數(shù)控轉塔沖床模具磨損在線監(jiān)測裝置的研發(fā)

胡金龍，張小衛(wèi)，陳亮

（江蘇揚力數(shù)控機床有限公司，江蘇揚州225127）

數(shù)控轉塔沖床模具磨損在線監(jiān)測裝置的研發(fā)

胡金龍，張小衛(wèi)，陳亮

（江蘇揚力數(shù)控機床有限公司，江蘇揚州225127）

研發(fā)了一種數(shù)控轉塔沖床模具磨損在線監(jiān)測裝置。通過設置在沖頭上的壓電式傳感器對沖裁力進行實時監(jiān)測和記錄，并與標準的沖裁力曲線進行對比，當模具發(fā)生磨損、沖裁力出現(xiàn)異常并超出設定偏差時，系統(tǒng)發(fā)出故障報警信息。該裝置能夠在數(shù)控轉塔沖床工作過程中實現(xiàn)對模具磨損情況的自動化監(jiān)測。

數(shù)控轉塔沖床；模具；磨損；在線監(jiān)測；傳感器

金屬板材加工是機械制造領域的重要組成部分，在汽車、電器、自動化儀表以及通信等行業(yè)具有重要地位。目前，國際上金屬板材加工裝備正向柔性化、自動化、成套化方向發(fā)展，金屬板材加工自動化柔性生產線已在眾多金屬板材加工領域得到廣泛應用，且隨著制造業(yè)的發(fā)展，市場規(guī)模在不斷擴大。數(shù)控轉塔沖床作為生產線中的核心加工設備，長時間使用后會出現(xiàn)磨損、折斷、裂紋等現(xiàn)象，如不能及時發(fā)現(xiàn)，會導致加工質量異常并造成大量的廢次品產生，從而造成浪費。

針對此問題，國內學者在模具磨損及監(jiān)測方面進行了一些研究工作。曲卯林[1]利用DEFORM有限元分析軟件對板料沖裁過程進行數(shù)值模擬，并利用不斷變化的模具間隙和刃口半徑來模擬模具的磨損情況，得出毛刺在沖裁過程中的變化規(guī)律，能夠用于預測模具的使用壽命。何軍[2]從沖壓模具的受力特點出發(fā)，說明了模具在沖壓過程中的失效類型和特點，并對沖壓過程中影響模具壽命的主要因素進行了研究。陳煒[3]對薄板沖裁過程中的模具與板材間的摩擦進行了分析，并推導出凸模側壁的摩擦力公式，獲得了板料剪切面光亮帶與凸模側壁磨損間的量化關系。劉天聰[4]對精沖模具的磨損機理進行了認真研究，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)測方面的研究奠定了基礎，具有重要指導意義。但是，這些研究僅僅停留在理論研究的層面，未能從實際應用出發(fā)研發(fā)出一種模具磨損在線監(jiān)測裝置，并取得實際應用。

本文結合江蘇省科技成果轉化項目“可重構全自動數(shù)控金屬板材加工柔性生產線的研發(fā)及產業(yè)化”成功研發(fā)了一種模具磨損在線監(jiān)測裝置，該監(jiān)測系統(tǒng)為國內首創(chuàng)，采用力傳感器采集沖床工作過程中沖壓力信號，并通過對沖壓力曲線的比較來完成模具磨損狀況的判斷，一旦沖裁力曲線出現(xiàn)異常，超過標準曲線的容許值，立即報警并停機，尤其是將該裝置應用于自動化生產線時，生產線的自動化和智能化程度顯著提升。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)構成如圖1所示，系統(tǒng)主要由測力傳感器、信號調理與采集、信號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)級高速數(shù)據(jù)采集卡作為信號采集單元，使用力傳感器采集沖頭的沖壓信號，同時提供I/O信號和數(shù)控系統(tǒng)通訊。

圖1 模具磨損在線監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

1.2 動態(tài)力傳感器

由于打擊頭在沖裁過程中，應力狀態(tài)最為簡單，主要為單軸的壓縮應力狀態(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置于滑塊與打擊頭之間來完成沖裁過程的力的測量。通過對整個加工過程中沖裁力的監(jiān)測和記錄，來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，安裝結構如圖3所示。壓電式傳感器主要技術指標如表1所示。

圖2 壓力傳感器安裝位置照片

1.3 信號調理與采集

對來自動態(tài)力傳感器的信號進行調理，并變成數(shù)字信號，供分析系統(tǒng)進行記錄和分析，主要由信號調理儀（含阻抗變換器和ICP恒流適調器）構成。主要技術指標如表2所示。

圖3 傳感器安裝結構示意圖

表1 壓電式傳感器主要技術指標

表2 恒流適調器主要技術指標

1.4 信號分析與處理系統(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)級高速數(shù)據(jù)采集卡作為信號采集單元，使用力傳感器采集沖頭的沖壓信號，同時提供I/O信號和機床數(shù)控系統(tǒng)進行通訊。

