CN108380786A - 压力机智能过载保护装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压力机的智能过载保护装置及控制方法，主要由检测部分、机械执行部分、控制部分和反馈部分组成。当压力机出现过载时，力传感器会把信号传递到整机的系统控制器上，该控制器让压力机停止工作，并使线圈绕组断电，磁流变液失去磁场的束缚，流动性增强，在球形支座的压力下，磁流变液会通过节流孔和设计间隙进入上部腔体，球形支座和连杆球头高度下降，避免了压力机因过载闷车造成损伤，曲柄滑块机构脱离死区走出过载状态后，当行程开关检测到球形支座在弹簧和自重的作用下恢复至原有高度，线圈绕组通电，把压力机滑块调整在上死点，压力机恢复正常状态，从而实现了对压力机的过载保护。

Description

压力机智能过载保护装置及控制方法

技术领域

本发明属于锻压机械技术领域，具体是一种曲柄压力机的智能过载保护装置及控制方法。

背景技术

压力机在机械加工行业中占据着举足轻重的地位，具有用途广泛，生产效率高等特点，压力机可广泛应用于切断、冲孔、落料、弯曲和成形等工艺，通过对金属毛坯施加强大的压力使金属发生塑性变形从而成为有用的零件。曲柄压力机在实际生产过程中经常会面临过载问题，从而会对压力机造成损害，尤其对大型压力机来说，造成的损失更加严重。市场上现有的压力机大多数采用的是机械式和液压式过载保护装置，对于机械式过载保护装置来说，由于压塌块材料的剪切强度具有一定的范围，所以难以保证过载保护装置的精确性、稳定性和可靠性工作，对于液压式过载保护装置，同样也存在精确性、稳定性和可靠性比较低的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有曲柄压力机过载保护装置存在的上述问题，提供一种安全可靠、精准高效、不会造成压力机的损害、延长压力机使用寿命、提高压力机工作效率的智能过载保护装置及控制方法。由于磁流变液在磁场作用下的流变特性是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料；本发明就使用这种智能材料为压力机提供智能过载保护的。

本发明解决的技术问题所采取的技术方案为：

本发明提出的压力机智能过载保护装置，主要由检测机构、机械执行机构、控制机构和反馈机构四部分组成；所述的机械执行机构主要包括缸体、连杆球头、球形支座、弹性装置、线圈绕组和滑块；所述的缸体固定在滑块内，缸体内部设有一圈由控制机构控制的线圈绕组，且缸体内部盛装磁流变液，所述连杆球头安装在球形支座上，连杆球头顶部穿过缸体并与端盖连接，所述的连接件与所述滑块连接，所述的球形支座安装在所述的缸体内将磁流变液分成了上下两个液体腔；所述球形支座与缸体内壁有间隙；球形支座底部与缸体底部之间竖直安装有一个用于球形支座复位的弹性装置；所述的检测机构设置在所述缸体的底部，用于检测压力机工作状态下的压力，并传送给控制机构；所述的反馈机构检测所述的球形支座是否恢复原位，并将信号反馈给所述的控制机构，所述的控制机构根据检测机构和反馈机构的信号控制所述的线圈绕组得电或者断电。

进一步的，所述的检测机构包括压力传感器，压力传感器通过粘结剂粘结在调整垫板上，在缸体底部设有凹槽，在滑块下降时，力传感器正好接触该凹槽底部，检测压力机的工作压力；当压力机出现过载闷车时，压力传感器在压电效应下会产生电信号，并将该信号传送到控制机构。

进一步的，所述控制机构主要由PLC模拟模块和PLC控制模块组成，在接受到检测机构的超载电信号后，PLC控制模块会对线圈绕组断电，让压力机停止工作；当接收到反馈机构的反馈信号时，控制模块会对线圈绕组通电，让压力机开始工作。

进一步的，所述的球形支座将缸体内部分成了上下两个液体腔，磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的设计间隙进入到上部分液体腔内。

