何述平，陳立軍，唐 倩，陳 銳，付磊磊

（1.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 401120；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)白熱化階段的到來(lái)，現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)對(duì)汽車(chē)的外觀、強(qiáng)度等要求越來(lái)越高，因而對(duì)沖壓模具及加工精度的要求也愈發(fā)更高，在汽車(chē)制造過(guò)程中模具工裝的質(zhì)量及壽命就顯得相當(dāng)重要。目前沖壓模具工裝在生產(chǎn)維護(hù)中主要存在模具線下維修次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)、模具維修費(fèi)用高、壽命短、模具工裝當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控缺失等難點(diǎn)問(wèn)題[1,2]。

這些問(wèn)題的普遍存在最終會(huì)大幅降低汽車(chē)零部件產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，尤其是模具運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的缺失，拉開(kāi)了我國(guó)汽車(chē)行業(yè)與世界頂級(jí)汽車(chē)公司的差距。國(guó)外J Jin等[3]在基于信號(hào)分段原則的條件下，采用壓力壓噸位傳感器對(duì)壓力或連桿的立柱進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)；N Mahayotsanun等[4]綜合運(yùn)用位移傳感器去監(jiān)測(cè)模具間的裂紋和運(yùn)用壓力傳感器去監(jiān)測(cè)模具和工件間的壓力。國(guó)內(nèi)對(duì)模具檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也做了一定量的研究，包括對(duì)大型沖壓機(jī)的力-位移信息、故障信息和模具數(shù)據(jù)庫(kù)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]、對(duì)自動(dòng)化沖壓加工中的模內(nèi)廢料的檢測(cè)[6]、對(duì)壓力和溫度的檢測(cè)[7]以及基于MEMS采用加速度傳感器來(lái)獲得X、Y、Z軸方向上的機(jī)身與下模座之間的相對(duì)加速度信號(hào)，可以清楚地分辨沖壓過(guò)程的各個(gè)階段[8]。以上對(duì)沖壓模具的監(jiān)測(cè)大多都存在監(jiān)測(cè)效率低下、檢測(cè)項(xiàng)目單一、自動(dòng)化程度低等缺陷，無(wú)法對(duì)整套模具進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，在整套沖壓模具工序中，溫度、壓力、異物廢料的檢測(cè)都與產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)，他們之間存在著非線性、實(shí)變性和強(qiáng)耦合的復(fù)雜關(guān)系，因此單一的檢測(cè)項(xiàng)目并不能全面地對(duì)整套模具的工藝進(jìn)行研究。

針對(duì)以上各種問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)一套沖壓模具智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)沖壓模具工裝生產(chǎn)中的多項(xiàng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判定，為模具工裝的使用狀態(tài)及使用過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)控提供了一個(gè)可量化的監(jiān)控參考，在逐步使用和完善本系統(tǒng)的過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)能的提高起到積極的不可替代的作用，最終對(duì)提高沖壓生產(chǎn)線的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

1 模具檢測(cè)系統(tǒng)的功能

模具檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各種傳感器的數(shù)據(jù)信息傳送至監(jiān)控中心。

具體檢測(cè)項(xiàng)目流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

通過(guò)安裝在平衡塊和頂桿上的壓力傳感器監(jiān)測(cè)測(cè)試點(diǎn)上各頂桿的受力數(shù)據(jù)，當(dāng)其受力超過(guò)規(guī)定的閥值時(shí)提供報(bào)警信息并提醒操作人員進(jìn)行頂桿的維護(hù)或者更換，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)變形情況，以保證生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。模具在每次沖壓之后，其表面溫度之高甚至能影響到工件的變形質(zhì)量，因此需對(duì)其型面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)紅外熱像儀對(duì)模具型面進(jìn)行攝像采集，測(cè)量視場(chǎng)范圍內(nèi)的模具溫度，確定溫度最高點(diǎn)及最低點(diǎn)區(qū)域，根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)完善幾者之間的相關(guān)性模型，從而得到報(bào)警信息，提醒操作人員進(jìn)行相關(guān)的操作以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。坯料異物檢測(cè)、模具中的廢料滑槽監(jiān)測(cè)和斜楔復(fù)位檢測(cè)都是具有類(lèi)似的功能，當(dāng)檢測(cè)量超過(guò)其所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警提醒工作人員進(jìn)行檢查和維護(hù)。

軟件系統(tǒng)功能主要是對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，主要有如下功能模塊：1）數(shù)據(jù)顯示：壓力、溫度、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息的圖形顯示和視頻顯示功能；2）數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、報(bào)警數(shù)值設(shè)定功能；3）數(shù)據(jù)輸出：報(bào)警信號(hào)輸出（聲音及圖形閃爍報(bào)警）、歷史數(shù)據(jù)的輸出；4）輔助功能：通過(guò)控制軟件系統(tǒng)的人機(jī)界面選擇要查看的數(shù)據(jù)信息、通訊口設(shè)置、計(jì)算功能及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能。

