专利名称：：一种塑性变形过程及缺陷的监测方法及系统的制作方法
技术领域：
：本发明提供了一种塑性变形过程及缺陷的监测方法及系统，该方法及系统阐述了多维传感器和信号采集与分析方法的应用，利用数字相关法对塑性变形力导致的冲击振动响应信号进行分析，获得判断塑性变形工作状态正常与否的信息。
背景技术：
：塑性变形是个复杂的动态过程，设备驱动模具运动导致材料(板料或者金属块)的塑性变形，同时模具和设备以及工件也会产生一定量的弹性变形，在成型过程中，是这些弹性变形累加的过程，而成型结束后这些弹性变形又会释放出来，因此，在模具和设备上因成型力的变化而引起相应的振动，其反映了模具和设备乃至工件成型质量的状态。国内外比较多的学者从力的角度研究了冲压成型过程，以及成型过程监控的理论问题，没有从振动加速度的角度来研究。振动是力作用在一定质量和固有频率物质上产生的单位时间位移变化率，一般量化为重力加速度单位。它不仅与工件毛坯以及成形形状有关，还与设备和模具的状态有关。因此其更能全面地反映塑性成型过程的工艺参数的变化以及模具、设备工作状态的变化。中国专利01810063.5(在线监控冲压过程的方法及系统)于2003年7月6日公开了一种通过应变传感器测量冲压力在开式压力机冲压监控中的应用方法和系统，国际专利(W01992007711)DIECUSHIONDEVICEOFPRESSMACHINE于1992年5月14日公开了一种利用液压系统压力监控压力机动作的方法和设备；国际专利(W02009078237)CONTROLDEVICEANDCONTROLMETHODFORDIE-CUSHIONDEVICE于2009年6月25日公开了一种监测拉延垫液压缸液体流动速度是否存在异常波动变化的方法来实现冲压质量监控的方法；美国专利US006114965A(Systemformonitoringthedynamictoolingshutheightdeflectionactivitywithinapressmachine)于2000年9月5日公开了一种利用多个加速度传感器监控多工位模具的系统，但是它是把加速度信号转变为下死点位移，然后再把下死点位移对设备和模具状态的敏感作为监控信号，来判断工作状态的；美国专利US006209400B2(Portablepressvibrationseveritymonitoringsystemandmethod)于2001年4月3日公开了一种便携式的压力机振动监测仪器以及使用方法，它是一种采用硬件集成电路实现的监测系统，无法适应各种不同工艺条件的在线监控；美国专利US05724843A(Methodofdiagnosingpressingmachinebasedondetectedphysicalvalueascomparedwithreference)于1998年3月10日公开了一种利用多种物理量值进行压力机监测的方法，如压力、速度、载荷、温度等，但未涉及到振动，尤其是多维加速度振动信号；美国专利US06481295B1(Methodandsystemformonitoringpeakcompressiveandtensileprocessseveritylevelsofapressmachineusingaccelerationdata)于2000年10月18日公开了一种检测压力机加速度峰值的方法用于判定压力机的载荷能力级别，而非用于监控，同时该方法仅考虑峰值；美国专利046拟857(Methodandapparatusforprotectingpressfrombeingdamagedbyoverloadconditions)于1987年9月8日公开了一种利用旋转编码器和液压载荷保护压力机不超过许用负荷曲线的装置及方法；美国专利05339665(Die-cushionapparatusofpressmachine)于1994年8月23日公开了一种利用液压过载保护装置保护模具避免损坏的装置；美国专利006820026B1(Consolemountedvibrationseveritymonitor)于2000年1月19曰公开了一种利用力口速度传感器、速度传感器和位移传感器来监测压力机的工作状态，但是该方法仅计算其有效值(RMS)，未对信号波形进行进一步的信号处理，未获取与工艺或缺陷相关的特征值。此外还有其他一些文献涉及到压力机监控的描述，但是均属于理论研究，未能提出有效手段用于工程实践中。或者是监控压力机的油、气、液、电、机械等方面，未考虑到成形工艺性问题。在塑性成型过程时，压机、模具、毛坯相互作用是一个复杂的动力学过程。以冲压为例，不管是分离工序还是成形工序，冲压有效行程一般在几十到数百毫秒内完成，成形力有着剧烈的变化，表现出冲击的特征，相应地在模具及压机的有关部件上产生冲击振动。
