高速沖壓線壓力機(jī)滑塊位置監(jiān)測方法與實(shí)現(xiàn)

曾昭偉，范 勇，陽帆莊，周建波，王 鑫

（上汽大眾汽車有限公司，湖南 長沙 410132）

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，沖壓機(jī)械設(shè)備也取得了較大發(fā)展，對汽車工業(yè)革命起到了極大的推動作用。作為最重要的沖壓機(jī)械設(shè)備之一，機(jī)械壓力機(jī)占據(jù)很高比例，機(jī)械壓力機(jī)傳動鏈由主驅(qū)動器驅(qū)動飛輪，飛輪通過傳動軸作用于偏心輪，然后通過偏心輪將運(yùn)動傳輸至連桿裝置上，這就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動?；瑝K通過與連桿裝置連接，就可以執(zhí)行其上下運(yùn)動型的工作行程。在高速自動化的沖壓線生產(chǎn)過程中，滑塊運(yùn)行時的實(shí)時位置信息是特別重要的，它關(guān)乎上料手和下料手的安全運(yùn)行。上下料手進(jìn)入模腔內(nèi)抓取料片的時機(jī)均為通過滑塊所在角度計(jì)算出來。高速沖壓線為了提高生產(chǎn)效率，提升沖程次數(shù)，使得滑塊上模與上料手、下料手之間的動態(tài)安全距離非常小，若出現(xiàn)偏差則可能導(dǎo)致上下料手與滑塊上的上模出現(xiàn)嚴(yán)重碰撞事故。

2 問題描述

目前，滑塊運(yùn)行狀態(tài)主要是依靠偏心輪處連接的角度編碼器進(jìn)行角度映射，并沒有滑塊直線行程的實(shí)際位置信息。角度編碼器通過一根傳動軸與偏心輪進(jìn)行連接，通過偏心輪轉(zhuǎn)動的角度來計(jì)算出滑塊在上下行程中所在的角度信息。由于角度編碼器的角度信息來自于偏心輪，而偏心輪處于壓機(jī)傳動鏈的中部，若壓機(jī)傳動鏈的末端出現(xiàn)傳動故障或角度編碼器與偏心輪的傳動軸出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致滑塊的位置信息出現(xiàn)偏差，而這種偏差PLC 控制器無法獲知。所以，只采用角度編碼器這一種監(jiān)測方式不夠全面和嚴(yán)謹(jǐn)，加裝滑塊位置監(jiān)測系統(tǒng)則非常有必要。該系統(tǒng)將進(jìn)一步提升設(shè)備的自動化安全生產(chǎn)穩(wěn)定性。其大致框架如圖1 所示。

圖1 滑塊角度位置關(guān)聯(lián)系統(tǒng)框架

某汽車企業(yè)沖壓車間高速沖壓線在生產(chǎn)過程中就曾出現(xiàn)過這種情況，壓機(jī)在下止點(diǎn)180°的位置裝載上模，發(fā)現(xiàn)上模夾緊器無法正常駛?cè)?，檢查發(fā)現(xiàn)滑塊的實(shí)際位置明顯過了下止點(diǎn)位置，且往上行程的方向運(yùn)行了一段距離，但此時角度編碼器顯示的位置卻是在下止點(diǎn)。通過檢查角度編碼器的傳動軸的傘齒輪發(fā)現(xiàn)，軸頭發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)跳齒，從而導(dǎo)致滑塊的實(shí)際位置與編碼器檢測的角度出現(xiàn)偏差。

由于問題出現(xiàn)時，滑塊的實(shí)際位置與角度編碼器的角度偏差仍在安全通過范圍內(nèi)，通過緊急搶修更換傘齒輪，并重新校驗(yàn)滑塊下止點(diǎn)位置后恢復(fù)正常。若偏差角度過大，在整線連續(xù)生產(chǎn)模式時，滑塊上裝夾的上模則會與上下料機(jī)械手發(fā)生碰撞，導(dǎo)致重大的設(shè)備故障出現(xiàn)。

3 方案設(shè)計(jì)

