冲床调模电机计数器及其精密减振技术研究1.研究背景和意义1.1 课题的背景压力机也称冲床，通过模具锻压板材使其产生塑性变形，从而获得所需的零件。冲压生产具有以下优点生产效率高、材料利用率高、零件精度高、零件复杂程度高、零件一致性高，因此在工业生产中广泛应用，如汽车产业中，汽车上有超过 40%的板材冲压零件 1,2。而各式零件就需要不同的模具，不同的模具需要调整压力机的装模高度才能保证其完成加工过程，这与压力机的一个重要过程装模高度调整相关。压力机的工作台式固定的，滑块可以上下运动，滑块与工作台的距离就是装模高度，装模高度的调整即调整这一高度 3。传统的压力机装模高调节采用机械式调节，主要包括盘式制动电机、小链轮、大链轮、蜗杆和蜗轮，小链轮与盘式制动电机轴相连，通过链条与大链轮连接，大链轮与蜗杆同轴，蜗轮与蜗杆相啮合，蜗轮带动球头螺杆转动，使滑块的上下移动，实现装模高度的调整。模高调节的高度通过装在滑块前部的计数器来显示，目前装模高度的检测与显示主要是采用机械式计数器，这种计数器通过与升降调整轴啮合的编码器齿轮带动编码器上的数字拨盘转动来显示数据的 4。本课题对压力机调模电机编码器及减振技术进行了研究。1.2 课题的意义在实际生产中，模高的调整是人工来完成的，此过程存在调模时间长、模高误差大、影响生产效率等问题，即使同一模具也可能因为装模高度的误差而无法保证各批次产品质量的一致性 5。造成这些问题的主要原因是传统的模高计数器是机械式的，使模高孤立与整个压力机控制系统，无法自动、快速、精确实现模高调整。为此本课题对压力机调模电机编码器及减振技术进行了研究。将传统的计数器电子化，并考虑压力机的工作状态研究计数器的减振技术，使其具有一定的实用价值，模高计数器的电子化是实现自动调模的关键前提，系统根据不同的模具号信息自动调整冲床的装模高度，提高生产效率，实现模具快速准确调节，可以帮助企业取得技术的优势，取得经济效益 6-8。2.国内外相关研究现状2.1 模高机械式计数器目前装模高度的检测与显示主要是采用机械式计数器，这种计数器通过与升降调整轴啮合的计数器齿轮带动计数器上的数字拨盘转动来显示数据的，是提供在冲床中为带动上模具运动的滑块至床台下模具之间距离做检视调整用的计数装置。其以特有的抗震性和耐冲击性等特点，适用于震动剧烈、冲击大的场合。在众多领域得到了非常广泛的应用，成为机械加工、仪器仪表、电缆电线以及纺织等许多领域的研究热点，冲压机械计数器是其主要应用之一 9-10。目前机械式计数器主要生产厂家有日本 WAKO、SIAKIAYO、德国 CK、台湾宇捷、江苏劲松、南京埃斯顿等。其中江苏启东劲松的模高计数器的结构最为典型，其它厂家的计数器的结构与其类似。其是由外壳、号码轮组、蜗轮蜗杆及进退位结构所组成 10。劲松公司生产的计数器可以作为调整滑块、封闭高度显数控制，也可以作为剪、折弯机，以及其它机器行程调整控制。其双向控制行程范围为 0-999mm。输入轴每转一周，数码递增（减）0.1mm，显数达到预定上、下限位时，即发出电讯号，准确、及时、可靠。如图 1 所示为江苏启东劲松公司生产的机械式计数器实物图。图 1 机械式计数器实物图但传统的机械式计数器存在以下几个缺点：操作者用手动按动按钮形式进行上下调整，要达到规定的装模高度位置，操作者需要反复调整，工作效率低；机械式编码器仅能提供精度有限的装模高度读数，其不能实现自动定位的调节功能；其上、下限位置是出厂设置的，临时更改相对困难；其安装时需根据当前的装模高度将其读数用机械方式调至当前读数 4。2.2 光电编码器光电编码器是基于光电检测原理，通过采用光电技术进行非接触测量机械或几何位移量的仪器仪表，属于非接触测量领域，在传感器测量领域有着重要的地位 9-10。其主要应用于位置和速度检测，光电编码器具有结构紧凑、测量精度高、接口数字化等优点，因而在数控机床、回转台、伺服传动、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中得到广泛应用。而本课题的光电编码器将在压力机环境中使用，具有强烈的振动，所以必须对光电编码器将进行保护和减震处理才能在现实工况中使用。根据编码方式的不同，光电编码器大体上可以分为增量式编码器和绝对是编码器。而绝对式编码器具有绝对零点、绝对位置测量、断电信号不丢失、测量可靠性高、无累计误差等优越性，与多圈测量方式相结合，可实现直线位移、电机转速、大量程角度的精确测量，应用于智能机器、遥控、自动测量等各个行业，受到了广大使用者的青睐 11,12。增量式编码器的缺点是在断电后，无法重现确定原有绝对坐标位置，且在压力机的工况下因为振动出现误差累计的可能性很大，而绝对式编码器其码盘本身就具有储存角度功能 13-15。南京埃斯顿数字技术有限公司就曾采用增量式光电编码器开发过一种电子式调模计数器，但因为其抗冲击能力低，而无法推广。2.3 多重减振技术冲床在工作中会产生强烈的机械振动，机械振动对计数器的危害可有以下方面：1破坏结构强度，破坏各种机械设备，如计数器壳体、轴承、连接螺钉等；缩短光电传感器的使用寿命。2引起结构噪声，当机器设备产生的振动传给编码器后，就引起编码器振动产生噪音。