專利名稱：在線監(jiān)控沖壓過程的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這項專利不僅開發(fā)了一套對一臺或者多臺沖床于正常生產(chǎn)中的在線監(jiān)控和診斷的完整方法，而且闡述了如何利用先進(jìn)的小波信號處理的方法來構(gòu)造有效監(jiān)測算法以實現(xiàn)對一臺或多臺沖床同時進(jìn)行監(jiān)控和診斷分折。
該項專利發(fā)明旨在對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷提供一套完整的方法，包含下列步驟a)采集正常生產(chǎn)情況下沖床床身的沖壓信訊中的多個參考應(yīng)變信號樣本；b)通過平滑參考應(yīng)變信號，確定參考曲線；c)根據(jù)參考曲線，設(shè)定由沖床床身測的應(yīng)變公差范圍；d)由選定的應(yīng)變傳感器，采集測得的沖床床身在線應(yīng)變信號；e)診斷在線應(yīng)變信號是否落在公差范圍內(nèi)；及(f)根據(jù)在步驟e)中得出的結(jié)果，控制機(jī)床操作。
該項專利發(fā)明還旨在對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷提供一操作系統(tǒng)，包含一安裝在沖床床身上的裝置，用以獲取沖壓應(yīng)變信號；經(jīng)應(yīng)變傳感器，采集正常生產(chǎn)情況下沖床上多個參考應(yīng)變信號的部件；處理參考應(yīng)變信號，以確定參考曲線的部件；根據(jù)參考曲線，設(shè)定由沖床床身測的應(yīng)變公差范圍的部件；由選定的應(yīng)變傳感器，采集測得的沖床床身在線應(yīng)變信號的部件；診斷在線應(yīng)變信號是否落在公差范圍內(nèi)的部件；及控制機(jī)床操作的部件。
有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及技術(shù)，茲就結(jié)合


如下
圖2系具體描述了圖1中的“C”型框架沖床于沖壓過程中模具的構(gòu)造。
圖3系在線監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖解(包括內(nèi)部硬件和外部通訊)、工作流程圖以及資料傳送圖。
圖4系在線監(jiān)控系統(tǒng)的具體工作的流程圖表。
圖5系在線監(jiān)控系統(tǒng)在正常沖壓時進(jìn)行信號提取工作的具體流程表。
圖6系描述模態(tài)分析試驗確定的自然頻率數(shù)值以及由此選定的傳感器安裝位置圖。
圖7系描述在沖壓過程中從壓電式應(yīng)變傳感器得到的應(yīng)變曲線在一個沖壓循環(huán)的五個不同區(qū)域。
圖8系單沖情況下典型的應(yīng)變曲線圖，它包括(a)正常情況，(b)工件材料變厚，c)廢料跳動。
圖9中的A-G系連續(xù)沖壓情況下典型的應(yīng)變曲線圖，它包括正常情況，工件材料誤送和發(fā)生在不同位置的廢料跳動的情況。
圖10中的A-B系單沖情況下和連續(xù)沖壓情況下的應(yīng)變曲線圖的比較。
圖中符號說明10---裝配圖 36---電荷放大器 60---在線監(jiān)視12---在線監(jiān)視器 38---顯示屏 62---LCD顯示14-16---沖床 40---沖床控制 64---用戶中斷18---驅(qū)動馬達(dá)和飛輪 42---報警燈 66---當(dāng)前統(tǒng)計報表20---上模 44---中央控制中心 68---數(shù)據(jù)傳輸22---上沖子 46---處理器 80---樣本數(shù)目24---下模 48---用戶信息 84---統(tǒng)計運算26---下沖子 50---采樣參數(shù) 88---“跟蹤閾值”的上下限28---壓電式應(yīng)變傳感器 52---報警設(shè)置 92---沖頭停在死點位置上
