu)成熱敏式傳感器的測溫元件，有金屬熱電阻及半導體熱敏電阻。熱阻式傳感器熱電阻熱敏電阻線繞式熱電阻薄膜式熱電阻負溫度系數(shù)正溫度系數(shù)線性溫度系數(shù)材料成型裝備控制技術(shù) 421. 熱電阻-RTD 從物理學可知，一般金屬導體具有正的電阻溫度系數(shù)，電阻率隨著溫度的上升而增加，電阻與溫度的關(guān)系為Rt=R0(1+At+Bt2+)式中，R0和Rt分別為0C和tC時的電阻值；A和B為常數(shù)。 常用的標準化測溫電阻有鉑電阻(Pt1