（机械电子工程专业论文）基于压电效应的钢球冷镦成形在线监测系统.pdf

s t e e lb a l lc o l df o r g i n g p r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t b y s h e nw e n z h o n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f a ic h a n g - s h e n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h e u n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 沌丈友 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：渔爻幺导师签名：j 丕幺盘瓠期：塑! 立盟j 8 济南大学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t - i i i 第一章绪论：。l 1 1 课题的背景1 1 1 1 钢球制造工艺简介l 1 1 2 钢球冷镦成形中的常见缺陷l 1 1 3 钢球冷镦设备存在的问题2 1 2 成形过程质量监测概况。3 1 2 1 塑性成形在线监测的理论研究3 1 2 2 压力加工过程监测的实现及应用4 1 2 3 过程监测方法的对比5 1 3 本文内容6 第二章钢球冷镦成形运动分析7 2 1 钢球冷镦成形原理7 2 2 钢球冷镦运动的数学模型8 2 3 钢球冷镦成形数值分析9 2 3 1 三维模型的建立1 0 2 3 2 前处理与初始条件设置。1 1 2 4 正常工况下的钢球冷镦成形过程数值模拟1 2 2 5 环带大小对底模载荷的影响1 3 2 6 球形偏差对底模载荷的影响1 5 2 7 本章小结17 第三章底模载荷信号的采集1 9 3 1 力传感器的安装位置1 9 3 2 最大冷镦力计算一2 0 3 3 力传感器的选型2 l 3 4 压电传感器的设计一2 2 i 基于压电效应的钢球冷镦成形在线髓测系统 3 4 1 压电材料的选取。2 2 3 4 2p v d f 膜力传感器的设计2 3 3 5 测量电路的设计2 5 3 5 1 压电传感器的测量电路。2 5 3 5 2 电压放大器的选用。2 7 3 6 本章小结2 8 第四章钢球成形在线监测系统的硬件电路2 9 4 1 系统的硬件架构2 9 4 2 核心m c u 选型3 0 4 3 底模载荷采样电路31 4 4 人机交互( h m i ) 界面显示3 2 4 4 1 串口通信电路3 3 4 4 2 显示模块电路3 4 4 5r t c 时钟模块3 4 4 6 加工信息的存储与导出3 6 4 6 1u 盘读取芯片选型。3 6 4 6 2u 盘读取模块电路设计3 6 4 7 键盘模块与操作界面3 7 4 8 载荷信号的硬件去噪3 9 4 8 1 监测系统的噪声源3 9 4 8 2 干扰的硬件抑制与消除3 9 4 9 本章小结4 l 第五章软件开发与系统运行调试4 3 5 1 系统主程序框架4 3 5 2 系统初始化模块4 5 5 2 1i o 端口的始化4 5 5 2 2u a r t 0 通信初始化4 5 5 2 3s m b u s 总线初始化4 6 5 2 4 前次加工信息初始化4 6 济南大学硕十学位论文 5 3 数据采样和软件去噪4 8 5 3 1 数据采样4 9 5 3 2 载荷信号的软件去噪一4 9 5 4m 6 0 0 驱动显示子程序5 2 5 5u 盘加工信息程序设计5 3 5 6 系统r t c 模块5 5 5 7 键盘交互设计5 7 5 8 本章小结5 8 第六章底模载荷的学习与成形质量鉴别。5 9 6 1 载荷波形的学习算法5 9 6 2 基于载荷信号特征量的匹配算法。6 1 6 3 载荷波形现场采集与分析6 2 6 3 1 数据采集与学习6 2 6 3 2 基于特征的匹配结果6 3 6 4 本章小结6 6 第七章结论与展望6 7 7 1 结论6 7 7 2 创新点6 7 7 3 展望6 8 参考文献6 9 致 射7 3 附录一7 5 一、在校期间发表的学术论文7 5 二、在校期间参加的项目7 5 三、在校期间获奖情况7 5 i 基于压电效虑的钢球冷镦成形在线髓测系统 i v 济南大学硕上学位论文 i 摘要 冷镦作为钢球加工的第一道工序，其成形缺陷是主要的质量隐患和次品源 头。国内钢球冷镦设备只执行机械式的往复动作，缺乏过程监测；传统的采用专 用检测器具进行过程完成后的人工检测方式，量具易磨损，检测效率低，不能及 时发现生产过程中的成形缺陷和故障，检测能力成为限制钢球冷镦工艺升级的瓶 颈。国外对金属压力加工在线质量的监测开展了理论研究，通过对过程信号特征 的在线分析实现过程实时监测，并将成形监测仪器的应用在塑性加工行业。 首先分析了钢球冷镦的成形原理，并建立冷镦运动系统的数学模型。应用塑 性加工专用的有限元软件d e f o r m 3 d 针对钢球冷镦成形过程进行了数值模 拟，通过改变冷镦棒料料长和模具同轴度两个指标，对正常工况及两类钢球墩制 过程中常见的缺陷( 环带缺陷和球形偏差) 的成形过程进行有限元数值模拟。