30---3維力傳感器 54---自學(xué)習(xí)報警設(shè)置32---激光傳感器56---輸入樣本長度34---數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 58---在線采樣和自學(xué)習(xí)域值設(shè)置由于沖壓過程是一個持續(xù)時間很短(大部分沖壓過程從沖頭接觸工件到離開工件的時間約數(shù)十以至數(shù)百毫秒)的瞬態(tài)過程。而由沖床床身立柱測的應(yīng)變信號也是典型的瞬態(tài)信號，它可以在一個沖壓循環(huán)內(nèi)分解成不同的區(qū)域并且和該循環(huán)內(nèi)不同的時間相對應(yīng)。如圖7所示，在區(qū)域1段上，應(yīng)變信號接近于零值，而沖頭處于準(zhǔn)備工作狀。在區(qū)域2段上，壓料板接觸工件，使工件產(chǎn)生輕微變形同時也相應(yīng)地令應(yīng)變值按一定比例增加。在區(qū)域3段上，沖頭接觸工件并施加沖壓力到工件上，工件變形使應(yīng)變相應(yīng)增加。在區(qū)域4段上，沖壓力超越于金屬材料的塑性變形力，金屬的塑性變形主要發(fā)生于這個過程中，而且沖壓力瞬間急劇下降，應(yīng)變信號有一個衰減震蕩的過程。在區(qū)域5段上，沖頭開始返回到準(zhǔn)備工作的初始位置，一個沖壓循環(huán)結(jié)束。所以說應(yīng)變信號包含靜態(tài)和動態(tài)特性的數(shù)據(jù)資料，它能有效地適用于在線監(jiān)控系統(tǒng)。
壓電式應(yīng)變傳感器的信號特征能有效地知道工件在實際生產(chǎn)過程中的非正常狀態(tài)。實際上，當(dāng)工件厚度增加，信號的上升沿趨向于朝左方向移動，正如圖7中的區(qū)域2、3段所示。這種位移現(xiàn)像剛好反應(yīng)了沖頭會提前接觸工件。如果有廢料跳動的情況發(fā)生，信號就趨向于產(chǎn)生很大的應(yīng)變值，這種現(xiàn)像剛好反應(yīng)了不平衡的沖壓力導(dǎo)致應(yīng)變值變大。所有這些特征使得立柱應(yīng)變信號能充分反映金屬沖壓在線監(jiān)控的特點。
當(dāng)然，不同的故障特征可能會發(fā)生在應(yīng)變信號不同的部份。另外比較困難的是從沖床床身提取信號來監(jiān)測沖壓狀況往往在信號中引入過多的噪聲干擾，從而很難得到平滑的應(yīng)變信號。
眾所周知，F(xiàn)ourier變換(或級數(shù))是將信號變換或分解到不同頻率、幅值和相位的正弦波，而正弦波是全局性函數(shù)，不能反映信號的局部特征。與Fourier分解不同，小波分解則是將信號分解到一系列具有不同震蕩頻率的緊支撐函數(shù)上，這一系列有限支撐且具有震蕩特性的函數(shù)則是由同一個被稱為母小波的函數(shù)(或簡稱為小波函數(shù))通過膨脹或壓縮以及平移得到的。一個任意信號x(t)的連續(xù)小波變換定義為Wψx(a,b)=1a∫-∞∞x(t)ψ*(t-ba)dt]]>其中Ψ(t)為(母)小波函數(shù)，a(a＞0)為膨脹因子(或稱為尺度因子)，b(b＜R)平移因子，‘*’表示復(fù)共軛運算。
連續(xù)小波變換由于計算量大且沒有快速算法，在小波理論發(fā)展的初期極大的限制了其應(yīng)用，Mallat將尺度因子a和平移因子b進(jìn)行二進(jìn)離散并引入快速算法后， 小波的應(yīng)用才得到了極大的發(fā)展。將b和a進(jìn)行二進(jìn)離散，即aj＝2j及bj，k＝k/2j，可以定義正交小波變換。如果函數(shù)族Ψm，k(t)=2m/2Ψ(2mt-k),m,k∈Z 構(gòu)成一個正交基，則得到的正交小波變換為xkm=∫-∞∞x(t)ψm,k(t)dt]]>信號的正交小波變換結(jié)果是將信號分解為一系列帶寬不等的頻段，低頻段帶寬小，高頻段的帶寬大，帶寬以二進(jìn)制遞增，下圖為二進(jìn)小波分解過程頻段劃分示意圖。利用這一特性可以對信號進(jìn)行各種通帶(單一通帶或多通帶)的濾波。