CN102489546B - 一种测量塑性变形载荷的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种测量塑性变形载荷的方法及系统。该方法包含：在压力机机架上对垂直载荷引起的振动比较敏感的位置以及设备底座上固定多个加速度传感器；对设备刚度以及传感器灵敏度进行标定，采集设备工作时各传感器的波形信号，包括X/Y/Z各个方向加速度，取机架与底座信号之差，并进行噪声滤波，去除加速度波形信号中的直流分量和趋势量，通过积分计算位移波形曲线，对位移波形曲线进行修正，获得下死点前后位移峰值，计算两个峰值之差为最大有效载荷。实现这种方法的一种系统，主要由传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化与显示系统、控制单元或者远程通讯部分组成。

Description

一种测量塑性变形载荷的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种测量塑性变形载荷的方法及系统。

背景技术

塑性变形是个复杂的动态过程，设备驱动模具运动导致材料（板料或者金属块）的塑性变形，同时模具和设备以及工件也会产生一定量的弹性变形。塑性变形载荷即塑性变形力过大，则设备产生的弹性变形过大，在成形工件质量下降和模具寿命降低，甚至可能超过设备允许的变形极值，即设备超载，严重时影响设备寿命或损坏。在一些要求比较高的设备的都安装有吨位显示计，如电动螺旋压力机，全自动多工位冷镦机，覆盖件调试压力机，伺服压力机等。这些设备比较普遍的方法是采用应变测量的方法获取机架上某个位置的应变值，或者测量液压系统中压力的方法计算载荷值，如中国专利01810063.5（在线监控冲压过程的方法及系统）于2003年7月6日公开了一种通过应变传感器测量冲压力在开式压力机冲压监控中的应用方法和系统，国际专利(WO1992007711)DIE CUSHION DEVICE OFPRESS MACHINE于1992年5月14日公开了一种利用液压系统压力监控压力机动作的方法和设备；美国专利US06481295B1(Method and system for monitoring peak compressive andtensile process severity levels of a press machine using acceleration data)于2000年10月18日公开了一种检测压力机加速度峰值的方法用于判定压力机的载荷能力级别，该方法仅考虑峰值；美国专利04692857（Method and apparatus for protecting press from being damaged byoverload conditions）于1987年9月8日公开了一种利用旋转编码器和液压载荷保护压力机不超过许用负荷曲线的装置及方法；美国专利05339665（Die-cushion apparatus of pressmachine）于1994年8月23日公开了一种利用液压过载保护装置保护模具避免损坏的装置。此外还有其他一些文献涉及到压力机载荷测量的方法，多数都是基于应变、位移、液体压力等方面，存在着机电液系统复杂，安装麻烦的特点。

应变测量方法需要在设备机身敏感位置上贴应变片，粘贴技术要求可靠，还需要很好地保护。直接压力测量需要置敏感元件如压电式压力传感器于模具下方敏感受力位置，影响了设备的装模高度。采用液压系统压力测量仅限定于有液压系统的塑性加工设备，如液压机，或者带液压拉延垫的单动曲柄压力机，利用液体进或出液压缸的压力来计算工作载荷，系统存在泄漏和污染。

而本发明采用MEMS(微机电系统)加速度传感器来测量工作载荷，传感器安装方便，可以采用高磁力磁铁吸附、胶粘、蜡封或者螺栓固定，不破坏设备外观，不影响模具安装。多个传感器布置在设备机架以及相对固定的底座上，采用计算机系统采集并处理其差值，再通过优化的积分算法获得位移波形曲线，与系统标定参数计算后获得载荷曲线与载荷相对极值，方便数据记录与存储，还能实现设备工作状态的查看与监测。

发明内容

本发明提供一种测量塑性变形载荷的方法及系统，是利用塑性变形过程中设备受到的冲击力所产生的振动加速度信号，通过二次积分之后的位移波形曲线与载荷成正比，获取塑性变形载荷曲线及其极值的方法，可以测量和监控设备的工作状态，避免设备超载。

