CN114801302A - 一种内置变形补偿模块的智能压力机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内置变形补偿模块的智能压力机，属于压力机领域，其包括压力机主体、变形补偿模块和控制模块，其中压力机主体用于对待成形样品进行成形处理；变形补偿模块中激光发射器与光纤传感器连接用于向其发射脉冲信号，光纤传感器布置在压力机主体的预紧拉杆上并产生反射光信号，光信号处理器用于处理反射光信号以测得预紧拉杆的应变信息；控制模块用于根据应变信息获得压力机主体中上滑块的实际下压量，进而对机身变形进行补偿。本发明通过获得上滑块的实际下压量以对机身变形进行补偿，能够有效解决现有液压机在工作过程中受力和冲击载荷使得机身变形、预紧拉杆预紧力变化导致滑块行程测量精度不足的问题。

Description

一种内置变形补偿模块的智能压力机

技术领域

本发明属于压力机领域，更具体地，涉及一种内置变形补偿模块的智能压力机。

背景技术

传统框架式结构压力机的送料系统以及行程控制需要与主机控制系统连用，通常是采用滑块的行程数值来作为输入信号并通过电气系统调控行程，从而完成一个伺服驱动动作。但是目前大多数框架式结构压力机在工作过程中受到成形的反作用力，机身会产生水平与纵向变形、角变形以及扭转变形，使得滑块在工作过程中的行程测量精度受到很大影响。并且压力机身在长期工作中会受到多重冲击载荷，使立柱部位的预紧螺栓松动，立柱内部预紧拉杆所受的预紧力发生变化，产生一定程度的应变，对测量滑块行程的光栅尺精度造成影响，进一步影响了滑块行程的测量，使得压力机的工作精度下降，零件成形质量越来越差，甚至还会造成滑块过冲，损坏压力机，产生安全隐患。因此，实时监测压力机机身各部件的应变，提高滑块行程测量精度，对提升压力机成形质量，消除压力机长期工作后产生的安全隐患至关重要。

现有技术中，CN106705824A公开了一种大型多工位压力机滑块行程测量装置，该装置虽然能减少工作中压力机机身变形对滑块行程测量的影响，但压力机在长期工作过程中，预紧螺栓的松动会导致压力机预紧力变化，压力机及整个装置会产生应变，并且这种应变不易测量，后续校正过程复杂困难。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种内置变形补偿模块的智能压力机，旨在解决现有的压力机无法对机身变形进行实时监控和补偿的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种内置变形补偿模块的智能压力机，该智能压力机包括压力机主体、变形补偿模块和控制模块，其中所述压力机主体用于对待成形样品进行成形处理；所述变形补偿模块包括激光发射器、光纤传感器和光信号处理器，所述激光发射器与光纤传感器连接用于向其发射脉冲信号，所述光纤传感器布置在所述压力机主体的预紧拉杆上并产生反射光信号，所述光信号处理器用于处理所述反射光信号以测得所述预紧拉杆的应变信息；所述控制模块用于根据所述应变信息获得所述压力机主体中上滑块的实际下压量，以调整所述上滑块的下压行程，进而对机身变形进行补偿。

作为进一步优选的，所述压力机主体包括立柱、预紧拉杆以及从下向上依次设置的工作台、上滑块、上横梁和主轴，所述立柱和预紧拉杆固定在工作台和上横梁的左右两侧，所述立柱用于为上滑块上下移动提供导向，所述预紧拉杆用于预紧工作台、上滑块和上横梁，以减少机身振动；所述工作台用于放置待成形样品；所述上滑块在所述主轴的带动下上下移动，以对待成形样品进行成形处理；所述上横梁用于固定所述主轴。

作为进一步优选的，所述控制模块包括行程控制器和智能电气控制器，所述行程控制器与主轴连接，用于通过主轴控制上滑块上下移动；所述智能电气控制器与光信号处理器和行程控制器连接，用于获取所述光信号处理器的应变信息并反馈给行程控制器，以调整所述上滑块的下压行程。

