CN110757878A - 一种伺服压力机的压力故障检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力机检测技术领域，具体涉及到一种伺服压力机的压力故障检测系统及方法。本发明以压力机压力和电机扭矩作为压力故障检测指标，得到压力机压力值和电机扭矩值的阈值范围，通过压力传感器测量的压力机检测值和伺服驱动器的输出扭矩值与之比较，实现了实时故障检测和实时故障报警。

Description

一种伺服压力机的压力故障检测系统及方法

技术领域

本发明属于压力机检测技术领域，具体涉及到一种伺服压力机的压力故障检测系统及方法。

背景技术

现阶段，在伺服压力机的行业领域内，压力故障主要是通过安装在伺服压力机四个侧柱上的压力传感器反馈值进行检测。检测原理如下：在控制模式为位置控制时，压力机滑块下行过程中，会在压力机的四个侧柱上产生形变，固定在侧柱上的压力传感器也会发生不同程度的形变。压力传感器检测应变片变形产生对应的压力值信号，通过信号检测电路传输到控制系统中。整个压力机在成形过程中，下死点位置时压力最大，绝大多数的压力传感器选型都是根据压力机的标称吨位选择，所以只有在下死点位置，压力传感器测量值超过阈值后，控制系统才会产生压力故障报警信号，认为此时压力机出现压力故障。除下死点其他位置外，压力故障只要不超出下死点的最大压力，就不会报警。专利CN107272646A公开了基于专家系统的压力机故障诊断系统，提出了整机的故障诊断系统，但必须有相应的对应故障，才能进行诊断压力机何种故障问题。上述现有的两种方法缺点为只能在下死点检测最大压力超出压力机标称的故障，但不能在其他行程范围内检测非正常压力状态。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种伺服压力机的压力故障检测系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种伺服压力机的压力故障检测系统，包括伺服压力机，伺服驱动器与伺服压力机的整机控制系统连接，伺服驱动器通过电缆与伺服电机连接，伺服电机通过刚性结构连接丝杆机构和连杆机构，连杆机构带动滑块进行上下运动；在伺服压力机四个侧柱上均安装有压力传感器，压力传感器与压力检测控制系统连接，并通过压力检测控制系统将电信号传递给整机控制系统。

优选的，所述压力传感器为应变片压力传感器。

基于伺服压力机的压力故障检测系统，一种伺服压力机的压力故障检测方法，适用场合为伺服压力机的控制模式为位置控制模式，包括以下步骤：

步骤一：通过三维设计软件和动力学仿真软件，结合成形工艺要求和工件材质，得出理想条件下整个成形过程中的滑块各个位置对应的滑块速度和压力机压力F_load；将滑块位置与滑块速度和压力机压力的对应关系导入到整机控制系统中，由整机控制系统得出理想条件下成形过程中滑块各个位置时伺服电机对应的电机速度和电机扭矩T；F_load和T作为压力故障检测指标；

步骤二：在整机控制系统中将步骤一的滑块位置与电机扭矩的关系、滑块位置与压力机压力的关系进行离散化，得到滑块位置与电机扭矩的二维参数表格和滑块位置与压力机压力的二维参数表格，然后在对应的二维参数表格的电机扭矩值和压力机压力值上下加减a％，作为电机扭矩值和压力机压力值的阈值范围；

步骤三：压力传感器实时将测量的压力机检测值F_feedback反馈给压力检测控制系统，压力检测控制系统将电信号传递给整机控制系统，伺服驱动器实时将伺服电机的输出扭矩值T^*传递给整机控制系统，在伺服压力机的滑块下行过程中，整机控制系统实时地对滑块位置全行程范围内的各点进行故障检测，检测的评价标准：(1-a％)F_load≤F_feedback≤(1+a％)F_load，和(1-a％)T≤T^*≤(1+a％)T，同时满足上述条件，则认为无压力故障；当伺服压力机的压力机检测值F_feedback或输出扭矩值T^*任意一个不在阈值范围内，则认为压力故障，此时整机控制系统进行压力故障报警。

