基于光電傳感器的模具廢料監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李麗芳，羅家兵，陳 陽

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

0 引 言

某車間的自動化沖壓生產(chǎn)線生產(chǎn)前門外板時，廢料線堵塞。經(jīng)排查，發(fā)生堵塞的原因是廢料長度超過了廢料線的運(yùn)載極限。前門外板的廢料分為二級，首先整體切下，廢料長度約1 500 mm，為一級廢料；因廢料線運(yùn)載能力為700 mm，需再將廢料分段切開成二級廢料，如圖1所示。該前門外板修邊模上模完成切斷回退過程中將二級廢料帶起，導(dǎo)致廢料滑落不順暢，將一級廢料墊偏。墊偏的一級廢料不斷堆積，將擋桿擠斷，一級廢料沒有經(jīng)過分段切開直接掉入廢料坑。

圖1 前門外板廢料

趙丹等利用Admas軟件進(jìn)行運(yùn)動仿真模擬，提前預(yù)測可能存在的廢料滑落不暢問題[1]。彭本棟在模具設(shè)計(jì)階段利用DynaForm軟件模擬了汽車翼子板修邊廢料下滑過程中的狀態(tài)，提前識別廢料下滑不暢的風(fēng)險點(diǎn)，針對問題點(diǎn)優(yōu)化了修邊工藝方案，保證廢料下滑順暢[2]。張應(yīng)生針對沖模廢料滑落問題，結(jié)合理論分析及現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行深入研究，針對模具典型位置，從前期工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行解析，提出解決方案，在模具設(shè)計(jì)初期預(yù)防廢料滑落不暢的問題[3]。何述平等設(shè)計(jì)了微型攝像頭配合光電傳感器對廢料滑槽進(jìn)行監(jiān)測的檢測系統(tǒng)[4]。唐士東等在模具左右側(cè)、上下側(cè)各設(shè)置1組光電傳感器，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)廢料滑道的動態(tài)監(jiān)控[5]。

上述前3項(xiàng)研究都是項(xiàng)目前期對廢料運(yùn)動進(jìn)行分析，沒有考慮模具現(xiàn)場的實(shí)際情況。第4項(xiàng)研究使用了微型攝像頭，成本過高。最后一項(xiàng)研究使用了2組傳感器，但大多數(shù)模具不具備在上、下側(cè)安裝光電傳感器的條件，且上、下側(cè)安裝的光電傳感器在模具邊緣處，無法監(jiān)測到模具內(nèi)部的堵料情況。在修邊模上安裝1組光電傳感器增加監(jiān)測廢料，在堵料早期發(fā)現(xiàn)并處理，避免廢料堆疊引起的模具損壞。研究結(jié)果表明，該廢料監(jiān)測系統(tǒng)可及時識別堵料狀態(tài)的信號，并將信號反饋給沖壓生產(chǎn)線，沖壓生產(chǎn)線接收到異常信號后停機(jī)，以便車間人員及時采取措施。

1 光電傳感器

光電傳感器是一種從發(fā)射器發(fā)射可視光線、紅外線等，并通過接收器接收檢測物體反射的光或識別遮光量的變化，從而獲取輸出信號的儀器。

光電傳感器由發(fā)射器的發(fā)光元件發(fā)光，并由接收器的受光元件接收光，主要有以下3種類型（見圖2）：①反射型：發(fā)光元件和受光元件內(nèi)置于1個傳感器放大器內(nèi)，接收來自檢測物體的反射光；②透過型：發(fā)射器與接收器分離，當(dāng)檢測物體進(jìn)入發(fā)射器與接收器之間，發(fā)射器的光將被遮擋；③回歸反射型：發(fā)光元件和受光元件內(nèi)置于1個傳感器放大器內(nèi)，接收來自檢測物體的反射光，經(jīng)反光板反射，由受光元件接收光，檢測物體時被遮光。

圖2 光電傳感器類型

檢測的物體是模具廢料，監(jiān)測堵料和不堵料2種狀態(tài)。從工作原理分析，可以使用透過型和回歸反射型的光電傳感器，但透過型的受光元件和發(fā)光元件要分開安裝，需要2根連線，占用的安裝空間較大，且安裝精度要求較高，所以選擇回歸反射型的光電傳感器，只需要1根連線。

