袁 博，吳曉光，張 弛

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三坐標磁場自動檢測及控制裝置的實驗研究

袁 博，吳曉光*，張 弛

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

針對磁力驅動提花針織機研究，設計了一種三坐標磁感應強度檢測裝置。介紹了磁場檢測系統(tǒng)的硬件結構和軟件設計方案，該系統(tǒng)以運動控制卡為核心，結合高斯計作為數據采集裝置，將采集到的數據發(fā)送到上位機，并通過上位機對數據進行分析、處理并保存。通過Matlab仿真結果與實測數據相比較，驗證了三坐標磁場檢測裝置能夠精確檢測各項數據，實現了磁感應強度檢測的一種方法。

高斯計；磁場檢測；提花針織機

傳統(tǒng)的磁感應強度測量儀器為手持式高斯計，這種手持方式雖然簡易，但是在實際應用中發(fā)現手持式測量的位置點不夠精確，導致測量數據不準確，而且只進行個別位置點的磁場測量已不能滿足研究人員的要求。本文設計的三坐標磁場檢測裝置中的高斯計由于是機械夾持，位置精度較高，測量數據準確、可靠，并且可沿預先設計的軌跡進行測量。檢測裝置中的三坐標平臺可以保證高斯計測量速度高、效率高，且在多次測量時，測試結果一致性好。

1 高斯計檢測對象

1.1 磁感應強度測量點

在建立磁力驅動提花織針懸浮控制模型[1]的過程中，為確定理論模型的正確性，需要將理論模型數據和實驗所測數據相對比。由于高斯計探頭呈扁長型，為方便實際測量，故選取通電線圈端面，如圖1(a)，及其軸心位置，如圖1(b)，作為對比點[2]，測量點的位置如圖1所示。

本文測量使用的通電線圈規(guī)格為：內徑8mm，外徑10mm，高度20mm，選取磁感應強度測量間距為0.5mm，測量方式為從左到右、從上到下依次測量。

圖1(a) 端面測量點

圖1(b) 軸心測量點

空間磁場磁感應強度可簡化為三個方向的磁感應強度，即X、Y、Z軸磁感應強度，如圖2所示。圖2中XYZ為空間坐標系，其定義與高斯計探頭定義一致。B代表空間磁場的向量，其中磁場B主要包括三個參數:俯仰角Fai，水平偏置角Theta以及B的標量值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 空間磁場示意圖

磁感應強度關系如下：

式中：B是測量點的總磁感應強度，X是測量點X軸方向的磁感應強度，Y是測量點Y軸方向的磁感應強度，Z是測量點Z軸方向的磁感應強度。

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

2 三坐標磁場檢測裝置的設計

2.1 結構設計

三坐標磁場檢測裝置的主要結構包括兩坐標平臺、Z軸滑臺，如圖3(a)、(b)所示。兩坐標平臺中的X軸底座固定在Y軸滑臺上，移動平臺固定在X軸滑臺上，被測物體通電線圈放置在平臺上。

高斯計在測量通電線圈磁場任意一點磁感應強度的過程中，需要高斯計探頭能夠精確移動到該點位置，基于此需要，本文設計的三坐標磁場檢測裝置應能使高斯計探頭向空間三軸方向移動。在實際測量過程中，為實現上述功能，該裝置并不是直接通過控制高斯計向X、Y軸移動來到達所測位置點，而是通過控制平臺向X、Y軸移動，從而實現高斯計相對于平臺的X、Y軸方向的移動。在實際測量中，通過步進電機控制Y軸絲杠的轉動帶動X軸與移動平臺整體沿著Y軸方向移動，從而實現平臺向Y軸方向的移動；通過步進電機控制X軸絲杠的轉動帶動平臺向X軸方向移動，從而實現了平臺向X軸方向的移動。

高斯計沿Z軸移動由Z軸直線滑臺完成，該裝置將高斯計固定在Z軸絲杠滑臺上，Z軸滑臺固定在Y軸滑臺的電機上方，通過控制Z軸步進電機帶動絲杠轉動，從而實現高斯計探頭向Z軸方向移動。在Z軸滑臺上設計了一種如圖3所示的支撐裝置，將高斯計探頭放置于套筒中，套筒固定在L型板上，通過利用Z軸滑臺導柱、滑臺、直線軸承將L型板固定在絲杠上，實現了高斯計隨著絲杠轉動而沿Z軸移動的功能。

