專利名稱：一種測量塑性變形載荷的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量塑性變形載荷的方法及系統(tǒng)。
技術(shù)背景
塑性變形是個復(fù)雜的動態(tài)過程，設(shè)備驅(qū)動模具運(yùn)動導(dǎo)致材料(板料或者金屬塊)的塑性變形，同時模具和設(shè)備以及工件也會產(chǎn)生一定量的彈性變形。塑性變形載荷即塑性變形力過大，則設(shè)備產(chǎn)生的彈性變形過大，在成形工件質(zhì)量下降和模具壽命降低，甚至可能超過設(shè)備允許的變形極值，即設(shè)備超載，嚴(yán)重時影響設(shè)備壽命或損壞。在一些要求比較高的設(shè)備的都安裝有噸位顯示計(jì)，如電動螺旋壓力機(jī)，全自動多工位冷鐓機(jī)，覆蓋件調(diào)試壓力機(jī)， 伺服壓力機(jī)等。這些設(shè)備比較普遍的方法是采用應(yīng)變測量的方法獲取機(jī)架上某個位置的應(yīng)變值，或者測量液壓系統(tǒng)中壓力的方法計(jì)算載荷值，如中國專利01810063. 5(在線監(jiān)控沖壓過程的方法及系統(tǒng))于2003年7月6日公開了一種通過應(yīng)變傳感器測量沖壓力在開式壓力機(jī)沖壓監(jiān)控中的應(yīng)用方法和系統(tǒng)，國際專利(W0 1992 007711) DIE CUSHION DEVICE OF PRESS MACHINE于1992年5月14日公開了一種利用液壓系統(tǒng)壓力監(jiān)控壓力機(jī)動作的方法禾口設(shè)備；美國專利US06481295B1 (Method and system for monitoring peak compressive and tensile process severity levels of a press machine using acceleration data) 于2000年10月18日公開了一種檢測壓力機(jī)加速度峰值的方法用于判定壓力機(jī)的載荷能力級別，該方法僅考慮峰值；美國專利04692857 (Method and apparatus for protecting press from being damaged by overload conditions)于 1987 年 9 月 8 日公開了一 種利用旋轉(zhuǎn)編碼器和液壓載荷保護(hù)壓力機(jī)不超過許用負(fù)荷曲線的裝置及方法；美國專利 05339665 (Die-cushion apparatus of press machine)于 1994 年 8 月 23 日公開了一種利用液壓過載保護(hù)裝置保護(hù)模具避免損壞的裝置。此外還有其他一些文獻(xiàn)涉及到壓力機(jī)載荷測量的方法，多數(shù)都是基于應(yīng)變、位移、液體壓力等方面，存在著機(jī)電液系統(tǒng)復(fù)雜，安裝麻煩的特點(diǎn)。
應(yīng)變測量方法需要在設(shè)備機(jī)身敏感位置上貼應(yīng)變片，粘貼技術(shù)要求可靠，還需要很好地保護(hù)。直接壓力測量需要置敏感元件如壓電式壓力傳感器于模具下方敏感受力位置，影響了設(shè)備的裝模高度。采用液壓系統(tǒng)壓力測量僅限定于有液壓系統(tǒng)的塑性加工設(shè)備， 如液壓機(jī)，或者帶液壓拉延墊的單動曲柄壓力機(jī)，利用液體進(jìn)或出液壓缸的壓力來計(jì)算工作載荷，系統(tǒng)存在泄漏和污染。
而本發(fā)明采用MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))加速度傳感器來測量工作載荷，傳感器安裝方便，可以采用高磁力磁鐵吸附、膠粘、蠟封或者螺栓固定，不破壞設(shè)備外觀，不影響模具安裝。多個傳感器布置在設(shè)備機(jī)架以及相對固定的底座上，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集并處理其差值，再通過優(yōu)化的積分算法獲得位移波形曲線，與系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)計(jì)算后獲得載荷曲線與載荷相對極值，方便數(shù)據(jù)記錄與存儲，還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的查看與監(jiān)測。