经 过后处理运算，获得成球过程中，底模( 静模) 载荷曲线与常见成形质量缺陷的 对应关系。分析模拟结果，不同环带大小主要体现在载荷曲线的峰值和时序两个 特征上；相同料长情况下，球形偏心缺陷主要体现在冷镦初始阶段的载荷动态数 值上。从而，采用载荷波形信号分析钢球毛坯成形质量状况是正确可行的，提出 通过采集底模载荷信号监测钢球成形质量的信息特征：时序和局部峰值。 波形的采集是实现质量分析的基础。针对底模载荷信号提取的特殊环境，分 析比较力传感器的特点以及对钢球冷镦设备的影响；分析压电效应的原理和应 用，提出应用压电传感器采集底模载荷信号。考虑钢球冷镦机的结构、刚度要求 等因素选取压电材料，设计了p v d f 薄膜式压电传感器，选取合适的安装位置， 计算冷镦力大小对承载能力进行校核。针对压电传感器测量电路，从理论上分析 了压电传感器的等效电路，对电荷和电压式前置放大电路进行了理论分析，提出 应用高阻抗输入的电压放大器a d 6 2 3 作为前置放大器，并通过理论校核和实验， 验证了电压放大器的可行性。 在分析系统的功能要求和硬件架构的基础上，建立了硬件平台。设计了核心 m c u 模块、a d 转换单元、人机交互界面电路、系统时钟单元、键盘模块的电 路等硬件模块。根据工厂实际状况，采取硬件抗干扰措施，设计了p c b 电路板。 基于压电效席的钢球冷镦成形在线腑测系统 分析系统软件的总体构架，通过模块化编程和调用，成功搭建了系统的软件 运行平台。编写系统初始化模块、t f t 显示模块、数据采集与分析模块、人机交 互模块和系统时钟读写模块，供主程序和各子程序间有序的分时调用。实现了载 荷信号离散化和鉴别算法，通过人机交互模块实现参数设定，通过系统时钟读写 实现了质量和加工信息的可追溯性；最终实现了成形监测系统的研发。 到工业现场采集3 种成形缺陷的数据，编写了载荷信号学习与鉴别算法，利 用m a t l a b 分析处理数据，验证了冷镦成形质量监测的有效性和准确性。 关键词：钢球冷镦；质量监测：成形仿真；压电效应；p v d f 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ef i r s tp r o c e s sf o rs t e e lb a l lp r o c e s s i n g ，t h ef o r m i n gd e f e c t so fc o l dh e a d i n g a r et h em a i ns o u r c e so fq u a l i t yp r o b l e m sa n dd e f e c t s b e c a u s eo fl a c k i n gp r o c e s s m o n i t o r i n g , t h e d o m e s t i cc o l d h e a d i n ge q u i p m e n t so n l y e x e c u t i v et h e r e c i p r o c a t i n gm e c h a n i c a lm o v e m e n t i t st r a d i t i o n a ld e t e c t i o no f t e nu s et h es p e c i a l t e s ta p p a r a t u sf o rm a n u a li n s p e c t i o na r e rc o m p l e t i o no ft h ep r o c e s s i n g , w h i c hs e r i o u s w e a rt h em e a s u r i n gt o o l sa n dh a sl o w e rd e t e c t i o ne f f i c i e n c y m o r ei m p o r t a n t l y , t h e f o r m i n gd e f e c t sa n d f a u l t si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sc o u l dn o tb ef o u n db yt h e t r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d 1 1 1 el i m i t e dd e t e c t i n ga b i l i t yh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c k t h a ti m p e d e st h ec o l du p s e t t i n gt ou p g r a d e b ya n a l y z i n gt h et h e o r ys t u d ya n d a p p l i c a t i o no fm o n i t o r i n ge q u i p m e n tf o rt h eo n - l i n em o n i t o r i n go fm e t a