CN103743821A - 超薄板微成形模具的ae信号检测系统装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超薄板微成形技术，提供一种超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置及方法。装置包括AE信号传感器、信号放大器、A/D转换器、位移传感器和带有数据采集卡并安装有MATLAB软件的计算机，本发明利用AE信号检测系统装置来检测超薄板微成形时是否出现肉眼所不能见的微小裂纹，可对超薄板微成形进行实时检测，避免成形出大量成形件后再对产品进行检测，造成经济损失；通过在零件易被拉裂的特征部位附近布置AE信号传感器，对调试模具和合理制定工艺参数等提供判别依据；若进行成形性能实验来检测成形件的拉深系数时，通过AE信号检测系统装置与位移传感器配合，可以得到精确的拉深系数。
Description
技术领域
本发明涉及超薄板微成形技术，提供一种超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置及方法，属于微塑性成形与信号检测技术领域。
背景技术
近年来，市场对产品微型化的需求使得电子设备变得更便携和具有更多的综合功能，对于医疗设备、传感器技术和光电设备也有同样的需求，这种产品微型化的巨大市场需求趋势促进了微细加工技术的发展，而微细加工技术领域中的微成形技术以其高精度、低成本、大批量、高效率、无污染、净成形等优点，使得此技术在微细加工技术中脱颖而出。
但对于超薄板的微成形来说，成形件很容易会出现肉眼所不能见的微小裂纹，这种肉眼所不能见的微小裂纹在产品的使用过程中会因受力、振动、环境等一系列因素进一步扩展，形成较大的裂缝，将会造成不可预知的经济损失，而目前超薄板微成形领域中还未提出实用、有效的检测产品成形质量方法，因此，为了减少损失，需要提出一个合适的检测方法，通过此方法能够尽早地识别出超薄板在微成形过程中是否产生了肉眼所不能见的微小裂纹。
本发明专利通过AE技术设计出AE信号检测系统装置，通过本专利所述的AE信号检测系统装置不仅可以有效的检测出超薄板在微成形过程中是否产生了肉眼所不能见的微小裂纹，而且可以进行实时检测，避免成形出大量成形件后再对产品进行检测，造成经济损失，也减轻了质量检测的工作强度，同时对于调试模具和合理设定冲压工艺参数提供判别依据。
发明内容
本发明的目的是要克服超薄板微成形技术领域在对成形件检测方面存在的不足，提供一种超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置。
本发明所述的AE信号检测系统装置包括AE信号传感器、信号放大器、A/D转换器、位移传感器和带有数据采集卡并安装有MATLAB软件的计算机。
所述的AE信号传感器安装在如下位置：在凹模侧壁拐角部位和凸模圆角部位布置AE信号传感器；在压边圈表面与短边平行和长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位布置AE信号传感器。
所述的在凸模圆角部位布置AE信号传感器指：在靠近凸模圆角拐角处的凸模表面垂直钻孔，以能检测到清晰的AE信号为准，每个拐角附近各钻一个孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，并用耦合剂填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙。
所述的在凹模侧壁拐角部位布置AE信号传感器指：在靠近凹模侧壁拐角部位的凹模上表面垂直钻孔，以能检测到清晰的AE信号为准，每个圆角附近各钻一个孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，并用耦合剂填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙。
所述的在压边圈表面与短边平行和长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位布置AE信号传感器指：在压边圈表面与短边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位垂直钻孔，同时在压边圈表面与长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位垂直钻孔，以能检测到清晰的AE信号为准，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，并用耦合剂填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙。