作为进一步优选的，所述预紧拉杆的应变信息包括横向应变ε_x和纵向应变ε_y，利用下式计算：

式中，Δλ_i为任意一个谷值点的波长变化量，λ_m为共振波长，

是干涉模式之间的有效折射率差，θ为光纤传感器在预紧拉杆上的缠绕方向与水平方向夹角，Δn_eff为光纤传感器中纤芯与包层材料的有效折射率差；

利用所述横向应变ε_x和纵向应变ε_y判断预紧拉杆的预紧力是否正常，利用所述纵向应变ε_y获得所述上滑块的实际下压量。

作为进一步优选的，利用下式根据应变信息调整所述压力机主体中上滑块的实际下压量：

x_r＝x_m-(L-l₁)·(ε_y-1)

式中，x_r为上滑块的实际下压量，x_m为光栅尺实际测量位移，L为正常预紧力作用下立柱的初始长度，l₁为初始状态下光栅尺尺身上端与立柱顶端的距离。

作为进一步优选的，所述光纤传感器以缠绕的方式紧固在预紧拉杆上。

作为进一步优选的，所述光纤传感器还布置在上横梁、上滑块和工作台上并产生反射光信号，所述光信号处理器还用于处理该反射光信号以记录所述上横梁、上滑块和工作台的应变信息。

作为进一步优选的，所述光纤传感器以平铺排布的方式紧固在上横梁、上滑块和工作台上。

作为进一步优选的，所述控制模块还用于根据所述上横梁、上滑块和工作台的应变信息绘制实时应变云图。

作为进一步优选的，利用下式计算所述上横梁、上滑块和工作台的应变信息ε：

式中，Δλ_i为任意一个谷值点的波长变化量，λ_m为共振波长，

是干涉模式之间的有效折射率差，Δn_eff为光纤传感器中纤芯与包层材料的有效折射率差。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过在预紧拉杆上布置光纤传感器以产生反射光信号，并利用光信号处理器根据其获得预紧拉杆的应变信息，进而获得上滑块的实际下压量以对机身变形进行补偿，能够有效解决现有液压机在工作过程中受力和冲击载荷使得机身变形、预紧拉杆预紧力变化导致滑块行程测量精度不足的问题；

2.尤其是，本发明通过对预紧拉杆的应变信息计算方法进行优化，并将应变信息分解为横向应变和纵向应变，利用横向应变和纵向应变判断预紧拉杆的预紧力是否正常，利用纵向应变调整上滑块的下压量，从而更精确地反应压力机的应变情况；

3.同时，本发明还提出在上横梁、上滑块和工作台上布置光纤传感器，以获得压力机主体各部件的应变信息，能够实时观察压力机机身应变状态，进而保证压力机安全工作并及时消除安全隐患。

附图说明

图1是本发明实施例提供的内置变形补偿模块的智能压力机的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的内置变形补偿模块的智能压力机中光栅尺测量结构示意图；

图3是本发明实施例提供的内置变形补偿模块的智能压力机的变形补偿原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光发射器，2-光纤传感器，3-压力机主体，4-主轴，5-上横梁，6-上滑块，7-立柱，8-预紧拉杆，9-工作台，10-光信号处理器，11-行程控制器，12-智能电气控制器，13-光栅尺尺身，14-光栅尺探头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种内置变形补偿模块的智能压力机，该智能压力机包括压力机主体3、变形补偿模块和控制模块，其中压力机主体3用于对待成形样品进行成形处理，其包括立柱7、预紧拉杆8以及从下向上依次设置的工作台9、上滑块6、上横梁5和主轴4，立柱7和预紧拉杆8固定在工作台9和上横梁5的左右两侧，立柱7用于为上滑块6上下移动提供导向，预紧拉杆8用于预紧工作台9、上滑块6和上横梁，以减少机身振动；工作台9用于放置待成形样品；上滑块6在主轴4的带动下上下移动，以对待成形样品进行成形处理；上横梁5用于固定主轴4；

