CN104308060B - 一种用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，包括动、静模位移信号采集装置，位移信号采集装置与单片机控制***相连，单片机控制***与人机界面相连，所述的动、静模位移信号采集装置采集动模、静模之间的位移变化，并将位移变化转化为电压变化；所述的电压信号传输给单片机控制***，所述的单片机控制***对电压信号进行处理后，在人机界面上显示。本发明在传统冷镦过程的基础上增加在线监测***，使得生产效率大大提高，及时发现冷镦过程中的问题，在节约人力的同时提高了产品质量的一致性，实现了对于冷镦过程球坯成形的在线监测。

Description

一种用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法

技术领域

本发明涉及一种用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法。

背景技术

钢球作为机械装备领域的关键零件，主要用于轴承、阀门、丝杠传动、抛光等，是机械、汽车行业以及军工、航空航天工业必不可少的零件。目前国内钢球的基本加工工艺过程为：原材料→冷镦→光球→热处理→硬磨→初研→精研→超精研→光学外观→清洗防锈→成品检验→包装。冷镦制坯能够保证良好的产品精度和机械性能，因而中小型钢球制坯普遍采用冷镦加工工艺。冷镦作为钢球加工的第一道工序，其成性缺陷具有扩散性、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头。环带缺陷(无环带或环带过大)是钢球成行过程中的主要质量缺陷。

目前国内钢球冷镦设备只执行机械式的往复运动，缺乏过程检测；传统的采用专用检测器具进行人工检测的方法，检测效率低，量具易磨损，生产过程中问题不能被及时发现和纠正，造成毛坯质量稳定性差，合格钢球毛坯中往往混杂着坏品，严重影响成品合格率。

在专利申请号为[201310519608.0]中公开了一种钢球高速冷镦机的自动检测装置,，包括固定在冷镦机机架上的PLC、冷镦机面板1、模块2、固定模壳3、固定球模4、活动模壳5和活动球模6，所述模块2与冷镦机面板1固定连接，固定模壳3通过垫板9固定安装在模块2上，固定球模4安装在固定模壳3内，活动球模6安装在活动模壳5内，活动模壳5通过偏心轮与冷镦机的高速电机连接，该自动检测装置还包括压力传感器7；在冷镦机的面板1上设有孔8，孔8内装入压力传感器7，压力传感器7通过导线与冷镦机上PLC连接；

现有专利的自动检测装置,压力传感器需要安装在冷镦机面板上的孔内，安装不方便，并且在现有冷镦机的基础上进行设备改造麻烦，需要重新打孔来安装传感器；采用PLC控制，成本较高。并且只通过获取冲击压力的值来根据压力范围判断球是否合格的方法并不全面，应根据冷镦过程中压力--时间信号建立包络曲线判断。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种用于钢球冷镦成形的在线监测***，通过对冷镦过程中动模、静模位移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，在线提取监测并分析信号特征，在加工过程中实时监测冷镦球坯时间-位移曲线，通过相关分析算法分析与生产监测标准的匹配程度，使得生产过程中有问题被及时发现，具有质量追踪及优化、异常报警及设备保护等功能。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种用于钢球冷镦成形的在线监测***，包括动、静模位移信号采集装置，位移信号采集装置与单片机控制***相连，单片机控制***与人机界面相连，所述的动、静模位移信号采集装置采集动模、静模之间的位移变化，并将位移变化转化为电压变化；所述的电压信号传输给单片机控制***，所述的单片机控制***对电压信号进行处理后，在人机界面上显示。

所述的动、静模位移信号采集装置包括微位移电涡流传感器、安装在冷镦机固定模壳上的固定支架和安装在活动模壳上且用于传感器感应的固定感应块；所述的微位移电涡流传感器安装在固定支架上。

所述的单片机控制***主要包括单片机芯片，A/D转换模块，报警装置。A/D转换模块和报警装置均与单片机芯片相连；

所述的报警装置主要包括继电器和红色报警灯，继电器来控制报警灯电路的通断；

所述的人机界面为触摸屏人机界面，通过串口线与单片机芯片的串口通信连接；

所述的微位移电涡流传感器、单片机控制***、人机界面均通过***控制电源电路供电；

所述的***控制电源电路包括旋钮开关、电源指示灯以及工业级AC-DC开关电源，AC-DC开关电源将220V交流电转换成24V和5V直流电输出。

微位移电涡流传感器通过电涡流效应的原理，准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置，并位移变化转化为电压变化。将微位移电涡流传感器及感应块分别安装在静模和动模一侧，生产过程中冷镦胎体的距离变化转变为电压变化信号。