本專利提出的監(jiān)測算法就是利用小波的濾波性質(zhì)完成的，通過對信號的分解與選帶重構(gòu)得到光滑的低頻沖壓應(yīng)變特征曲線。 二進(jìn)小波分解過程頻段劃分示意圖本專利提出一種所謂“跟蹤閾值”(或跟蹤報警)的方法，可以代替分段，不管是沖壓力的大小的變化還是各關(guān)鍵點發(fā)生時刻的變化，這種曲線閾值都可以準(zhǔn)確地捕捉到不同故障導(dǎo)致的沖壓狀態(tài)的改變，試驗結(jié)果表明，這一方法非常有效。這一方法采用小波分解與重構(gòu)的方法，先求得應(yīng)變信號(間接沖壓力)的低頻主分量，根據(jù)若干個正常狀態(tài)的樣本信號得到該主分量的均值和方差，從而可以得到正常狀態(tài)的上下報警限，在監(jiān)測時先計算出每個沖程的應(yīng)變信號低頻主分量，然后與報警線進(jìn)行比較，若任何點發(fā)生超限則發(fā)出報警信號。
這里提出的監(jiān)測算法是以概率與數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的，計算的前需要先采集正常沖壓狀態(tài)的沖壓力信號M組(根據(jù)具體的情況可以選取不同的組數(shù)M＝30～50)，假定每組信號有N個數(shù)據(jù)點，采用離散小波將每組信號進(jìn)行五級分解，根據(jù)沖壓應(yīng)變信號的特點，僅采用最低頻的一個頻段的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到消噪后的平滑沖壓應(yīng)變信號，這樣我們得到M組平滑的沖壓力信號，然后對這M組信號計算其均值X(i)=1MΣj=1Mxi(j),i=1,2,Λ,N]]>和方差S2(i)=1M-1Σj=1M[xi(j)-X(i)]2,i=1,2,Λ,N]]>從計算效率上的考慮，可以采用下面的等效公式S2(i)=1M-1[Σj=1Mxi2(j)-1M(Σj=1Mxi(j))2],i=1,2,Λ,N]]>這樣我們可以得到兩條光滑的上下閾值限X(i)±C·S(i)，＝1，2，Λ，N，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，C＝3時，正常沖壓狀態(tài)時將有99.7％的沖壓應(yīng)變平滑曲線在此閾值限的內(nèi)。
這樣在得到兩條正常沖壓狀態(tài)的沖壓力閾值限的后，對以后的每次沖壓循環(huán)測得的沖壓應(yīng)變信號均進(jìn)行同樣的小波濾波，然后和這兩條閾值限作比較，超限即做出報警。
本專利中的過程和系統(tǒng)可以用來同時監(jiān)控一臺或多臺沖床。
在專利的系統(tǒng)中，一個或多個應(yīng)變傳感器被安裝在沖床的床身上，以獲取沖壓應(yīng)變信號?？梢杂糜跊_壓過程監(jiān)測的傳感器有多種，例如，力傳感器、接近式傳感器、應(yīng)變傳感器、加速度傳感器。根據(jù)試驗結(jié)果，從安裝方便，經(jīng)濟(jì)易用及監(jiān)測效果來看，壓電式應(yīng)變傳感器最為理想。
如果監(jiān)測對象是一個“C”型框架沖床單工步模，可以只選用一個傳感器，若為多任務(wù)步步進(jìn)式模具，則至少有兩個傳感器需被分別安裝在沖床的兩根立柱上。
在專利的方法中，為了使監(jiān)測取得高的可靠性，需要采集多個正常沖壓應(yīng)變信號進(jìn)行處理，從而設(shè)定閾值曲線。顯而易見，越多的采樣樣本將會帶來越高的準(zhǔn)確性。通常，最好有至少30個樣本。
在專利的方法第a)步中獲取的參考應(yīng)變信號經(jīng)過小波分解和重構(gòu)，得到平滑的參考曲線。根據(jù)本專利方法的定義，從b)步到e)步，可以用一臺裝用Linux C++程序的計算器來執(zhí)行完成存儲、網(wǎng)絡(luò)和更多的處理。
對于一個單工步模，從沖床的床身上測出的應(yīng)變信號相對簡單(圖10.A)，大部分沖壓故障可以用峰值特征來檢測。然而，對于一個多任務(wù)步的步進(jìn)模，其應(yīng)變信號是非常復(fù)雜的(圖10B)。因為這些信號中有許多峰值，單靠峰值的方法來檢測是相當(dāng)困難的。在這種情況下，從左右兩邊床身上采集的二路應(yīng)變信號被用來反映較完整的過程特征。
