馬明

【摘 要】目前，我國的鍛壓加工行業(yè)正朝著高效率、高質(zhì)量、自動化方向發(fā)展，但隨著加工速度的提高，加工過程中也顯露出了一些問題。在鍛壓加工過程中，由于生產(chǎn)現(xiàn)場的噪音大、環(huán)境條件差，設(shè)備操作人員很容易疏忽大意，進而導致生產(chǎn)過程出現(xiàn)各種問題，這些問題不僅會導致大量廢品出現(xiàn)，也會導致生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障和損傷，進而影響企業(yè)的經(jīng)濟效益，限制了企業(yè)的長久發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】鍛壓機械；生產(chǎn)過程；在線監(jiān)控；方法探究

傳統(tǒng)的在線監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備故障診斷系統(tǒng)是利用生產(chǎn)現(xiàn)場的各種儀表設(shè)備建立的，工作人員通過觀察相關(guān)儀表設(shè)備的讀數(shù)，判斷生產(chǎn)過程中是否存在故障隱患。隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸研發(fā)了基于計算機技術(shù)和傳感技術(shù)的新型在線監(jiān)控系統(tǒng)，這種監(jiān)控系統(tǒng)的及時性和有效性與之前相比有了很大提升，進而有效降低了工作人員的勞動強度，提高了生產(chǎn)過程的安全性，同時也為相關(guān)企業(yè)節(jié)省了生產(chǎn)成本。

一、鍛壓機械生產(chǎn)過程力學模型的建立與分析

鍛壓機械作用力的計算方法很多，有主應(yīng)力法、滑移平面法、能量法和工程力法等。由于工程力法既注重理論的系統(tǒng)性，又考慮實際因素的作用，能夠比較全面反映各因素的影響。因此，常采用工程力法研究鍛壓機械加工過程中作用力的計算公式。為了簡化研究過程，作如下假設(shè)。

第一，鍛壓過程中，零件變形具有連續(xù)性，因此，零件受到的應(yīng)力、自身的應(yīng)變以及零件尺寸等物理量也是連續(xù)的，這樣就可以通過坐標表示鍛壓過程的連續(xù)函數(shù)。

第二，鍛壓過程中，零件的變形速度的大小是均勻變化的，方向也是固定的，因此，從零件上分割出的任一微元體都能保持原零件的性質(zhì)。

第三，鍛壓剛開始時，零件的應(yīng)力非常小，可忽略不計。因此，在變形的過程中，包括變形開始和結(jié)束的瞬間，力的作用是平衡的。

根據(jù)上述假設(shè)，通過分析、計算變形體的內(nèi)力和接觸摩擦力，研究變形時變形體的應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系以及應(yīng)力與變形材料之間的關(guān)系等塑性變形力學問題，推導出鍛壓機械在冷鍛過程中鍛壓力的計算公式。不帶縱向飛邊時，閉式模鍛單位變形力的簡化表達式：

式中：σs表示在閉式模鍛變形條件下的流動應(yīng)力

α1表示變形區(qū)自由表面與凹模壁的夾角（弧度）

D表示凹模直徑

a表示角部徑向未充滿值

帶有縱向飛邊時，閉式模鍛單位變形力的計算公式：

式中：μ表示金屬與凸、凹模壁間的接觸摩擦系數(shù)

l表示縱向飛邊高度

d表示凸模直徑

由上面的公式可得到如下結(jié)論：

第一，鍛壓機械的作用力與材料分子的流動性能相關(guān)，即材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的組織性能會直接影響到機械產(chǎn)生的作用力。

第二，由公式2可知：鍛壓金屬與模具之間的摩擦力會影響到機械設(shè)備的作用力大小，如果金屬與模具之間的摩擦力較大，模具會受到嚴重損傷，同時摩擦系統(tǒng)也會不斷增大，進而導致機械設(shè)備的作用力增大，長此以往會對鍛壓機械造成傷害。

第三，由公式1、2可知：作用力與毛坯的長短有關(guān)。若毛坯過長，在加工過程中就會出現(xiàn)飛邊，飛邊越長，作用力就越大；若毛坯過短，未充滿值越大，作用力越小。