变形补偿模块包括激光发射器1、光纤传感器2和光信号处理器10，激光发射器1与光纤传感器2连接用于向其发射脉冲信号，光纤传感器2布置在预紧拉杆8上并产生反射光信号，光纤传感器2内部的光栅距离随预紧拉杆8的形变而发生变化，从而使反射的光信号中心波长发生变化，光信号处理器10用于处理反射光信号，根据光信号中心波长变化以测得预紧拉杆8的应变信息；

控制模块包括行程控制器11和智能电气控制器12，行程控制器11与主轴4连接，用于通过主轴4控制上滑块6上下移动；智能电气控制器12与光信号处理器10和行程控制器11连接，用于获取光信号处理器10的应变信息并反馈给行程控制器11，以获得上滑块6的实际下压量，并根据其实时调整上滑块6的下压行程，包括下压速度、下压位移等，进而对机身变形进行补偿，便于对智能压力机进行控制。

进一步，预紧拉杆8的应变信息包括横向应变ε_x和纵向应变ε_y，利用下式计算：

式中，Δλ_i为任意一个谷值点的波长变化量，i取1～n，n为谷值点的总数量，λ_m为共振波长，

是干涉模式之间的有效折射率差，θ为光纤传感器在预紧拉杆上的缠绕方向与水平方向夹角，Δn_eff为光纤传感器中纤芯与包层材料的有效折射率差；

智能电气控制器12根据收集到的横向应变ε_x和纵向应变ε_y与安全阈值进行比较，以判断预紧拉杆8的预紧力是否正常，当其超出安全阈值时，智能电气控制器12提示需要重新校准预紧力，操作人员可根据实时的应变信息调整预紧力使预紧拉杆8处在安全应变范围内，以防止预紧力不足或过大；同时，根据纵向应变ε_y获得压力机主体3中上滑块6的实际下压量。

如图2、3所示，本发明采用的光栅尺测量精度补偿原理为：压力机主体3工作时受到成形的反作用力，机身各处发生变形，其中预紧拉杆8产生的变形为纵向应变ε_y，同时与预紧拉杆紧密连接的立柱7会产生伸长量ΔL，

ΔL＝L·(ε_y-1) (3)

由于光栅尺尺身13上端紧密连接在距立柱顶端l₁处，因此该伸长量ΔL会使光栅尺尺身13向上产生长度为Δx的虚位移，这部分位移会导致安装在上滑块6上的光栅尺探头14和光栅尺尺身13产生Δx的相对位移，但实际上滑块6并没有向下运动这一段距离，而由于光栅尺测距原理，这虚位移Δx会被系统记录，

Δx＝l₁+ΔL-ε_yl₁ (4)

代入式(3)，即可获得虚位移Δx：

Δx＝(L-l₁)·(ε_y-1) (5)

因此智能电气控制器12需要根据测得的变形量ε_y计算光栅尺尺身13的虚位移，并用光栅尺实际测量位移x_m减去Δx以补偿光栅尺13测量精度，进而获得上滑块6的实际下压量x_r，

x_r＝x_m-Δx (6)

将式(6)代入式(5)，即可获得实际下压量x_r，

x_r＝x_m-(L-l₁)·(ε_y-1) (7)

式中，L为正常预紧力作用下立柱的初始长度，l₁为初始状态下光栅尺尺身13上端与立柱7顶端的距离；

智能电气控制系统12利用式(7)获得上滑块6的实际下压量，进而调整上滑块6的下压行程，以对机身变形进行补偿。

进一步，光纤传感器2还布置在上横梁5、上滑块6和工作台9上并产生反射光信号，并通过光信号处理器10还处理该反射光信号以记录上横梁5、上滑块6和工作台9的应变信息，利用下式计算上横梁5、上滑块6和工作台9的应变信息ε：