應(yīng)變傳傳感器應(yīng)該安裝在沖床上最容易測到應(yīng)變信號的位置，為了確定這個位置，我們在一臺“C”型框架沖床上進(jìn)行了模態(tài)分析試驗，試驗中用4個加速度傳感器和一套專用的模態(tài)分析軟件，根據(jù)試驗測得的資料，確定幾個固定頻率38Hz，68Hz，140Hz，260Hz。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最敏感的傳感器安裝位置位于“C”型框架沖床的中部(140Hz)，這個位置是該類沖床最薄弱的位置。沖床的模態(tài)分析的數(shù)據(jù)對沖壓監(jiān)測來說是非常重要的，因為它們可以輔助傳感器安裝的位置確定在對沖壓狀態(tài)最敏感的位置。
本專利發(fā)明的確定參考曲線的方法如下。壓電式應(yīng)變傳感器是根據(jù)壓晶體管結(jié)構(gòu)在機(jī)械壓力作用下會釋放出電荷的原理而制成的。一個或多個顯著的在時間上與沖壓過程相關(guān)的信號參數(shù)經(jīng)由安裝于沖床上的應(yīng)變傳感器監(jiān)測，然后與事先確定好的參考值進(jìn)行比較。一個采用內(nèi)觸發(fā)信號的觸發(fā)程序來保證每次采樣的起始點都是一致的，一般該觸發(fā)程序的觸發(fā)閾值設(shè)定為0.2V。樣本的采集是用內(nèi)部觸發(fā)和采樣頻率為2～5KHz來進(jìn)行的，并且采樣周期覆了沖壓回回圈?！案欓撝怠钡脑O(shè)定常常依賴被監(jiān)測的沖壓狀況，絕大部份時侯都不需要在監(jiān)測中分別設(shè)立幾組“跟蹤閾值”來監(jiān)控復(fù)雜的工作環(huán)境。
本發(fā)明的金屬沖壓在線監(jiān)測系統(tǒng)是智能的、可靠的、價格相對低廉的。該系統(tǒng)主要有以下特點1.結(jié)合了高性能的優(yōu)質(zhì)傳感器的訊號特征以及自行開發(fā)的穩(wěn)定的人工智能控制方法，根據(jù)模具在下死點工作時沖床機(jī)身的信號特性變化來自動準(zhǔn)確地在線監(jiān)測沖壓過程中的廢料跳動、彎曲、材料厚度變化、誤送及二重打等沖壓中常見的問題，并自動控制沖床運動，使模具和沖床得到進(jìn)一步保護(hù)。從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低次品率得目的。
2.計算機(jī)化的靈活裝置，能同時對一臺或多臺沖床/模具運動進(jìn)行監(jiān)測工作，大大降低使用者的成本，并能自動記錄和用網(wǎng)絡(luò)來傳遞使用者的資料，例如自動統(tǒng)計好、壞產(chǎn)品的數(shù)量，停機(jī)次數(shù)和時間，模具/沖床以及操作者的情況分析等等。為廠家在模具設(shè)計，機(jī)床操作以至生產(chǎn)控制等方面提供有用的分析數(shù)據(jù)。
3.無論是“C”型框架沖床或者龍門式?jīng)_床，都能在不防礙操作設(shè)定以及沖床/模具運動的情況下安全地安裝此產(chǎn)品，油污，材料屑，塵埃以及惡劣的工作環(huán)境等外在因素都不會構(gòu)成影響。并以清晰易見的中文(繁/簡體字)或者英文畫面來顯示實時的沖床/模具的運動情況。
結(jié)合如下的附圖，可以進(jìn)一步描述本專利發(fā)明。
圖1是一個典型的“C”型框架沖床的原理透示裝配圖(10)。在這個圖標(biāo)中，沖壓生產(chǎn)線包括一對沖床(14-16)。在一個操作循環(huán)中，每一沖床均可進(jìn)行一定的金屬成型加工。例如，這些沖床可以順序地進(jìn)行連續(xù)的步進(jìn)模沖壓操作和單沖的沖壓操作。根據(jù)小波分解技術(shù)以及測得到的沖床(14-16)的數(shù)據(jù)(如經(jīng)放大器處理的壓電式應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù))，在線監(jiān)視器(12)可以執(zhí)行對每一個沖床的生產(chǎn)操作監(jiān)視。