2 模具廢料監(jiān)測系統(tǒng)的建立

2.1 修邊模工作原理

以某前門外板為例，成形該零件需要4道工序，分別為拉深、修邊、翻邊、側(cè)翻邊，需在有4臺設(shè)備的沖壓生產(chǎn)線上生產(chǎn)，修邊模放置在生產(chǎn)線的第2臺設(shè)備上。壓料板、上模刀塊與上模安裝于設(shè)備的上滑塊上，廢料刀、下模刀塊與下模安裝于工作臺上。修邊模開始工作前，上滑塊上升一定距離，機(jī)械手將拉深后的零件放在下模刀塊上。上滑塊下降一定距離后，壓料板將零件壓住，上滑塊向下運(yùn)動，上模刀塊和下模刀塊共同作用將外圈廢料切除。上滑塊繼續(xù)向下運(yùn)動，上模刀塊和廢料刀共同作用將外圈廢料切成幾段。小段廢料沿模具滑道滑到廢料坑的廢料線上，廢料線將廢料運(yùn)送到指定地點(diǎn)。

2.2 選擇監(jiān)測點(diǎn)

廢料只經(jīng)過滑道，監(jiān)測點(diǎn)只有設(shè)置在滑道周邊才有效。從工作原理分析，高度方向和水平方向都可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，且高度方向可選擇的監(jiān)測點(diǎn)范圍大，在廢料面積范圍內(nèi)都可選擇。但選擇高度方向時，發(fā)射/接受器和反射器其中之一需安裝在上模，另一個安裝在廢料滑道的背部，廢料滑道需要鉆孔，光電傳感器才能發(fā)揮作用。每個零件的廢料形狀不同，即使同一個零件，不同位置的廢料形狀也不同，廢料在滑出過程中容易卡在孔處發(fā)生堵料。

最終選定水平方向，將發(fā)射/接受器安裝在滑道的一側(cè)，反射器安裝在滑道的另一側(cè)，且與發(fā)射/接受器同軸，安裝位置盡可能在里面及下方，擴(kuò)大光電傳感器作用范圍，如圖3所示。

2.3 建立監(jiān)測系統(tǒng)

依據(jù)光電傳感器的信號控制沖壓生產(chǎn)線的動作，在模具與設(shè)備之間建立監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示。監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。光電傳感器將監(jiān)測到的堵料狀態(tài)信號傳給模具接線盒，接線盒將接收到的堵料狀態(tài)信號、其他傳感器監(jiān)測的信號、零件號、模具號等信息傳給沖壓生產(chǎn)線，可編程邏輯控制器依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序校對各種信號信息。信號正確則沖壓生產(chǎn)線正常運(yùn)行，信號錯誤則發(fā)生錯誤的設(shè)備會報警，工人通過人機(jī)界面查詢錯誤的細(xì)節(jié)信息并采取相關(guān)措施。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

3 試驗(yàn)分析

模具中廢料順利流入廢料坑，光電傳感器反饋綠色信號給沖壓生產(chǎn)線，沖壓生產(chǎn)線正常工作；模具中廢料堵在模具滑道上，光電傳感器反饋紅色信號給沖壓生產(chǎn)線，沖壓生產(chǎn)線停止工作，如圖6所示。因?yàn)閺U料滑落需要時間，上模完成修邊上升一段距離后，廢料才會掉入廢料坑，所以光電傳感器需設(shè)置延時功能，即上模完成修邊上升3～5 s以后，光電傳感器才將廢料狀態(tài)信號傳給設(shè)備。

圖6 現(xiàn)場應(yīng)用

4 結(jié)束語

采用光電傳感器建立的廢料狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測到?jīng)_模廢料狀態(tài)，解決了目前難以提前發(fā)現(xiàn)的模具中廢料堵塞問題，減少了模具因?yàn)槎铝显斐傻犊诒廊械木S修成本，避免在線維修模具導(dǎo)致的停機(jī)，目前該監(jiān)測系統(tǒng)已在多副模具上實(shí)施。