精沖機(jī)模具保護(hù)裝置改進(jìn)與試驗(yàn)

張慶飛，佟金穎，田世領(lǐng)

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225128）

0 引言

精沖是指具有反頂、壓邊與小間隙特點(diǎn)的精密沖壓，其成形件斷面光潔、垂直度和平面度好、精度高[1]。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和輕量化趨勢(shì)，越來(lái)越多的異形復(fù)雜件采用短流程的高端級(jí)精沖工藝直接成形。由于精沖模具所受的壓力大，凸、凹模間隙非常小，如果模具上存在沒(méi)有被清除掉的零件或廢料（稱為異物），將會(huì)損壞模具，造成停產(chǎn)及增加模具維修成本。因此，精沖模具的壽命成了制約高端精沖技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸。

精沖壓力機(jī)在自動(dòng)沖裁時(shí)必須有模具保護(hù)，當(dāng)工件或廢料遺留在模具空間時(shí)，能自動(dòng)檢測(cè)，使壓力機(jī)停車，避免損壞工件、模具和壓力機(jī)。但是，目前的模具保護(hù)器存在成本較高、操作復(fù)雜、漏檢、誤檢率高等缺點(diǎn)[2-3]，而且功能比較單一，內(nèi)部圖像處理算法相對(duì)簡(jiǎn)單，智能化程度較低，需要復(fù)雜的人工操作和經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證其結(jié)果的正確性。如運(yùn)行前的樣本學(xué)習(xí)、報(bào)錯(cuò)后的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)、多模板的選擇、檢測(cè)區(qū)域及一些參數(shù)的人工選擇問(wèn)題等，都極大地依賴于現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和操作人員的經(jīng)驗(yàn)[4-7]。為此，在滑塊與快速提升缸連接部位增加安全缸，如果模具中有異物存在，模具在閉合時(shí)，其上下工作元件將比正常情況下提前接觸，滑塊在上升過(guò)程中受到的阻力也將提前到來(lái)，此時(shí)安全缸內(nèi)的壓力上升，通過(guò)壓力回路進(jìn)行泄油，此時(shí)快速缸活塞位移與滑塊產(chǎn)生相對(duì)位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)異物的識(shí)別。該方法因滑塊自身的慣性等因素，檢測(cè)靈敏度不高，對(duì)于直徑8mm以上的廢料檢測(cè)沒(méi)有問(wèn)題，而直徑6mm甚至更小的則不能準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)。本文對(duì)檢測(cè)方案進(jìn)行改進(jìn)，提高了檢測(cè)靈敏度，對(duì)直徑小于6mm的異物也能成功識(shí)別，給精沖機(jī)停車指示，保護(hù)了精沖機(jī)和模具，有效提高了模具的使用壽命和生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

1 檢測(cè)原理

精沖壓力機(jī)在滑塊上升過(guò)程中需要克服重力及摩擦力、沖裁力、反壓力、壓邊力，即：0

正常情況下，在沖裁工作行程到來(lái)之前，后三種力為零，只有重力及摩擦力。如果精沖模具中存在異物，根據(jù)異物的位置不同會(huì)出現(xiàn)兩種異常情況：

（1）異物存在于模具的反壓板上面，在沖裁工作到來(lái)之前，模具的凸、凹模與反壓板將首先接觸廢料，致使反壓板后退，反壓油缸壓力升高，即P反壓力升高，從而造成主滑塊力P滑塊異常升高。

（2）異物存在于模具的壓邊圈下面，在沖裁工作到來(lái)之前，模具的壓邊圈與凹模將首先接觸廢料，致使壓邊圈后退，壓邊油缸壓力升高，即P壓邊力升高，從而也造成主滑塊力P滑塊異常升高。

以上兩種情況，都是在沖裁工作之前的滑塊快速上升過(guò)程中發(fā)生的，如果此時(shí)模具空間內(nèi)沒(méi)有異物存在，主滑塊只承受P重力及摩擦力；如果有異物存在，主滑塊除了承受P重力及摩擦力外，還要額外承受P反壓力或 P壓邊力。

根據(jù)這一特征，異物的存在與否就能通過(guò)監(jiān)控滑塊快速行程中力的變化加以識(shí)別，滑塊位置則通過(guò)位移傳感器跟蹤?；瑝K快速行程力的增大如果發(fā)生在沖裁工作行程，則屬于正常情況；如果發(fā)生在快速行程中，則屬于異常情況。一旦出現(xiàn)異常情況，則立即通知設(shè)備控制，使設(shè)備立刻停止運(yùn)行，等待操作者清理異物后再繼續(xù)工作，從而保護(hù)了模具。圖1為滑塊快速行程缸與異常壓力檢測(cè)裝置簡(jiǎn)圖。