动、静模位移信号采集装置用于对冷镦过程中动模、静模之间位移变化的信号进行采集；

人机界面用于显示冷镦过程中位移信号的变化参数及冷镦机工作状态；

单片机控制***用于将位移传感器采集到的位移信号处理后送到人机界面实时显示，通过自学习算法将一段稳定生产过程中的位移信号记录下来，并且自动建立包络曲线作为生产监测标准，在加工过程中实时监测冷镦球坯时间-位移曲线，通过相关分析算法分析与生产监测标准的匹配程度，当实际生产过程测试信号超出包络曲线时产生报警信号或者自动关闭机械设备电源；

所述的在线监测***的监控方法如下：

首先是对监测***进行学习训练过程，通过学习训练建立工作模板，主要包括3个步骤：

步骤1：在操作人员的监控下，并由操作人员判断钢球成形的质量是否合格，只记录合格钢球毛坯的时间-位移信号；

步骤2：对合格的钢球毛坯进行离散采样,具体如下:

对n个冷镦钢球合格信号采样；每个信号经A/D转换后，离散为一个长度固定为j的数组[x_ij](i＝1，2…n),(j＝1,2…N)；这样将每个载荷信号由连续模拟量变为离散点，为中值滤波提供数值来源。这样将每个载荷信号由连续模拟量变为离散点，为中值滤波提供数值来源。

步骤3：循环中值滤波：

对n组数据中每个对应点进行升序排列，选择中间的x(x＞3)个数据进行保存；如果有新数据，再进行n-x组波形的采样，组成n组数据，升序排列；但记录下哪些是以前保留下来的旧数据，哪些是新的数据；根据新旧数据各种不同的排列可能，得到x组新的波形信号，如此循环。如果没有新波形输入则从每个点剩余的x个数据中，选择中间的数据进行保存，得到标准波形信号，自动建立包络曲线作为生产监测标准，保存在单片机***中；

上面的n，x均表示自然数。

在监测***进行完学习训练之后，进入正常生产工作阶段，进入到步骤4。正常工况下，每次冷镦过程的时间-位移信号曲线的特征指标与模板基本相同，一旦出现成形故障，信号曲线就会产生相应的异常变化。

步骤4：在生产阶段检测时，通过微位移电涡流传感器随时采集动、静模位移信号，采用相关分析算法将所采集的信号与步骤3中的生产监测标准进行匹配运算，当实际生产过程测试信号超出包络曲线时产生报警信号或者自动关闭机械设备电源，当没有超出包络曲线时，设备正常运行。

本发明的有益效果：

在本发明中采用微位移传感器监测动模位移x随时间t变化的关系，采集料段在成形过程中成形质量的变化规律，采用自学习算法自动建立包络曲线作为生产监测标准，根据位移曲线上的每一点可自动分析计算最佳包络曲线的宽度。在实际生产过程中，模具磨损、料段变长、变短等环节出现异常时，位移信号变化就会在包络曲线上反映出来；

本发明在传统冷镦过程的基础上增加在线监测***，使得生产效率大大提高，及时发现冷镦过程中的问题，在节约人力的同时提高了产品质量的一致性，实现了对于冷镦过程球坯成形的在线监测。

附图说明

图1钢球冷镦机构原理图；

图2(a)-(b)自动学习包络曲线示意图；

图3标准信号学习算法流程图；

图4传感器安装图；

图5单片机控制***图；

图6***功能结构图；

图中：1.偏心轮2.连杆3.滑块4.调整块5.动模6.定模。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示是冷镦运动的结构原理简图，图中包括偏心轮1，连杆2，滑块3，调整块4动模5，定模6。钢球冷镦机冷镦过程可以简化为曲柄滑块机构带动动模运动，从而使棒料在动、静模之间挤压变形，最终冷镦成球。其中调整块可以上下调整，用于调节动模的最大行程(即调整动模的终止位置)，从而调整钢球毛坯的环带大小。