lf o r m i n g p r o c e s s ，aq u a l i t ym o n i t o r i n gm e t h o d sf o rc o l dh e a d i n g a r ep r o p o s e d b yo n - l i n e c o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gt h el o a ds i g n a l t h ef o r m i n gp r i n c i p l eo fs t e e lb a l lc o l dh e a d i n gi sa n a l y z e di nt h i sp a p e rt o e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f m o t i o ns y s t e mo fc o l df o r g i n gm a c h i n e 1 1 1 es t e e l b a l lc o l d h e a d i n gp r o c e s s w a ss i m u l a t e d b yu s i n g t h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ed e f o r m - 3 dt h a tp o p u l a t e di n t h e s p e c i a lp l a s t i cf o r m i n gf i e l d 1 1 1 c f o r m i n gp r o c e s si nt h en o r m a lc o n d i t i o na n d t h et w oo d m m o nf o r m i n gd e f e c t c o n d i t i o n sc o u r rd e f e c t sa n ds p h e r i c a le c c e n t r i cd e f e c t s ) a r en u m e r i c a ls i m u l a t e d r e s p e c t i v e l yb yc h a n g i n g t w oi n d i c a t o r s ( t h el e n g t ho fr a wm a t e r i a l sa n d c o n c e n t r i c i t yo ft w od i e ) a f t e rp o s t - p r o c e s s i n go p e r a t i o n , t h el o a dc u r v e so ft h e b o t t o md i e ( s t a t i cd i e ) a r eo b t a i n e d ，w h i c hc o r r e s p o n dc o m m o nq u a l i t yd e f e c t s o ff o r m i n g a n a l y z i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，d i f f e r e n tb u r rs i z e sa r em a i n l yr e f l e c t e di n t h et w oc h a r a c t e r i s t i c so fl o a dc u r v e , w h i c ha l et h ep e a l 【v a l u ea n ds e q u e n c ei n t i m e i nt h ec a s eo fs a m el e n g t ho ft h eb a rm a t e r i a l s ，s p h e r i c a le c c e n t r i cd e f e c ti s m a i n l yr e f l e c t e di nd y n a m i cl o a dv a l u ei nt h ei n i t i a ls t a g e so f c o l dh e a d i n gt h u s ，t h e f e a s i b i l i t yi st h e o r e t i c a l l yp r o v e db yc o l l e c t i n gt h el o a dc u r v ei nt h ea x i a ll o c a t i o n t o a n a l y s i st h ef o r m i n gq u a l i t yo fs t e e lb a l lb l a n k w a v e f o r ma c q u i s i t i o ni st h eb a s i so fa n a l y z i n gq u a l i t y c o n s i d e r i n gt h es p e c i a l c o n d i t i o nf o re x t r a c