稱重傳感器在壓片機“吊沖”監測上的應用研究

劉李明 韓萬斌 王立文

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 “吊沖”監測的意義及應用

旋轉式壓片機是一種靠壓力成型的片劑設備，沖模均勻排列在轉臺的邊緣，當轉臺轉動時，上下沖模沿著導軌曲線作上下運動，完成充填、計量、加壓、出片等連續工序。壓片中，導軌和沖桿潤滑不足、沖模積垢太多、物料細粉過多、壓片室溫度過高等原因都會造成沖模在?？字羞\動不暢，運行阻力逐漸加大，當沖模在轉臺的沖?？變炔荒芨S轉臺的旋轉在曲線軌道上作自由的上下運動時，會發生“吊沖”現象，嚴重時可造成沖模、導軌、供料器等零件的機械損傷，甚至對現場操作人員造成危險。

國內目前對“吊沖”的監測通常采用行程開關或接近開關監測沖頭尾部的方式。如圖1所示，當上沖上行軌提升上沖模向上運動受滯時，吊沖保護塊受力下移，行程開關動作，立即發出停機信號。

圖1 開關式“吊沖”保護裝置

此種方式結構簡單，安裝方便，成本低廉，可防止“吊沖”現象對導軌造成的損傷，但還存在以下不足：

（1）沖模運行阻力達到相當大的閾值時，吊沖保護塊才發生位移使行程開關動作；

（2）當壓片室粉塵進入吊沖保護塊與導軌間的縫隙中，保護閾值將增加，甚至使保護功能失效；

（3）不同直徑沖模的運行阻力不同，無法調整保護閾值。

沖模運行阻力大小反映了“吊沖”的強弱程度，因此，上述保護裝置只在沖模運行阻力達到閾值時有效，對“吊沖”強弱的連續性無法做出監測。只有連續測得沖模運行阻力，才能監測沖模運動情況，實現在線連續監測，而運用稱重傳感器是監測沖模運行阻力的有效方法之一。

2 稱重傳感器工作原理

稱重傳感器主要由彈性元件和粘貼于其上的電阻應變計構成。其工作原理是，被測物理量能夠在彈性元件上產生彈性變形（應變），粘貼在彈性元件表面的電阻應變計可以將感受到的彈性變形轉變成電阻的變化，通過橋式電路轉變成電信號的變化。

稱重傳感器根據彈性元件結構的不同分為懸臂梁式、平行梁式、中心環式、輪輻式等。其中，懸臂梁式結構簡單、緊湊、靈敏度較高，即使在幾十克力的作用下，彈性元件仍能直接感受位移的變化，得到明顯的信號輸出。

圖2為懸臂梁式彈性元件，在懸臂梁左端附近截面的上下表面各粘貼2個應變計，當懸臂端受到力F時，R1、R4受拉應變，R2、R3受壓應變，按圖3組成全橋差動電路，設初始時各個橋中電阻應變片阻值R1＝R2＝R3＝R4＝R，工作時的電阻變化為 ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋輸出為：

圖2 懸臂梁式彈性元件

圖3 全橋差動電路

若ΔR1＝ΔR4＝－ΔR2＝－ΔR3＝ΔR，則有：

由式（2）可得，輸出電壓U0與應變計電阻變化值ΔR成線性關系，U0為毫伏級電壓信號，需通過圖4所示的放大整理電路轉換成標準的模擬信號，傳送到電氣系統中A／D采樣電路，CPU對采樣值進行處理，適時發出“吊沖”保護信號，并將測量值發送到顯示器顯示。

圖4 “吊沖”監測電路原理圖

3 “吊沖”的監測設計

3．1 監測裝置設計原理

當沖模在?？字羞\動不暢時，其在上行軌內的運行阻力會逐漸加大，使導軌及安裝座受力后產生微變。通過在導軌或導軌安裝座上安裝稱重傳感器，直接感受靜位移的變化，便可測得沖模的運行阻力，即“吊沖”的程度。