在图中建立坐标系，计算滑块的位移x关于角度θ的关系式。由于滑块和偏心轮的偏转中心同轴，故在△OAB中，OB的横坐标，即动模位移运动方程为：

$x=r\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{l^2-r^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}$

由于θ＝ωt，代入上式，将动模位移随角度的运动规律转化为位移随时间的运动函数：

$x=r\cos \mathrm{\ωt}+\sqrt{l^2-r^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}}$

当冷镦机空载时，动模位移x随角度θ、时间t的运动函数如上面两个公式所示。当在实际冷镦生产过程中，从料段到冷镦成球坯的过程会有应力应变产生，料段在冷镦的过程中会对动模产生反作用力，反作用力会使得曲柄、连杆产生弹性变形。因此在冲压冷镦的过程中，动模位移x随角度θ、时间t的运动函数关系将不再是上面公式所述，会发生一定的变化。

基于上述原理，本发明公开了用于钢球冷镦成形的在线监测***，包括动、静模位移信号采集装置，位移信号采集装置与单片机控制***相连，单片机控制***与人机界面相连；

如图4所示位移信号采集装置安装微位移电涡流传感器的固定支架和对位移传感器进行感应的感应块，将位移传感器固定在支架的孔内，通过上部的两个螺纹孔用螺钉紧固，支架用两侧的四个螺钉固定在固定模壳一侧。传感器具有工作可靠性好、测量范围广、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质影响等优点。将采集到的位移信号转化为电压信号送入单片机；

如图5所示单片机控制***包括单片机芯片，A/D转换模块，报警装置。A/D转换模块和报警输出装置均与单片机芯片相连，人机界面和单片机通过UART0通信；

如图6所示为***人机界面的设计图，主要有四个界面组成，分别是①开机界面、②主页界面、③学习模式界面、④参数设置界面。

在使用时，打开***电源电路中的旋钮开关，电源指示灯亮，人机界面上电后首先显示开机界面，点击开机界面中“进入”后进入到主页界面；在主页界面左侧可以实时显示订单量、实际完成量、订单余量、剩余加工时间、加工速率等信息，右侧包括学习模式、生产模式、参数设置、帮助等选项，中间部分为位移信息显示区域，只要将采集到的位移量以柱状图的形式实时显示；点击“学习模式”进入到学习模式后，显示学习模式界面，在学习模式界面点击“启动”后开始学习模式，界面显示正在学习并记录学习结果，1-2分钟以后点击“停止”按钮，此时绘图框将显示学习结果然后进行保存，建立生产监测标准；在生产模式下，绘图框实时显示传感器采集到的位移信息变化并与建立的生产监测标准进行比对，当一段时间内与监测标准差别较大时，报警装置工作，提醒工人要停机，对冷镦机进行调节后继续生产；在参数设置界面可以设置绘图区X轴跟Y轴的参数。

***主要功能：

(1)质量分析：在线分析位移信号，建立生产监测标准，鉴别成形缺陷；

(2)数据存储与读取：利用人机界面屏幕内部FLASH，将过程数据，生产统计信息等存储到***；

(3)显示模块：实现可视化操作、交互式设置。实现重要数据的实时显示，包括：动态曲线、冲击能量的柱状图、操作设置菜单等；

(4)时间标签：将加工信息与加工时间对应，实现产品轮班统计和历史记录查询；

(5)参数设定：人机交互式设置重要参数，如内部增益、位移信号采样率等；

(6)重要参数掉电记忆：保存设置好的参数，开机自动读取，非初次使用的监测装置免设置。

在本发明中采用微位移传感器监测动模位移x随时间t变化的关系，采集料段在成形过程中成形质量的变化规律，采用自学习算法自动建立包络曲线作为生产监测标准，根据位移曲线上的每一点可自动分析计算最佳包络曲线的宽度。在实际生产过程中，模具磨损、料段变长、变短等环节出现异常时，位移信号变化就会在包络曲线上反映出来，如图2为自动学习包络曲线示意图；