本发明的技术方案如下：

标定加速度振动传感器对于加速度的敏感系数；

在设备机身和底座上安装多个加速度振动传感器；

标定设备在不同载荷下，机身传感器位置和底座传感器位置之间的相对变形位移，计算机身的刚度系数；

采集工作条件下设备机身与底座的加速度振动信号，并存储记录；

对采集的加速度振动信号进行滤波处理，计算机身与底座的信号差值，对信号二次积分，获得机身位置的传感器与底座位置的传感器的相对位移波形；由机身的刚度系数与相对位移波形相乘计算设备载荷波形，计算设备下死点前后载荷峰值，其差值为工作载荷相对极值X；

标定计算载荷极值和实际载荷极值之间的误差值，作为误差项Δ，得到系统测量误差标定曲线，在两个误差间隔之间用插值方法消除误差；

系统显示载荷波形曲线或者极值数据。

对上述方案的进一步限定：加速度振动传感器是MEMS微机械加速度传感器或者其他能直接测量重力加速度的加速度传感器。

对上述方案的进一步限定：加速度振动传感器的数量不少于2个，包含拾取承受滑块打击力部件或其联接部件和底座之间在X/Y/Z三个方向加速度以及他们之间的任意组合。

对上述方案的进一步限定：采集是指从某一键相位置开始的若干个传感器的同步采集。

对上述方案的进一步限定：载荷峰值是指载荷波形曲线中下死点位置成形力极大值以及由于设备弹性回复的惯性载荷峰值。

对上述方案的进一步限定：相对峰值是指载荷波形曲线中成形力极大值以及由于设备弹性回复的惯性载荷峰值之差，它是载荷曲线中的稳定有效极值，也是有效载荷最大值。

实现上述方法的一种系统，主要由传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化与显示系统、控制单元或者远程通讯部分组成。

有益效果：

本方法采用加速度传感器，具有容易安装，敏感度高的特点；系统采集多个传感器加速度振动信号，经数字信号处理，完成噪声滤波、均值和趋势项去除，以及积分后的曲线修正，保证积分的稳定。

附图说明

图1是开式压力机安装传感器位置的实施例。

图2是闭式压力机安装传感器位置的实施例。

图3是设备机身相对于底座的Z轴典型振动加速度波形。

图4是振动加速度波形二次积分后的Z轴振动位移波形。

图中所示：1.第一加速度振动传感器，2.键相传感器，3.键相触发器，4.第二加速度振动传感器。

具体实施方式

如图1、图2所示，将第一加速度振动传感器1安装在压机上，安装位置根据不同的设备，选择对工艺最敏感的位置，可以选择多个加速度传感器来完成X/Y/Z不同方向信号采集，也可以采用三轴集成加速度传感器。同时为了采集有效的塑性加工阶段，使用键相传感器2和键相触发器3确定一固定的起始位置，触发采集使各传感器同步采集。由于设备机座可能受到附近其他成型设备的影响，因此在机座上安装第二加速度振动传感器4以捕捉从机座传来的其他振动干扰的影响，并在后期处理中取第一加速度振动传感器1和第二加速度振动传感器4的差值。Z轴振动加速度波形如附图3所示。

加速度振动传感器宜选用MEMS传感器，模拟输出以便与采集系统匹配。选用MEMS传感器是因为其价格便宜，并且能够直接测量重力加速度的变化，响应频率接近0HZ。也可以选用其他直接对重力加速度敏感的加速度传感器。由于多数传感器输出为电压信号，事先需标定传感器的灵敏度系数，图3实施例中为100mv/g，图中纵坐标为电压，横坐标为时间。

装在导轨和滑块上的键相传感器副起着同步采集触发信号的作用。键相传感器副可以采用光电传感器、电磁涡流感应或者霍尔传感器等，当滑块下行到一定位置时，键相触发器3通过光、磁、电、机械等导致键相传感器2触发，在电路中产生一脉冲信号，脉冲信号触发采集系统，实现所有通道的同步采集，记录存贮系统完成高速存储。当采集到一定时间或者数量的信号后，采集系统停止采集，开始对采集数据进行处理，直到下一次成形时键相传感器再次触发。

键相传感器副也可以装在设备的飞轮、曲轴等与滑块运动直接相互关联的部位，这些位置主要是要考虑机械传动间隙对同步键相位置准确性的影响。

以上采集到的信号要通过滤波处理，去除噪声，去除均值和趋势项，目的是使二次积分之后的位移波形起始点和终止点均为零，如图4所示。图中纵坐标为计算所得的振动位移，单位是mm，图中曲线数据乘以设备标定的刚度系数，就是载荷曲线。