所述耦合剂为硅酸钠，在本专利中的作用为1）排除AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的空气并填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙，保证AE信号传感器采集到的信号不失真；2）将AE信号传感器固定和密封在微成形模具安装孔中，避免AE信号传感器在微成形模具安装孔中窜动和摩擦，也避免外界细小杂物进入微成形模具安装孔中，从而影响AE信号传感器采集信号；3）耦合剂也具有导电作用，增强对AE信号的传递。
所述的位移传感器安装在上模板的中心部位，具体是在上模板中心部位的表面垂直钻孔，然后将AE信号传感器插入孔内，布置1个位移传感器。
所述AE信号传感器和位移传感器的输出端分别与导线相连，导线另一端与信号放大器输入端相连，信号放大器输出端与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端与数据采集卡输入端相连，数据采集卡输出端将数据输入到计算机中，并由MATLAB软件进行信号处理。
所述数据采集卡是用于将接受到的AE信号送到计算机中进行数据的存储、分析和处理。
所述MATLAB软件用于处理AE信号，最终获得成形件中与所出现的微小裂纹相对应的信号，这是因为AE信号检测系统装置采集的信号是由直接放置在被采集物体上AE信号传感器所采集的，因此AE信号传感器同时也采集到以脉冲或随机形式存在的噪声，严重影响信号的质量，所以，滤除信号中存在的噪声是AE信号检测系统装置进行信号处理中一个重要步骤，同时也是检测成形时是否出现微小裂纹的基础，本专利通过AE信号传感器将所采集到的AE信号导入到MATLAB软件中，采用MATLAB软件中的中值-小波阈值滤波法对信号进行滤波处理，再通过小波包能量系数提取法提取出拉深成形裂纹AE信号的特征参数；根据所提取的特征参数，最后运用模糊聚类的模式识别法识别出成形件中所出现的微小裂纹信号模式。
通过本专利所述的AE信号检测系统装置可以检测成形时出现的肉眼所不能见的微小裂纹，并且AE信号检测系统装置对超薄板微成形可以进行实时检测，从而避免成形出大量成形件后再对产品进行检测，造成经济损失，也减轻了质量检测的工作强度。
另外，AE信号检测系统装置还可以通过在零件易被拉裂的特征部位附近都布置AE信号传感器，当零件被拉裂时，通过测出第一个发出AE信号的传感器所放部位，得到起初的微小裂纹是出现在零件的哪个特征部位，从而为调试模具和合理设定冲压工艺参数提供判别依据，这是由于微成形零件的圆角半径、侧壁拐角等特征部位的几何形状在0.01～1毫米之间，进行成形性能实验将零件拉裂破坏到出现肉眼能看见的裂缝时，起初的微小裂纹早已延伸到零件易被拉裂的其他特征部位，则无法判断起初的微小裂纹是出现在零件的哪个特征部位，而且微成形模具装配好后进行模具调试难度较高，也不易设定冲压工艺参数，因此通过在零件易被拉裂的特征部位附近，即在凹模侧壁拐角部位，凸模圆角部位都布置AE信号传感器，当零件被拉裂时，测出第一个发出AE信号的传感器所放部位，从而得到起初的微小裂纹是出现在零件的哪个特征部位，这样对由于模架装配精度不高，从而导致上下模闭合造成局部压边力过大、模具间隙不均匀、压力中心与模具中心不重合等问题提供调试依据，以及对合理设定冲压速度、冲压力、压边力等冲压工艺参数提供思路，从而缩小查找导致产品出现质量问题的范围，提高模具调试和制定微成形零件加工工艺的效率。
若是凸模圆角部位上安装位置孔1中的AE信号传感器，第一个发出AE信号，可以初步判定是由于冲压工艺参数压边力过大造成，孔2、3、4与孔1判别方法类似；若是压边圈上安装位置孔1中的AE信号传感器，第一个发出AE信号，可以初步判定是由于上下模闭合后在安装位置孔1部位的局部压边力过大所造成，孔2、3、4与孔1判别方法类似；若是凹模侧壁拐角上安装位置孔1中的AE信号传感器，第一个发出AE信号，可以初步判定是由于在安装位置孔1中的模具间隙过小所造成，孔2、3、4与孔1判别方法类似；然后通过此依据对模具进行装配调试。
AE信号检测系统装置还可用于精确测量拉深成形件的拉深系数，具体原理是通过与位移传感器配合，当拉深成形件破裂时将会发出AE信号，记录AE信号发出的时间，而位移传感器会记录下每个时间的位移，通过时间为中间物理量，得出AE信号检测系统装置发出AE信号时，模具凹模从接触板料到板料破裂所下行的位移，通过此位移计算出拉伸后成形件的底部面积，再计算拉伸后和拉伸前底部面积的比值，因此得到精确的拉深系数，从而为制订合理的压边力、拉深次数、拉深速度、润滑等提供指导作用。
综上所述，本发明专利中的AE信号检测系统装置有如下优点：1）可以检测成形时出现的肉眼所不能见的微小裂纹；2）对超薄板微成形可以进行实时检测，从而避免成形出大量成形件后再对产品进行检测，造成经济损失，也减轻了质量检测的工作强度；3）对调试模具装配和定制工艺参数提供判别依据；4）可用于精确测量拉深成形件的拉深系数。
附图说明
图1：微成形模具的AE信号检测系统装置结构示意图。