圖4 信號分析與處理系統(tǒng)框架圖

2 主要功能及技術指標

該系統(tǒng)的用戶界面如圖5、6所示。其中圖6為沖裁板厚6mm、直徑?46mm的Q235A冷軋鋼板，當模具發(fā)生磨損，系統(tǒng)產生報警時的用戶界面。圖中，模具發(fā)生磨損后，沖裁力信號產生異常，超出設定的一級報警容差范圍，系統(tǒng)產生一級報警信息。

圖5 系統(tǒng)的用戶界面

圖6 模具磨損時系統(tǒng)發(fā)出報警的界面

該系統(tǒng)主要具備如下功能：

（1）能夠準確采集并記錄每次沖壓過程中的沖壓力曲線；

（2）監(jiān)測系統(tǒng)具有模具專家數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫具有沖床標配模具在常見工況下測得的標準沖壓力曲線及相對應的容差范圍；

（3）模具專家數(shù)據(jù)庫并具備擴展功能，可以實現(xiàn)新工況下的標準沖壓力曲線的補充；

（4）根據(jù)正在工作的模具和加工板材型號，系統(tǒng)能夠準確地去數(shù)據(jù)庫尋找相對應的標準沖壓力曲線并實現(xiàn)比較；

（5）監(jiān)測系統(tǒng)具有自學習功能，能夠自動學習不同工況下第一次沖壓過程中沖壓力曲線并記錄到自學習數(shù)據(jù)庫中作為模具磨損的評價標準；

在完善硬件平臺的基礎上，軟件系統(tǒng)設計選用STC12C5A60S2單片機為中央處理器進行軟件設計。系統(tǒng)主控軟件流程圖如圖7所示。

（6）監(jiān)測系統(tǒng)具備標準和自學習兩種工作模式，在標準模式下，系統(tǒng)調用標準數(shù)據(jù)庫的沖壓力曲線作為模具磨損評價標準，在自學習模式下，系統(tǒng)調用自學習數(shù)據(jù)庫的沖壓力曲線作為模具磨損的評價標準；

（7）監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)與機床數(shù)控系統(tǒng)的通訊，一方面，能夠接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送過來的安裝模具和加工板材型號的信息，另一方面，能夠向數(shù)控系統(tǒng)提供模具磨損的判斷結果；

（8）監(jiān)測系統(tǒng)具有圖形顯示功能，能夠實現(xiàn)顯示實時的沖壓力曲線及相對應的標準沖壓力曲線和容差曲線，并給出分析結果；

（9）監(jiān)測系統(tǒng)具有報警、停機功能，能夠根據(jù)分析結果做出報警和停機等相應動作。

如表3所示為系統(tǒng)主要技術指標。

表3 系統(tǒng)主要技術性能指標

3 總結

本文成功研發(fā)了一種基于沖裁力監(jiān)測的間接式模具磨損在線監(jiān)測裝置，通過設置在打擊頭上的壓電式傳感器對沖裁力進行實時監(jiān)測，當實際監(jiān)測到的沖裁力與參考值的偏差超出一定范圍時產生報警信息，不僅可避免模具過度磨損而產生批量的廢品，還能夠避免安全事故的發(fā)生。當將該裝置應用于自動化生產線時，可以大幅提升生產線的自動化和智能化程度，為生產線實現(xiàn)無人操作奠定基礎。

除此之外，由于該裝置能夠實現(xiàn)加工過程中加工力實時檢測，因此可以基于該功能對數(shù)控轉塔沖床的閉環(huán)柔性加工技術進行進一步深入研發(fā)。比如，控制系統(tǒng)可以根據(jù)加工力的反饋信號對沖頭加工特性曲線進行實時調整，一方面可減小加工過程中的沖擊載荷，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與材料成形特性更好地吻合，對于提升設備的滾筋、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測法[J].現(xiàn)代制造工程，2014，(4)：72-76.

[2]何軍.沖壓模具失效形式分析及預防[J].湖北工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2014，(4)：103-106.

[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測[J].塑性工程學報，2009，(6)：81-84.

[4]劉天聰.精沖模具的磨損及其防護[J].精密成型工程，2009，(3)：54-57.

[5]王通，曲卯林.基于Co元素含量監(jiān)測的沖裁模具磨損研究[J].熱加工工藝，2014，(1)：148-150.

[6]龔立新，胡金龍，吳長明，等.數(shù)控轉塔沖裁動態(tài)特性研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49(1)：20-22.

[7]吳正剛，龔立新，夏鵬，等.基于ADAMS的數(shù)控轉塔沖床模具彈簧設計與仿真[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49 (4)：28-30.

[8]徐以光.國產數(shù)控沖床及模具現(xiàn)狀分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42(5)：31-34.

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

揚州市科技成果轉化資助項目（YZ2015128）

胡金龍（1981-），男，碩士，工程師，從事數(shù)控板材加工設備設計及動態(tài)優(yōu)化。E-mail：klhu.se@163.com