精冲机模具保护装置改进与试验

张庆飞，佟金颖，田世领

（扬州锻压机床股份有限公司，江苏 扬州 225128）

0 引言

精冲是指具有反顶、压边与小间隙特点的精密冲压，其成形件断面光洁、垂直度和平面度好、精度高[1]。近年来，随着汽车工业的发展和轻量化趋势，越来越多的异形复杂件采用短流程的高端级精冲工艺直接成形。由于精冲模具所受的压力大，凸、凹模间隙非常小，如果模具上存在没有被清除掉的零件或废料（称为异物），将会损坏模具，造成停产及增加模具维修成本。因此，精冲模具的寿命成了制约高端精冲技术应用和发展的瓶颈。

精冲压力机在自动冲裁时必须有模具保护，当工件或废料遗留在模具空间时，能自动检测，使压力机停车，避免损坏工件、模具和压力机。但是，目前的模具保护器存在成本较高、操作复杂、漏检、误检率高等缺点[2-3]，而且功能比较单一，内部图像处理算法相对简单，智能化程度较低，需要复杂的人工操作和经验来保证其结果的正确性。如运行前的样本学习、报错后的经验学习、多模板的选择、检测区域及一些参数的人工选择问题等，都极大地依赖于现场的环境和操作人员的经验[4-7]。为此，在滑块与快速提升缸连接部位增加安全缸，如果模具中有异物存在，模具在闭合时，其上下工作元件将比正常情况下提前接触，滑块在上升过程中受到的阻力也将提前到来，此时安全缸内的压力上升，通过压力回路进行泄油，此时快速缸活塞位移与滑块产生相对位移，进而实现对异物的识别。该方法因滑块自身的惯性等因素，检测灵敏度不高，对于直径8mm以上的废料检测没有问题，而直径6mm甚至更小的则不能准确检测出来。本文对检测方案进行改进，提高了检测灵敏度，对直径小于6mm的异物也能成功识别，给精冲机停车指示，保护了精冲机和模具，有效提高了模具的使用寿命和生产效率，节约了生产成本。

1 检测原理

精冲压力机在滑块上升过程中需要克服重力及摩擦力、冲裁力、反压力、压边力，即：0

正常情况下，在冲裁工作行程到来之前，后三种力为零，只有重力及摩擦力。如果精冲模具中存在异物，根据异物的位置不同会出现两种异常情况：

（1）异物存在于模具的反压板上面，在冲裁工作到来之前，模具的凸、凹模与反压板将首先接触废料，致使反压板后退，反压油缸压力升高，即P反压力升高，从而造成主滑块力P滑块异常升高。

（2）异物存在于模具的压边圈下面，在冲裁工作到来之前，模具的压边圈与凹模将首先接触废料，致使压边圈后退，压边油缸压力升高，即P压边力升高，从而也造成主滑块力P滑块异常升高。

以上两种情况，都是在冲裁工作之前的滑块快速上升过程中发生的，如果此时模具空间内没有异物存在，主滑块只承受P重力及摩擦力；如果有异物存在，主滑块除了承受P重力及摩擦力外，还要额外承受P反压力或 P压边力。

根据这一特征，异物的存在与否就能通过监控滑块快速行程中力的变化加以识别，滑块位置则通过位移传感器跟踪。滑块快速行程力的增大如果发生在冲裁工作行程，则属于正常情况；如果发生在快速行程中，则属于异常情况。一旦出现异常情况，则立即通知设备控制，使设备立刻停止运行，等待操作者清理异物后再继续工作，从而保护了模具。图1为滑块快速行程缸与异常压力检测装置简图。

图1 滑块快速行程缸与异常压力检测装置简图

2 检测影响因素分析

2.1 安全缸的直径与检测灵敏度关系

根据安全缸的结构，可以知道滑块接触异物产生的阻力：

式中：d——异物料斗的直径；

σb——材料抗拉强度。

安全油缸里油压波动：

式中：D——安全缸直径。

将式（ 2）代入式（ 3）得：

由式（4）可以看出，在异物尺寸及材料性能确定的情况下，D值越小，则安全油缸里油压波动p波动越大，则检测灵敏度越高。

2.2 滑块运行带来压力波动对检测的影响

由于滑块在工作过程中有快速上升、慢速上升和主缸加压三个过程，滑块的速度变化引起安全缸内的压力波动。为减小压力波动的影响，把滑块上升过程的主缸加压前一段慢速上升定为异物检测阶段。尽管如此，在慢速上升的阶段，经测试，由于速度切换过程的冲击，安全缸压力仍然有一定的波动，对异物检测具有一定的干扰作用。

