锻压机械生产过程在线监控方法的研究

马明

【摘 要】目前，我国的锻压加工行业正朝着高效率、高质量、自动化方向发展，但随着加工速度的提高，加工过程中也显露出了一些问题。在锻压加工过程中，由于生产现场的噪音大、环境条件差，设备操作人员很容易疏忽大意，进而导致生产过程出现各种问题，这些问题不仅会导致大量废品出现，也会导致生产设备出现故障和损伤，进而影响企业的经济效益，限制了企业的长久发展。

【关键词】锻压机械；生产过程；在线监控；方法探究

传统的在线监控系统和设备故障诊断系统是利用生产现场的各种仪表设备建立的，工作人员通过观察相关仪表设备的读数，判断生产过程中是否存在故障隐患。随着传感技术的不断发展，人们逐渐研發了基于计算机技术和传感技术的新型在线监控系统，这种监控系统的及时性和有效性与之前相比有了很大提升，进而有效降低了工作人员的劳动强度，提高了生产过程的安全性，同时也为相关企业节省了生产成本。

一、锻压机械生产过程力学模型的建立与分析

锻压机械作用力的计算方法很多，有主应力法、滑移平面法、能量法和工程力法等。由于工程力法既注重理论的系统性，又考虑实际因素的作用，能够比较全面反映各因素的影响。因此，常采用工程力法研究锻压机械加工过程中作用力的计算公式。为了简化研究过程，作如下假设。

第一，锻压过程中，零件变形具有连续性，因此，零件受到的应力、自身的应变以及零件尺寸等物理量也是连续的，这样就可以通过坐标表示锻压过程的连续函数。

第二，锻压过程中，零件的变形速度的大小是均匀变化的，方向也是固定的，因此，从零件上分割出的任一微元体都能保持原零件的性质。

第三，锻压刚开始时，零件的应力非常小，可忽略不计。因此，在变形的过程中，包括变形开始和结束的瞬间，力的作用是平衡的。

根据上述假设，通过分析、计算变形体的内力和接触摩擦力，研究变形时变形体的应力、应变之间的关系以及应力与变形材料之间的关系等塑性变形力学问题，推导出锻压机械在冷锻过程中锻压力的计算公式。不带纵向飞边时，闭式模锻单位变形力的简化表达式：

式中：σs表示在闭式模锻变形条件下的流动应力

α1表示变形区自由表面与凹模壁的夹角（弧度）

D表示凹模直径

a表示角部径向未充满值

带有纵向飞边时，闭式模锻单位变形力的计算公式：

式中：μ表示金属与凸、凹模壁间的接触摩擦系数

l表示纵向飞边高度

d表示凸模直径

由上面的公式可得到如下结论：

第一，锻压机械的作用力与材料分子的流动性能相关，即材料内部分子结构的组织性能会直接影响到机械产生的作用力。

第二，由公式2可知：锻压金属与模具之间的摩擦力会影响到机械设备的作用力大小，如果金属与模具之间的摩擦力较大，模具会受到严重损伤，同时摩擦系统也会不断增大，进而导致机械设备的作用力增大，长此以往会对锻压机械造成伤害。

第三，由公式1、2可知：作用力与毛坯的长短有关。若毛坯过长，在加工过程中就会出现飞边，飞边越长，作用力就越大；若毛坯过短，未充满值越大，作用力越小。

由以上的分析可知：作用力与锻压加工过程中的许多因素有关，是这些因素的一个状态变量。因此，通过监测作用力可以检测出由于毛坯过长、过短、毛坯内部组织缺陷、模具过度磨损等引起的产品质量问题。因此，将力作为锻压机械生产过程的状态变量，进而实现在线监控的方案是合理可行的。

二、在线监控信号处理电路设计

1.电荷放大器

电荷放大器是由电荷变换级、差动放大级和输出变换级三部分组成的，如图2所示。其中，电荷变换级是电荷放大器的核心组件，其主要功能是将压力传感器传出的电荷量的变化值转化为电压的变化值，并通过差动放大的形式提高变化量的放大倍数，输出变换级则采用双输入和单输出电路，与后续电路匹配。

2.滤波器

锻压机械的基波频率主要集中在25Hz内。因此选择FC=25Hz；A0=-1作为低通滤波器的设计依据。

3.动态校零电路

动态校零电路见图3，是消除传感器、电器元件的漂移等引起的系统误差的一种基本方法，分两个节奏工作：自动补偿状态是将外界因素引起的压力信号的零点变化自动地寄存起来，并补偿到零；保持状态是在测试过程中保持信号零点不变。

4.绝对值电路

由于采用8098单片机的四路A/D转换，要求进入系统的电压必须在0～5V的范围内，故在A/D转换前加一绝对值电路。

三、锻压机械生产过程在线监控系统的功能和监控方法

1.锻压机械在线监控系统的功能

第一，具有实时采样、数据收集、数据处理、参数计算以及硬件故障检测和识别的功能。

第二，具有故障诊断功能。故障诊断主要是针对模具断裂、设备空转、待加工零件的尺寸过大或过小、模具堵塞、设备参数调整不合理、过载等故障进行监控和诊断。

第三，在线监控系统能显示锻压力大小的瞬时值和平均值，同时也能显示加工零件的总数、废品总数以及故障类型。

第四，自动报警和控制。当锻压机械出现故障或产生的废品过多时，系统就会发出警报，以便工作人员及时检查。

2.监控方法

在实际工业生产中，工作正常时的力信号并不是事先可以精确计算出来的，但由于设备润滑情况、运动部件的工作情况、工件复杂的几何形状、材料质量不均匀性等的影响，实际作用力的计算是很困难的，因此在锻压加工过程监控中，必须有一个“自学习”过程。为了实现计算机在线监控，监控系统的在线监控过程必须分为两步：首先，加工一开始，监控系统进入在线“自学习”阶段，以获得控制模型，这一部分，采用边采样边计算以提高计算速度；其次，“自学习”阶段完成后，监控系统进入自动监控阶段，由单片机采样，计算P和S，并根据门限值判断加工产品质量是否有异常，一旦异常，便发出报警信号，并启动控制系统，进行停机控制。

四、结语

随着自动生产技术、传感器技术和监控技术的发展，锻压生产过程的安全性得到了有效的保证和提高，相关企业应该积极引进锻压生产设备在线监控系统，进而提高生产过程监控工作的效率和质量，对生产过程进行统一管理，最终，为企业的经济发展服务。

【参考文献】

[1]李卓，丁宵月.锻造生产线生产过程的数字化概述[J].锻压技术，2018，43（01）：30-32.