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種測量塑性變形載荷的方法及系統(tǒng)，是利用塑性變形過程中設(shè)備受到的沖擊力所產(chǎn)生的振動加速度信號，通過二次積分之后的位移波形曲線與載荷成正比， 獲取塑性變形載荷曲線及其極值的方法，可以測量和監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，避免設(shè)備超載。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下標(biāo)定加速度振動傳感器對于加速度的敏感系數(shù)； 在設(shè)備機(jī)身和底座上安裝多個加速度振動傳感器；標(biāo)定設(shè)備在不同載荷下，機(jī)身傳感器位置和底座傳感器位置之間的相對變形位移，計(jì)算機(jī)身的剛度系數(shù)；采集工作條件下設(shè)備機(jī)身與底座的加速度振動信號，并存儲記錄； 對采集的加速度振動信號進(jìn)行濾波處理，計(jì)算機(jī)身與底座的信號差值，對信號二次積分，獲得機(jī)身位置的傳感器與底座位置的傳感器的相對位移波形；由機(jī)身的剛度系數(shù)與相對位移波形相乘計(jì)算設(shè)備載荷波形，計(jì)算設(shè)備下死點(diǎn)前后載荷峰值，其差值為工作載荷相對極值X ；標(biāo)定計(jì)算載荷極值和實(shí)際載荷極值之間的誤差值，作為誤差項(xiàng)△，得到系統(tǒng)測量誤差標(biāo)定曲線，在兩個誤差間隔之間用插值方法消除誤差； 系統(tǒng)顯示載荷波形曲線或者極值數(shù)據(jù)。
對上述方案的進(jìn)一步限定加速度振動傳感器是MEMS微機(jī)械加速度傳感器或者其他能直接測量重力加速度的加速度傳感器。
對上述方案的進(jìn)一步限定加速度振動傳感器的數(shù)量不少于2個，包含拾取承受滑塊打擊力部件或其聯(lián)接部件和底座之間在X/Y/Z三個方向加速度以及他們之間的任意組合。
對上述方案的進(jìn)一步限定采集是指從某一鍵相位置開始的若干個傳感器的同步采集。
對上述方案的進(jìn)一步限定載荷峰值是指載荷波形曲線中下死點(diǎn)位置成形力極大值以及由于設(shè)備彈性回復(fù)的慣性載荷峰值。
對上述方案的進(jìn)一步限定相對峰值是指載荷波形曲線中成形力極大值以及由于設(shè)備彈性回復(fù)的慣性載荷峰值之差，它是載荷曲線中的穩(wěn)定有效極值，也是有效載荷最大值。
實(shí)現(xiàn)上述方法的一種系統(tǒng)，主要由傳感器、信號采集與存儲、數(shù)字信號處理、可視化與顯示系統(tǒng)、控制單元或者遠(yuǎn)程通訊部分組成。
有益效果本方法采用加速度傳感器，具有容易安裝，敏感度高的特點(diǎn)；系統(tǒng)采集多個傳感器加速度振動信號，經(jīng)數(shù)字信號處理，完成噪聲濾波、均值和趨勢項(xiàng)去除，以及積分后的曲線修正， 保證積分的穩(wěn)定。
圖1是開式壓力機(jī)安裝傳感器位置的實(shí)施例。
圖2是閉式壓力機(jī)安裝傳感器位置的實(shí)施例。
圖3是設(shè)備機(jī)身相對于底座的Z軸典型振動加速度波形。
圖4是振動加速度波形二次積分后的Z軸振動位移波形。
圖中所示1.加速度振動傳感器，2.鍵相傳感器，3.鍵相觸發(fā)器，4.加速度振動傳感器。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，將加速度振動傳感器1安裝在壓機(jī)上，安裝位置根據(jù)不同的設(shè)備，選擇對工藝最敏感的位置，可以選擇多個加速度傳感器來完成X/Y/Z不同方向信號采集，也可以采用三軸集成加速度傳感器。同時為了采集有效的塑性加工階段，使用鍵相傳感器2和鍵相觸發(fā)器3確定一固定的起始位置，觸發(fā)采集使各傳感器同步采集。由于設(shè)備機(jī)座可能受到附近其他成型設(shè)備的影響，因此在機(jī)座上安裝加速度振動傳感器4以捕捉從機(jī)座傳來的其他振動干擾的影響，并在后期處理中取傳感器1和傳感器4的差值。Z軸振動加速度波形如附圖3所示。
加速度振動傳感器宜選用MEMS傳感器，模擬輸出以便與采集系統(tǒng)匹配。選用MEMS 傳感器是因?yàn)槠鋬r格便宜，并且能夠直接測量重力加速度的變化，響應(yīng)頻率接近0ΗΖ。也可以選用其他直接對重力加速度敏感的加速度傳感器。由于多數(shù)傳感器輸出為電壓信號，事先需標(biāo)定傳感器的靈敏度系數(shù)，圖3實(shí)施例中為lOOmv/g，圖中縱坐標(biāo)為電壓，橫坐標(biāo)為時間。