进一步的，在所述的球形支座上设有多个用于连通上下两个液体腔的节流孔。

进一步的，所述节流孔为细牙螺纹孔，通过安装螺钉来改变节流孔的数目，从而控制了单位时间内磁流变液的流量，使压力机过载时的卸载时间得到调节。

进一步的，所述线圈绕组采用的是相邻通电导线电流方向相反方式进行绕组的缠绕。

进一步的，所述的反馈机构主要由行程开关回路组成，行程开关回路中的行程开关用于检测球形支座是否恢复原位。

利用上述装置进行控制的方法如下：

检测机构实时检测压力机的工作压力，检测机构在压力机工作压力的作用下因自身的压电效应会产生相应的电信号，该电信号输入到控制机构，控制机构与程序中预先设置的过载阈值进行比较，检测压力机是否处于过载状态，如果处于过载状态，控制机构会发出指令，对线圈绕组断电，让压力机停止工作；否则，压力机处于正常工作状态，完成下一个冲压任务；

当线圈绕组断电后，因电磁感应产生的强磁场消失，磁流变液在几乎是零磁场下变成流动的液体，磁质悬浮颗粒链层解体，层间传力消失，这时磁流变液的剪切应力与压力机的工程压力相比近似于零，连杆球头和球形支座在过载压力和机器惯性运动的作用下，磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的设计间隙进入到球形支座上半部分液体腔内，球形支座和连杆球头下移，压力机脱离出过载闷车状态；随着滑块的回程运动，此时球形支座和连杆球头在弹簧弹力的作用下恢复至原有高度；当球形支座恢复至原有高度后，触碰到反馈机构，此时反馈机构发出信号给控制机构，控制机构在接受到反馈信号后，给线圈绕组和压力机重新通电，把压力机滑块调整在上死点，压力机恢复正常工作状态，从而实现了对压力机的智能化过载保护。

进一步的，控制机构的扫描周期一般为1-100ms,每一个扫描周期内，PLC对转换成的数字信号进行扫描，每一次扫描完成后，控制机构内部的自检系统都会把预先设置的程序自动执行一遍，由于控制机构的扫描周期时间极短，避免了压力机长时间处于过载闷车状态，避免由此造成对压力机的损害。

本发明具体的工作原理如下：

机械执行部分中连杆球头与缸体之间设置有磁流变液，并且通过球形支座将磁流变液分成了上下两部分，即下部液体腔和上部液体腔，在球形支座上设置节流孔，节流孔为细牙螺纹孔，通过安装螺钉来改变节流孔的数目，从而控制了单位时间内磁流变液的流量，使压力机过载时的卸载时间得到调节，线圈绕组采用的是相邻通电导线电流方向相反方式进行绕组的缠绕，此时线圈绕组在通电的情况下根据安培右手定则，会产生垂直于缸体圆柱面的磁场，并确保线圈产生的磁场N极和S极相间排列，在电磁感应产生的强磁场作用下，磁流变液内的磁质悬浮颗粒被磁化，沿磁力线排列成链层结构，各链层之间存在着层间传力，此时磁流变液呈现出类固体状态，正是因为剪切作用下磁质颗粒链层层间传力的存在，使磁流变液剪切应力增强，此时磁流变液的剪切力大于压力机的工程力，从而保证了压力机正常工作，因为链层结构几乎处处垂直于缸体圆柱面，也避免了压力机的偏载问题，通过滑动变阻器调节电磁铁的电流大小，改变线圈绕组因电磁感应产生的磁场强度，进一步改变了磁质颗粒链层的紧密性，使链层的层间传力得到相应的改变，从而使磁流变液在剪切应力的作用下屈服强度得以改变，也就满足了不同吨位压力机的要求，根据磁流变液的特性，当磁流变液内部磁质悬浮颗粒达到饱和时，磁流变液的剪切屈服强度会有极限值，当达到极限值时，继续增大电流，磁流变液的屈服强度保持不变，因此磁流变液的屈服强度可以满足中小型的压力机需要。对于大型的多点压力机，可以采用多个这样的装置来进行保护。当曲柄压力机出现过载闷车情况时，力传感器把信号传递到控制器(PLC模拟模块)，控制器使线圈绕组断电，让压力机停止工作，在失去磁场束缚下磁质悬浮颗粒组成的链层解体消失，层间传力消失，磁流变液的流动性增强，在球形支座和连杆球头的压力下，下半部分磁流变液通过节流孔与设计间隙进入到上半部分磁流变液腔内，球形支座和连杆球头的高度会下降，从而避免了曲柄压力机因过载造成的闷车损伤，曲柄滑块机构脱离死区走出过载闷车状态后，球形支座带动着连杆球头会在弹簧和自重的作用下恢复至原有高度，此时行程开关发出信号，控制器会对线圈绕组进行通电，复位时把压力机滑块调整在上死点，曲柄压力机恢复正常工作状态，延长了压力机的使用寿命，提高了压力机的工作效率，整个过程实现自动化和智能化。当曲柄压力机正常停止工作时，滑块会停止在上死点，而限位端盖限制了球形支座的移动，从而确保了智能过载保护装置内部结构的稳定性，提高了曲柄压力机的加工精度。