图2：AE信号检测系统装置工作流程图。
图3：AE信号传感器在凸模上位置分布图。
图4：AE信号传感器在凹模上位置分布图。
图5：AE信号传感器在压边圈上位置分布图。
图6：位移传感器在上模板上位置分布图。
图7：AE信号处理的工作流程图。
图8：AE信号检测系统装置确定拉深系数的工作流程图。
具体实施方式
下面通过实例并对照附图，进一步说明本发明的具体结构及其实施方式。
如图1所示，本发明专利所述的AE信号检测系统装置主要由AE信号传感器、信号放大器、A/D转换器、数据采集卡、计算机、耦合剂、信号电缆和MATLAB软件等组成，并与位移传感器配套使用。
整个系统工作流程如图2所示，具体过程如下：
AE信号传感器对模具工作时所发出的AE信号进行实时检测，并将AE信号传送至信号放大器，信号放大器接收到的AE信号放大后传递给数据采集卡，数据采集卡将AE信号传递给计算机，计算机存储AE信号同时通过MATLAB软件对采集到AE信号进行处理，得到成形件中与所出现的微小裂纹相对应的信号，通过此信号来判断成形件是否出现肉眼所不能发现的微小裂纹，从而提高成形件的成形质量和加快成形件的质量检测速度。
另外，通过在零件易被拉裂的特征部位附近，即在凹模侧壁拐角部位，凸模圆角部位，都布置AE信号传感器，当零件被拉裂时，获知第一个发出AE信号的传感器所放置的部位，从而得到起初的微小裂纹是出现在零件的哪个特征部位，这样对由于模架装配精度不高，从而导致上下模闭合造成局部压边力过大、模具间隙不均匀、压力中心与模具中心不重合等问题提供调试依据，以及对合理设定冲压速度、冲压力、压边力等冲压工艺参数提供思路，从而缩小查找导致产品出现质量问题的范围，提高模具调试和制定微成形零件加工工艺的效率。
AE信号传感器在凸模上位置分布如图3所示，共布置4个AE信号传感器，布置方式是垂直向凸模上表面并靠近拐角处的表面钻孔，每个拐角附近各钻一个孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，以达到检测板料的凸模拐角处是否出现微小裂纹的目的。
AE信号传感器在凹模上位置分布如图4所示，共布置4个AE信号传感器，布置方式是垂直向凹模上表面并靠近圆角处的表面钻孔，每个圆角附近各钻一个孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，以达到检测板料的侧壁拐角部位是否出现微小裂纹的目的。
AE信号传感器在压边圈上位置分布如图5所示，共布置4个AE信号传感器，布置方式是在垂直压边圈表面与短边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位钻孔，同时在垂直压边圈表面与长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位钻孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，以达到检测板料的凹模圆角半径处是否出现微小裂纹的目的；将AE信号传感器布置在压边圈上来检测板料的凹模圆角半径处是否出现微小裂纹，而不放在凹模的圆角半径附近，是由于凹模的拐角部位已经放了四个AE信号传感器，若放在凹模上，AE信号传感器工作将会发生干涉，从而影响对接受的AE信号作出正确的判断。
位移传感器在上模板的位置分布如图6所示，布置1个位移传感器，布置方式是在上模板的中心部位并垂直上模板表面钻孔，由于微成形模具很小，在模板的中心部位钻孔，并在孔中安装位移传感器可保证上模板中心和重心重合，从而避免上模板中心和重心的不重合导致压力中心和模具中心不重合。
AE信号处理的工作流程如图7所示，具体过程如下：
AE信号处理的工作在MATLAB软件中进行，当AE信号传感器采集到由噪声、成形件破裂时发出的声音、薄板与模具摩擦时发出的声音等所构成的错综复杂的AE信号，AE信号传感器将所采集到的AE信号导入到MATLAB软件中，MATLAB软件对信号处理通过两个过程：(1) 信号的滤波处理及特征参数提取、(2) 成形件所处状态的分析识别，在过程(1)中采用中值-小波阈值滤波法对信号进行滤波处理，首先确定滤波的窗口，再选择小波基、阈值准则和确定分解层数，从而通过小波包能量系数提取法提取出拉深成形裂纹AE信号的特征参数；将所提取的特征参数导入过程(2)中建立出原始矩阵，再运用模糊聚类的模式识别法来建立模糊相似矩阵，然后进行聚类分析，最终识别出成形件中所出现的微小裂纹信号模式。
通过AE信号检测系统装置确定精确的拉深系数的工作流程如图8所示，具体过程如下：
当拉深成形件破裂时将会发出AE信号，记录AE信号发出的时间，而安装在模具上模板的位移传感器会记录下与上模板同步运行的凹模每个时间的位移，通过时间为中间物理量，得出AE信号检测系统装置发出AE信号时，模具凹模从接触板料到板料破裂所下行的位移，通过此位移计算出拉伸后成形件的底部面积，再计算拉伸后和拉伸前底部面积的比值，从而得到精确的拉深系数。