式中，Δλ_i为任意一个谷值点的波长变化量，λ_m为共振波长，

是干涉模式之间的有效折射率差，Δn_eff为光纤传感器中纤芯与包层材料的有效折射率差。

根据上横梁5、上滑块6和工作台9的应变信息绘制压力机应变云图，并用不同的颜色标记不同程度的应变，让操作人员能及时发现发生异常应变信息的部件并及时调整智能压力机状态，保证安全生产。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，该智能压力机包括压力机主体(3)、变形补偿模块和控制模块，其中所述压力机主体(3)用于对待成形样品进行成形处理；所述变形补偿模块包括激光发射器(1)、光纤传感器(2)和光信号处理器(10)，所述激光发射器(1)与光纤传感器(2)连接用于向其发射脉冲信号，所述光纤传感器(2)布置在所述压力机主体(3)的预紧拉杆(8)上并产生反射光信号，所述光信号处理器(10)用于处理所述反射光信号以测得所述预紧拉杆(8)的应变信息；所述控制模块用于根据所述应变信息获得所述压力机主体(3)中上滑块(6)的实际下压量，以调整所述上滑块(6)的下压行程，从而对机身变形进行补偿。

2.如权利要求1所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述压力机主体(3)包括立柱(7)、预紧拉杆(8)以及从下向上依次设置的工作台(9)、上滑块(6)、上横梁(5)和主轴(4)，所述立柱(7)和预紧拉杆(8)固定在工作台(9)和上横梁(5)的左右两侧，所述立柱(7)用于为上滑块(6)上下移动提供导向，所述预紧拉杆(8)用于预紧工作台(9)、上滑块(6)和上横梁(5)，以减少机身振动；所述工作台(9)用于放置待成形样品；所述上滑块(6)在所述主轴(4)的带动下上下移动，以对待成形样品进行成形处理；所述上横梁(5)用于固定所述主轴(4)。

3.如权利要求1所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述控制模块包括行程控制器(11)和智能电气控制器(12)，所述行程控制器(11)与主轴(4)连接，用于通过主轴(4)控制上滑块(6)上下移动；所述智能电气控制器(12)与光信号处理器(10)和行程控制器(11)连接，用于获取所述光信号处理器(10)的应变信息并反馈给行程控制器(11)，以调整所述上滑块(6)的下压行程。

4.如权利要求1所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述预紧拉杆(8)的应变信息包括横向应变ε_x和纵向应变ε_y，利用下式计算：

式中，Δλ_i为任意一个谷值点的波长变化量，λ_m为共振波长，

是干涉模式之间的有效折射率差，θ为光纤传感器在预紧拉杆上的缠绕方向与水平方向夹角，Δn_eff为光纤传感器中纤芯与包层材料的有效折射率差；

其中，利用所述横向应变ε_x和纵向应变ε_y判断预紧拉杆(8)的预紧力是否正常，利用所述纵向应变ε_y获得所述上滑块(6)的实际下压量。

5.如权利要求1所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，利用下式根据应变信息调整所述压力机主体(3)中上滑块(6)的实际下压量：

x_r＝x_m-(L-l₁)·(ε_y-1)

式中，x_r为上滑块的实际下压量，x_m为光栅尺实际测量位移，L为正常预紧力作用下立柱的初始长度，l₁为初始状态下光栅尺尺身上端与立柱顶端的距离。

6.如权利要求1～5任一项所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述光纤传感器(2)以缠绕的方式紧固在预紧拉杆(8)上。

7.如权利要求1～5任一项所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述光纤传感器(2)还布置在上横梁(5)、上滑块(6)和工作台(9)上并产生反射光信号，所述光信号处理器(10)还用于处理该反射光信号以记录所述上横梁(5)、上滑块(6)和工作台(9)的应变信息。

8.如权利要求7所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述光纤传感器(2)以平铺排布的方式紧固在上横梁(5)、上滑块(6)和工作台(9)上。

9.如权利要求7所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，所述控制模块还用于根据所述上横梁(5)、上滑块(6)和工作台的应变信息绘制实时应变云图。

10.如权利要求7所述的内置变形补偿模块的智能压力机，其特征在于，利用下式计算所述上横梁(5)、上滑块(6)和工作台(9)的应变信息ε：

式中，Δλ_i为任意一个谷值点的波长变化量，λ_m为共振波长，

是干涉模式之间的有效折射率差，Δn_eff为光纤传感器中纤芯与包层材料的有效折射率差。

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