高速沖壓線壓力機滑塊位置監測方法與實現

曾昭偉，范 勇，陽帆莊，周建波，王 鑫

（上汽大眾汽車有限公司，湖南 長沙 410132）

1 引言

隨著工業技術的進步，沖壓機械設備也取得了較大發展，對汽車工業革命起到了極大的推動作用。作為最重要的沖壓機械設備之一，機械壓力機占據很高比例，機械壓力機傳動鏈由主驅動器驅動飛輪，飛輪通過傳動軸作用于偏心輪，然后通過偏心輪將運動傳輸至連桿裝置上，這就由旋轉運動轉變為線性運動。滑塊通過與連桿裝置連接，就可以執行其上下運動型的工作行程。在高速自動化的沖壓線生產過程中，滑塊運行時的實時位置信息是特別重要的，它關乎上料手和下料手的安全運行。上下料手進入模腔內抓取料片的時機均為通過滑塊所在角度計算出來。高速沖壓線為了提高生產效率，提升沖程次數，使得滑塊上模與上料手、下料手之間的動態安全距離非常小，若出現偏差則可能導致上下料手與滑塊上的上模出現嚴重碰撞事故。

2 問題描述

目前，滑塊運行狀態主要是依靠偏心輪處連接的角度編碼器進行角度映射，并沒有滑塊直線行程的實際位置信息。角度編碼器通過一根傳動軸與偏心輪進行連接，通過偏心輪轉動的角度來計算出滑塊在上下行程中所在的角度信息。由于角度編碼器的角度信息來自于偏心輪，而偏心輪處于壓機傳動鏈的中部，若壓機傳動鏈的末端出現傳動故障或角度編碼器與偏心輪的傳動軸出現問題，都會導致滑塊的位置信息出現偏差，而這種偏差PLC 控制器無法獲知。所以，只采用角度編碼器這一種監測方式不夠全面和嚴謹，加裝滑塊位置監測系統則非常有必要。該系統將進一步提升設備的自動化安全生產穩定性。其大致框架如圖1 所示。

圖1 滑塊角度位置關聯系統框架

某汽車企業沖壓車間高速沖壓線在生產過程中就曾出現過這種情況，壓機在下止點180°的位置裝載上模，發現上模夾緊器無法正常駛入，檢查發現滑塊的實際位置明顯過了下止點位置，且往上行程的方向運行了一段距離，但此時角度編碼器顯示的位置卻是在下止點。通過檢查角度編碼器的傳動軸的傘齒輪發現，軸頭發生了斷裂，導致齒輪出現跳齒，從而導致滑塊的實際位置與編碼器檢測的角度出現偏差。

由于問題出現時，滑塊的實際位置與角度編碼器的角度偏差仍在安全通過范圍內，通過緊急搶修更換傘齒輪，并重新校驗滑塊下止點位置后恢復正常。若偏差角度過大，在整線連續生產模式時，滑塊上裝夾的上模則會與上下料機械手發生碰撞，導致重大的設備故障出現。

3 方案設計

在壓機立柱側邊加裝一個TOF 飛行時間激光測距傳感器的發射端，反光板則安裝在滑塊上，來監測滑塊的位置。激光測距傳感器安裝位置是整個壓機傳動鏈的末端，彌補滑塊位置監測的缺失。

TOF 技術是一種絕對距離檢測技術，即傳感器發出經過調試的近紅外光ψ1，遇反光板后反射光ψ2回到傳感器接收模塊，傳感器通過計算光線發射和反射時差或相位差，來換算被測物的距離，以產生深度信息，如圖2 所示。

圖2 激光測距傳感器原理圖

激光測距傳感器是作為滑塊角度編碼器的解耦工具，直接測量滑塊的垂直行程位移。將角度編碼器的測得角度信息和激光測距傳感器測的滑塊位置信息做耦合運算，當滑塊運行中測量獲得的實際位置與角度-位置耦合曲線解耦獲得的位置數據出現偏差，則產出故障信息。

3.1 系統配置

將滑塊的封閉高度調至最大行程，將滑塊停在下止點，對激光測距傳感器及反光元件進行安裝。激光測距傳感器的數據信息通過MODBUS 協議與網關通訊，網關將信號轉成Profinet 后將數據信息傳輸至PLC 中。網關與壓機主控間的通訊進行物理隔離，從而保持壓機主控設備原有的安全性。網絡通訊圖如圖3 所示。

圖3 網絡通訊圖

如圖4 所示，將新增的激光測距傳感器組態進STEP7 項目中的Profinet 網絡中，連接通訊，為網關分配Profinet 站點屬性。

圖4 分配Profinet 站點屬性

3.2 耦合運算

在壓機運行時，通過PLC 的I/O 端口將激光測距傳感器的數值進行讀取。滑塊的封閉高度調整值做為固定的偏移量。設定在某一偏移量下，滑塊位于上止點時，校準激光測距傳感器為零點位置。在滑塊動作時，激光測距傳感器將實時測量位置信息，同時考慮封閉高度偏移值得變化量，從而獲得滑塊的實際行程位置。如圖5 所示，為計算得到的滑塊任意行程位置-角度下的耦合曲線，縱坐標和橫坐標分別表示實際位置與滑塊實際角度。

圖5 滑塊行程與角度耦合曲線圖

滑塊位置的誤差窗口為±2mm，若偏差超過窗口值，則滑塊位置出現異常，反之則正常。若計算得出位置異常，則采用循環停的方式將壓機的運動中斷，并且將故障信息輸送至HMI。

4 系統實現

為了驗證本文所提出的位置監測系統的可行性，在生產線設備上安裝完成后，進行實際生產運行測試，激光測距傳感器能夠準確反饋滑塊的位置信息。

同時，在現有設備HMI 界面中新增激光測距傳感器的滑塊位置監測顯示界面以及故障信息顯示，如圖6、圖7 所示。

圖6 滑塊位置監測界面

圖7 報警故障信息設置

5 結論

本文根據激光測距傳感器的工作原理，設計了沖壓線壓力機滑塊位置監測系統，經實驗測試，該系統能夠滿足高速沖壓線壓力機滑塊直線位移的測量，并且測量誤差在1mm 以內，驗證了其系統的可行性。由于該系統具有非接觸式、精度高、分辨率高、響應速度快、價格低廉等優點，因此在高速沖壓線領域可以有廣泛的應用前景。