胡金龍，張小衛(wèi)，陳亮

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床模具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的研發(fā)

胡金龍，張小衛(wèi)，陳亮

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

研發(fā)了一種數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床模具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)設(shè)置在沖頭上的壓電式傳感器對(duì)沖裁力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，并與標(biāo)準(zhǔn)的沖裁力曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)模具發(fā)生磨損、沖裁力出現(xiàn)異常并超出設(shè)定偏差時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警信息。該裝置能夠在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)模具磨損情況的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；模具；磨損；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；傳感器

金屬板材加工是機(jī)械制造領(lǐng)域的重要組成部分，在汽車(chē)、電器、自動(dòng)化儀表以及通信等行業(yè)具有重要地位。目前，國(guó)際上金屬板材加工裝備正向柔性化、自動(dòng)化、成套化方向發(fā)展，金屬板材加工自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線(xiàn)已在眾多金屬板材加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，且隨著制造業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為生產(chǎn)線(xiàn)中的核心加工設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)磨損、折斷、裂紋等現(xiàn)象，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致加工質(zhì)量異常并造成大量的廢次品產(chǎn)生，從而造成浪費(fèi)。

針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者在模具磨損及監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了一些研究工作。曲卯林[1]利用DEFORM有限元分析軟件對(duì)板料沖裁過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用不斷變化的模具間隙和刃口半徑來(lái)模擬模具的磨損情況，得出毛刺在沖裁過(guò)程中的變化規(guī)律，能夠用于預(yù)測(cè)模具的使用壽命。何軍[2]從沖壓模具的受力特點(diǎn)出發(fā)，說(shuō)明了模具在沖壓過(guò)程中的失效類(lèi)型和特點(diǎn)，并對(duì)沖壓過(guò)程中影響模具壽命的主要因素進(jìn)行了研究。陳煒[3]對(duì)薄板沖裁過(guò)程中的模具與板材間的摩擦進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)出凸模側(cè)壁的摩擦力公式，獲得了板料剪切面光亮帶與凸模側(cè)壁磨損間的量化關(guān)系。劉天聰[4]對(duì)精沖模具的磨損機(jī)理進(jìn)行了認(rèn)真研究，并從磨損形式和模具間隙等方面，提出了減少模具磨損的防護(hù)措施和提高壽命的途徑。上述的現(xiàn)有研究工作卓有成效，為今后模具磨損及監(jiān)測(cè)方面的研究奠定了基礎(chǔ)，具有重要指導(dǎo)意義。但是，這些研究?jī)H僅停留在理論研究的層面，未能從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)研發(fā)出一種模具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，并取得實(shí)際應(yīng)用。

本文結(jié)合江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“可重構(gòu)全自動(dòng)數(shù)控金屬板材加工柔性生產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”成功研發(fā)了一種模具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，采用力傳感器采集沖床工作過(guò)程中沖壓力信號(hào)，并通過(guò)對(duì)沖壓力曲線(xiàn)的比較來(lái)完成模具磨損狀況的判斷，一旦沖裁力曲線(xiàn)出現(xiàn)異常，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的容許值，立即報(bào)警并停機(jī)，尤其是將該裝置應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化和智能化程度顯著提升。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)主要由測(cè)力傳感器、信號(hào)調(diào)理與采集、信號(hào)分析與處理三部分組成。采用嵌入式工控電腦為主控單元，并且采用工業(yè)級(jí)高速數(shù)據(jù)采集卡作為信號(hào)采集單元，使用力傳感器采集沖頭的沖壓信號(hào)，同時(shí)提供I/O信號(hào)和數(shù)控系統(tǒng)通訊。

圖1 模具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖

1.2 動(dòng)態(tài)力傳感器

由于打擊頭在沖裁過(guò)程中，應(yīng)力狀態(tài)最為簡(jiǎn)單，主要為單軸的壓縮應(yīng)力狀態(tài)，為最適合安裝壓電式傳感器的位置，因此將傳感器同軸設(shè)置于滑塊與打擊頭之間來(lái)完成沖裁過(guò)程的力的測(cè)量。通過(guò)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程中沖裁力的監(jiān)測(cè)和記錄，來(lái)反映沖頭的磨損和損壞情況。傳感器的安裝位置如圖2所示，安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。壓電式傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖2 壓力傳感器安裝位置照片

1.3 信號(hào)調(diào)理與采集

對(duì)來(lái)自動(dòng)態(tài)力傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并變成數(shù)字信號(hào)，供分析系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析，主要由信號(hào)調(diào)理儀（含阻抗變換器和ICP恒流適調(diào)器）構(gòu)成。主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖3 傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖

表1 壓電式傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

表2 恒流適調(diào)器主要技術(shù)指標(biāo)

1.4 信號(hào)分析與處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)如圖4所示，采用嵌入式工控電腦作為主控單元，并且采用工業(yè)級(jí)高速數(shù)據(jù)采集卡作為信號(hào)采集單元，使用力傳感器采集沖頭的沖壓信號(hào)，同時(shí)提供I/O信號(hào)和機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