反馈部分主要由行程开关回路组成，当压力机脱离出过载状态，球形支座和连杆球头在弹簧弹力和自重的作用下恢复至原有高度，压力机复位完成后，会使限位端盖上的行程开关发出信号，传递给PLC的控制模块，控制模块对压力机和线圈绕组重新通电，压力机恢复正常工作，从而实现了对压力机精准而高效的过载保护。

本发明的有益效果：

传统的压力机过载保护装置主要有两种：机械式和液压式，由于机械式压塌快材质本身成分和金相组织的差异以及加工误差，使得压塌快材料剪切强度(剪切强度往往是在一个范围的取值)和剪切面积不能精准确定；而液压式过载保护装置受到压力控制阀控制压力的限制，而压力控制阀的控制压力也要受到诸多因素的控制，如阀的动态性能、工作介质粘度、现场环境限制等，往往控制的压力也是一个范围。这些导致机械式过载保护装置和液压式过载保护装置性能不稳定，基本起不到精准的保护作用。本压力机智能过载保护装置克服了传统过载保护装置不足，将精准的压力传感器、计算机控制器与磁流变液性能相结合，实现精准测量，及时控制、迅速卸载、保护后又及时复位。

整个系统是一个智能系统，有测量环节、有执行环节和开关到位检测环节，而且通过调整磁场强度使该装置能适应不同吨位的压力机，对于大型多点压力机，可以使用多个保护装置，过载后很容易实现复位，不需要维修，使用成本低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为曲柄压力机智能过载保护装置的剖视图；

图2为曲柄压力机磁流变液流道剖视图的局部放大图；

图3为曲柄压力机压电传感器安装剖视图的局部放大图；

图4为线圈绕组的缠绕示意图(X表示线圈绕组电流垂直于纸面向里流动，·表示线圈绕组电流垂直于纸面向外流动)；

图5为曲柄压力机智能过载保护装置控制原理图。

图中：1.连杆球头、2.限位端盖、3.球形支座、4.缸体端盖、5.密封圈、6.磁流变液、7.节流孔、8.弹簧支座、9.线圈绕组、10.弹簧、11.压力传感器、12.粘结剂、13.调整垫板、14.缸体、15.行程开关、16.端盖、17.滑块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