裝在導(dǎo)軌和滑塊上的鍵相傳感器副起著同步采集觸發(fā)信號的作用。鍵相傳感器副可以采用光電傳感器、電磁渦流感應(yīng)或者霍爾傳感器等，當(dāng)滑塊下行到一定位置時，鍵相觸發(fā)器3通過光、磁、電、機(jī)械等導(dǎo)致鍵相傳感器2觸發(fā)，在電路中產(chǎn)生一脈沖信號，脈沖信號觸發(fā)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有通道的同步采集，記錄存貯系統(tǒng)完成高速存儲。當(dāng)采集到一定時間或者數(shù)量的信號后，采集系統(tǒng)停止采集，開始對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直到下一次成形時鍵相傳感器再次觸發(fā)。
鍵相傳感器副也可以裝在設(shè)備的飛輪、曲軸等與滑塊運(yùn)動直接相互關(guān)聯(lián)的部位， 這些位置主要是要考慮機(jī)械傳動間隙對同步鍵相位置準(zhǔn)確性的影響。
以上采集到的信號要通過濾波處理，去除噪聲，去除均值和趨勢項(xiàng)，目的是使二次積分之后的位移波形起始點(diǎn)和終止點(diǎn)均為零，如圖4所示。圖中縱坐標(biāo)為計(jì)算所得的振動位移，單位是mm，圖中曲線數(shù)據(jù)乘以設(shè)備標(biāo)定的剛度系數(shù)，就是載荷曲線。
最大載荷是設(shè)備擁有者最關(guān)心的，一般不允許超過設(shè)備的設(shè)計(jì)能力。本發(fā)明提供一種最大有效載荷的計(jì)算方法，如圖4所示，它是成形下死點(diǎn)前后設(shè)備載荷峰值的差值。在成形的下死點(diǎn)，設(shè)備受力達(dá)到峰值，但是如果僅用該峰值來描述成形載荷，由于對加速度二次積分不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)較大的誤差，而采用相對峰值作為最大有效載荷就消除了積分的不穩(wěn)定性，使誤差達(dá)到最小。
從圖4中可以看到，除了下死點(diǎn)載荷極值外，在載荷減小到零之后，又出現(xiàn)了微小的位移峰值，這個峰值是由于設(shè)備的彈性，導(dǎo)致慣性回復(fù)產(chǎn)生的，實(shí)際上在下死點(diǎn)處設(shè)備也存在慣性過沖，因此有效載荷要減去慣性過沖。本發(fā)明所提供的方法將這兩個峰值之差即相對極值確定為最大有效載荷，從而直接去除了慣性過沖問題。附圖4實(shí)施例中設(shè)備剛度系數(shù)1. M2kN/mm，最大相對位移為0. 256mm，計(jì)算得最大有效載荷為3. 947kN。實(shí)際成形實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)靜態(tài)測量的相對位移為0. 21mm，和本發(fā)明的動態(tài)測量計(jì)算存在誤差，因此需要對測量系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步標(biāo)定誤差項(xiàng)，消除誤差干擾。
由于工藝條件的復(fù)雜性，所選用的積分區(qū)間，可以由軟件來實(shí)現(xiàn)計(jì)算與判斷，還可以在系統(tǒng)操作界面中由使用者人工交互選擇，以滿足不同工藝的需求。這需要基于計(jì)算機(jī)采用虛擬儀器的模式來完成，系統(tǒng)的操作與顯示采用點(diǎn)陣式圖形顯示器或者LED指示燈搭配，可以采用鍵盤操作、按鈕操作或者觸摸屏操作，用于顯示歷史數(shù)據(jù)或者當(dāng)前數(shù)據(jù)。顯示方式可以采用軟件中常用的條形圖、柱狀圖、雷達(dá)圖、曲線圖、彩色云圖等，允許查詢、打印等，同時也方便使用以太網(wǎng)或者其他總線系統(tǒng)來通訊，讓一系列的壓力機(jī)群通過通訊進(jìn)行集中測控。
實(shí)現(xiàn)上述方法的一種系統(tǒng)，主要由傳感器、信號采集與存儲、數(shù)字信號處理、可視化與顯示系統(tǒng)、控制單元或者遠(yuǎn)程通訊部分組成。
權(quán)利要求
