一種壓力機智能檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計

王路遠(yuǎn)，仲 君，王明柱，錢 琦

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州225002）

1 背景及意義

現(xiàn)有技術(shù)中，壓力機是一種結(jié)構(gòu)精巧的通用性沖壓裝置，具有用途廣泛，生產(chǎn)效率高等特點。壓力機可廣泛應(yīng)用于切斷、沖孔、落料、彎曲、鉚合和成形等工藝。通過對金屬坯件施加強大的壓力使金屬發(fā)生塑性變形和斷裂來加工成零件。機械壓力機工作時由電動機通過三角皮帶驅(qū)動大皮帶輪（通常兼作飛輪），經(jīng)過齒輪副帶動曲柄滑塊機構(gòu)，使滑塊和凸模直線下行。機械壓力機在鍛壓工作完成后滑塊上行，離合器自動脫開，同時曲柄軸上的制動器接通，使滑塊停止在上止點附近。現(xiàn)有的壓力機在工作時，導(dǎo)軌滑動副、連桿銅瓦和曲軸前后支承等運動副長時間工作會導(dǎo)致溫度上升，目前無法實時可靠地檢測該運動副的溫度；潤滑油的油品品質(zhì)無法實時得到監(jiān)測。

本系統(tǒng)能夠?qū)毫C的運動副溫度進行檢測，避免運動副溫升過高，并對壓力機油箱潤滑油的油品質(zhì)量進行檢測，對離合制動裝置的摩擦片磨損程度進行監(jiān)測。本系統(tǒng)為實現(xiàn)壓力機智能化的要求。設(shè)計時選擇分離式控制器，通過與壓力機原控制器的通信作為擴展系統(tǒng)存在；也可將智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件與硬件移植至原控制器，以一體化控制器的方式實現(xiàn)。在本項目實施過程中，為降低對原系統(tǒng)的調(diào)整、便于系統(tǒng)的擴展，采用分離式控制器的硬件系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 運動副溫度檢測

2.1 測溫布點分布

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中機床滑塊為八面導(dǎo)軌潤滑，選取至少六個點安裝螺釘式鉑熱電阻傳感器；機身上對應(yīng)每根曲軸有前后兩個主軸頸，在前軸承座上設(shè)置端面型鉑熱電阻傳感器1，后軸承座上設(shè)置端面型鉑熱電阻傳感器2，在曲軸的連桿軸頸上設(shè)置有端面型鉑熱電阻傳感器3；在飛輪卸荷套處設(shè)置有端面型鉑熱電阻傳感器4。在滑塊運動時，螺釘式鉑熱電阻傳感器對滑塊導(dǎo)軌銅條的溫度進行監(jiān)測；端面型鉑熱電阻傳感器1、端面型鉑熱電阻傳感器2 和端面型鉑熱電阻傳感器3 分別對曲軸的前后兩個主軸頸上的軸承以及曲軸連桿軸頸上的軸瓦溫度進行監(jiān)測，端面型鉑熱電阻傳感器4 對卸荷套軸承的溫度進行檢測。

螺釘式鉑熱電阻傳感器從側(cè)面插入導(dǎo)軌的深度為相應(yīng)導(dǎo)軌寬度的0.3～0.5，位于滑塊前側(cè)的兩個導(dǎo)軌、位于滑塊后側(cè)的兩個導(dǎo)軌、位于滑塊右側(cè)后部的兩個導(dǎo)軌上均安裝有溫度傳感器。溫度傳感器通過有線傳輸?shù)姆绞脚cPLC 的溫度輸入模塊相連接。結(jié)合活動卡套或彈簧墊圈等壓緊裝置，將溫度傳感器緊貼導(dǎo)軌內(nèi)部，從而檢測導(dǎo)軌中心溫度，如圖2 所示。

圖2 滑塊導(dǎo)軌測溫點

端面型鉑熱電阻傳感器1 豎直安裝在前軸承座的下部，與前軸承座內(nèi)的軸承相接觸；后軸承座一體設(shè)置在機身上，端面型鉑熱電阻傳感器2 豎直安裝在后軸承座的上部，與后軸承座內(nèi)的軸承相接觸；曲軸連桿軸頸外周套設(shè)有上軸瓦和下軸瓦，端面型鉑熱電阻傳感器3 豎直安裝在連桿蓋上部，與上軸瓦相接觸。測溫點分布于兩個曲軸的前后兩個主軸頸處的軸承，以及曲軸連桿軸頸處的軸承，采用深埋的安裝方式使測溫元件緊貼于軸承、軸瓦表面，更加準(zhǔn)確地獲取溫度；采用三線制或四線制有線傳輸?shù)倪B接方式可以降低導(dǎo)線電阻對測溫精度的影響，如圖3 所示。

圖3 曲軸測溫點

卸荷套的套孔內(nèi)壁與齒輪軸外周之間設(shè)置有卸荷套軸承，在卸荷套上也傾斜嵌入安裝有與卸荷套軸承相接觸的溫度傳感器，如圖4 所示。

圖4 卸荷套測溫點

2.2 溫度監(jiān)控程序設(shè)計

溫度監(jiān)控程序的功能主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理兩部分。對于模擬輸入和RTD 溫度輸入，數(shù)據(jù)采集功能由PLC 內(nèi)部電路實現(xiàn)，并通過時鐘信號實現(xiàn)采樣周期的自定義，將端口數(shù)據(jù)簡單轉(zhuǎn)化后即得到實際溫度數(shù)據(jù)；對于MOSBUS 通信設(shè)備，需要編寫相應(yīng)的程序段完成通信設(shè)置。