本申请的一种典型的实施方式中，以下将结合附图1到图5对本专利实施进行较为详细的说明，如附图1所示，曲柄压力机的过载保护装置，包括连杆球头1、限位端盖2、球形支座3、缸体端盖4、密封圈5、磁流变液6、节流孔7、弹簧支座8、线圈绕组9、弹簧10、力传感器11、粘结剂12、调整垫板13、缸体14、行程开关15、端盖16和滑块17。

检测部分的力传感器11通过粘结剂12粘结在调整垫板13上，在缸体底部设有凹槽，在滑块下降时，力传感器11正好接触该凹槽底部，检测压力机的工作压力；力传感器11能精准的检测压力机工作状态下的压力，并通过自身的压电效应把压力信号转换成电信号，传送给控制部分的PLC模拟模块，PLC的模拟量输入模块通过A/D转换把采集的力传感器的电信号转换成数字信号，并把该数字信号与程序中预先设置的过载阈值进行比较，检测压力机是否处于过载状态。PLC的扫描周期一般为1-100ms,每一个扫描周期内，PLC对转换成的数字信号进行扫描，每一次扫描完成后，PLC内部的自检系统都会把预先设置的程序自动执行一遍。

所述的球形支座3上设置节流孔7，所述的连杆球头1安装在球形支座3上，并通过端盖16安装在滑块17上，从而在曲柄压力机的工作过程中使连杆球头1带动滑块17作直线运动。

磁流变液6设置在缸体14内，通过缸体端盖4和密封圈5密封在缸体14内，所述的线圈绕组9安装在缸体14内壁槽里，线圈绕组9在通电的情况下产生几乎垂直于缸体圆柱面的强磁场，并确保线圈产生的磁场N极和S极是相间排列，使磁流变液6内的磁质悬浮颗粒被磁化，沿磁力线方向排列成链层结构，此时磁流变液呈现出类固体状态，由于链层的层间传力的存在，使磁流变液的剪切应力增强，高于压力机的工程压力，从而对球形支座3起到足够的支撑作用，满足了压力机以工程压力工作的要求，调整垫板13安装在滑块17上，所述弹簧10一端设置在缸体14底部，另一端与安装在球形支座3上的弹簧支座8连接在一起，所述的反馈部分行程开关15安装在限位端盖2上，由行程开关15组成的反馈回路主要检测压力机的复位情况，当压力机复位完成后，会使限位端盖2上的行程开关15发出电信号，传递给PLC的控制模块，PLC控制模块在接收到反馈回路发出的反馈信号后，控制继电器对压力机和线圈绕组9重新通电，复位时把压力机滑块调整在上死点，曲柄压力机恢复正常工作。

图2为曲柄压力机磁流变液流道剖视图的局部放大图，当曲柄压力机出现过载的情况时，检测部分的力传感器11在压电效应下会产生电信号，并把该信号传递给控制部分的PLC模拟量输入模块，通过A/D转换成数字信号，PLC对转换成的数字信号与程序中预先设定的过载阈值进行比较，当超过过载阈值时，说明压力机处于过载状态，当PLC的逻辑控制模块检测到压力机过载后，此时PLC的逻辑控制模块使曲柄压力机断电停止工作，并且使线圈绕组9断电，线圈绕组9因电磁感应产生的磁场消失，磁流变液6失去强磁场的束缚，磁质悬浮颗粒链层解体，磁质悬浮颗粒层间传力消失，剪切应力与压力机的工程力相比近似于零，磁流变液变成流动的液体，在连杆球头1和球形支座3的过载压力和机器惯性运动的作用下，磁流变液6会通过球形支座3上的节流孔7和设计间隙从下部液体腔中进入上部液体腔中，球形支座3和连杆球头1的高度下降，曲柄滑块机构脱离死区走出过载状态，从而避免了曲柄压力机因过载闷车造成的损伤。

