一種壓力機智能檢測控制系統的設計

王路遠，仲 君，王明柱，錢 琦

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州225002）

1 背景及意義

現有技術中，壓力機是一種結構精巧的通用性沖壓裝置，具有用途廣泛，生產效率高等特點。壓力機可廣泛應用于切斷、沖孔、落料、彎曲、鉚合和成形等工藝。通過對金屬坯件施加強大的壓力使金屬發生塑性變形和斷裂來加工成零件。機械壓力機工作時由電動機通過三角皮帶驅動大皮帶輪（通常兼作飛輪），經過齒輪副帶動曲柄滑塊機構，使滑塊和凸模直線下行。機械壓力機在鍛壓工作完成后滑塊上行，離合器自動脫開，同時曲柄軸上的制動器接通，使滑塊停止在上止點附近。現有的壓力機在工作時，導軌滑動副、連桿銅瓦和曲軸前后支承等運動副長時間工作會導致溫度上升，目前無法實時可靠地檢測該運動副的溫度；潤滑油的油品品質無法實時得到監測。

本系統能夠對壓力機的運動副溫度進行檢測，避免運動副溫升過高，并對壓力機油箱潤滑油的油品質量進行檢測，對離合制動裝置的摩擦片磨損程度進行監測。本系統為實現壓力機智能化的要求。設計時選擇分離式控制器，通過與壓力機原控制器的通信作為擴展系統存在；也可將智能監控系統的軟件與硬件移植至原控制器，以一體化控制器的方式實現。在本項目實施過程中，為降低對原系統的調整、便于系統的擴展，采用分離式控制器的硬件系統，其組成結構如圖1 所示。

2 運動副溫度檢測

2.1 測溫布點分布

圖1 系統硬件結構

本系統中機床滑塊為八面導軌潤滑，選取至少六個點安裝螺釘式鉑熱電阻傳感器；機身上對應每根曲軸有前后兩個主軸頸，在前軸承座上設置端面型鉑熱電阻傳感器1，后軸承座上設置端面型鉑熱電阻傳感器2，在曲軸的連桿軸頸上設置有端面型鉑熱電阻傳感器3；在飛輪卸荷套處設置有端面型鉑熱電阻傳感器4。在滑塊運動時，螺釘式鉑熱電阻傳感器對滑塊導軌銅條的溫度進行監測；端面型鉑熱電阻傳感器1、端面型鉑熱電阻傳感器2 和端面型鉑熱電阻傳感器3 分別對曲軸的前后兩個主軸頸上的軸承以及曲軸連桿軸頸上的軸瓦溫度進行監測，端面型鉑熱電阻傳感器4 對卸荷套軸承的溫度進行檢測。

螺釘式鉑熱電阻傳感器從側面插入導軌的深度為相應導軌寬度的0.3～0.5，位于滑塊前側的兩個導軌、位于滑塊后側的兩個導軌、位于滑塊右側后部的兩個導軌上均安裝有溫度傳感器。溫度傳感器通過有線傳輸的方式與PLC 的溫度輸入模塊相連接。結合活動卡套或彈簧墊圈等壓緊裝置，將溫度傳感器緊貼導軌內部，從而檢測導軌中心溫度，如圖2 所示。

圖2 滑塊導軌測溫點

端面型鉑熱電阻傳感器1 豎直安裝在前軸承座的下部，與前軸承座內的軸承相接觸；后軸承座一體設置在機身上，端面型鉑熱電阻傳感器2 豎直安裝在后軸承座的上部，與后軸承座內的軸承相接觸；曲軸連桿軸頸外周套設有上軸瓦和下軸瓦，端面型鉑熱電阻傳感器3 豎直安裝在連桿蓋上部，與上軸瓦相接觸。測溫點分布于兩個曲軸的前后兩個主軸頸處的軸承，以及曲軸連桿軸頸處的軸承，采用深埋的安裝方式使測溫元件緊貼于軸承、軸瓦表面，更加準確地獲取溫度；采用三線制或四線制有線傳輸的連接方式可以降低導線電阻對測溫精度的影響，如圖3 所示。

圖3 曲軸測溫點

卸荷套的套孔內壁與齒輪軸外周之間設置有卸荷套軸承，在卸荷套上也傾斜嵌入安裝有與卸荷套軸承相接觸的溫度傳感器，如圖4 所示。

圖4 卸荷套測溫點

2.2 溫度監控程序設計

溫度監控程序的功能主要包括數據采集與數據處理兩部分。對于模擬輸入和RTD 溫度輸入，數據采集功能由PLC 內部電路實現，并通過時鐘信號實現采樣周期的自定義，將端口數據簡單轉化后即得到實際溫度數據；對于MOSBUS 通信設備，需要編寫相應的程序段完成通信設置。