发明内容本发明提供一种塑性变形过程及缺陷的监测方法及系统，主要是着眼于振动的多自由度，采用多维传感器来监控设备及模具的工作状态，并应用数字相关法来鉴别不同工艺阶段的特征波形的异动，从而识别出缺陷产生的阶段及原因。本发明的技术构思为它的原理是利用塑性变形过程中设备及模具受到的冲击力所产生的振动信号包含设备、模具以及工件状态变化的信息，利用多个加速度振动传感器来检测各个方向维度分量的信号，通过数字信号处理，确定振动信号中所包含的与设备、模具、工件状态变化有关的特征信息，按照成形特征时间段，与正常信号进行互相关运算，进行相关性和时间差比较，从而判断是工艺过程的哪个阶段出现了问题，控制设备及时发出提示信息，控制机床动作。本发明的技术方案为(1)、在设备或模具上对成型力变化导致的加速度振动敏感的位置安装多个加速度振动传感器；(2)、采集空载条件下设备和模具的加速度振动信号，并存储记录；采集正常条件下设备和模具的加速度振动信号，并存储记录；采集工作过程中在线监控采集的加速度振动信号，并存储记录；(3)、对采集的加速度振动信号进行数字信号处理，提取成形过程各特征阶段的加速度变化波形，与正常振动波形进行数字相关分析计算，根据互相关计算结果确定工艺正常与否；(4)、根据结果，显示数据并控制机床动作。对上述方案的进一步限定塑性变形过程主要包含冲压、锻造、镦挤或者剪切。对上述方案的进一步限定所述的采集，是指从某一键相位置开始的多个传感器的同步采集。对上述方案的进一步限定所述的信号，是指设备上滑块或者设备机架上承受滑块打击力的部件或者其它与其机械联接的部件相对于设备工作台或者底座的振动加速度信号。对上述方案的进一步限定所述的特征阶段是指与成形工艺特征相关的各个阶段，各个阶段之间的加速度信号可明显区分，主要包含模具与工件初始接触阶段、工件稳定塑性变形阶段、下死点镦死阶段、设备弹性回复机架振动阶段、上模返程与工件的碰磨阶段，以及上模离开工件后的振动回复阶段。对上述方案的进一步限定所述的数字相关分析是指正常成形时各阶段信号与所监控过程的各个阶段信号进行数字互相关函数计算，计算互相关极值或者时间偏移量。实现上述方法的一种监测系统由加速度振动传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化模块、控制单元或者远程通讯模块组成。有益效果本方法及系统采用加速度振动传感器，具有容易安装，敏感度高的特点；系统采集多个传感器加速度振动信号，包括X/Y/Z方向的加速度或者XY/YZ/ZX轴向角加速度的任意组合的多个方向维度分量的信号，能分别多个方向的变化异动情况；系统采集的信号是受成型力的位置相对于底座的加速度，有效地避免了设备以外的振动导致的偏差，如车间内其他设备的振动被底座的传感器信号剔除。图1是系统原理框图。图2是加速度振动传感器安装在设备横梁、立柱以及底座上的示意图。图3是加速度振动传感器安装在压力机滑块、导轨、上模、导套以及下模的示意图。图4是压机及模具运动部件可能出现的振动模式。图5是冲压时滑块与工作台底座Z向振动典型波形。图6是设备上某点相对于底座的振动加速典型波形对应的各个成形特征阶段。图7是设备上某点在下死点前后阶段相对于底座振动波形的对比(正常)。图8是设备上某点在下死点前后阶段相对于底座振动的互相关分析特征值(正常)。图9是设备上某点在下死点前后阶段相对于底座振动波形的对比(异常)。图10是设备上某点在下死点前后阶段相对于底座振动的互相关分析特征值(异常)。图11是设备上某点在上模离开工件阶段相对于底座振动波形的对比(异常)。图12是设备上某点在上模离开工件阶段相对于底座振动的互相关分析特征值(异常)。图中所示1·加速度振动传感器，2.压力机立柱，3.压力机上横梁，4.压力机下底座，5.键相传感器，6.