圖5（a）為壓片中上沖模在上沖上行軌的受力分析，上沖模在轉臺的帶動下，沿著上行軌的運動曲線向上移動。運動中，沖模會受到一個向左的水平分力F水平，同時上行軌及安裝座也會受到沖模水平方向反作用力，通過稱重傳感器測得這個反作用力的大小，便可間接監測上沖模在轉盤?？字羞\動的靈活程度，從而避免“吊沖”情況的發生。圖5（b）為壓片中下沖模在下沖上行軌中的受力狀態。從圖中可以看出，下沖模在下沖上行軌中受力情況與上沖模相同，由于安裝的限制，采取測量垂直方向分力F垂的方式完成對下沖模運行阻力的監測。

圖5 沖模上行受力情況

3．2 上沖?！暗鯖_”監測裝置設計

如圖6所示，稱重傳感器上安裝座固定在壓片室頂箱上，下安裝座固定在上沖上行軌安裝座附近。壓片時，下安裝座左側會受到水平方向的力F，通過A面傳給稱重傳感器測量端，使其發生微變形，實現對上沖模運行阻力的間接監測。安裝時通過基準位置調整使下安裝座和傳感器左側接觸的A面緊密貼實，以用來校準傳感器的初始基準。

3．3 下沖模“吊沖”監測裝置設計

如圖7所示，稱重傳感器安裝在下沖導軌底部，傳感器測量端通過連接塊與下沖上行軌連接，下沖上行軌右端及連接塊右端與下沖導軌左端之間留有間隙。壓片時，運動的下沖模對下沖上行軌產生撞擊力，連接塊把力傳向稱重傳感器測量端，傳感器在垂直方向發生形變，其輸出電壓值發生變化，實現對下沖模運行阻力的監測。

4 使用效果

圖6 上沖?！暗鯖_”監測裝置示意圖

圖7 下沖?！暗鯖_”監測裝置示意圖

潤滑不足、沖模積垢、沖模與沖?？着浜线^緊、沖模在運行中溫度升高、物料細粉過多等原因，均能導致沖模在沖?？字羞\動不靈活，運行阻力增大。因此，可使用逐漸增加沖模阻力的方式驗證上述裝置在沖模運行阻力監測上的效果。試驗方式如下：（1）停用沖桿潤滑功能；（2）物料顆粒60～100目；（3）不間斷壓片8h；（4）轉臺速度40r／min，供料器速度50r／min。

壓片開始后每2h記錄一組沖模阻力值，每組記錄20個沖模運行阻力值（各記錄值采集間隔為3s），計算均值，結果記錄在圖8中。

圖8 沖模阻力均值曲線

從圖8可以看出，試驗中，不對沖模潤滑，上沖模運行阻力和下沖模運行阻力均有較大增幅。下沖模運行阻力上升幅度更大，主要原因是試驗中選用的物料顆粒細粉較多，在充填過程中，容易進入沖模和沖?？椎拈g隙內，隨著壓片時間的推移，間隙內的細粉會越來越多，并且會由原來的松散狀態變得越來越硬，造成沖模與沖?？字g的間隙越來越小，沖模阻力增大。可見，上沖模和下沖?！暗鯖_”監測裝置都能有效地監測到沖模運行阻力的連續變化，防止“吊沖”問題發生。通過設置保護閾值，可提前對潤滑不足、沖模磨損、?？追e垢等故障做出預判，避免更嚴重的問題發生。除此之外，根據在不同機型設置沖模阻力的采樣頻率，可對單個沖頭或少量沖頭的沖模阻力情況進行監測，從而對沖模加工尺寸及沖模和轉臺模孔的配合間隙的一致性進行檢測。

5 結語

由試驗可知，使用稱重傳感器的“吊沖”裝置可監測沖模運行阻力的連續變化。相對開關式“吊沖”保護裝置，它可實時監測“吊沖”的程度，還可通過設定不同的保護閾值，預知“吊沖”問題的發生，以便提前采取相應的控制措施。但使用稱重傳感器的“吊沖”裝置成本相對較高，安裝結構相對復雜，設備制造廠商可根據需要進一步完善驗證和設計，在其產品中選擇使用。

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