2 模具檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了合理的沖壓模具的結(jié)構(gòu)以安裝壓力傳感器、紅外熱像儀器，異物廢料及斜楔復(fù)位等檢測(cè)裝置，同時(shí)設(shè)計(jì)出高效的多線程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速同步采集壓力、溫度、圖像和報(bào)警信號(hào)。

2.1 平衡塊和頂桿的壓力檢測(cè)

本系統(tǒng)采用壓電式壓力傳感器對(duì)于平衡塊和頂桿進(jìn)行壓力檢測(cè)，壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的，由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：q=ksp，式中q為電荷量；k為壓電常數(shù)；s為作用面積；p為壓力。通過(guò)測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小，電荷量用電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓輸出，每10mV電壓代表輸出1000N的壓力，輸出信號(hào)與被測(cè)壓力值亦呈線性關(guān)系。在配用電壓放大器時(shí)，采用將多個(gè)壓電元件串聯(lián)的方式來(lái)提高傳感器的靈敏度。壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；測(cè)量范圍寬，可測(cè)100MPa以下的壓力；測(cè)量頻率響應(yīng)高，可達(dá)10KHz，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感器。由于該沖壓模具是采用液壓的方式，沖壓的瞬間壓力很大，對(duì)壓力傳感器的沖擊力較大，采用壓電式壓力傳感器可以避免其由于變形而失效，一般的壓力傳感器當(dāng)其超過(guò)其最大變形量時(shí)，其工作壽命就會(huì)大大縮短。

由于模具中平衡塊和頂桿較多，為此只對(duì)其中一部分進(jìn)行監(jiān)控，各選取16個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壓力測(cè)試，兼顧對(duì)稱(chēng)原則，平衡塊和頂桿的壓力傳感器安裝位置如圖2、圖3所示。

圖2 模具中平衡塊上的壓力傳感器安裝布局圖

圖3 模具中頂桿上的壓力傳感器安裝布局圖

2.2 模具型面的溫度檢測(cè)

由于模具工作環(huán)境非常惡劣，例如振動(dòng)、噪聲較大，如果選擇接觸式的溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試不但會(huì)縮短傳感器本身的壽命，對(duì)模具檢測(cè)表面質(zhì)量也會(huì)造成損傷，而且接觸式的溫度傳感器精度較低，因此選擇非接觸式的紅外熱像儀進(jìn)行溫度檢測(cè)。紅外熱像儀主要是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。

該溫度檢測(cè)裝置具有不受環(huán)境影響的精確測(cè)溫和高速采集溫度數(shù)據(jù)流、自定義速率回放等精確的在線測(cè)溫功能；它還具有熱像儀集群控制-Thermo Group溫度數(shù)據(jù)多用戶的同步分發(fā)、協(xié)同分析的紅外集群控制功能；此外，它能24小時(shí)不間斷監(jiān)控，最高可以100M以太網(wǎng)輸出50Hz溫度數(shù)據(jù)和H.264可見(jiàn)光視頻。一根網(wǎng)線即可完成紅外/可見(jiàn)光雙流數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)方控制功能，可設(shè)定溫度閾值，超過(guò)溫度后自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)抓圖、錄像，可保存溫度流數(shù)據(jù)并回放；還可選擇不同焦距的鏡頭進(jìn)行不同范圍的監(jiān)控；可選配無(wú)線路由、GSM/GPRS短信/彩信模塊、3G模塊無(wú)線傳輸。該檢測(cè)方式能夠?qū)?shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分層顯示，即不同的顏色所代表的溫度的不同，顏色越深，溫度越高，這樣便可直接觀察其溫度的分布。

為了保護(hù)紅外熱像儀的壽命，本檢測(cè)系統(tǒng)紅外熱像儀安裝在模具旁邊的橫梁上，既保證了紅外熱像儀的安全，又可對(duì)模具整個(gè)型面進(jìn)行溫度監(jiān)控。

2.3 模具表面的異物檢測(cè)

生產(chǎn)過(guò)程中由于模具表面常有些較大的異物，例如螺絲釘、鐵屑等流落到工件表面，易對(duì)其下一道工序造成不可估量的影響，輕者會(huì)對(duì)工件質(zhì)量造成損壞，重者對(duì)模具造成損傷，因此對(duì)坯料異物檢測(cè)也是監(jiān)控系統(tǒng)重要的一環(huán)。針對(duì)于坯料異物檢測(cè)，工作過(guò)程為通過(guò)高清攝像頭對(duì)模具表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后把拍攝的畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)綀D像比較器，經(jīng)圖像比較器處理后由顯示器顯示，其檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 模具表面異物檢測(cè)

