材料成型裝備控制技術(shù)2課件

材料成型裝備控制技術(shù)

凌宏江、熊曉紅、吳豐順材料學(xué)院13級(jí)研究生用電子教案2013-2014學(xué)年第一學(xué)期目錄第一章緒論第二章材料成型過(guò)程中的檢測(cè)技術(shù)第三章

材料成型裝備常用的執(zhí)行裝置第四章PID控制技術(shù)第五章

材料成型裝備計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第六章材料成型過(guò)程中的電加熱裝置及控制第七章材料連接成型設(shè)備及控制技術(shù)第八章鑄造成型裝備及控制技術(shù)第九章塑性成型設(shè)備及控制技術(shù)2材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)第二章材料成型過(guò)程中的檢測(cè)技術(shù) 材料成形過(guò)程裝備的控制、成形質(zhì)量的控制涉及一些過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)和控制，如焊接電流、電弧電壓等電量的檢測(cè)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(cè)與控制。本章主要針對(duì)材料成形裝備及材料成形過(guò)程控制參數(shù)，介紹這些參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)。3材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)

一、測(cè)量測(cè)量是以確定量值為目的的一系列操作。所以測(cè)量也就是將被測(cè)量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較,確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。它可由下式表示：

式中： x—被測(cè)量值;

u—標(biāo)準(zhǔn)量,即測(cè)量單位;

n—比值（純數(shù)）,含有測(cè)量誤差?；?材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù) 由測(cè)量所獲得的被測(cè)的量值叫測(cè)量結(jié)果。測(cè)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(wú)論其表現(xiàn)形式如何，測(cè)量結(jié)果應(yīng)包括兩部分：比值和測(cè)量單位。確切地講，測(cè)量結(jié)果還應(yīng)包括誤差部分。 實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測(cè)量方法。針對(duì)不同測(cè)量任務(wù)進(jìn)行具體分析以找出切實(shí)可行的測(cè)量方法，對(duì)測(cè)量工作是十分重要的。 測(cè)量過(guò)程就是傳感器從被測(cè)對(duì)象獲取被測(cè)量的信息，建立起測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)變換、傳輸、處理，從而獲得被測(cè)量的量值。6材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)二、傳感器

傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。物理量電量傳感器

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。7材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)2.2溫度的測(cè)量材料加工離不開溫度的測(cè)量和控制：塑性變形：溫?cái)D、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：金屬的熔化等。焊接：金屬的熔化、焊接結(jié)構(gòu)變形控制、擴(kuò)散焊接等。焊接熱過(guò)程貫穿整個(gè)焊接過(guò)程的始終，一切焊接的物理化學(xué)過(guò)程都是在熱過(guò)程中發(fā)生和發(fā)展的。溫度的準(zhǔn)確測(cè)量是焊接冶金分析、焊接應(yīng)力應(yīng)變分析和對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制的前提。9材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)一、溫度及溫度測(cè)量的基本知識(shí)溫標(biāo)：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(biāo)，溫度測(cè)量才有實(shí)際意義。用來(lái)衡量物體溫度的標(biāo)尺稱為“溫度標(biāo)尺”，簡(jiǎn)稱“溫標(biāo)”。溫標(biāo)的確定：首先應(yīng)規(guī)定一系列恒定的溫度作為固定點(diǎn)。通常用純物質(zhì)的三相點(diǎn)（沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)）作為溫度計(jì)量的固定點(diǎn)，并賦予固定點(diǎn)一個(gè)確定的溫度。由固定點(diǎn)、測(cè)溫儀器以及內(nèi)插公式構(gòu)成了溫標(biāo)的主要內(nèi)容。目前，在國(guó)際上廣泛應(yīng)用的有三種溫標(biāo)，即攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和國(guó)際溫標(biāo)。10材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)1.常用溫標(biāo)華氏溫標(biāo)：1706年DanilFahrenheit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(diǎn)為“212”，中間等分為180份，每份為1度，以℉表示。攝氏溫標(biāo)：1742年AndersCelsius提出采用水銀溫度計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水純的冰點(diǎn)為“0”，水的沸點(diǎn)為“100”，中間等分為100份，每份為1度，以℃表示。熱力學(xué)溫標(biāo)：Kelvin提根據(jù)卡諾原理提出了熱力學(xué)溫標(biāo)，以K表示。國(guó)際溫標(biāo)：國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)有兩種溫度，國(guó)際實(shí)用開爾文溫度和國(guó)際實(shí)用攝氏溫度。國(guó)際溫標(biāo)是以水的三相點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以11個(gè)固定的平衡狀態(tài)溫度為基準(zhǔn)而設(shè)立的。各溫域的分度均有相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式。11材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)3.溫度的測(cè)量方法溫度檢測(cè)方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)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(cè)溫傳感元件直接放在被測(cè)溫度場(chǎng)中，后者測(cè)溫傳感元件完全不與被測(cè)溫度場(chǎng)接觸。兩者的比較如下：13材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)必要條件接觸式感溫元件必須與被測(cè)物體相接觸，或感溫元件與被測(cè)物體雖然接觸，但后者的溫度不變非接觸式感溫元件能接收到被測(cè)物體的輻射能特點(diǎn)不適宜熱容量小的物體的溫度測(cè)量，不適宜動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量；便于多點(diǎn)、集中測(cè)量和自動(dòng)控制被測(cè)物體溫度不變；適宜于動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量；適宜表面溫度測(cè)量測(cè)量范圍適宜于2000℃以下的溫度測(cè)量適宜于高溫測(cè)量測(cè)溫精度測(cè)量范圍1％左右一般在10℃左右滯后較大較小14材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)二、熱電偶（Thermocouples）熱電偶測(cè)溫是目前溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛的一種溫度測(cè)量系統(tǒng)。其工作原理是源于物體的熱電效應(yīng)（SeebeckEffect）。15材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)a.接觸電勢(shì)K-玻耳茲曼常數(shù)；e-電子電荷量；T-接觸處的溫度；NA，NB