同時，該在線監(jiān)視器也可以生成過程控制信息，用于顯示在LCD顯示屏和上傳中央控制中心。在這個發(fā)明系統(tǒng)中，監(jiān)視程序可以讓用戶很容易地從運行的沖床上或中央控制中心上獲取數(shù)據(jù)。監(jiān)視程序的用戶界面采用了Linux C++和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。可選擇的用戶指令，經(jīng)觸摸屏或其它輸入設(shè)備，由多級菜單完成。為了一般的目的、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形表示，該監(jiān)視程序采用了許多庫文件，并且使用Linux C++語言進(jìn)行編程。
監(jiān)視程序可以在任何安裝了用于數(shù)據(jù)采集的多功能數(shù)據(jù)采集卡的標(biāo)準(zhǔn)的計算器上運行，如IBM兼容機(jī)或奔騰可編程計算器。該計算器應(yīng)有至少128MB的RAM存儲器，一個VGA兼容的彩色圖形卡和一個LCD顯示屏。因監(jiān)視程序需存儲大量的數(shù)據(jù)，所以應(yīng)選用最少1GB的硬盤作為主要的存儲器。另外，經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)上傳到中央控制中心的信息包括沖床的位置，以及有關(guān)觸發(fā)計算器發(fā)送信號的狀況的數(shù)據(jù)。如果中央控制中心是一個telnet，所有信號和生產(chǎn)信息將由沖床的線路網(wǎng)輸入。
如圖2所示，一個“C”型框架沖床包括一個上模(20)，一個上沖子(22)，一個下模(24)和一個下沖子(26)。驅(qū)動馬達(dá)和飛輪(18)通常是由一個皮帶驅(qū)動器、一個離合器、一個制動器和一個用于曲柄沖床的并帶有曲柄聯(lián)桿的主驅(qū)動器、一個聯(lián)接桿和一個沖頭而連接。變型過程將在沖頭一次完整沖程的最多1/4時間內(nèi)完成。沖床有一個拉桿可從驅(qū)動馬達(dá)向上擴(kuò)展到曲柄聯(lián)桿。它用于在向下的方向上移動上模和上沖子。壓電式應(yīng)變傳感器(28)被安裝在如圖6所示的模態(tài)分析中的對沖壓狀態(tài)最敏感的位置。
如圖3所示，計算器配有給系統(tǒng)提供輸入/輸出接口的處理器(46)。經(jīng)沖床控制(40)和中央控制(44)的輸出口，處理器(46)可控制一個停車器。當(dāng)檢測到任何一種沖壓異常發(fā)生，停車器將控制沖頭的運動，并使其停在上死點。這樣，處理器可經(jīng)停車器控制沖床的運動，并用報警燈(42)輸出一個報警信號，同時有一個故障信息到顯示屏(38)。因為這一控制極大地減少了生產(chǎn)故障，所以沖床和模具得到了保護(hù)。兩片壓電式應(yīng)變傳感器(28)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(34)和一個電荷放大器(36)連接到?jīng)_床上。這樣可以傳送經(jīng)軟件生成的數(shù)據(jù)到計算器處理器(46)的輸入口。根據(jù)模具的類型，多種類型的3維力傳感器(30)和激光傳感器(32)可以用于系統(tǒng)監(jiān)視。中央控制中心(44)適應(yīng)接收從處理器(46)經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳來的信號，并顯示沖床的監(jiān)視狀況。