圖3（a） 檢測裝置三維圖

圖3（b） 檢測裝置實物圖

2.2 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由數據采集電路和三坐標移動平臺組成。數據采集電路以單片機和運動控制卡為核心，結合3個霍爾傳感器和信號放大電路，將采集的數據經處理后通過串口傳送到上位機作進一步的處理，上位機軟件采用LabVIEW圖形化語言編寫。三坐標移動平臺由電機驅動電路和步進電機組成，完成對被測物體的測量。三個移動軸的運動精度為±0.05mm，XY方向運動范圍≤15cm，z方向運動范圍≤20cm。

根據三坐標磁場檢測裝置的結構，本文要實現高斯計探頭沿X、Y、Z軸移動，需要通過單片機控制三軸的步進電機的脈沖、轉向、速度[3]。為實現上述功能，本文設計的三坐標磁場檢測裝置控制系統(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、人機界面模塊、串口通信模塊、電機驅動模塊、信號輸入模塊。

圖4 控制系統(tǒng)模塊圖

三坐標磁場檢測裝置控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示?？刂七^程如下：一開始在上位機軟件中輸入高斯計所需測量位置點的坐標，上位機將位置信號發(fā)送給運動控制卡，運動控制卡接收并處理信號，然后將處理過的信號發(fā)送到步進電機驅動器中，由驅動器控制步進電機的脈沖、轉向、轉速，通過步進電機的轉動帶動平臺移動，從而使高斯計探頭到達相對于平臺的指定位置，到達測量位置點后，高斯計測量該位置點的磁感應強度，并將測量的數據通過串口發(fā)送給上位機，上位機接收并存儲數據。三坐標磁場檢測裝置控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

3 實驗研究

3.1 磁懸浮驅動數學模型建立

在分析單個通電線圈時，如圖6，在平面xoy內有一通電線圈，空間內任意一點P處的磁感應強度可以通過畢奧-薩伐爾定律公式[4]推得通電線圈磁感應強度公式如下：

式中：μ0為真空磁導率，I為電流，線圈半徑a為矢量，z為軸向距離。

圖6 空間一點磁感應強度

3.2 測量實驗搭建

在實際測量過程中，為驗證數學模型的正確性，本文選用單層電磁線圈作為實驗對象，電磁線圈參數設定為：電壓5V，電流0.3A，線圈長度為20mm，線圈內徑8mm，外徑10mm。通過在三坐標磁場檢測裝置中設定運動軌跡，使高斯計在電磁線圈軸心處從下往上進行測量，選擇測量間距為0.5mm，測量長度為40mm。

實驗數據由三坐標磁場檢測裝置測量得出，如圖7所示，其中Z是測量點距離線圈下端面的距離，B是測量點的磁感應強度。

3.3 實驗結果

本文中理論數據與實驗數據對比對象為單層電磁線圈軸線磁感應強度值，其中理論數據由軟件Matlab仿真得出，實驗數據由三坐標磁場檢測裝置測量得出。如圖8所示，其中曲線1是仿真計算得到的單層電磁線圈軸線磁感應強度值，曲線2是實測的單層電磁線圈軸線磁感應強度值，將兩組數據記錄并繪制出該圖，從圖中可以看出，曲線1與曲線2的軌跡基本重合，這說明計算值與實測值基本相等，證明磁懸浮驅動數學模型的正確性，也驗證了本文設計的三坐標磁場檢測裝置測量精度較高，能夠很好的完成空間磁感應強度測量任務。

圖7 測量磁感應強度數據散點圖

圖8 實驗數據與理論數據對比圖

4 結論

本文設計的三坐標磁感應強度檢測裝置結構符合要求，具備測量空間磁感應強度的能力，實驗結果表明裝置測量精度較高，能夠很好地完成對不同規(guī)格的通電線圈的磁感應強度的測量，為利用高斯計測量空間磁感應強度提供了一種可靠的方法。

[1] 高艷艷，吳赟松，吳學杰，等．基于單片機與FPGA的多通道步進電機控制系統(tǒng)設計[J]．變流技術與電力牽引，2012，(5)：43-46．

[2] 張建永，饒連周，柳東，等．新型便攜式多功能數字高斯計的設計[J]．三明高等?？茖W校學報，2014，(6)：50-55．

[3] 朱文斌，吳曉光，張弛，等．懸浮式提花織針驅動模型的建立及結構的研究[J]．針織工業(yè)，2011，(6)：1-4．

[4] 陳秉乾．電磁學[M]．北京：北京大學出版社，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：數字化紡織裝備及關鍵技術.

國家自然科學基金（51175384）.