图2 安全缸压力图

下面列出机床运行过程中的实际监视图及图中各曲线所代表的含义。本机床为下传动结构，我们将上死点定义为0mm，如图2所示约在50～10mm上升行程段为异物检测范围。伺服阀动作未优化前，伺服阀的实际给定值和预定的给定值同步，是阶梯型变化的曲线，此时可看出，安全缸内压力值在伺服阀快速切换到慢速时波动较大。我们试着在伺服阀由快速到慢速的切换过程中引入一阶曲线，从图上可看出，伺服阀的实际给定值切换过程中有斜坡变化，对比两图可看出，安全缸压力值在伺服阀切换时波动减小。因此提高滑块运行的稳定性可以减小安全缸的压力波动，从而提高异物检测的灵敏度。

2.3 检测过程对响应速率的影响

通过对检测原理的分析，得知异物报警过程为：滑块接触异物→安全缸压力升高→溢流阀泄压→滑块与快速缸产生位移→接近开关发出讯号→控制器处理，共5步。快速提升缸液压控制原理图如图3所示。异物报警过程多，会影响检测的响应时间，每一个过程反应是否迅速决定了检测精度。

3 改进对策

3.1 改变检测方法

原来的方案是通过接近开关检测滑块与快速缸产生的位移来发出讯号，现改为用压力传感器直接检测安全缸油压，缩减了异物报警的过程链：滑块接触异物→安全缸压力升高→压力传感器发出讯号→控制器处理，共3步，减去了2步。加快了异物检测响应时间，提高了检测灵敏度。

3.2 改变检测部位，缩小检测缸径，提升检测灵敏度

由于使用了压力传感器直接检测油压的办法，可以直接检测快速提升缸的压力，快速提升缸内压力同样会随着滑块遇到异物而升高。安全油缸直径ø80mm，快速提升缸直径ø70mm。通过计算可知缸径的变化会提升检测灵敏度1.3倍。

3.3 优化滑块运动，减小压力波动

图3 快速提升缸液压控制原理图

图4 安全缸压力图

原伺服阀的控制采用了斜坡电压控制，由于阀自身惯性等原因，伺服阀实际动作并不会按控制电压的动作，阀在变化过程中会有一些振荡，同时还有滑块自身的惯性等因素，体现出来的就是油缸压力的波动。通过研究改进了伺服阀的控制方法，越接近目标值变化就越趋缓，取得了不错的效果。如图4所示，其中约在50mm～10mm行程段为异物检测范围。依据2.2的试验结果，对滑块的运动过程进行了优化。首先，希望伺服阀给定值是跟随滑块行程变化的，为了保证工作效率，快速上升阶段要减少时间消耗，在接近减速位置时，伺服阀给定值由快速平稳切换到慢速。在原来的加压开始位置，伺服阀关闭，比例阀打开。从图2可以看出，在伺服阀和比例阀切换时，安全缸内压力值变化波动大，这是因为机床在此情况下有停顿，通过图中行程曲线可以看出。在此位置对伺服阀和比例阀的给定值加入一阶曲线，并在伺服阀未完全关闭时打开比例阀，从而减小压力的冲击，使滑块运行平稳。通过上述试验改进，从监视曲线可以看出，滑块在上升行程中运行平稳，安全缸压力值波动很小，使异物检测能力有了显著提高。

4 试验与结果

通过以上3项改进措施，在YFB-650型精冲机上分别对改进前与改进后进行了异物检测试验，其安全缸直径为D=ø80mm，异物料豆直径为d=ø8mm，材料为45钢精冲性质，抗拉强度σb=500MPa，试验结果如表1所示。

表1 改进前后对比试验

由表可见，改进前后该精冲机的异物检测水平有了很大提高，检测时间缩短，且检测能力有明显提升，改进前只能准确检测大于8mm直径的异物，而改进后能够准确检测到直径5mm的异物。另外，从异物变形量可以看出，改进后异物被压变形量明显减小，即检测响应速度有了明显提升。

5 结论

（1）通过压力传感器直接检测快速缸内由异物引起的压力波动来发讯保护是可行的，而且灵敏度相对于位移变化检测的方法更高。

（2）通过改进伺服阀控制方法是可行的，不仅使得滑块运行更加自如顺畅，还能有效降低快速缸在异物检测段的压力波动，有利于异物的检测。

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