特別地，參考圖4，它表明了該用于監(jiān)視和診斷“C”型框架沖床的發(fā)明在線系統(tǒng)的工作流程。如圖所示，該系統(tǒng)可以監(jiān)視和診斷許多特征，如”用戶信息”(48)，”采樣參數(shù)”(50)，”報警設(shè)置”(52)，“自學(xué)習(xí)報警設(shè)置”(54)，“輸入樣本長度”(56)，“在線采樣和自學(xué)習(xí)域值設(shè)置”(58)，“24小時和7天在線監(jiān)視”(60)，“LCD顯示”(62)，“用戶中斷”(64)，“當(dāng)前統(tǒng)計報表”(66)，和“數(shù)據(jù)傳輸”(68)。在計算器的控制下，沖壓操作被以一定的采樣頻率(大約2KHz～5KHz)反復(fù)采樣。為了獲取精確的采樣波形，計算器根據(jù)不同的采樣過程控制內(nèi)觸發(fā)水平和增益的設(shè)置。儲存樣本大小(56)用時間和沖壓力的幅值表示沖壓波形，并被傳送給處理器。將其代入一個等式(58)后經(jīng)統(tǒng)計計算自動地學(xué)出一個報警域值。圖4所示的在線診斷可以根據(jù)兩個壓電變型傳感器(28)獲取的信號的峰值和能量值是否落在事先由最優(yōu)的“跟蹤閾值”所確定的允許范圍來自適應(yīng)地診斷沖壓系統(tǒng)。如果該兩個特征值中的任何一個大于相應(yīng)范圍的上限(或小于下限)，結(jié)合報警燈(42)，沖床控制系統(tǒng)(40)將沖床制停在上死點(TDP)。這個安排有利于調(diào)整沖床，減少沖床操作員的負(fù)擔(dān)并極大地減少產(chǎn)品的廢品率。為了顯示位置或辯別異常的模具的數(shù)目，用戶中斷(64)可用LCD顯示屏(62)。這一被推薦的安排易于操作員分辯異常的模具或沖壓故障，并有利于檢查，調(diào)整和更換模具，提高沖壓系統(tǒng)的工作效率。
圖5所示為本專利發(fā)明的金屬沖壓監(jiān)測系統(tǒng)的部分流程圖。在本系統(tǒng)實現(xiàn)中，沖壓波形在計算機(jī)控制下以一定采樣頻率被重復(fù)采樣，正常沖壓狀態(tài)的樣本數(shù)目80至少應(yīng)為30個以上。采樣頻率的大小可以根據(jù)沖壓的速度由計算機(jī)控制相應(yīng)地改變，這樣可以保證不同沖壓加工的波形采樣資料點數(shù)相同，采樣得到的資料82由計算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計運算84，由每個資料點的均值和標(biāo)準(zhǔn)方差可以得到“跟蹤閾值”的上下限88。在過程的在線監(jiān)測中，對每一個采樣的沖壓波形，如果任一個采樣點超出設(shè)定好的閾值上下限，監(jiān)測系統(tǒng)上的報警燈亮，并控制40沖頭停在死點位置上92。
圖6所示為“C”型框架沖床的模態(tài)，從圖中可以看出，最敏感的部位應(yīng)在沖床的中下部，應(yīng)變傳感器28應(yīng)安裝在該部位。
由圖7所示，沖壓應(yīng)變信號可以分為幾個特征段。段S1中，應(yīng)變接近于零，因為沖壓過程尚未開始；段S2中，由于壓料版開始接觸工件導(dǎo)致立柱上應(yīng)變開始增大；段S3中，模具接觸工件并對工件施加沖壓力使工件開始產(chǎn)生彈塑性變形，因此在該段，應(yīng)變值大幅度增加；段S4中，沖壓力增大使得工件材料超過屈服點，工件開始脫離材料，導(dǎo)致應(yīng)變迅速下降；最后，在段S5模具離開工件，作用于床身上的力釋放，床身開始恢復(fù)原來的位置，應(yīng)變信號有小幅波動，并漸漸回復(fù)到零值。仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變信號前面部分與沖壓力變化相若(S1～S4)，后面的部分則與振動的變化趨勢類似。
圖8示出了一種單沖過程三種不同狀態(tài)的應(yīng)變信號。(a)正常104，(b)工件太厚106，(c)廢料跳動108。由圖可以看出，應(yīng)變信號對沖壓狀態(tài)敏感，工件太厚時，段S2和段S3左移，這是由于工件太厚導(dǎo)致模具提早接觸工件的結(jié)果。廢料跳動的特征則表現(xiàn)為應(yīng)變信號在沖壓過程結(jié)束時有較大幅度的波動。
本發(fā)明的沖壓監(jiān)測系統(tǒng)有若干不同于傳統(tǒng)監(jiān)控裝置的優(yōu)點。如圖9所示，閾值曲線是一種借助小波分析技術(shù)來設(shè)定的“跟蹤閾值”。閾值設(shè)定的算法可敘述如下1.測取正常狀態(tài)的20～30組樣本信號，每組信號為測自于左右立柱的兩個應(yīng)變信號。