圖1 滑塊快速行程缸與異常壓力檢測(cè)裝置簡(jiǎn)圖

2 檢測(cè)影響因素分析

2.1 安全缸的直徑與檢測(cè)靈敏度關(guān)系

根據(jù)安全缸的結(jié)構(gòu)，可以知道滑塊接觸異物產(chǎn)生的阻力：

式中：d——異物料斗的直徑；

σb——材料抗拉強(qiáng)度。

安全油缸里油壓波動(dòng)：

式中：D——安全缸直徑。

將式（ 2）代入式（ 3）得：

由式（4）可以看出，在異物尺寸及材料性能確定的情況下，D值越小，則安全油缸里油壓波動(dòng)p波動(dòng)越大，則檢測(cè)靈敏度越高。

2.2 滑塊運(yùn)行帶來(lái)壓力波動(dòng)對(duì)檢測(cè)的影響

由于滑塊在工作過(guò)程中有快速上升、慢速上升和主缸加壓三個(gè)過(guò)程，滑塊的速度變化引起安全缸內(nèi)的壓力波動(dòng)。為減小壓力波動(dòng)的影響，把滑塊上升過(guò)程的主缸加壓前一段慢速上升定為異物檢測(cè)階段。盡管如此，在慢速上升的階段，經(jīng)測(cè)試，由于速度切換過(guò)程的沖擊，安全缸壓力仍然有一定的波動(dòng)，對(duì)異物檢測(cè)具有一定的干擾作用。

圖2 安全缸壓力圖

下面列出機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際監(jiān)視圖及圖中各曲線所代表的含義。本機(jī)床為下傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，我們將上死點(diǎn)定義為0mm，如圖2所示約在50～10mm上升行程段為異物檢測(cè)范圍。伺服閥動(dòng)作未優(yōu)化前，伺服閥的實(shí)際給定值和預(yù)定的給定值同步，是階梯型變化的曲線，此時(shí)可看出，安全缸內(nèi)壓力值在伺服閥快速切換到慢速時(shí)波動(dòng)較大。我們?cè)囍谒欧y由快速到慢速的切換過(guò)程中引入一階曲線，從圖上可看出，伺服閥的實(shí)際給定值切換過(guò)程中有斜坡變化，對(duì)比兩圖可看出，安全缸壓力值在伺服閥切換時(shí)波動(dòng)減小。因此提高滑塊運(yùn)行的穩(wěn)定性可以減小安全缸的壓力波動(dòng)，從而提高異物檢測(cè)的靈敏度。

2.3 檢測(cè)過(guò)程對(duì)響應(yīng)速率的影響

通過(guò)對(duì)檢測(cè)原理的分析，得知異物報(bào)警過(guò)程為：滑塊接觸異物→安全缸壓力升高→溢流閥泄壓→滑塊與快速缸產(chǎn)生位移→接近開(kāi)關(guān)發(fā)出訊號(hào)→控制器處理，共5步?？焖偬嵘滓簤嚎刂圃韴D如圖3所示。異物報(bào)警過(guò)程多，會(huì)影響檢測(cè)的響應(yīng)時(shí)間，每一個(gè)過(guò)程反應(yīng)是否迅速?zèng)Q定了檢測(cè)精度。

3 改進(jìn)對(duì)策

3.1 改變檢測(cè)方法

原來(lái)的方案是通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)滑塊與快速缸產(chǎn)生的位移來(lái)發(fā)出訊號(hào)，現(xiàn)改為用壓力傳感器直接檢測(cè)安全缸油壓，縮減了異物報(bào)警的過(guò)程鏈：滑塊接觸異物→安全缸壓力升高→壓力傳感器發(fā)出訊號(hào)→控制器處理，共3步，減去了2步。加快了異物檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，提高了檢測(cè)靈敏度。

3.2 改變檢測(cè)部位，縮小檢測(cè)缸徑，提升檢測(cè)靈敏度

由于使用了壓力傳感器直接檢測(cè)油壓的辦法，可以直接檢測(cè)快速提升缸的壓力，快速提升缸內(nèi)壓力同樣會(huì)隨著滑塊遇到異物而升高。安全油缸直徑?80mm，快速提升缸直徑?70mm。通過(guò)計(jì)算可知缸徑的變化會(huì)提升檢測(cè)靈敏度1.3倍。

3.3 優(yōu)化滑塊運(yùn)動(dòng)，減小壓力波動(dòng)