拉深系数的公式：δ=D2/D1
δ：拉深系数，D2： 拉伸后成形件底部面积，D1：拉伸前成形件底部面积。
Claims (8)
1.超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置，包括AE信号传感器、信号放大器、A/D转换器、位移传感器和带有数据采集卡并安装有MATLAB软件的计算机，所述AE信号传感器和位移传感器的输出端分别与导线相连，导线另一端与信号放大器输入端相连，信号放大器输出端与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端与数据采集卡输入端相连，数据采集卡输出端将数据输入到计算机中，并由MATLAB软件进行信号处理，其特征在于所述的AE信号传感器安装在如下位置：在凹模侧壁拐角部位和凸模圆角部位布置AE信号传感器；在压边圈表面与短边平行和长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位布置AE信号传感器；所述的位移传感器安装在上模板的中心部位，具体是在上模板中心部位的表面垂直钻孔，然后将AE信号传感器插入孔内，布置1个位移传感器。
2.如权利要求1所述的超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置，其特征在于：所述的在凸模圆角部位布置AE信号传感器指：在靠近凸模圆角拐角处的凸模表面垂直钻孔，以能检测到清晰的AE信号为准，每个拐角附近各钻一个孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，并用耦合剂填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙。
3.如权利要求1所述的超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置，其特征在于：所述的在凹模侧壁拐角部位布置AE信号传感器指：在靠近凹模侧壁拐角部位的凹模上表面垂直钻孔，以能检测到清晰的AE信号为准，每个圆角附近各钻一个孔，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，并用耦合剂填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙。
4.如权利要求1所述的超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置，其特征在于：所述的在压边圈表面与短边平行和长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位布置AE信号传感器指：在压边圈表面与短边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位垂直钻孔，同时在压边圈表面与长边平行的对称轴上并靠近压边圈中空部位垂直钻孔，以能检测到清晰的AE信号为准，共钻四个孔，然后将AE信号传感器插入孔内，并用耦合剂填补AE信号传感器和微成形模具安装孔之间的间隙。
5.如权利要求2、3或4所述的超薄板微成形模具的AE信号检测系统装置，其特征在于：所述耦合剂为硅酸钠。
6.超薄板微成形模具的AE信号检测方法，其特征在于：通过在零件易被拉裂的特征部位附近布置AE信号传感器，当零件被拉裂时，通过测出第一个发出AE信号的传感器所放部位，得到起初的微小裂纹是出现在零件的哪个特征部位，从而为调试模具和合理设定冲压工艺参数提供判别依据。
7.如权利要求6所述的超薄板微成形模具的AE信号检测方法，其特征在于：若是凸模圆角部位上安装位置孔1中的AE信号传感器，第一个发出AE信号，可以初步判定是由于冲压工艺参数压边力过大造成，孔2、3、4与孔1判别方法类似；若是压边圈上安装位置孔1中的AE信号传感器，第一个发出AE信号，可以初步判定是由于上下模闭合后在安装位置孔1部位的局部压边力过大所造成，孔2、3、4与孔1判别方法类似；若是凹模侧壁拐角上安装位置孔1中的AE信号传感器，第一个发出AE信号，可以初步判定是由于在安装位置孔1中的模具间隙过小所造成，孔2、3、4与孔1判别方法类似；然后通过此依据对模具进行装配调试。
8.超薄板微成形模具的AE信号检测方法，其特征在于：通过与位移传感器配合，当拉深成形件破裂时将会发出AE信号，记录AE信号发出的时间，而位移传感器会记录下每个时间的位移，通过时间为中间物理量，得出AE信号检测系统装置发出AE信号时，模具凹模从接触板料到板料破裂所下行的位移，通过此位移计算出拉伸后成形件的底部面积，再计算拉伸后和拉伸前底部面积的比值，因此得到精确的拉深系数。
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