在壓機(jī)立柱側(cè)邊加裝一個TOF 飛行時間激光測距傳感器的發(fā)射端，反光板則安裝在滑塊上，來監(jiān)測滑塊的位置。激光測距傳感器安裝位置是整個壓機(jī)傳動鏈的末端，彌補(bǔ)滑塊位置監(jiān)測的缺失。

TOF 技術(shù)是一種絕對距離檢測技術(shù)，即傳感器發(fā)出經(jīng)過調(diào)試的近紅外光ψ1，遇反光板后反射光ψ2回到傳感器接收模塊，傳感器通過計(jì)算光線發(fā)射和反射時差或相位差，來換算被測物的距離，以產(chǎn)生深度信息，如圖2 所示。

圖2 激光測距傳感器原理圖

激光測距傳感器是作為滑塊角度編碼器的解耦工具，直接測量滑塊的垂直行程位移。將角度編碼器的測得角度信息和激光測距傳感器測的滑塊位置信息做耦合運(yùn)算，當(dāng)滑塊運(yùn)行中測量獲得的實(shí)際位置與角度-位置耦合曲線解耦獲得的位置數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，則產(chǎn)出故障信息。

3.1 系統(tǒng)配置

將滑塊的封閉高度調(diào)至最大行程，將滑塊停在下止點(diǎn)，對激光測距傳感器及反光元件進(jìn)行安裝。激光測距傳感器的數(shù)據(jù)信息通過MODBUS 協(xié)議與網(wǎng)關(guān)通訊，網(wǎng)關(guān)將信號轉(zhuǎn)成Profinet 后將數(shù)據(jù)信息傳輸至PLC 中。網(wǎng)關(guān)與壓機(jī)主控間的通訊進(jìn)行物理隔離，從而保持壓機(jī)主控設(shè)備原有的安全性。網(wǎng)絡(luò)通訊圖如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通訊圖

如圖4 所示，將新增的激光測距傳感器組態(tài)進(jìn)STEP7 項(xiàng)目中的Profinet 網(wǎng)絡(luò)中，連接通訊，為網(wǎng)關(guān)分配Profinet 站點(diǎn)屬性。

圖4 分配Profinet 站點(diǎn)屬性

3.2 耦合運(yùn)算

在壓機(jī)運(yùn)行時，通過PLC 的I/O 端口將激光測距傳感器的數(shù)值進(jìn)行讀取。滑塊的封閉高度調(diào)整值做為固定的偏移量。設(shè)定在某一偏移量下，滑塊位于上止點(diǎn)時，校準(zhǔn)激光測距傳感器為零點(diǎn)位置。在滑塊動作時，激光測距傳感器將實(shí)時測量位置信息，同時考慮封閉高度偏移值得變化量，從而獲得滑塊的實(shí)際行程位置。如圖5 所示，為計(jì)算得到的滑塊任意行程位置-角度下的耦合曲線，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別表示實(shí)際位置與滑塊實(shí)際角度。

圖5 滑塊行程與角度耦合曲線圖

滑塊位置的誤差窗口為±2mm，若偏差超過窗口值，則滑塊位置出現(xiàn)異常，反之則正常。若計(jì)算得出位置異常，則采用循環(huán)停的方式將壓機(jī)的運(yùn)動中斷，并且將故障信息輸送至HMI。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本文所提出的位置監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，在生產(chǎn)線設(shè)備上安裝完成后，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行測試，激光測距傳感器能夠準(zhǔn)確反饋滑塊的位置信息。

同時，在現(xiàn)有設(shè)備HMI 界面中新增激光測距傳感器的滑塊位置監(jiān)測顯示界面以及故障信息顯示，如圖6、圖7 所示。

圖6 滑塊位置監(jiān)測界面

圖7 報(bào)警故障信息設(shè)置

5 結(jié)論

本文根據(jù)激光測距傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)了沖壓線壓力機(jī)滑塊位置監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)能夠滿足高速沖壓線壓力機(jī)滑塊直線位移的測量，并且測量誤差在1mm 以內(nèi)，驗(yàn)證了其系統(tǒng)的可行性。由于該系統(tǒng)具有非接觸式、精度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在高速沖壓線領(lǐng)域可以有廣泛的應(yīng)用前景。