曲柄滑块机构脱离死区走出过载状态后，球形支座3在弹簧10的弹力和自重作用下恢复至原有高度，磁流变液6会通过球形支座3上的节流孔7和设计间隙从上部液体腔中进入下部液体腔中，球形支座3和连杆球头1复位后，反馈回路系统的行程开关15发出电信号，传递给PLC控制模块，对压力机和线圈绕组9恢复通电，磁流变液在线圈绕组9产生的强磁场的作用下内部的磁质悬浮颗粒被磁化，沿磁力线排列成链层结构，各链层之间存在着层间传力，此时磁流变液呈现出类固体状态，磁流变液剪切应力增强，并且该磁流变液的剪切力大于压力机的工程力，从而使曲柄压力机恢复正常工作，避免了由于压力机过载闷车造成的损伤，提高了曲柄压力机的工作效率，从而实现了压力机智能化的过载保护，当曲柄压力机正常停止工作时，滑块通常会被吊起，并停留在上死点位置，从而保证了曲柄压力机智能过载保护装置内部结构的稳定，提高了压力机的加工精度。

图3为曲柄压力机压电传感器安装剖视图的局部放大图，压电传感器11通过粘结剂12粘结在调整垫板13上，压电传感器的预应力是通过控制调整垫板13的厚度以及拧紧缸体14和滑块17之间的连接螺钉来实现的。

图4为线圈绕组的缠绕示意图，其中X表示线圈绕组电流垂直于纸面向里流动，·表示线圈绕组电流垂直于纸面向外流动，绕组中心的位置将缸体圆柱面等分为一个正多边形，保证该绕组产生的磁场几乎垂直于缸体圆柱面。在线圈绕组的前部还与滑线变阻器相连，实现线圈绕组内的电流大小可调，也就是保证该压力机智能过载保护装置所保护的过载压力可以调整，从而适应不同工程压力的压力机。

图5为曲柄压力机智能过载保护装置控制原理图，根据该图设计的PLC逻辑控制梯形图可以完成对该装置的控制，实现压力机智能过载保护。压力机在工作过程中发生过载时，检测部分的力传感器感知压力机的工作压力，PLC模拟模块检测到该压力后，通过A/D转换将该工作压力变成数字信号，PLC逻辑控制模块通过比较该压力与设定阈值，发出过载控制信号，让压力机停止工作，磁流变液的线圈绕组9断电，没有了磁场作用的磁流变液6由类固体状态变成了类液体状态，该液体磁流变液6在过载压力和机器惯性运动的作用下，连杆球头1和球形支座3整体相对于滑块17和缸体14发生相对运动，磁流变液6会通过球形支座3上的节流孔7和设计间隙进入上半部分液体腔中，球形支座3和连杆球头1的高度下降，曲柄滑块机构脱离死区走出过载状态，从而避免了曲柄压力机因过载闷车造成的损伤。曲柄滑块机构脱离死区走出过载状态后，球形支座3在弹簧10的弹力和自重作用下恢复至原有高度，球形支座3和连杆球头1复位后，反馈回路系统的行程开关15发出电信号，传递给PLC控制模块，对压力机和线圈绕组9恢复通电，磁流变液在线圈绕组9产生的强磁场的作用下内部的磁质悬浮颗粒被磁化，沿磁力线排列成链层结构，各链层之间存在着层间传力，此时磁流变液由类液体状态变成类固体状态，磁流变液剪切应力增强，此时磁流变液的剪切力大于压力机的工程力，复位时把压力机滑块调整在上死点，曲柄压力机恢复正常工作状态，曲柄压力机就可以继续正常工作了。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.压力机智能过载保护装置，其特征在于，包括：

机械执行机构，包括缸体、连杆球头、球形支座、弹性装置、线圈绕组和滑块；所述的缸体固定在滑块内，缸体内部设有一圈由控制机构控制的线圈绕组，且缸体内部盛装磁流变液，所述连杆球头安装在球形支座上，连杆球头顶部穿过缸体并与端盖连接，所述的连接件与所述滑块连接，所述的球形支座安装在所述的缸体内将磁流变液分成了上下两个液体腔；所述球形支座与缸体内壁有间隙；球形支座底部与缸体底部之间竖直安装有一个用于球形支座复位的弹性装置；