該檢測(cè)裝置采用的是VA2001圖像比較器，當(dāng)自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，該裝置通過(guò)設(shè)像頭掃描模具表面，采集圖像并與之前拍攝的標(biāo)準(zhǔn)圖形比較，若檢查出模具有異物并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)異物呈現(xiàn)紅色，維修工作人員進(jìn)行維修。該異物檢測(cè)裝置采用的是全嵌入式結(jié)構(gòu)，具有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種比較模式，其具有方便的操作設(shè)定：除了可實(shí)現(xiàn)抓圖、半透明顯示、靈敏度可調(diào)以及多參數(shù)存儲(chǔ)等功能外，還采用了前后雙向視頻圖像檢測(cè)、精準(zhǔn)插值圖像信息，其采取的特殊算法使VGA輸出與攝像機(jī)的采集分辨率顯示為1:1，可以在顯示器上清晰的顯示。圖像比較器與高清攝像頭之間采用NTSC自動(dòng)識(shí)別，傳送的信號(hào)為AV信號(hào)，圖像比較器輸出配置接口為RS232，輸出信號(hào)為VGA模擬信號(hào)，其工作速度可達(dá)60次/ms。

2.4 廢料滑槽的檢測(cè)

在切邊或者沖孔的工序中，其產(chǎn)生的廢料會(huì)經(jīng)?？ㄔ诨壑胁荒芘懦?，從而影響生產(chǎn)效率。為了避免此種情況的發(fā)生，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了關(guān)于廢料滑槽的監(jiān)控裝置，本裝置主要由微型攝像頭配合光電傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)監(jiān)控。其主要工作流程如圖5所示。

具體檢測(cè)工作過(guò)程如下：

1）在生產(chǎn)過(guò)程中，每沖壓一次，廢料理論上會(huì)從孔中滑落一次，光電開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)一次；

2）如果出現(xiàn)沖壓三次以上，光電開(kāi)關(guān)沒(méi)有計(jì)數(shù)，或者是沖壓次數(shù)大于光電開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)的次數(shù)3次以上，則認(rèn)為廢料卡住了；

3）廢料卡住后，進(jìn)行報(bào)警，操作人員通過(guò)攝像頭觀察，進(jìn)一步確認(rèn)卡料情況；

4）清除卡料后，系統(tǒng)自動(dòng)清除報(bào)警狀態(tài)，光電開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)恢復(fù)，并啟動(dòng)正常生產(chǎn)。

2.5 斜楔復(fù)位的檢測(cè)

在沖壓生產(chǎn)中斜楔的復(fù)位通過(guò)彈簧及氮?dú)飧讈?lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于復(fù)位元件的原因?qū)е滦毙ú荒苷?fù)位，會(huì)影響后面模具的正常工作。以前都是根據(jù)沖壓的結(jié)果來(lái)預(yù)知斜楔是否復(fù)位，這樣大大降低了生產(chǎn)效率，為了提高其加工精度和自動(dòng)化程度，本系統(tǒng)采用接近開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，如果斜楔不能復(fù)位，接近開(kāi)關(guān)采取不到信號(hào)，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警裝置，這樣工人就可根據(jù)報(bào)警聲來(lái)對(duì)其進(jìn)行維修。

圖5 廢料滑槽裝置的流程圖

結(jié)合以上的檢測(cè)實(shí)施方案，同時(shí)開(kāi)發(fā)多線程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，同步高速采集平衡塊和頂桿壓力、模具型面溫度信號(hào)、高速攝像機(jī)信號(hào)和視頻信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)模具信息的全面在線檢測(cè)。

3 軟件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)采用Qt軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，因?yàn)镼t的良好封裝機(jī)制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)非常方便。該系統(tǒng)可用于企業(yè)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，具有很好的通用性和跨平臺(tái)性，可以實(shí)現(xiàn)某一個(gè)檢測(cè)信息的多用戶設(shè)置和多功能監(jiān)控，可供遠(yuǎn)程觀看。軟件具有重用性、互操作性等特點(diǎn)，用戶可根據(jù)其特點(diǎn)選擇所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行察看分析，系統(tǒng)主界面的參數(shù)設(shè)置可以針對(duì)不同的監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行調(diào)看，參數(shù)設(shè)置主要包括：測(cè)試點(diǎn)編號(hào)、測(cè)試點(diǎn)名稱(chēng)，測(cè)試點(diǎn)內(nèi)容和測(cè)試點(diǎn)布置等，系統(tǒng)軟件主界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件主界面

系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種顯示，包括圖形顯示、表格顯示以及數(shù)字顯示等，數(shù)據(jù)系統(tǒng)顯示的平臺(tái)是基于Windows系統(tǒng)的界面，顯示界面流暢清晰，其中平衡塊和頂桿上的壓力傳感器顯示是根據(jù)模具圖中實(shí)際的位置在界面上相似布置，和實(shí)物圖保持一致。