作为优选方案：

所述步骤二中，针对滑块全行程范围内每隔一定距离取滑块位置，然后针对所取的滑块位置，将滑块位置与电机扭矩的关系、滑块位置与压力机压力的关系进行离散化，得到滑块位置与电机扭矩的二维参数表格和滑块位置与压力机压力的二维参数表格，在对应的二维参数表格里对电机扭矩值和压力机压力上下加减a％，作为电机扭矩值和压力机压力值的阈值范围；所述步骤三中，在伺服压力机的滑块下行过程中，整机控制系统实时进行故障检测时，整机控制系统对滑块位置在上述间隔距离内的所有滑块位移点根据线性插值算法求得对应的F_load和电机扭矩值T，并作出针对间隔范围点内的阈值范围，然后进行故障检测。

所述步骤二中，每隔1mm取滑块位置。

所述步骤二中，a％为10％。

本发明的有益效果：

一、可实现在压力机滑块运行行程全范围内，对压力机的压力实时检测；

二、可实现成形工艺过程中非正常压力即报警的模式。

附图说明

图1为本发明系统结构框架图。

图2为本发明伺服压力机滑块行程与丝杆位置对应关系图。

图中，1整机控制系统，2伺服驱动器，3伺服电机，4压力传感器，5压力检测控制系统。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

本发明伺服压力机的压力故障检测系统包括伺服压力机，伺服驱动器2与伺服压力机的整机控制系统1连接，伺服驱动器2从电网中获取动力电，通过电缆与伺服电机3连接，驱动伺服电机3旋转，伺服电机3通过刚性结构如联轴器连接丝杆机构和连杆机构，丝杆机构可将伺服电机3的轴向旋转转变为直线运动，并通过连杆机构的放大作用带动滑块进行上下运动。所述滑块运行的轨道安装在伺服压力机四个侧柱上，四个侧柱上均安装有压力传感器4，本实施例中压力传感器4为应变片压力传感器。四个应变片压力传感器与压力检测控制系统5连接，并通过压力检测控制系统5将物理形变信号转变为电信号，通过通讯协议传递给伺服压力机的整机控制系统1。上述伺服驱动器2与伺服压力机的整机控制系统1之间也是通过通讯协议进行传输。

基于上述的伺服压力机的压力故障检测系统，一种伺服压力机的压力故障检测方法，适用场合为伺服压力机的控制模式为位置控制模式，包括以下步骤：

步骤一：建立压力故障检测指标

压力故障检测指标包括理想条件下的伺服电机扭矩指标和压力机压力指标，其指标通过以下步骤得出：

步骤11：在工件成形设计阶段，通过三维设计软件和动力学仿真软件，结合成形工艺要求和工件材质，可得出理想条件下整个成形过程中的滑块各个位置对应的滑块速度和压力机压力，压力机压力即滑块施加给工件的力，压力机压力这里用F_load表示。

步骤12：将上述得到的理想条件下的滑块位置与滑块速度和压力机压力的对应关系导入到伺服压力机的整机控制系统1中，再根据伺服压力机的滑块行程与丝杆位置的对应关系、滑块位置和滑块所受力与电机扭矩的放大关系、丝杆位置与伺服电机位置的线性正比关系，整机控制系统1可得出理想条件下成形过程中滑块各个位置时伺服电机3对应的电机速度和电机扭矩，这里的电机扭矩值记为T，将此电机扭矩值T作为压力故障检测指标之一。

上述滑块行程和丝杆位置的对应关系，如附图2所示，横坐标表示丝杆位置，纵坐标表示滑块行程。滑块行程和丝杆位置两者关系可以通过伺服压力机本身的连杆结构和丝杆位置然后通过现有数学公式推导计算得到，或者利用机械动力学仿真软件也可得到两者的对应关系，对于这些公知常识，这里本发明不再详细叙述。此对应关系一般在伺服压力机的整机控制系统1内存中存在。