圖3 快速提升缸液壓控制原理圖

圖4 安全缸壓力圖

原伺服閥的控制采用了斜坡電壓控制，由于閥自身慣性等原因，伺服閥實(shí)際動(dòng)作并不會(huì)按控制電壓的動(dòng)作，閥在變化過(guò)程中會(huì)有一些振蕩，同時(shí)還有滑塊自身的慣性等因素，體現(xiàn)出來(lái)的就是油缸壓力的波動(dòng)。通過(guò)研究改進(jìn)了伺服閥的控制方法，越接近目標(biāo)值變化就越趨緩，取得了不錯(cuò)的效果。如圖4所示，其中約在50mm～10mm行程段為異物檢測(cè)范圍。依據(jù)2.2的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。首先，希望伺服閥給定值是跟隨滑塊行程變化的，為了保證工作效率，快速上升階段要減少時(shí)間消耗，在接近減速位置時(shí)，伺服閥給定值由快速平穩(wěn)切換到慢速。在原來(lái)的加壓開(kāi)始位置，伺服閥關(guān)閉，比例閥打開(kāi)。從圖2可以看出，在伺服閥和比例閥切換時(shí)，安全缸內(nèi)壓力值變化波動(dòng)大，這是因?yàn)闄C(jī)床在此情況下有停頓，通過(guò)圖中行程曲線可以看出。在此位置對(duì)伺服閥和比例閥的給定值加入一階曲線，并在伺服閥未完全關(guān)閉時(shí)打開(kāi)比例閥，從而減小壓力的沖擊，使滑塊運(yùn)行平穩(wěn)。通過(guò)上述試驗(yàn)改進(jìn)，從監(jiān)視曲線可以看出，滑塊在上升行程中運(yùn)行平穩(wěn)，安全缸壓力值波動(dòng)很小，使異物檢測(cè)能力有了顯著提高。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

通過(guò)以上3項(xiàng)改進(jìn)措施，在YFB-650型精沖機(jī)上分別對(duì)改進(jìn)前與改進(jìn)后進(jìn)行了異物檢測(cè)試驗(yàn)，其安全缸直徑為D=?80mm，異物料豆直徑為d=?8mm，材料為45鋼精沖性質(zhì)，抗拉強(qiáng)度σb=500MPa，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 改進(jìn)前后對(duì)比試驗(yàn)

由表可見(jiàn)，改進(jìn)前后該精沖機(jī)的異物檢測(cè)水平有了很大提高，檢測(cè)時(shí)間縮短，且檢測(cè)能力有明顯提升，改進(jìn)前只能準(zhǔn)確檢測(cè)大于8mm直徑的異物，而改進(jìn)后能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到直徑5mm的異物。另外，從異物變形量可以看出，改進(jìn)后異物被壓變形量明顯減小，即檢測(cè)響應(yīng)速度有了明顯提升。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)壓力傳感器直接檢測(cè)快速缸內(nèi)由異物引起的壓力波動(dòng)來(lái)發(fā)訊保護(hù)是可行的，而且靈敏度相對(duì)于位移變化檢測(cè)的方法更高。

（2）通過(guò)改進(jìn)伺服閥控制方法是可行的，不僅使得滑塊運(yùn)行更加自如順暢，還能有效降低快速缸在異物檢測(cè)段的壓力波動(dòng)，有利于異物的檢測(cè)。

[1] 王孝文，劉 浩，鞏玉偉.精沖技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35（ 12）：1-8.

[2] 彭 群，李榮洪，鄭鵬飛，等.厚板精沖技術(shù)的工藝研究[J].材料科學(xué)與工藝，2004，12（ 4）：342-348.

[3] 鄧 明，張會(huì)杰，呂 琳，等.基于物理實(shí)驗(yàn)的閉擠式精沖工藝研究[J].2010，35（ 2）：43-46

[4] 邢科新，林葉貴，俞 立，等.基于DM6437的模具保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].高技術(shù)通訊，2013，23（ 11）：1185-1192.

[5] 毛 峰，張樹(shù)有，黃長(zhǎng)林.圖像散布圖和小波多分辨率分析的模具異物檢測(cè).浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（ 10）：1749-1756.

[6] Kuang H.Real-time image acquisition and processing system design based on DSP.In：Proceedings of the 2th IEEE International Conference on Computer and Automation Engineering（ ICCAE），2010：492.496.

[7] Rosten E，Porter R，Drummond T.Faster and better：a machine learning approach to comer detection.IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence 2010，32（ 1）：105-119.