t i n gt h el o a ds i g n a li nb o t t o md i e ，t h i sp a p e rc o n t r a s t i v ea n a l y s i s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff o r c es e n s o r sa n dt h e i re f f e c t st ot h es t e e lb a l lc o l dh e a d i n ga n d t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t t h ep i e z o e l e c t r i cs e n s o ri s u s e dt oo b t a i nl o a ds i g n a li nb o t t o md i e c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r eo fs t e e lb a l lc o l d h t 幂十电效厢的钢球冷敢成彤仟线龄测系统 h e a d i n gm a c h i n e ，s t i f f n e s sa n do t h e rr e q u i r e df a c t o r s ，t h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l i ss e l e c t e da n dd e s i g no ft h ep v d f p i e z o e l e c t r i cm e m b r a n es e n s o ri sd e s i g n e d a f t e r t h a t , t h ea p p r o p r i a t ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o ni ss e l e c t e da n dt h ec o l du p s e t t i n gf o r c ei s c a l c u l a t e dt oc h e c kt h e b e a r i n gc a p a c i t yo ft h es e n s o r e q u i v a l e n tc i r c u i t so f p i e z o e l e c t r i cs e n s o ra n dt h ec h a r g ea m p l i f i e ra n dv o l t a g ep r e - a m p l i f i e ra r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y , t h ea p p l i c a t i o no ft h ev o l t a g ea m p l i f i e ra d 6 2 3w i t hh i 曲i m p e d a n c e i n p u t a sa p r e - a m p l i f i e r i s p r o p o s e d ，w h i c hf e a s i b i l i t y i s t h r o u g ht h e o r ya n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fs y s t e mf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s a n dh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e ma r ee s t a b l i s h e d w bs d e a e dt h e a p p r o p r i a t et h em c u ，d e s i g n e da dc o n v e r s i o nu n i t ，i n t e r a c t i v ei n t e r f a c ec i r c u i t , t h e s y s t e mc l o c ku n i t ，k e y b o a r da n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i t a c c o r d i n gt ot h er e a l i s t i c c o n d i t i o no ft h ef a c t o r y , p c bc i r c u i tb o a r d sa r e d e s i g n e dt a k i n gt h eh a r d w a r e a n t i - j a m m i n gm e a s u r e s s o f t w a r eo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r mi ss