利用力学的基本定理，可以得到理想条件下压力机压力F_load(滑块施加给工件的力)，F_load作为另一个压力故障检测指标。力学的基本定理如：

Acc_glde＝dSpeed_slide/dt (1)

Speed_slide＝dPos_slide/dt (2)

F-F_ioad＝m_slideAcc_3lide (3)

上述，由于工艺曲线中的滑块位置pos_slide、滑块加速度Acc_slide、滑块速度speed_slide都已知，并有F_load＝k(Pos_slide)，压力机压力F_load与滑块位置的函数关系。由此可得出理想条件下滑块各个位置所受的压力，即滑块所受力F。

上述滑块位置和滑块所受力与电机扭矩的放大关系由伺服压力机本身设计决定，三者呈一定的已知函数关系：F＝g(T，Pos_slide)，pos_slide为滑块位置，由此又可以得到滑块位置与电机扭矩的对应关系。丝杆位置与伺服电机位置的线性正比关系也为已知，一般比例系数是减速箱的减速比。滑块位置和滑块所受力与电机扭矩的放大关系、丝杆位置与伺服电机位置关系均在整机控制系统1内存储。

由上述一系列关系，整机控制系统1可以得出滑块位置与电机速度和电机扭矩的对应关系，由此得到理想条件下，滑块位置对应的伺服电机3的电机扭矩值T。

步骤二：设定压力故障检测指标阈值范围

在整机控制系统1中将步骤一的滑块位置与电机扭矩的关系、滑块位置与压力机压力的关系进行离散化，得到滑块位置与电机扭矩的二维参数表格和滑块位置与压力机压力的二维参数表格。在对应的二维参数表格的电机扭矩值和压力机压力值上下加减10％，作为限定的滞环范围，即阈值范围，T*和F_feedback分别在90％T-110％T和90％F_load-110％F_load之间都为正常值。在伺服压力机的实际运行过程中，由于模具的设计和压力机的机体设计与实际有区别，及控制系统的执行机构最终的执行误差，导致滑块和伺服电机3的表现出来不会与设计之初完全一致，有一定的误差，所以增加此10％的滞环范围，以作为实际造成的误差范围。

步骤三：故障检测

在伺服压力机的滑块下行过程中，应变片压力传感器实时将测量的压力机检测值F_feedback反馈给压力检测控制系统5，压力检测控制系统5将物理形变信号转变为电信号传递给整机控制系统1。同时，伺服驱动器2实时的将伺服电机3的输出扭矩值传递给整机控制系统1，伺服驱动器2反馈的输出扭矩值记为T^*。

在伺服压力机的滑块下行过程中，整机控制系统1实时地对滑块位置全行程范围内的各点进行故障检测，检测的评价标准为压力机检测值F_feedback和输出扭矩值T^*要同时在步骤二设定的阈值范围内，即90％F_load≤F_feedback≤110％F_load，同时90％T≤T^*≤110T，满足上述条件，则认为无压力故障。当伺服压力机的压力机检测值F_feedback或输出扭矩值T^*任意一个不在阈值范围内，则认为压力故障，此时整机控制系统1进行压力故障报警。

上述步骤二中，由于整机控制系统1的内存空间有限，优选的，针对滑块全行程范围内每隔一定距离取滑块位置，本实施例针对滑块全行程范围内每隔1mm取滑块位置，然后针对所取的滑块位置，将滑块位置与电机扭矩的关系、滑块位置与压力机压力的关系进行离散化，得到滑块位置与电机扭矩的二维参数表格和滑块位置与压力机压力的二维参数表格。同样，在对应的二维参数表格里对电机扭矩值和压力机压力限定10％的滞环范围，即阈值范围。然后，步骤三中，在伺服压力机的滑块下行过程中，整机控制系统1实时进行故障检测时，整机控制系统1对滑块位置pos_slide在上述间隔范围1mm内的所有滑块位移点，根据线性插值算法求得对应的F_load和电机扭矩值T，并作出针对间隔范围点内的滞环范围，然后进行故障检测，检测的评价标准同上述。上述线性插值算法计算在实时检测过程中进行，无需存储在整机控制系统1内，因此可大大节省整机控制系统1的内存。