检测机构，其设置在所述缸体的底部，用于检测压力机工作状态下的压力，并传送给控制机构；

反馈机构，其检测所述的球形支座是否恢复原位，并将信号反馈给所述的控制机构；

控制机构，其根据检测机构和反馈机构的信号控制所述的线圈绕组得电或者断电。

2.如权利要求1所述的压力机智能过载保护装置，其特征在于，所述的检测机构包括压力传感器，压力传感器通过粘结剂粘结在调整垫板上，在缸体底部设有凹槽，在滑块下滑时，力传感器正好接触该凹槽底部，检测压力机的工作压力；当压力机出现过载闷车时，压力传感器在压电效应下会产生电信号，并将该信号传送到控制机构。

3.如权利要求1所述的压力机智能过载保护装置，其特征在于，所述的反馈机构主要由行程开关回路组成，行程开关回路中的行程开关用于检测球形支座是否恢复原位。

4.如权利要求1所述的压力机智能过载保护装置，其特征在于，所述控制机构主要由PLC模拟模块和PLC控制模块组成，在接受到检测机构的超载电信号后，PLC控制模块会对线圈绕组断电，让压力机停止工作；当接收到反馈机构的反馈信号时，控制模块会对线圈绕组通电，让压力机开始工作。

5.如权利要求1所述的压力机智能过载保护装置，其特征在于，在所述的球形支座上设有多个用于连通上下两个液体腔的节流孔。

6.如权利要求5所述的压力机智能过载保护装置，其特征在于，所述节流孔为细牙螺纹孔，通过安装螺钉来改变节流孔的数目，从而控制了单位时间内磁流变液的流量，使压力机过载时的卸载时间得到调节。

7.如权利要求1所述的压力机智能过载保护装置，其特征在于，所述线圈绕组采用的是相邻通电导线电流方向相反方式进行绕组的缠绕。

8.利用权利要求1-7任一所述的压力机智能过载保护装置进行控制的方法，其特征在于，如下：

检测机构实时检测压力机的工作压力，检测机构在压力机工作压力的作用下因自身的压电效应会产生相应的电信号，该电信号输入到控制机构，控制机构与程序中预先设置的过载阈值进行比较，检测压力机是否处于过载状态，如果处于过载状态，控制机构会发出指令，对线圈绕组断电，让压力机停止工作；否则，压力机处于正常工作状态，完成下一个冲压任务；

当线圈绕组断电后，因电磁感应产生的强磁场消失，磁流变液在几乎是零磁场下变成流动的液体，磁质悬浮颗粒链层解体，层间传力消失，这时磁流变液的剪切应力与压力机的工程压力相比近似于零，连杆球头和球形支座在过载压力和机器惯性运动的作用下，磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的设计间隙进入到球形支座上半部分液体腔内，球形支座和连杆球头下移，压力机脱离出过载闷车状态；随着滑块的回程运动，此时球形支座和连杆球头在弹簧弹力的作用下恢复至原有高度；当球形支座恢复至原有高度后，触碰到反馈机构，此时反馈机构发出信号给控制机构，控制机构在接受到反馈信号后，给线圈绕组和压力机重新通电，把压力机滑块调整在上死点，压力机恢复正常工作状态，从而实现了对压力机的智能化过载保护。

9.如权利要求8所述的压力机智能过载保护装置进行控制的方法，其特征在于，如下：

控制机构的扫描周期为1-100ms,每一个扫描周期内，控制机构对转换成的数字信号进行扫描，每一次扫描完成后，控制机构内部的自检系统都会把预先设置的程序自动执行一遍，由于控制机构的扫描周期时间极短，避免了压力机长时间处于过载闷车状态，避免由此造成对压力机的损害。