压力机导轨，7.模具导柱，8.压边圈，9.下模，10.导套，11.上模，12.键相触发器，13.压力机滑块。具体实施例方式系统原理框图如图1所示，由图1可知，实现本发明的一种监测系统，主要由加速度振动传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化模块、控制单元或者远程通讯模块组成。典型实施例如图2、3所示，将加速度振动传感器1安装在压机的立柱2、上横梁3、滑块13、底座4、上模11、下模9、导套10、压边圈8、压力机导轨6、模具导柱7等部件上，安装位置根据不同的压力机设备，选择对工艺最敏感的位置，这些部件可能出现如附图4所示的自由度振动，因此要使用不少于2个加速度传感器来完成信号采集。同时为了采集有效的塑性加工阶段，使用键相传感器5和键相触发器12确定一固定的起始位置，触发采集使各传感器同步采集(从某一键相位置开始的多个传感器的同步采集)。一般先采集若干次空载设备运行的信号，这时由于没有成型力，设备的振动仅由电动机以及运动部件之间的间隙、摩擦等造成，呈现一种本底噪声。这些本底噪声在正常冲压时仍然呈现，如附图5中底座Z轴的曲线所示，因此，为了最大程度的消除它，需要先记录若干次本地噪声随压机空载运动的变化规律，以便后期信号处理时消除它。同时由于设备机座可能受到附近其他成型设备的影响，因此在机座上安装的传感器信号要和其他部位传感器信号进行差模处理，防止立柱、横梁、滑块等处的传感器受到从机座传来的其他振动干扰的影响。其结果如图6所示。装在导轨和滑块上的键相传感器副起着同步采集触发信号的作用。键相传感器副可以采用光电传感器、电磁涡流感应或者霍尔传感器等，当滑块下行到一定位置时，键相触发器11通过光、磁、电、机械等导致键相传感器5触发，在电路中产生一脉冲信号，脉冲信号触发采集系统，实现所有通道的同步采集，记录存贮系统完成高速存储。当采集到一定时间或者数量的信号后，采集系统停止采集，开始对采集数据进行处理，直到下一次成型时键相传感器再次触发。键相传感器副也可以装在设备的飞轮、曲轴等与滑块运动直接相互关联的部位，这些位置主要是要考虑机械传动间隙对同步键相位置准确性的影响。调试工艺和工装正常之后，采集若干次正常工艺和工装条件下的各传感器信号。典型冲压过程的Z向振动信号如附图6所示。这里把过程分为6个阶段上模与工件初始接触区、工件塑性变形阶段、下死点镦死区、设备弹性回复机架振动区段、上模返程与工件的碰磨阶段，以及上模离开工件后的振动回复阶段。相对于力——行程(或时间)曲线，振动加速度曲线分界非常明显，方便了各个阶段的特征辨识以及特征量的提取。以上检测到的信号要通过滤波处理，并找到符合工艺特征规律的信号突变点(如上述6个阶段始末点)，传统的小波分析在类似的非平稳信号中难以发挥作用。而锻造、精压、冷镦等塑性变形表现为冲击，这种冲击和Laplace小波的特性相似，通过与Laplace小波进行互相关计算，以及与正常工作状态时波形进行互相关计算，可以获得相关函数的波形，从其峰值、时间偏移量、缩放系数、对称性、周期性，获得工艺状态变化的特征数据。如果其超出了正常状态的特征值，则判为成型缺陷，存在工艺故障。图7表现了成形过程中关键的两个阶段——下死点镦死阶段和设备弹性回复机架振动区段的特征波形。图中所示的正常的成形过程，与参考波形比较其差异很小，通过数字相关分析得到图8所示的曲线，其最大相关值为0.966629,由键相信号对齐后时间差为被比较信号滞后0.4毫秒，波形对称性良好。而异常状态如图9所示，其波形差异较大，数字相关分析后如图10所示，最大相关值仅0.422502，时间超前1.2毫秒，并且波形对称性很差，因此可以判断出附图9的成形过程相对于正常情况发生了超前的异常，波形相似性很差，说明工件。进一步从第五阶段上模离开工件的碰磨与回复波形来看，被测波形严重滞后参考波形，如附图11所示，相关计算波形如附图12所示，其对称性尚好，计算得时间滞后27毫秒，但是加速度幅值远远大于正常状态，说明设备下死点过低。一般来说，相关系数小于0.7,并且相关波形不对称，则相关性较差，而相关系数大于ft^就为高度相关。塑性变形过程中，采用力——行程(或时间)曲线用数字相关分析难以获得有效的比较结果，而振动加速度对于工艺更为敏感，因此采用加速度波形的数字相关分析则非常容易分辩各种工艺缺陷。