鍛壓機(jī)械生產(chǎn)過程在線監(jiān)控方法的研究

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(dòng)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(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)過程出現(xiàn)各種問題，這些問題不僅會(huì)導(dǎo)致大量廢品出現(xiàn)，也會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障和損傷，進(jìn)而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，限制了企業(yè)的長久發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】鍛壓機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)性和有效性與之前相比有了很大提升，進(jìn)而有效降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)過程的安全性，同時(shí)也為相關(guān)企業(yè)節(jié)省了生產(chǎn)成本。

一、鍛壓機(jī)械生產(chǎn)過程力學(xué)模型的建立與分析

鍛壓機(jī)械作用力的計(jì)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(shí)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(jī)械加工過程中作用力的計(jì)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(biāo)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(shí)，零件的應(yīng)力非常小，可忽略不計(jì)。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(jì)算變形體的內(nèi)力和接觸摩擦力，研究變形時(shí)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(xué)問題，推導(dǎo)出鍛壓機(jī)械在冷鍛過程中鍛壓力的計(jì)算公式。不帶縱向飛邊時(shí)，閉式模鍛單位變形力的簡化表達(dá)式：

式中：σs表示在閉式模鍛變形條件下的流動(dòng)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(shí)，閉式模鍛單位變形力的計(jì)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(jī)械的作用力與材料分子的流動(dòng)性能相關(guān)，即材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的組織性能會(huì)直接影響到機(jī)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(huì)影響到機(jī)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(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷，同時(shí)摩擦系統(tǒng)也會(huì)不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的作用力增大，長此以往會(huì)對鍛壓機(jī)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(huì)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(gè)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(jī)械生產(chǎn)過程的狀態(tài)變量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控的方案是合理可行的。

二、在線監(jiān)控信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

1.電荷放大器

電荷放大器是由電荷變換級(jí)、差動(dòng)放大級(jí)和輸出變換級(jí)三部分組成的，如圖2所示。其中，電荷變換級(jí)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(dòng)放大的形式提高變化量的放大倍數(shù)，輸出變換級(jí)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(jī)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(jì)依據(jù)。

3.動(dòng)態(tài)校零電路

動(dòng)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(gè)節(jié)奏工作：自動(dòng)補(bǔ)償狀態(tài)是將外界因素引起的壓力信號(hào)的零點(diǎn)變化自動(dòng)地寄存起來，并補(bǔ)償?shù)搅?；保持狀態(tài)是在測試過程中保持信號(hào)零點(diǎn)不變。

4.絕對值電路

由于采用8098單片機(jī)的四路A/D轉(zhuǎn)換，要求進(jìn)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(jī)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(jī)械在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能

第一，具有實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計(jì)算以及硬件故障檢測和識(shí)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(jìn)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(shí)值和平均值，同時(shí)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(dòng)報(bào)警和控制。當(dāng)鍛壓機(jī)械出現(xiàn)故障或產(chǎn)生的廢品過多時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，以便工作人員及時(shí)檢查。

2.監(jiān)控方法

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，工作正常時(shí)的力信號(hào)并不是事先可以精確計(jì)算出來的，但由于設(shè)備潤滑情況、運(yùn)動(dòng)部件的工作情況、工件復(fù)雜的幾何形狀、材料質(zhì)量不均勻性等的影響，實(shí)際作用力的計(jì)算是很困難的，因此在鍛壓加工過程監(jiān)控中，必須有一個(gè)“自學(xué)習(xí)”過程。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(jìn)入在線“自學(xué)習(xí)”階段，以獲得控制模型，這一部分，采用邊采樣邊計(jì)算以提高計(jì)算速度；其次，“自學(xué)習(xí)”階段完成后，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)控階段，由單片機(jī)采樣，計(jì)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(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行停機(jī)控制。

四、結(jié)語

隨著自動(dòng)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(jìn)鍛壓生產(chǎn)設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)一管理，最終，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

[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.