鍛壓機械生產過程在線監控方法的研究

馬明

【摘 要】目前，我國的鍛壓加工行業正朝著高效率、高質量、自動化方向發展，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，由于生產現場的噪音大、環境條件差，設備操作人員很容易疏忽大意，進而導致生產過程出現各種問題，這些問題不僅會導致大量廢品出現，也會導致生產設備出現故障和損傷，進而影響企業的經濟效益，限制了企業的長久發展。

【關鍵詞】鍛壓機械；生產過程；在線監控；方法探究

傳統的在線監控系統和設備故障診斷系統是利用生產現場的各種儀表設備建立的，工作人員通過觀察相關儀表設備的讀數，判斷生產過程中是否存在故障隱患。隨著傳感技術的不斷發展，人們逐漸研發了基于計算機技術和傳感技術的新型在線監控系統，這種監控系統的及時性和有效性與之前相比有了很大提升，進而有效降低了工作人員的勞動強度，提高了生產過程的安全性，同時也為相關企業節省了生產成本。

一、鍛壓機械生產過程力學模型的建立與分析

鍛壓機械作用力的計算方法很多，有主應力法、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性，又考慮實際因素的作用，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械加工過程中作用力的計算公式。為了簡化研究過程，作如下假設。

第一，鍛壓過程中，零件變形具有連續性，因此，零件受到的應力、自身的應變以及零件尺寸等物理量也是連續的，這樣就可以通過坐標表示鍛壓過程的連續函數。

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。

第三，鍛壓剛開始時，零件的應力非常小，可忽略不計。因此，在變形的過程中，包括變形開始和結束的瞬間，力的作用是平衡的。

根據上述假設，通過分析、計算變形體的內力和接觸摩擦力，研究變形時變形體的應力、應變之間的關系以及應力與變形材料之間的關系等塑性變形力學問題，推導出鍛壓機械在冷鍛過程中鍛壓力的計算公式。不帶縱向飛邊時，閉式模鍛單位變形力的簡化表達式：

式中：σs表示在閉式模鍛變形條件下的流動應力

α1表示變形區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，閉式模鍛單位變形力的計算公式：

式中：μ表示金屬與凸、凹模壁間的接觸摩擦系數

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論：

第一，鍛壓機械的作用力與材料分子的流動性能相關，即材料內部分子結構的組織性能會直接影響到機械產生的作用力。

第二，由公式2可知：鍛壓金屬與模具之間的摩擦力會影響到機械設備的作用力大小，如果金屬與模具之間的摩擦力較大，模具會受到嚴重損傷，同時摩擦系統也會不斷增大，進而導致機械設備的作用力增大，長此以往會對鍛壓機械造成傷害。

第三，由公式1、2可知：作用力與毛坯的長短有關。若毛坯過長，在加工過程中就會出現飛邊，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，是這些因素的一個狀態變量。因此，通過監測作用力可以檢測出由于毛坯過長、過短、毛坯內部組織缺陷、模具過度磨損等引起的產品質量問題。因此，將力作為鍛壓機械生產過程的狀態變量，進而實現在線監控的方案是合理可行的。

二、在線監控信號處理電路設計

1.電荷放大器

電荷放大器是由電荷變換級、差動放大級和輸出變換級三部分組成的，如圖2所示。其中，電荷變換級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化為電壓的變化值，并通過差動放大的形式提高變化量的放大倍數，輸出變換級則采用雙輸入和單輸出電路，與后續電路匹配。

2.濾波器

鍛壓機械的基波頻率主要集中在25Hz內。因此選擇FC=25Hz；A0=-1作為低通濾波器的設計依據。

3.動態校零電路

動態校零電路見圖3，是消除傳感器、電器元件的漂移等引起的系統誤差的一種基本方法，分兩個節奏工作：自動補償狀態是將外界因素引起的壓力信號的零點變化自動地寄存起來，并補償到零；保持狀態是在測試過程中保持信號零點不變。

4.絕對值電路

由于采用8098單片機的四路A/D轉換，要求進入系統的電壓必須在0～5V的范圍內，故在A/D轉換前加一絕對值電路。

三、鍛壓機械生產過程在線監控系統的功能和監控方法

1.鍛壓機械在線監控系統的功能

第一，具有實時采樣、數據收集、數據處理、參數計算以及硬件故障檢測和識別的功能。

第二，具有故障診斷功能。故障診斷主要是針對模具斷裂、設備空轉、待加工零件的尺寸過大或過小、模具堵塞、設備參數調整不合理、過載等故障進行監控和診斷。

第三，在線監控系統能顯示鍛壓力大小的瞬時值和平均值，同時也能顯示加工零件的總數、廢品總數以及故障類型。

第四，自動報警和控制。當鍛壓機械出現故障或產生的廢品過多時，系統就會發出警報，以便工作人員及時檢查。

2.監控方法

在實際工業生產中，工作正常時的力信號并不是事先可以精確計算出來的，但由于設備潤滑情況、運動部件的工作情況、工件復雜的幾何形狀、材料質量不均勻性等的影響，實際作用力的計算是很困難的，因此在鍛壓加工過程監控中，必須有一個“自學習”過程。為了實現計算機在線監控，監控系統的在線監控過程必須分為兩步：首先，加工一開始，監控系統進入在線“自學習”階段，以獲得控制模型，這一部分，采用邊采樣邊計算以提高計算速度；其次，“自學習”階段完成后，監控系統進入自動監控階段，由單片機采樣，計算P和S，并根據門限值判斷加工產品質量是否有異常，一旦異常，便發出報警信號，并啟動控制系統，進行停機控制。

四、結語

隨著自動生產技術、傳感器技術和監控技術的發展，鍛壓生產過程的安全性得到了有效的保證和提高，相關企業應該積極引進鍛壓生產設備在線監控系統，進而提高生產過程監控工作的效率和質量，對生產過程進行統一管理，最終，為企業的經濟發展服務。

【參考文獻】

[1]李卓，丁宵月.鍛造生產線生產過程的數字化概述[J].鍛壓技術，2018，43（01）：30-32.