最大载荷是设备拥有者最关心的，一般不允许超过设备的设计能力。本发明提供一种最大有效载荷的计算方法，如图4所示，它是成形下死点前后设备载荷峰值的差值。在成形的下死点，设备受力达到峰值，但是如果仅用该峰值来描述成形载荷，由于对加速度二次积分不稳定，容易出现较大的误差，而采用相对峰值作为最大有效载荷就消除了积分的不稳定性，使误差达到最小。

从图4中可以看到，除了下死点载荷极值外，在载荷减小到零之后，又出现了微小的位移峰值，这个峰值是由于设备的弹性，导致惯性回复产生的，实际上在下死点处设备也存在惯性过冲，因此有效载荷要减去惯性过冲。本发明所提供的方法将这两个峰值之差即相对极值确定为最大有效载荷，从而直接去除了惯性过冲问题。附图4实施例中设备刚度系数1.542kN/mm，最大相对位移为0.256mm，计算得最大有效载荷为3.947kN。实际成形实验中准静态测量的相对位移为0.21mm，和本发明的动态测量计算存在误差，因此需要对测量系统进行进一步标定误差项，消除误差干扰。

由于工艺条件的复杂性，所选用的积分区间，可以由软件来实现计算与判断，还可以在系统操作界面中由使用者人工交互选择，以满足不同工艺的需求。这需要基于计算机采用虚拟仪器的模式来完成，系统的操作与显示采用点阵式图形显示器或者LED指示灯搭配，可以采用键盘操作、按钮操作或者触摸屏操作，用于显示历史数据或者当前数据。显示方式可以采用软件中常用的条形图、柱状图、雷达图、曲线图、彩色云图等，允许查询、打印等，同时也方便使用以太网或者其他总线系统来通讯，让一系列的压力机群通过通讯进行集中测控。

实现上述方法的一种系统，主要由传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化与显示系统、控制单元或者远程通讯部分组成。

Claims (9)

1.一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：

标定加速度振动传感器对于加速度的敏感系数；

在设备机身和底座上安装多个加速度振动传感器；

标定设备在不同载荷下，机身传感器位置和底座传感器位置之间的相对变形位移，计算机身的刚度系数；

采集工作条件下设备机身与底座的加速度振动信号，并存储记录；

计算机身与底座的信号差值，进行滤波处理，对信号二次积分，获得机身位置的传感器与底座位置的传感器的相对位移波形；

由机身的刚度系数与相对位移波形相乘计算设备载荷波形，计算设备下死点前后载荷峰值，其差值为工作载荷相对极值X；

标定计算载荷极值和实际载荷极值之间的误差值，作为误差项Δ,得到系统测量误差标定曲线，在两个误差间隔之间用插值方法消除误差；

系统显示载荷波形曲线或者极值数据。

2.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：加速度振动传感器是MEMS微机械加速度传感器或者其它能直接测量重力加速度的加速度传感器。

3.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：加速度振动传感器的数量不少于2个，包含拾取机身上承受滑块打击力的部件或其联接部件和底座之间在X/Y/Z任一方向加速度以及它们之间的任意组合。

4.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：加速度振动传感器的敏感系数标定，是指度量和确定传感器在不同加速度下输出的电压变化与加速度值变化的比值。

5.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：机身刚度系数标定，是指度量和确定机身与底座安装传感器位置之间的相对位移与设备受力之间的比值。

6.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：滤波处理是指均值和趋势项去除采用迭代法,先进行二次积分,然后根据偏差修正均值再重新二次积分。

7.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：采集是指从某一键相位置开始的若干个传感器的同步采集。

8.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：载荷峰值是指载荷波形曲线中下死点位置成形力极大值以及由于设备弹性回复的惯性载荷峰值。

9.如权利要求1所述的一种测量塑性变形载荷的方法，其特征是：相对峰值是指载荷波形曲线中成形力极大值以及由于设备弹性回复的惯性载荷峰值之差，它是载荷曲线中的稳定有效极值，也是有效载荷最大值。

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