由于工艺条件的复杂性，所选用的用来判断工艺正常与否的特征信号或者特征值，可以由软件来实现计算与判断，还可以在系统操作界面中由使用者人工交互选择，以满足不同工艺的需求。系统的操作与显示采用点阵式图形显示器或者LED指示灯搭配，可以采用键盘操作、按钮操作或者触摸屏操作，用于显示历史数据或者当前数据。显示方式可以采用软件中常用的条形图、柱状图、雷达图、曲线图、彩色云图等，允许查询、打印等，这些需要基于计算机系统采用虚拟仪器的模式来完成，同时也方便使用以太网或者其他总线系统来通讯，让一系列的压力机群通过通讯进行集中监控。权利要求1.一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是(1)、在设备或模具上对成型力变化导致的相对振动位移的位置安装多个加速度振动传感器；(2)、采集空载条件下设备和模具的加速度振动信号，并存储记录；采集正常条件下设备和模具的加速度振动信号，并存储记录；采集工作过程中在线监控采集的加速度振动信号，并存储记录；(3)、计算滑块或受力部件与底座之间的信号差值，进行数字信号处理，提取成形过程各特征阶段的加速度变化波形，与正常振动波形进行数字相关分析计算，根据互相关计算结果判断工艺正常与否；(4)、根据结果，显示数据并控制机床动作。2.如权利要求1所述的一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是所述的采集，是指从某一键相位置开始的多个传感器的同步采集。3.如权利要求1所述的一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是所述的信号，是指设备上滑块或者设备机架上承受滑块，打击力的部件或者其它与其机械联接的部件相对于设备工作台或者底座的振动加速度信号。4.如权利要求1所述的一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是所述的特征阶段是指与成形工艺特征相关的阶段，各个阶段之间的加速度信号可明显区分，主要包含模具与工件初始接触阶段、工件稳定塑性变形阶段、下死点镦死阶段、设备弹性回复机架振动阶段、上模返程与工件的碰磨阶段，以及上模离开工件后的振动回复阶段。5.如权利要求4所述的一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是所述的特征阶段采用数字信号处理方法进行识别，主要包括Laplace小波或者数字互相关分析。6.如权利要求1所述的一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是所述的数字相关分析是指正常成形时各阶段信号或者预置的特定模板信号与所监控过程的各个阶段信号进行数字互相关函数计算，计算互相关极值或者时间偏移量。7.如权利要求1所述的一种塑性变形过程及缺陷的监测方法，其特征是数字相关计算的结果是判断的依据，主要是依据相关极值或者极值的时间偏移量。8.—种塑性变形过程及缺陷的监测系统，其特征是主要由加速度振动传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化模块、控制单元或者远程通讯模块组成。全文摘要本发明提供了一种塑性变形过程及缺陷的监测方法及系统。该方法包含在设备或模具上对成型力变化导致的相对振动位移的位置安装多个加速度振动传感器；通过采集正常情况下多路传感器的信号，进行信号分析，确定正常状态下变形产生的冲击导致的设备以及模具振动的信号特征；当模具或设备工作状态发生改变时，冲压的振动信号的信号特征也会发生变化，其与正常工艺状态的波形的相关性发生变化，应用数字相关法可以识别出来，使系统控制压机进行相应的保护操作，同时将缺陷信息显示在系统显示界面中。实现上述方法的监测系统，主要由加速度振动传感器、信号采集与存储、数字信号处理、可视化模块、控制单元或者远程通讯模块组成。文档编号G05B19/406GK102520672SQ201110396950公开日2012年6月27日申请日期2011年12月5日优先权日2011年12月5日发明者张春,王敏,肖海峰申请人:湖北汽车工业学院