圖4 信號(hào)分析與處理系統(tǒng)框架圖

2 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

該系統(tǒng)的用戶(hù)界面如圖5、6所示。其中圖6為沖裁板厚6mm、直徑?46mm的Q235A冷軋鋼板，當(dāng)模具發(fā)生磨損，系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)的用戶(hù)界面。圖中，模具發(fā)生磨損后，沖裁力信號(hào)產(chǎn)生異常，超出設(shè)定的一級(jí)報(bào)警容差范圍，系統(tǒng)產(chǎn)生一級(jí)報(bào)警信息。

圖5 系統(tǒng)的用戶(hù)界面

圖6 模具磨損時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警的界面

該系統(tǒng)主要具備如下功能：

（1）能夠準(zhǔn)確采集并記錄每次沖壓過(guò)程中的沖壓力曲線(xiàn)；

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有模具專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)具有沖床標(biāo)配模具在常見(jiàn)工況下測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)沖壓力曲線(xiàn)及相對(duì)應(yīng)的容差范圍；

（3）模具專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)并具備擴(kuò)展功能，可以實(shí)現(xiàn)新工況下的標(biāo)準(zhǔn)沖壓力曲線(xiàn)的補(bǔ)充；

（4）根據(jù)正在工作的模具和加工板材型號(hào)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地去數(shù)據(jù)庫(kù)尋找相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)沖壓力曲線(xiàn)并實(shí)現(xiàn)比較；

（5）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)不同工況下第一次沖壓過(guò)程中沖壓力曲線(xiàn)并記錄到自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)中作為模具磨損的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；

在完善硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用STC12C5A60S2單片機(jī)為中央處理器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主控軟件流程圖如圖7所示。

（6）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)和自學(xué)習(xí)兩種工作模式，在標(biāo)準(zhǔn)模式下，系統(tǒng)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的沖壓力曲線(xiàn)作為模具磨損評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在自學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)調(diào)用自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)的沖壓力曲線(xiàn)作為模具磨損的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；

（7）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的通訊，一方面，能夠接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的安裝模具和加工板材型號(hào)的信息，另一方面，能夠向數(shù)控系統(tǒng)提供模具磨損的判斷結(jié)果；

（8）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有圖形顯示功能，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示實(shí)時(shí)的沖壓力曲線(xiàn)及相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)沖壓力曲線(xiàn)和容差曲線(xiàn)，并給出分析結(jié)果；

（9）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有報(bào)警、停機(jī)功能，能夠根據(jù)分析結(jié)果做出報(bào)警和停機(jī)等相應(yīng)動(dòng)作。

如表3所示為系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)。

表3 系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)

3 總結(jié)

本文成功研發(fā)了一種基于沖裁力監(jiān)測(cè)的間接式模具磨損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)設(shè)置在打擊頭上的壓電式傳感器對(duì)沖裁力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的沖裁力與參考值的偏差超出一定范圍時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息，不僅可避免模具過(guò)度磨損而產(chǎn)生批量的廢品，還能夠避免安全事故的發(fā)生。當(dāng)將該裝置應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，可以大幅提升生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化和智能化程度，為生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作奠定基礎(chǔ)。

除此之外，由于該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)加工過(guò)程中加工力實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此可以基于該功能對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的閉環(huán)柔性加工技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步深入研發(fā)。比如，控制系統(tǒng)可以根據(jù)加工力的反饋信號(hào)對(duì)沖頭加工特性曲線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，一方面可減小加工過(guò)程中的沖擊載荷，起到減振降噪、減少能耗的作用；另一方面，還能夠使加工力特性曲線(xiàn)與材料成形特性更好地吻合，對(duì)于提升設(shè)備的滾筋、拉深、翻邊、彎曲等成形加工極為有利。

[1]曲卯林，高惠明，王通.沖裁模具磨損及使用壽命的毛刺預(yù)測(cè)法[J].現(xiàn)代制造工程，2014，(4)：72-76.

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[3]陳煒，谷維亮，戴封澤，等.基于剪切面分析的沖裁磨具磨損預(yù)測(cè)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，(6)：81-84.

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Research and design of on-line monitoring device for toolwearin CNC turret punch press

HU Jinlong,ZHANG Xiaowei,CHEN Liang
(JiangsuYangli CNC Machine Tool Co.,Ltd,Yangzhou 225127,Jiangsu China)

A kind of on-line monitoring device for toolwearin CNC turret punch press has been researched and developed.The punching force has measured and recorded by the piezoelectric sensor mounted on the punch head.By comparing with the standard punching force curve,when the punching force becomes abnormal to overpass the set deviation since the tool wear,the fault alarm information would be sent out by this system.Thus in this way,the tool wear situation has been monitored automatically by this mechanism during the working process of CNC turret punch press.

CNC turret punch press;Tool wear;On-line monitoring device

TG385.1

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.015

1672-0121（2016）05-0051-03

2016-04-27；

2016-06-11

揚(yáng)州市科技成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目（YZ2015128）

胡金龍（1981-），男，碩士，工程師，從事數(shù)控板材加工設(shè)備設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)優(yōu)化。E-mail：klhu.se@163.com