u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e db a s e do na n a l y s i s o ft h eo v e r a l ls y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dm o d u l a rp r o g r a m m i n g t h es o f t w a r e m o d u l e s ：s y s t e m i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，t f r d i s p l a ym o d u l e , d a t aa c q u i s i t i o n a n da n a l y s i sm o d u l e ，h m im o d u l ea n dc l o c kr e a d i n ga n dw r i t i n gm o d u l ea r e p r o g r a m m e d ，w h i c h a r et i m e - o r d e r e dc a l l e d b y t h em a i np r o g r a ma n dt h e s u b p r o g r a m s t h el o a ds i g n a li ss c a t t e r e da n dt h ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mi sa c h i e v e d s y s t e mp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e db yt h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e ，t h e q u a l i t ya n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o ni st r a c e db yr e a d i n ga n dw r i t i n gt h es y s t e mc l o c k t oa c h i e v e ，a n dt h ef o r m i n gm o n i t o r i n g s y s t e mi ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e d t h ed a t ao ft h r e ek i n d sf o r m i n gd e f e c t sa r eo b t a i n e di nt h ei n d 州a lf i e l da n d t h el e a r n i n ga n dd i s c r i m i n a t i o na l g o r i t h mf o rt h el o a ds i g n a la r ep r o g r a m m e d u s i n g m a t l a b ，t h ed a t aa r ea n a l y s i s e da n dt h ee f f e c t i v e n e s sa n da c c u r a c yo ft h ec o l d h e a d i n gq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e ma r ev e r i f i e d k e yw o r d s ： s t e e lb a l lc o l d f o r g i n g ；q u a l i t ym o n i t o r i n g ；f o r m i n gs i m u l a t i o n ； p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ；p v d f i v 济南大学硕， 学位论文 1 1 课题的背景 1 1 1 钢球制造工艺简介 第一章绪论弟一早殖可匕 钢球主要用于轴承、阀门、丝杠传动、磨机粉碎、抛光等，是机械、汽车以 及军工、航空航天工业的必不可少的零件【1 1 。钢球表面长期承受恶劣的工作状况， 因此对材料、工艺的各个流程要求都非常高。钢球的基本制造工艺路线大体为： 原材料质量检验一毛坯球制造( 冷热镦，冷热轧制) _ 光磨_ 控制气氛热处理一表 面强化处理一硬磨_ 初研_ 精研i 一精研i i _ 超声波清洗_ 成品检验_ 防锈、 计数和包装【2 1 。 冷镦制坯能够保证产品精度和机械性能，因而中小型钢球( 直径 q ) 1 5 0 砸2 6 9 0 ) 普遍采用此工艺制坯。冷镦作为钢球加工的第一道工序，其成形 缺陷具有扩散性，遗传性、隐蔽性，往往在后续工序中暴露出来，是主要的质量 隐患和次品源划1 。然而，冷镦工序的质量却往往被人忽视，常常依赖于后续 工序修正，这是造成钢球质量差的根本原因之一【5 1 。 