系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)各種采集到的數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種警報(bào)信息和使用記錄，最重要的是該系統(tǒng)能夠?qū)χ虚g數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)保存。用戶設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等系列初始參數(shù)存儲(chǔ)于原始程序數(shù)據(jù)庫(kù)中；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，用來(lái)保存最近一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)信息；以往的數(shù)據(jù)存放在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中用于保存所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，可供工作人員隨時(shí)查看以前的數(shù)據(jù)，當(dāng)歷史數(shù)據(jù)足夠大時(shí)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)、分析從而得出沖壓模具發(fā)生事故的規(guī)律。

當(dāng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的報(bào)警閾值時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警聲，不同的監(jiān)控項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的報(bào)警聲不同，對(duì)于報(bào)警信息系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存記錄。報(bào)警記錄包括檢測(cè)項(xiàng)目名稱(chēng)、檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)位置等。當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)后，操作人員則會(huì)根據(jù)報(bào)警信息對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行確定和維修，為了避免發(fā)生誤報(bào)警的情況，系統(tǒng)允許用戶進(jìn)行有權(quán)限限制的監(jiān)控設(shè)備檢修和檢修后待用的屏蔽報(bào)警的操作，提供有權(quán)限限制及操作記錄的報(bào)警參數(shù)設(shè)置功能。

4 檢測(cè)裝置的加工制造

壓力傳感器與平衡塊、頂桿之間采用的螺紋型號(hào)為M12×20，對(duì)于沒(méi)有安裝傳感器的平衡塊和頂桿，為了保持高度一致，在其原有的基礎(chǔ)上安裝平衡墊塊，平衡墊塊和壓力傳感器的型號(hào)完全一致，和平衡塊及頂桿也是螺紋連接。模具型面的溫度檢測(cè)采用四川富爾曼科技有限公司的FOTRIC626型號(hào)的紅外熱像儀及SDK開(kāi)發(fā)包等熱像機(jī)電，紅外熱像儀用螺柱固定在模具旁邊一側(cè)的立柱上。模具表面異物檢測(cè)采用的是杭州炫視科技有限發(fā)展公司的VA2001智能分析比較器。廢料滑槽的檢測(cè)采用的是攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控和光電計(jì)數(shù)器配合計(jì)數(shù)，攝像頭采用的是深圳市賽德愛(ài)電子有限公司MCV-IR940型號(hào)，在廢料滑槽跑旁開(kāi)設(shè)攝像頭和光電計(jì)數(shù)器安裝孔。斜楔復(fù)位檢測(cè)采用的是重慶斯拓瑞電氣有限發(fā)展公司的接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)安裝在斜楔附屬裝置反側(cè)塊中間。數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集采用的是基于Windows系統(tǒng)的界面，采用QT作為開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)程序，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)用8路同步輸入、最高采樣頻率為51.2kHz的北京優(yōu)采測(cè)控技術(shù)有限公司的UA524-8型網(wǎng)口采集儀器，該采集儀器加帶Wifi和以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每路程控進(jìn)行不同程度的放大倍數(shù)；此外，其連續(xù)采集頻率達(dá)1MHz，遵循的TCP/IP協(xié)議可保證數(shù)據(jù)的可靠性。

5 結(jié)論

綜上所述，本套沖壓模具智能檢測(cè)系統(tǒng)可歸納為：

1）本套沖壓模具檢測(cè)采用壓電式壓力傳感器對(duì)平衡塊和頂桿進(jìn)行壓力信息采集，且他們之間采用螺紋的連接方式；

2）本套檢測(cè)系統(tǒng)借助于安裝在模具旁立柱上的紅外熱像儀器對(duì)沖壓模具的型面進(jìn)行溫度信息采集；

3）本套檢測(cè)系統(tǒng)可利用智能分析比較器配合高速攝像機(jī)監(jiān)控模具表面的異物，利用高速攝像機(jī)拍攝的視頻傳輸?shù)街悄芊治霰容^器并在顯示器上進(jìn)行顯示；

4）本套檢測(cè)系統(tǒng)使用微型攝像頭配合光電傳感器對(duì)廢料滑槽進(jìn)行檢測(cè)；

5）本套系統(tǒng)采用接近開(kāi)關(guān)對(duì)模具的斜楔是否復(fù)位進(jìn)行檢測(cè)。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沖壓模具的全面在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模具運(yùn)行狀態(tài)的質(zhì)量控制、流程優(yōu)化、數(shù)據(jù)保存、豐富數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，有助于更加及時(shí)準(zhǔn)確地掌握模具的性能，提高生產(chǎn)工藝從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。