PLC 邏輯原理圖如圖5 所示。通過比較測點的實時溫度數據和預設的溫度閾值，對過熱關鍵字的對應位置位或復位以表示該點是否過熱；定義過熱危險點為：實時溫度與閾值的差值為最大。通過獲取溫度過熱危險點，可以為判斷機床的整體溫升狀態和潤滑油供應流量提供參考。

圖5 測點過熱和溫度危險點判斷

2.3 運動副監控界面設計

壓力機原控制系統涉及的多為開關量控制，嵌入運動副溫升監控功能后模擬量的數量大幅度增加，因此需要設計相應的人機界面以合理、高效、直觀地顯示機床狀態。以Siemens Smart 700 IE V3觸控屏為平臺，開發基于WINCC FLEXIBLE SMART V3 軟件的運動副溫升監控界面，對于其他觸控屏，可以參考該交互面板的界面架構和設計方法。

通過RS 485 接口連接觸控屏與PLC 的CPU，完成數據通信。面板界面如圖6 所示。

圖6 運動副溫升監控系統交互界面

3 潤滑油品質監測方案

油品質量傳感器通過管螺紋垂直安裝于油箱側面，油品質量傳感器位于潤滑油深度1/3～1/2 處。油品質量的好壞與潤滑油的介電常數呈相關，油品質量傳感器通過監測潤滑油的介電常數，實現潤滑油品質的實時判斷，潤滑油的介電常數小于2.35 為良好，潤滑油的介電常數為2.35～2.40 為良好，介電常數超過2.40 為較差；油品質量傳感器安裝位置可選取液面1/3 深度以下處，可以避免因雜質和磨粒堆積引起油品質量傳感器探頭的污染。考慮到潤滑油若使用時間過長而超過規定使用期限時，即使劣化程度較低也應及時更換。由此，采用潤滑油使用時長To與介電常數Er兩個指標判斷潤滑油品質，邏輯原理如圖7 所示。油品閾值E1，E2分別為潤滑油品質“良好”與“一般”的上限值，參考值E1=2.35，E2=2.40；數據防抖功能可以通過將采樣數據輸入緩存區，利用均值濾波或中值濾波的方法實現；每次換油后潤滑油使用時長To將被置零。

圖7 油品狀態判斷邏輯圖

由于潤滑油的劣化是一個長時間的歷程，對數據采集的實時性要求不高。因此，可以在機床啟動后短時間內自檢和操作者需要時（如每班）啟動油品檢測。同時，交互界面上應直接顯示傳感器測量所得數據以及油品等級。如圖8 所示。

圖8 油品監控界面

4 結語

本系統圍繞壓力機智能化的實現，基于傳感器技術和PLC 控制電路構建模塊化硬件電路，結合高效的監控程序和交互系統，實現了運動副溫升測量、潤滑油品質監控和離合制動器狀態監控，為解決壓力機智能化檢測和控制提供了一套可行的解決方法。

此外，由于本系統為初代版本且開發時間倉促，仍存在著許多不足和欠缺考慮之處，因此未來將繼續深入研究與開發，以期最終實現壓力機的全面智能化監控和診斷。未來工作從以下幾個方面繼續開展：

（1）運動副溫升規律探究。在已開發的壓力機運動副溫升監控的基礎上，監測多種工況下的溫升數據，選取合適的門檻值。必要時，進行潤滑油路中潤滑油的流場分析以獲得更加詳細的溫度場信息。

（2）壓力機自適應潤滑控制。在對壓力機運動副實施全面監控的基礎上，根據溫度危險點的信息實現油泵流量的自動調節。

（3）潤滑油的全面指標測定與品質監控。介電常數的變化是潤滑油品質的綜合反映，但壓力機各個運動副的磨損特點存在差異，需要考慮具體情況下的粘度、磨粒、介電常數等指標對于油品變化的敏感性。未來將對潤滑油品質進行全面測定，并選取最敏感的物理量作為指標進行監控。

（4）系統調整和優化。對于已開發的系統進行硬件電路的優化以增強抗干擾性和魯棒性；優化程序邏輯和結構，以適用于工業要求；增強人機界面的一致性、完整性和操作性。