1 1 2 钢球冷镦成形中的常见缺陷 钢球坯的冷镦成形质量有4 个测量标准【6 】。图1 1 是钢球坯工艺零件图： d l 娟l 钢球坯直径。d l 值与后续磨削加工有关，太大造成生产成本全线长 扬；太d , 贝j l 给后续加工带来困难，废品率上升。 d r _ 环带直径。 t _ 环带厚度。环带太厚会使钢球在后道研磨加工中产生裂纹而报废，也 会因金属流线被切断太多，成品球机械性能劣化；无环带的钢球坯通常填充型 腔不足，球坯直径过小。 卜球形偏差。这类缺陷是由于冷镦主模与底模同轴度超差，保证模具同 轴度是控制e 值的关键。 在实际钢球冷镦成形过程中，常出现不符合零件成形精度和尺寸偏差的钢球 坯，其常见的钢球冷镦成形缺陷如图1 2 所示【7 】： ( 1 ) 钢球欠冲( 环带过小) 。该缺陷主要表现为钢球无环带，球体成椭圆形， 基于压电效戍的钢球冷镦成形存线膝测系统 钢球坯直径d l 过小。主要原因是棒料长度过短或动模行程距离短，造成棒材塑 性变形不充分进而填充型腔不足。这类钢球毛坯由于球坯直径过小而直接报废。 ( 2 ) 球形偏差e 过大。缺陷原因是模具同轴度超差，造成冷镦力作用点不 在两模具轴线中心，冷镦成形的钢球上下半球错位。 ( 3 ) 环带过扁。这类缺陷由于送料太长或动模行程距离过大，造成塑性变 形过大，过多的的物料料流向环带赤道界面。该缺陷造成毛坯与上下模具胶合， 加速模具损坏；甚至出现电机过载，引起电气故障【引。 图1 1 钢球检验指标图1 2 钢球毛坯的常见成球缺陷 1 1 3 钢球冷镦设备存在的问题 钢球冷镦机已经在国内外被广泛的制造和应用。国外比较有实力的钢球厂 家：日本n t n 公司采用美国国民机械公司生产的高速冷镦机，德国f a g 轴承公 司钢球分厂和g m n 公司钢球分厂采用本国高速高精度自动冷镦机【9 1 。近些年， 我国已成功实现了钢球冷镦设备的国产化，主要生产厂家有洛阳英福数控设备有 限公司、济南顺达钢球设备有限公司、江苏宜兴市锻压机床厂等，钢球冷镦设备 已被钢球生产企业广泛使用，生产能力可达几百万粒月。图1 3 为典型的国产 l d 1 0 0 z 型冷镦机，其加工的钢球毛坯件形状如图1 4 所示。 图1 3l d 1 0 0 z 钢球自动冷镦机图1 4 冷镦毛坯的各种形状 我国的钢球冷镦设备通常只执行机械式的往复动作，与国外相比缺少数显、 微机程控、在线质量监测等技术，缺乏在线质量监测装置，使得设备的结构和机 2 济南大学硕1 ：学位论文 电一体化程度低【1 0 1 。生产过程中的问题不能被及时发现和纠正，造成毛坯质量稳 定性差，次品、易坏品混在合格品之中，严重影响最终成品合格率；同时，质量 信息不可追溯，生产数据缺乏统计和记录，不便于生产落实和责任追究，也限制 了设备的改进和技术升级。在精密钢球加工方面不得不从国外引进钢球冷镦设 备。据统计，进入八十年代以来，我国先后从国外引进先进的钢球专用加工设备 近2 0 0 台，引进了6 条完整的精密钢球生产线。 现阶段国内对钢球冷镦毛坯的检测通常在加工完成后，指派专人负责对所有 的钢球毛坯进行测量，通常采用专用的检测仪和检测器具如量规、样板检具， 这种事后检测方式所用量具精度差、易磨损，并且需投入大量人力物力。在生产 过程完成之后，所以不能及时发现生产过程中的问题，容易生产出大量的次品， 甚至造成机床零部件的永久损坏，检测能力的匮乏成为我国钢球制坯行业发展的 瓶颈。实现对钢球冷镦过程的自动监测和成形缺陷鉴别，能够解决了传统人工检 测效率低、易漏检的问题；实时在线监测及时发现机床故障，提高毛坯质量稳定 性；结合人机交互界面实现过程可视化。 1 2 成形过程质量监测概况 1 2 1 塑性成形在线监测的理论研究 近十年来，国外对冲压过程( 大的塑性和弹性变形的复杂加工过程) 开展了 在线监测方面的研究，加工过程在线监测已成为世界上常见的质量控制方法【1 1 】。 随着信号分析技术从实验室走向车间，基于信号的过程控制广泛应用于金属压力 加工行业( 墩压、冲压、挤压) 1 2 】。波形信号因含有丰富的产品质量参数信息， 已作为冲压在线监测系统的重要信息源被广泛应用，进而实现了质量鉴别和故障 识别1 1 3 1 4 】。载荷和加速度信号是最通用的两个用于监测的信号；接近信号，光 信号等作为辅助监测信号。 ( 1 ) 载荷信号。载荷信号作为冲压力的描述在冲压过程监测和故障诊断方 面扮演者重要的角色【1 5 】。分析载荷信号的波形的变化不但能评定冲压过程的状 态，而且能有效预测出零件的质量。k o h 和l c a p a n ，对载荷信号进行h a 赶变换 用来监测车身曲板生产过程中的大型冲压机；k i m 用人工神经网络和有限元分析 研究冲压过程中力的变化【1 6 】。亚利桑那大学i 拘j i o n g h u aj i n 和密歇根大学的j i a n j u n s h i 将应变传感器安装在压力机支柱上采集正常工况下的应变信号( 间接反应载 3 幂于压电效应的钢球冷镦成形在线崎测系统 荷信号) 的波形，以压力机的曲轴角度作为参考轴x ，将一个冲压循环分成两个 工位的信号【1 7 】【1 8 】；然后，对冲压板材内部的信号，采用小波变换的方法对信号 进行分析，对冲压加工的载荷信号进行自动特征提取，并研究出一种适用于新产 品试制的鉴别算法，不需预先采集故障状态信号和前期知识储备就可成功的鉴别 出故障信号，对料厚不均、动模原始高度、冲压速度的典型参数变化所引起的过 程质量进行了监测【1 9 之0 1 。 