數控轉塔沖床模具磨損在線監測裝置的研發

胡金龍，張小衛，陳亮

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇揚州225127）

數控轉塔沖床模具磨損在線監測裝置的研發

胡金龍，張小衛，陳亮

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇揚州225127）

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

數控轉塔沖床；模具；磨損；在線監測；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，且隨著制造業的發展，市場規模在不斷擴大。數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磨損、折斷、裂紋等現象，如不能及時發現，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，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。上述的現有研究工作卓有成效，為今后模具磨損及監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研發出一種模具磨損在線監測裝置，并取得實際應用。

本文結合江蘇省科技成果轉化項目“可重構全自動數控金屬板材加工柔性生產線的研發及產業化”成功研發了一種模具磨損在線監測裝置，該監測系統為國內首創，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 系統設計

1.1 系統構成

該系統構成如圖1所示，系統主要由測力傳感器、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，并且采用工業級高速數據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信號和數控系統通訊。

圖1 模具磨損在線監測系統組成圖

1.2 動態力傳感器

由于打擊頭在沖裁過程中，應力狀態最為簡單，主要為單軸的壓縮應力狀態，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

對來自動態力傳感器的信號進行調理，并變成數字信號，供分析系統進行記錄和分析，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

該系統如圖4所示，采用嵌入式工控電腦作為主控單元，并且采用工業級高速數據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信號和機床數控系統進行通訊。

圖4 信號分析與處理系統框架圖

2 主要功能及技術指標

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

圖5 系統的用戶界面

圖6 模具磨損時系統發出報警的界面

該系統主要具備如下功能：

（1）能夠準確采集并記錄每次沖壓過程中的沖壓力曲線；

（2）監測系統具有模具專家數據庫，數據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）模具專家數據庫并具備擴展功能，可以實現新工況下的標準沖壓力曲線的補充；

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

（5）監測系統具有自學習功能，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據庫中作為模具磨損的評價標準；

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

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

（7）監測系統能夠實現與機床數控系統的通訊，一方面，能夠接收數控系統發送過來的安裝模具和加工板材型號的信息，另一方面，能夠向數控系統提供模具磨損的判斷結果；

（8）監測系統具有圖形顯示功能，能夠實現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）監測系統具有報警、停機功能，能夠根據分析結果做出報警和停機等相應動作。

如表3所示為系統主要技術指標。

表3 系統主要技術性能指標

3 總結

本文成功研發了一種基于沖裁力監測的間接式模具磨損在線監測裝置，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測，當實際監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，為生產線實現無人操作奠定基礎。

除此之外，由于該裝置能夠實現加工過程中加工力實時檢測，因此可以基于該功能對數控轉塔沖床的閉環柔性加工技術進行進一步深入研發。比如，控制系統可以根據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].湖北工業職業技術學院學報，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.數控轉塔沖裁動態特性研究[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.國產數控沖床及模具現狀分析[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，從事數控板材加工設備設計及動態優化。E-mail：klhu.se@163.com