PLC 邏輯原理圖如圖5 所示。通過比較測點的實時溫度數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的溫度閾值，對過熱關(guān)鍵字的對應(yīng)位置位或復(fù)位以表示該點是否過熱；定義過熱危險點為：實時溫度與閾值的差值為最大。通過獲取溫度過熱危險點，可以為判斷機床的整體溫升狀態(tài)和潤滑油供應(yīng)流量提供參考。

圖5 測點過熱和溫度危險點判斷

2.3 運動副監(jiān)控界面設(shè)計

壓力機原控制系統(tǒng)涉及的多為開關(guān)量控制，嵌入運動副溫升監(jiān)控功能后模擬量的數(shù)量大幅度增加，因此需要設(shè)計相應(yīng)的人機界面以合理、高效、直觀地顯示機床狀態(tài)。以Siemens Smart 700 IE V3觸控屏為平臺，開發(fā)基于WINCC FLEXIBLE SMART V3 軟件的運動副溫升監(jiān)控界面，對于其他觸控屏，可以參考該交互面板的界面架構(gòu)和設(shè)計方法。

通過RS 485 接口連接觸控屏與PLC 的CPU，完成數(shù)據(jù)通信。面板界面如圖6 所示。

圖6 運動副溫升監(jiān)控系統(tǒng)交互界面

3 潤滑油品質(zhì)監(jiān)測方案

油品質(zhì)量傳感器通過管螺紋垂直安裝于油箱側(cè)面，油品質(zhì)量傳感器位于潤滑油深度1/3～1/2 處。油品質(zhì)量的好壞與潤滑油的介電常數(shù)呈相關(guān)，油品質(zhì)量傳感器通過監(jiān)測潤滑油的介電常數(shù)，實現(xiàn)潤滑油品質(zhì)的實時判斷，潤滑油的介電常數(shù)小于2.35 為良好，潤滑油的介電常數(shù)為2.35～2.40 為良好，介電常數(shù)超過2.40 為較差；油品質(zhì)量傳感器安裝位置可選取液面1/3 深度以下處，可以避免因雜質(zhì)和磨粒堆積引起油品質(zhì)量傳感器探頭的污染。考慮到潤滑油若使用時間過長而超過規(guī)定使用期限時，即使劣化程度較低也應(yīng)及時更換。由此，采用潤滑油使用時長To與介電常數(shù)Er兩個指標(biāo)判斷潤滑油品質(zhì)，邏輯原理如圖7 所示。油品閾值E1，E2分別為潤滑油品質(zhì)“良好”與“一般”的上限值，參考值E1=2.35，E2=2.40；數(shù)據(jù)防抖功能可以通過將采樣數(shù)據(jù)輸入緩存區(qū)，利用均值濾波或中值濾波的方法實現(xiàn)；每次換油后潤滑油使用時長To將被置零。

圖7 油品狀態(tài)判斷邏輯圖

由于潤滑油的劣化是一個長時間的歷程，對數(shù)據(jù)采集的實時性要求不高。因此，可以在機床啟動后短時間內(nèi)自檢和操作者需要時（如每班）啟動油品檢測。同時，交互界面上應(yīng)直接顯示傳感器測量所得數(shù)據(jù)以及油品等級。如圖8 所示。

圖8 油品監(jiān)控界面

4 結(jié)語

本系統(tǒng)圍繞壓力機智能化的實現(xiàn)，基于傳感器技術(shù)和PLC 控制電路構(gòu)建模塊化硬件電路，結(jié)合高效的監(jiān)控程序和交互系統(tǒng)，實現(xiàn)了運動副溫升測量、潤滑油品質(zhì)監(jiān)控和離合制動器狀態(tài)監(jiān)控，為解決壓力機智能化檢測和控制提供了一套可行的解決方法。

此外，由于本系統(tǒng)為初代版本且開發(fā)時間倉促，仍存在著許多不足和欠缺考慮之處，因此未來將繼續(xù)深入研究與開發(fā)，以期最終實現(xiàn)壓力機的全面智能化監(jiān)控和診斷。未來工作從以下幾個方面繼續(xù)開展：

（1）運動副溫升規(guī)律探究。在已開發(fā)的壓力機運動副溫升監(jiān)控的基礎(chǔ)上，監(jiān)測多種工況下的溫升數(shù)據(jù)，選取合適的門檻值。必要時，進行潤滑油路中潤滑油的流場分析以獲得更加詳細(xì)的溫度場信息。

（2）壓力機自適應(yīng)潤滑控制。在對壓力機運動副實施全面監(jiān)控的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度危險點的信息實現(xiàn)油泵流量的自動調(diào)節(jié)。

（3）潤滑油的全面指標(biāo)測定與品質(zhì)監(jiān)控。介電常數(shù)的變化是潤滑油品質(zhì)的綜合反映，但壓力機各個運動副的磨損特點存在差異，需要考慮具體情況下的粘度、磨粒、介電常數(shù)等指標(biāo)對于油品變化的敏感性。未來將對潤滑油品質(zhì)進行全面測定，并選取最敏感的物理量作為指標(biāo)進行監(jiān)控。

（4）系統(tǒng)調(diào)整和優(yōu)化。對于已開發(fā)的系統(tǒng)進行硬件電路的優(yōu)化以增強抗干擾性和魯棒性；優(yōu)化程序邏輯和結(jié)構(gòu)，以適用于工業(yè)要求；增強人機界面的一致性、完整性和操作性。