上海交通大学的董亦非对冲压波形监测并研究了鉴别算法，利用压阻应变式 压力传感器采集冲压力，利用a r m 7 作为处理核心，利用m a t l a b 的计算绘图功 能，实现了信号的分析和特征提取，成功实现了端子线压接设备的压线质量在线 监测【2 1 1 。韩国大学的j i h y u nk i m ( 2 0 0 6 ) 和南佛罗里达大学的黄强等，研究了复 杂锻造过程的信号分析一故障质量监测，工况改变使得载荷信号的轮廓发生改 变；对曲轴锻造过程中的多路信号采集从而获得的工业数据，并利用主曲线算法 监测多通道的载荷信号的曲线轮廓变化，实现了特征提取和载荷信号的识别【勿。 浙江大学的雷勇教授通过自动监测多工位锻造过程中的载荷信号，并且通过鉴别 各自工位的局部频率范围将信号分离，并用小波变换实现自动提取信号特征，实 现了丢失零件的判别【2 3 1 。 ( 2 ) 用加速度信号分析，实现质量监测。香港中文大学的g c z h a n g 研究的 焦点是采用双谱分析加速度信号来鉴别冲压操作中的故障，研发了一种简化计算 量的新型双谱方法，并搭建实验平台实现冲压过程监测，成功实现了对板材厚薄、 段塞两类缺陷的鉴别【2 4 1 。 1 2 2 压力加工过程监测的实现及应用 通过对加工过程中的信号进行采集分析，在线监测产品质量和故障，已成为 实现塑性成形设备监控的关键技术。国外现已研发出压力加工过程监测仪器。 ( 1 ) 通过在冲压机、冷镦机的关键位置安装应变( 应力或加速度) 传感器 对应变( 载荷或振动) 信号进行实时监测和记录，并通过自学习算法自动建立生 产监测标准，在线提取并分析信号特征，从而实现了加工过程监测、质量的追踪 及优化、和异常报警及设备保护等功能【2 5 】。以德 雪b r a n k a m p 公司最有代表性， 图1 5 为b r a n k a m p 螺栓成形监测仪，以及信号识别分析质量故障。该监控仪已经 实现全过程监控，实时校准工件质量，记录过程数据，生成最佳机床工作参数； 4 济雨大学硕 = 学位论文 并可鉴别出模具损坏、线材损伤等，选出错误部件，控制机器运行，使机床自动 化水平和加工精度显著提耐2 6 】【2 7 】。该设备已成功应用于大众、奔驰、福特等名 牌汽车零件的冲压加工设备和无人值班的生产线上，将设备利用率提升到9 0 以 | ：二。 。l 糖 ：， _ j y ：- 4p i j y 一 爱一。_ ( a ) 成形监测仪安装( b ) 螺栓成形监测界面 图1 5 钢球冷镦成形监测仪及监测界面 ( 2 ) 美国b ym a r kel o z e l l e 采用基于信号的过程控制，缩短四滑块机构装 配工件调整时间。在两个实验站点：( w a l k e ri n c o r p o r a t i o n 和p e r f e c t i o ns p r i n ga n d s t a m p i n gi n c ) 获得了力信号随曲轴角度的变化曲线，并将曲线显示出来，作为 交互式调整的参考。通过鉴别故障和正常运行时力信号的曲线差异，定位装配不 合格的故障点，最终实现了四滑块机构产品质量鉴别和装配过程监测，提高了四 滑块机构的安装和工作效率，使加工过程保持良好的一致性和可重复性【2 8 】。 1 2 3 过程监测方法的对比 载荷信号的提取与分析是实现塑性成形过程的监测普遍应用的技术方法，这 一方法理论研究较为成熟【2 9 】。利用载荷信号分析作为监测塑性加工成形过程的优 势在于：设备的塑性加工过程的动态载荷信号包含了丰富的加工动态信息，保真 度高；通过选取合适的监测点安装力传感器，便于提取稳定性高的载荷信号；信 号特征提取简单，墩压力与成形过程能够很好的对应，方便提取不同阶段的加工 有效信息。但对传感器安装要求较高，需要减少对加工过程的影响，同时要抵制 油污等。 加速度信号易于获取，只需简单的安装和校准就能获得；成本很低。采用加 速度信号作为监测信号分析应用在车间也有其限制条件而必须经过预处理。首 先，它不可避免的对所有种类的测量噪声和环境噪声敏感，比如附近冲压机的振 动。第二，只能反应塑性加工阶段的动态变化信息，难以提取冲压平稳过程中缓 5 一b 一匿一 幂于压电效应的钢球冷镦成形稚：线崎测系统 慢变化的信号特征。因此，它的应用也受到了限制。 1 3 本文内容 本文针对钢球冷镦成形在线监测系统进行研究，主要完成以下内容： 第一章，在分析钢球冷镦制坯工艺和成形缺陷的基础上，综合国内外塑性 加工过程在线监测技术，提出了通过监测载荷信号的动态特征实现成形质量的 在线鉴别。 第二章，分析了钢球冷镦的成形原理，并建立冷镦运动系统的数学模型。 通过塑性加工专用的仿真软件d e f r o m ，考虑主模变速运动和材料塑性参数完 成了对正常工况、环带缺陷和球形偏差的成形过程的数值模拟。获得底模载荷 曲线和反应成形缺陷信息的信号特征：起始点、拐点、峰值，从而从理论上论 证了采用载荷波形信号分析成形质量的可行性并为信号鉴别提供理论指导。 第三章，设计了p v d f 薄膜式压电传感器和电荷放大器，实现了对冷镦模 具载荷