由以上的分析可知：作用力與鍛壓加工過程中的許多因素有關(guān)，是這些因素的一個狀態(tài)變量。因此，通過監(jiān)測作用力可以檢測出由于毛坯過長、過短、毛坯內(nèi)部組織缺陷、模具過度磨損等引起的產(chǎn)品質(zhì)量問題。因此，將力作為鍛壓機械生產(chǎn)過程的狀態(tài)變量，進而實現(xiàn)在線監(jiān)控的方案是合理可行的。

二、在線監(jiān)控信號處理電路設(shè)計

1.電荷放大器

電荷放大器是由電荷變換級、差動放大級和輸出變換級三部分組成的，如圖2所示。其中，電荷變換級是電荷放大器的核心組件，其主要功能是將壓力傳感器傳出的電荷量的變化值轉(zhuǎn)化為電壓的變化值，并通過差動放大的形式提高變化量的放大倍數(shù)，輸出變換級則采用雙輸入和單輸出電路，與后續(xù)電路匹配。

2.濾波器

鍛壓機械的基波頻率主要集中在25Hz內(nèi)。因此選擇FC=25Hz；A0=-1作為低通濾波器的設(shè)計依據(jù)。

3.動態(tài)校零電路

動態(tài)校零電路見圖3，是消除傳感器、電器元件的漂移等引起的系統(tǒng)誤差的一種基本方法，分兩個節(jié)奏工作：自動補償狀態(tài)是將外界因素引起的壓力信號的零點變化自動地寄存起來，并補償?shù)搅?；保持狀態(tài)是在測試過程中保持信號零點不變。

4.絕對值電路

由于采用8098單片機的四路A/D轉(zhuǎn)換，要求進入系統(tǒng)的電壓必須在0～5V的范圍內(nèi)，故在A/D轉(zhuǎn)換前加一絕對值電路。

三、鍛壓機械生產(chǎn)過程在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能和監(jiān)控方法

1.鍛壓機械在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能

第一，具有實時采樣、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計算以及硬件故障檢測和識別的功能。

第二，具有故障診斷功能。故障診斷主要是針對模具斷裂、設(shè)備空轉(zhuǎn)、待加工零件的尺寸過大或過小、模具堵塞、設(shè)備參數(shù)調(diào)整不合理、過載等故障進行監(jiān)控和診斷。

第三，在線監(jiān)控系統(tǒng)能顯示鍛壓力大小的瞬時值和平均值，同時也能顯示加工零件的總數(shù)、廢品總數(shù)以及故障類型。

第四，自動報警和控制。當鍛壓機械出現(xiàn)故障或產(chǎn)生的廢品過多時，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，以便工作人員及時檢查。

2.監(jiān)控方法

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，工作正常時的力信號并不是事先可以精確計算出來的，但由于設(shè)備潤滑情況、運動部件的工作情況、工件復雜的幾何形狀、材料質(zhì)量不均勻性等的影響，實際作用力的計算是很困難的，因此在鍛壓加工過程監(jiān)控中，必須有一個“自學習”過程。為了實現(xiàn)計算機在線監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)控過程必須分為兩步：首先，加工一開始，監(jiān)控系統(tǒng)進入在線“自學習”階段，以獲得控制模型，這一部分，采用邊采樣邊計算以提高計算速度；其次，“自學習”階段完成后，監(jiān)控系統(tǒng)進入自動監(jiān)控階段，由單片機采樣，計算P和S，并根據(jù)門限值判斷加工產(chǎn)品質(zhì)量是否有異常，一旦異常，便發(fā)出報警信號，并啟動控制系統(tǒng)，進行停機控制。

四、結(jié)語

隨著自動生產(chǎn)技術(shù)、傳感器技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，鍛壓生產(chǎn)過程的安全性得到了有效的保證和提高，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該積極引進鍛壓生產(chǎn)設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)，進而提高生產(chǎn)過程監(jiān)控工作的效率和質(zhì)量，對生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一管理，最終，為企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)。

【參考文獻】

[1]李卓，丁宵月.鍛造生產(chǎn)線生產(chǎn)過程的數(shù)字化概述[J].鍛壓技術(shù)，2018，43（01）：30-32.