2.應(yīng)用小波分解和重構(gòu)技術(shù)，我們得到濾波后的每組信號的低頻分量，這個低頻分量信號比原始信號平滑得多，可以方便地用于閾值曲線的設(shè)定。
3.計算每組濾波信號的均值曲線和標(biāo)準(zhǔn)差曲線ml(t)表示左立柱應(yīng)變均值信號，mr(t)表示右立柱應(yīng)變均值信號，vl(t)表示左立柱應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差曲線，vr(t)表示右立柱應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差曲線。
由此可以分別得到左右立柱應(yīng)變信號的上下兩條閾值曲線ml(t)+3vl(t)和ml(t)-3vl(t)110；以及mr(t)+3vr(t)和mr(t)-3vr(t)112，見圖9-A。
圖9-B所示為利用小波分析技術(shù)設(shè)定的跟蹤閾值曲線114，116。
參考圖9-C到圖9-G，利用由小波分析技術(shù)設(shè)定的閾值曲線，連續(xù)沖壓過程的各種常見故障，如材料變化、誤送118，120、廢料跳動122，124，126，128，130，132，134，136、二重打等等，可以被檢測出來。一般說來，不同的沖壓故障會在應(yīng)變信號不同的區(qū)段表現(xiàn)出不同的特征，然而，根據(jù)不同沖壓過程準(zhǔn)確分段是非常困難的事情，采用我們提出的方法，監(jiān)測系統(tǒng)可以在連續(xù)沖壓加工過程中容易的檢測出發(fā)生于不同區(qū)段的過程狀態(tài)變化。
對于單工步模具，由沖床立柱測得的應(yīng)變信號相對簡單(圖10-A)138，許多故障可由峰值沖壓力的變化檢測出來。然而，對于多任務(wù)步步進(jìn)模具，由沖床立柱測得的應(yīng)變信號就復(fù)雜多了(圖10-B)140，142。這種情況下，為了檢測更多的沖壓故障，測取雙邊立柱的應(yīng)變信號非常必要。不同的故障可能發(fā)生于不同的應(yīng)變信號(左或右)的不同段。
權(quán)利要求
1.一種對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的方法，包含下列步驟a)采集正常生產(chǎn)情況下沖床床身的沖壓信訊中的多個參考應(yīng)變信號樣本；b)通過平滑參考應(yīng)變信號，確定參考曲線；c)根據(jù)參考曲線，設(shè)定由沖床床身測的應(yīng)變公差范圍；d)由選定的應(yīng)變傳感器，采集測得的沖床床身在線應(yīng)變信號；e)診斷在線應(yīng)變信號是否落在公差范圍內(nèi)；及f)根據(jù)在步驟e)中得出的結(jié)果，控制機(jī)床操作。
2.如權(quán)利要求1所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的方法，其中該參考應(yīng)變信號獲取自一安裝在沖床床身上的應(yīng)變傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的方法，其中該應(yīng)變傳感器是壓電式應(yīng)變傳感器。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的方法，其中該采集多個參考應(yīng)變信號進(jìn)行處理，最好測取至少20個樣本。
5.如權(quán)利要求1所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的方法，其中采用小波分解與重構(gòu)采集該在步驟a)中所述的平滑參考應(yīng)變信號。