钢球冷镦成形的在线监测***运行学习算法时，在操作人员的监控下并由操作人员判断钢球成形的质量是否合格，只记录合格钢球毛坯的位移信号。如图3所示列出了标准信号学习算法流程，通过数据采集得到离散化载荷信号数据点，将整个波形的学习修正为对点的学习。主要有采样离散和循环中值滤波两步。

(1)采样离散：进行n个冷镦钢球合格信号采样；每个信号经A/D转换后，离散为一个长度固定为N的数组[x_iN](i＝1，2…n)。这样将每个载荷信号由连续模拟量变为离散点，为中值滤波提供数值来源。

(2)循环中值滤波：对n组数据中每个对应点进行升序排列，选择中间的3个数据进行保存。如果有新数据，再进行n-3组波形的采样，组成n组数据，升序排列；但记录下哪些是以前保留下来的旧数据，哪些是新的数据。由于旧数据已经过筛选，所包含的信息量比新数据大，其优先权高，根据新旧数据各种不同的排列可能，得到3组新的波形信号，如此循环。如果没有新波形输入则从每个点剩余的3个数据中，选择中间的数据进行保存，得到标准波形信号。

Claims (7)

1.用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法,其特征在于,在线监测***包括动、静模位移信号采集装置，位移信号采集装置与单片机控制***相连，单片机控制***与人机界面相连，所述的动、静模位移信号采集装置采集动模、静模之间的位移变化，并将位移变化转化为电压变化；所述的电压信号传输给单片机控制***，所述的单片机控制***对电压信号进行处理后，在人机界面上显示；监控方法包括如下步骤：

步骤1：在操作人员的监控下，并由操作人员判断钢球成形的质量是否合格，只记录合格钢球毛坯的时间-位移信号；

步骤2：对合格的钢球毛坯进行离散采样,具体如下：

对n个冷镦钢球合格信号采样；每个信号经A/D转换后，离散为一个长度固定为j的数组[x_ij](i＝1，2…n),(j＝1,2…N)；这样将每个载荷信号由连续模拟量变为离散点，为中值滤波提供数值来源；

步骤3：循环中值滤波：

对n组数据中每个对应点进行升序排列，选择中间的x(x＞3)个数据进行保存；如果有新数据，再进行n-x组波形的采样，组成n组数据，升序排列；但记录下哪些是以前保留下来的旧数据，哪些是新的数据；根据新旧数据各种不同的排列可能，得到x组新的波形信号，如此循环；如果没有新波形输入则从每个点剩余的x个数据中，选择中间的数据进行保存，得到标准波形信号，自动建立包络曲线作为生产监测标准，保存在单片机***中；

在监测***进行完学习训练之后，进入正常生产工作阶段，进入到步骤4；

步骤4：在生产阶段检测时，通过微位移电涡流传感器随时采集动、静模位移信号，采用相关分析算法将所采集的信号与步骤3中的生产监测标准进行匹配运算，当实际生产过程测试信号超出包络曲线时产生报警信号或者自动关闭机械设备电源，当没有超出包络曲线时，设备正常运行。

2.如权利要求1所述的用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，其特征在于：所述的动、静模位移信号采集装置包括微位移电涡流传感器、安装在冷镦机固定模壳上的固定支架和安装在活动模壳上且用于传感器感应的固定感应块；所述的微位移电涡流传感器安装在固定支架上。

3.如权利要求1所述的用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，其特征在于：所述的单片机控制***包括单片机芯片，A/D转换模块，报警装置；A/D转换模块和报警装置均与单片机芯片相连。

4.如权利要求3所述的用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，其特征在于：所述的报警装置主要包括继电器和红色报警灯，继电器来控制报警灯电路的通断。

5.如权利要求1所述的用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，其特征在于：所述的人机界面为触摸屏人机界面，通过串口线与单片机芯片的串口通信连接。

6.如权利要求2所述的用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，其特征在于：所述的微位移电涡流传感器、单片机控制***、人机界面均通过***控制电源电路供电。

7.如权利要求6所述的用于钢球冷镦成形的在线监测***的监控方法，其特征在于：所述的***控制电源电路包括旋钮开关、电源指示灯以及工业级AC-DC开关电源，AC-DC开关电源将220V交流电转换成24V和5V直流电输出。