-分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。B自由電子擴(kuò)散EAB接觸電勢(shì)的形成過(guò)程N(yùn)ANBNBNA17材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)b.溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）δ-湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時(shí)所產(chǎn)生 的電動(dòng)勢(shì)值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。18材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)c.熱電偶回路的總熱電勢(shì)19材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)d.結(jié)論（續(xù)）熱電勢(shì)是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當(dāng)冷端溫度T0恒定（如T0=0℃）時(shí)，E與T之間有唯一對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測(cè)量到的熱電勢(shì)E來(lái)得到對(duì)應(yīng)的溫度值T。熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與導(dǎo)體A和B的材料以及冷熱端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的粗細(xì)長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無(wú)關(guān)。21材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)2.熱電偶的基本定律a.均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何不均勻，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)不變。

如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。所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(biāo)之一。TT022材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)b.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V為用測(cè)量?jī)x表測(cè)量回路的熱電動(dòng)勢(shì)提供理論依據(jù)。23材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)3.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(cè)溫范圍高溫?zé)犭娕贾袦責(zé)犭娕嫉蜏責(zé)犭娕兼u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(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶K，S，B…鎳鉬石墨-碳化硅25材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)4.ITS-90標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電偶名稱分度號(hào)新熱電極識(shí)別E(100,0)(mV)測(cè)溫范圍（℃）允許偏差極性識(shí)別長(zhǎng)期短期使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600≤600±1.5℃負(fù)亮白柔軟＞600±0.25%鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600＜600±1.5℃負(fù)柔軟＞1100±0.25%鉑銠30-鉑銠10B正較硬0.0330~16001800600~900±4℃負(fù)稍軟＞800±0.5%鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300±2.5℃負(fù)稍親磁±1.5%鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300±2.5℃或±0.75%負(fù)稍親磁鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850-40~900±2.5℃或±0.75%負(fù)亮黃銅-康銅T正紅色4.279-200~350400±1℃負(fù)銀白色鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750-40~750±2.5℃或±0.75%負(fù)不親磁26材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)c.鎳鉻-鎳硅熱電偶材料：NiCr(+),NiSi(-),分度號(hào)：K使用范圍：可在氧化性和中性介質(zhì)中長(zhǎng)期測(cè)量900℃以下溫度。特點(diǎn)：化學(xué)熱穩(wěn)定性較高，可在氧化性或中性介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)間使用；還原性介質(zhì)中很快地受到腐蝕；線性最好，且復(fù)制性能好，產(chǎn)生的電勢(shì)值高，價(jià)格便宜；測(cè)溫精度不高，但能夠滿足工業(yè)測(cè)量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。缺點(diǎn)：測(cè)量精度相對(duì)較低。29材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)d.鎳鉻-康銅熱電偶材料：鎳鉻(+),考銅(-),分度號(hào)：E使用范圍：長(zhǎng)期使用<600℃,短期測(cè)量不超過(guò)800℃。特點(diǎn)：靈敏度高；價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：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。30材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)5.

熱電偶結(jié)構(gòu)型式 為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護(hù)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(hù)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)31材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)a.普通型裝配式結(jié)構(gòu)1-接線柱；2-接線座；3-絕緣套管；4-熱電極1-測(cè)量端；2-熱電極；3-絕緣套管；4-保護(hù)管；5-接線盒32材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)b.柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu) 測(cè)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(fù)雜的測(cè)量場(chǎng)合，耐壓、耐振、耐沖擊。33材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)6.熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)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(dāng)冷端溫度恒定，才能通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償:

當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。34材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)a.補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。補(bǔ)償導(dǎo)線又分為延長(zhǎng)型和補(bǔ)償型兩種延長(zhǎng)形：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢(shì)標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同。補(bǔ)償型：其合金絲的名稱化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢(shì)值在100℃以下時(shí)與配用的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相同。35材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)常用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶名稱及分度號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線正極負(fù)極代號(hào)材料代號(hào)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36材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)注意問(wèn)題補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0~100℃）；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持溫度相同；不同型號(hào)的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連。37材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)b.常用的幾種冷端處理方法1).熱電偶冷端溫度恒溫法

適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。38材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)2).計(jì)算修正法 在實(shí)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(shí)測(cè)量出的回路熱電勢(shì)要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)后才能符合熱電偶分度表的要求。 可用室溫計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。39材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)3).冷端補(bǔ)償電橋法 利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值。40材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)三、熱阻式傳感器熱阻式傳感器的工作原理是利用了導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)。構(gòu)成熱敏式傳感器的測(cè)溫元件，有金屬熱電阻及半導(dǎo)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(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù)線性溫度系數(shù)41材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)1.熱電阻-RTD從物理學(xué)可知，一般金屬導(dǎo)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0°C和t°C時(shí)的電阻值；A和B為常數(shù)。常用的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)溫電阻有鉑電阻(Pt100)、銅電阻(Cu50)等。銅電阻的線性很好，但測(cè)量范圍不寬，一般為0-150℃。鉑電阻的線性稍差，但其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，測(cè)量溫度高，測(cè)溫范圍寬，因而應(yīng)用廣泛。42材料學(xué)院材料成型裝備及控制技術(shù)2.熱敏電阻-Thermistor

熱敏電阻是一類溫度敏感的半導(dǎo)體電阻器件，根據(jù)電阻與溫度的關(guān)系分為三類：負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，電阻隨溫度上升而下降；