本发明可实现在压力机滑块运行行程全范围内对压力机压力实时检测，可实现成形工艺过程中非正常压力即报警的模式，包括了对模具内的异物、传动部件中的卡顿及压力机工件数量异常状态等都可进行报警检测，可大幅度提升压力机安全可靠运行。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种伺服压力机的压力故障检测系统，包括伺服压力机，伺服驱动器与伺服压力机的整机控制系统连接，伺服驱动器通过电缆与伺服电机连接，伺服电机通过刚性结构连接丝杆机构和连杆机构，连杆机构带动滑块进行上下运动；在伺服压力机四个侧柱上均安装有压力传感器，压力传感器与压力检测控制系统连接，并通过压力检测控制系统将电信号传递给整机控制系统。

2.根据权利要求1所述的伺服压力机的压力故障检测系统，其特征在于：所述压力传感器为应变片压力传感器。

3.根据权利要求1或2所述的伺服压力机的压力故障检测系统，一种伺服压力机的压力故障检测方法，适用场合为伺服压力机的控制模式为位置控制模式，包括以下步骤：

步骤一：通过三维设计软件和动力学仿真软件，结合成形工艺要求和工件材质，得出理想条件下整个成形过程中的滑块各个位置对应的滑块速度和压力机压力

；将滑块位置与滑块速度和压力机压力的对应关系导入到整机控制系统中，由整机控制系统得出理想条件下成形过程中滑块各个位置时伺服电机对应的电机速度和电机扭矩T；

和T作为压力故障检测指标；

步骤二：在整机控制系统中将步骤一的滑块位置与电机扭矩的关系、滑块位置与压力机压力的关系进行离散化，得到滑块位置与电机扭矩的二维参数表格和滑块位置与压力机压力的二维参数表格，然后在对应的二维参数表格的电机扭矩值和压力机压力值上下加减

%，作为电机扭矩值和压力机压力值的阈值范围；

步骤三：压力传感器实时将测量的压力机检测值

反馈给压力检测控制系统，压力检测控制系统将电信号传递给整机控制系统，伺服驱动器实时将伺服电机的输出扭矩值T^*传递给整机控制系统，在伺服压力机的滑块下行过程中，整机控制系统实时地对滑块位置全行程范围内的各点进行故障检测，检测的评价标准：

，

，同时满足上述两个条件，则认为无压力故障；当伺服压力机的压力机检测值或输出扭矩值T^*任意一个不在阈值范围内，则认为压力故障，此时整机控制系统进行压力故障报警。

4.根据权利要求3所述的伺服压力机的压力故障检测方法，其特征在于：所述步骤二中，针对滑块全行程范围内每隔一定距离取滑块位置，然后针对所取的滑块位置，将滑块位置与电机扭矩的关系、滑块位置与压力机压力的关系进行离散化，得到滑块位置与电机扭矩的二维参数表格和滑块位置与压力机压力的二维参数表格，在对应的二维参数表格里对电机扭矩值和压力机压力上下加减

%，作为电机扭矩值和压力机压力值的阈值范围；所述步骤三中，在伺服压力机的滑块下行过程中，整机控制系统实时进行故障检测时，整机控制系统对滑块位置在上述间隔距离内的所有滑块位移点根据线性插值算法求得对应的

和电机扭矩值T，并作出针对间隔范围点内的阈值范围，然后进行故障检测。

5.根据权利要求4所述的伺服压力机的压力故障检测方法，其特征在于：所述步骤二中，每隔1mm取滑块位置。

6.根据权利要求3或4所述的伺服压力机的压力故障检测方法，其特征在于：所述步骤二中，%为10%。

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