6.一種對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，包含一安裝在沖床床身上的裝置，用以獲取沖壓應(yīng)變信號；經(jīng)所述的裝置，采集正常生產(chǎn)情況下沖床上多個參考應(yīng)變信號的部件；處理所述的參考應(yīng)變信號，以確定參考曲線的部件；根據(jù)所述的參考曲線，設(shè)定由沖床床身測的應(yīng)變公差范圍的部件；由所述的應(yīng)變傳感器，采集測得的沖床床身在線應(yīng)變信號的部件；診斷所述的在線應(yīng)變信號是否落在所述的公差范圍內(nèi)的部件；及控制機(jī)床操作的部件。
7.如權(quán)利要求6所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該裝置包含一個或多個應(yīng)變傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該裝置包含一個信號放大器。
9.如權(quán)利要求7所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該應(yīng)變傳感器是壓電式應(yīng)變傳感器。
10.如權(quán)利要求8所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該信號放大器是電荷放大器。
11.如權(quán)利要求6所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中采用小波分解與重構(gòu)進(jìn)行所述的處理參考應(yīng)變信號，確定參考曲線。
12.如權(quán)利要求6所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該沖床是“C”型框架沖床，包含兩根立柱。
13.如權(quán)利要求12所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該框架至少有兩個應(yīng)變傳感器被分別安裝在沖床的兩根立柱上。
14.如權(quán)利要求13所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該應(yīng)變傳感器都是壓電式應(yīng)變傳感器。
15.如權(quán)利要求7所述的對一臺或者多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷的操作系統(tǒng)，其中該應(yīng)變傳感器被安裝在模態(tài)分析中的對沖壓狀態(tài)最敏感的位置上。
全文摘要
本發(fā)明旨在對一臺或多臺沖床的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行在線監(jiān)控和診斷提供一套完整的方法和一操作系統(tǒng)，方法包含步驟采集正常生產(chǎn)情況下沖床床身的沖壓信訊中的多個參考應(yīng)變信號樣本；通過平滑參考應(yīng)變信號，確定參考曲線；根據(jù)參考曲線，設(shè)定由沖床床身測的應(yīng)變公差范圍；由選定的應(yīng)變傳感器，采集測得的沖床床身在線應(yīng)變信號；診斷在線應(yīng)變信號是否落在公差范圍內(nèi)；根據(jù)在步驟e)中得出的結(jié)果，控制機(jī)床操作。系統(tǒng)包含安裝在沖床床身上的裝置，以獲取沖壓應(yīng)變信號；經(jīng)應(yīng)變傳感器采集正常生產(chǎn)情況下沖床上多個參考應(yīng)變信號的部件；處理參考應(yīng)變信號，以確定參考曲線的部件；根據(jù)參考曲線設(shè)定由沖床床身測的應(yīng)變公差范圍的部件；由選定的應(yīng)變傳感器，采集測得的沖床床身在線應(yīng)變信號的部件；診斷在線應(yīng)變信號是否落在公差范圍內(nèi)的部件；控制機(jī)床操作的部件。
文檔編號G05B19/4065GK1430721SQ01810063
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者徐揚生, 杜如虛, 唐珩, 張桂才, 葛明, 梁潤怡 申請人:香港中文大學(xué)