1.一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是 標(biāo)定加速度振動傳感器對于加速度的敏感系數(shù)； 在設(shè)備機(jī)身和底座上安裝多個加速度振動傳感器；標(biāo)定設(shè)備在不同載荷下，機(jī)身傳感器位置和底座傳感器位置之間的相對變形位移，計(jì)算機(jī)身的剛度系數(shù)；采集工作條件下設(shè)備機(jī)身與底座的加速度振動信號，并存儲記錄； 計(jì)算機(jī)身與底座的信號差值，進(jìn)行濾波處理，對信號二次積分，獲得機(jī)身位置的傳感器與底座位置的傳感器的相對位移波形；由機(jī)身的剛度系數(shù)與相對位移波形相乘計(jì)算設(shè)備載荷波形，計(jì)算設(shè)備下死點(diǎn)前后載荷峰值，其差值為工作載荷相對極值X ；標(biāo)定計(jì)算載荷極值和實(shí)際載荷極值之間的誤差值，作為誤差項(xiàng)△，得到系統(tǒng)測量誤差標(biāo)定曲線，在兩個誤差間隔之間用插值方法消除誤差； 系統(tǒng)顯示載荷波形曲線或者極值數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是加速度振動傳感器是MEMS微機(jī)械加速度傳感器或者其它能直接測量重力加速度的加速度傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是加速度振動傳感器的數(shù)量不少于2個，包含拾取機(jī)身上承受滑塊打擊力的部件或其聯(lián)接部件和底座之間在X/ Y/Z三個方向加速度以及他們之間的任意組合。
4.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是加速度傳感器的敏感系數(shù)標(biāo)定，是指度量和確定傳感器在不同加速度下輸出的電壓變化與加速度值變化的比值。
5.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是機(jī)身剛度系數(shù)標(biāo)定， 是指度量和確定機(jī)身與底座安裝傳感器位置之間的相對位移與設(shè)備受力之間的比值。
6.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是濾波處理是指均值和趨勢項(xiàng)去除采用迭代法，先進(jìn)行二次積分，然后根據(jù)偏差修正均值再重新二次積分。
7.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是采集是指從某一鍵相位置開始的若干個傳感器的同步采集。
8.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是載荷峰值是指載荷波形曲線中下死點(diǎn)位置成形力極大值以及由于設(shè)備彈性回復(fù)的慣性載荷峰值。
9.如權(quán)利要求1所述的一種測量塑性變形載荷的方法，其特征是相對峰值是指載荷波形曲線中成形力極大值以及由于設(shè)備彈性回復(fù)的慣性載荷峰值之差，它是載荷曲線中的穩(wěn)定有效極值，也是有效載荷最大值。
10.一種測量塑性變形載荷的系統(tǒng)，主要由傳感器、信號采集與存儲、數(shù)字信號處理、可視化與顯示系統(tǒng)、控制單元或者遠(yuǎn)程通訊部分組成。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種測量塑性變形載荷的方法及系統(tǒng)。該方法包含在壓力機(jī)機(jī)架上對垂直載荷引起的振動比較敏感的位置以及設(shè)備底座上固定多個加速度傳感器；對設(shè)備剛度以及傳感器靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，采集設(shè)備工作時各傳感器的波形信號，包括X/Y/Z各個方向加速度，取機(jī)架與底座信號之差，并進(jìn)行噪聲濾波，去除加速度波形信號中的直流分量和趨勢量，通過積分計(jì)算位移波形曲線，對位移波形曲線進(jìn)行修正，獲得下死點(diǎn)前后位移峰值，計(jì)算兩個峰值之差為最大有效載荷。實(shí)現(xiàn)這種方法的一種系統(tǒng)，主要由傳感器、信號采集與存儲、數(shù)字信號處理、可視化與顯示系統(tǒng)、控制單元或者遠(yuǎn)程通訊部分組成。
文檔編號B21C51/00GK102489546SQ201110396938
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者張春, 王敏, 肖海峰 申請人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院