3破坏了编码器的正常工作条件，降低了测量精度。4恶化了操作，管理人员的工作条件，使人易疲劳，注意力减弱，容易出现误动作，引起技术事故 16。本课题将编码器电子化，其中有效的减振处理无疑是其能实现的产品化的重中之重，减振将包括编码器减振、光电传感器和联轴器的减振。2.3.1 编码器减振冲床的振动的因素很多，如曲柄滑块机构在运动过程中会产生复杂的惯性力，上下模具闭合时的撞击力，气垫回程是对床身的冲击力，主要原因是滑块作往复平动，曲柄定轴转动和连杆作平面运动时所产生的惯性力，其中以连杆的惯性力最为复杂 16-18。通常减振设计有两种措施，第一是加固设计，对壳体脆弱环节进行加固，提高其固有频率，保证其能正常计数。第二是建立隔振缓冲系统，使激励通过缓冲系统后减弱，小于其许用值 19,20。在编码器前进行加固处理前，先要对其结构动态性能进行模态分析，建立三维有限元模型，利用有限元分析软件进行模态分析。通过模态分析得到计数器整体结构的各阶振型和固有频率，确定其结构是否稳定，若不稳定则对结构再进行修改 21-24。隔振缓冲系统一般都是利用阻尼材料和弹性材料来建立。然后将减振系统简化为数学模型进行分析，得出运动方程，经拉氏变换的出减振系统的幅频特性，然后在 Simulink 中使用减振材料的数据进行仿真，查看隔振系统的隔振效果是否满足要求 25-30。2.3.2 光电传感器的减振光电传感器在冲床滑块内的工作环境是很恶劣的，强大的冲击力会导致其损坏失效，从而整个计数器也随之失效。为此必须对其采取减振措施。光电传感器的体积小，在其壳体内布置常规的减振机构很不现实，因此，常用的方法是利用缓冲吸能效果好的灌封材料对整个光电传感器进行固体灌封，以加强传感器的抗冲击能力，选用合适的灌封材料和工艺是提高传感器可靠性的有效方法 31。如图 2 所示，就是对电子元器件的一个灌封过程。图 2 电子元器件灌封灌封材料有聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶、环氧树脂等，这些高分子材料具有典型的黏弹性，从其受力后的微观表现可以分析出其吸能特性，灌封材料受力后，分子链发生变形，在撤去力后分子链又恢复原位，这就是高分子材料的弹性。当其受力后，分子链发生滑移，产生塑性变形，所做的功变成热量散发，表现为黏性性质。此外这些材料密度小，泡孔多，泡孔在滑块冲击过程中能产生阻尼，吸收部分能量。从而减小滑块加速或减速时作用在电子线路上的力。最后通过查取灌封材料的物理参数，建立减振系统动力学方程，再利用Simulink 模型，搭建起该系统的仿真模型进行分析，得出光电传感器的加速度波形图、固有频率、振型等 32。2.3.3 联轴器减振分析联轴器属于常用件，在压力机环境中往往选用有弹性元件的联轴器，其不仅可以补偿两轴的相对位移，而且具有缓冲减振的能力 33。弹性联轴器的减振分析采用有限元法对弹性联轴器进行模态特性分析，根据试验结果修正弹性联轴器有限元计算模型参数，使计算模型更符合实际，提高弹性联轴器减振降噪性能计算评估方法的可靠性 34,35。2.4 模高调节一体化集成技术在冲床使用过程中，进行装模高度的调节大多依靠人工通过按钮点动的方式来进行控制的，这种调整方法的结果与实际的直线距离误差较大；且每次更换模具时，费时费力，效率低下。随着自动化要求的提高，人们对装模高度自动调节技术的要求也不断提高，所以对模高自动调节与控制技术的研究已成为冲床研究的焦点。编码器电子化后，为模高自动调节以及一体化提供了基础，比如金丰冲床设计了压力机装模高度调节的控制装置，采用光电编码器来采集装模高度数据，并用单片机控制模块处理数据和控制电机的驱动，提高了压力机装模高度调节精度，且操作方便；此外，还通过 RS-485 接口与压力机的主控系统连接，实现压力机不同装模高度调节的操作与管理 36。江苏扬力集团有限公司用接近开关和霍尔开关作为感应元件来检测模高，检测元件直接和 PLC 连接，PLC 通过计算在人机界面上显示模高，且 PLC 与调模电机相连实现自动调模 4。西安工业大学的于小宁、杨建华等人针对人工调节冲床装模高度过程中存在的误差较大，误操作和调模时间长等问题，提出了基于 DSP 的装模高度监测系统，利用直线位移传感器对装模高度进行检测，通过人工编程实现了实时调整装模高度，并经实际应用，使整个调模时间减少了 50%，有效的提高了生产效率，具有很好的实际意义 5。这些模高调节一体化集成技术在一定程度上解决了，模高调节费时、费力、效率低下的问题。但是整套系统的抗冲击性，人机交互性还未充分考虑和完善。因此对模高调节一体化集成技术的研究是十分有必要的。3 研究目标和内容3.1 研究目标本课题通过光电编码器将模高数字化，光电编码通过槽型光耦和格雷码盘完成，为模高自动调整和检测提供前提条件。模高的数字显示通过数码管来实现；通过模高调节的一体化集成技术，对各组成机构特别是模高信息和控制信息有机的结合，有效解决模高信息“孤岛化”问题，同时对编码器进行精密减振技术研究，能在冲床的现实工况中使用。本课题旨在实现编码器的电子化，进而可实现装模高度调节装置快速响应、准确调节、自动控制。另外编码器减振技术也能克服以往电子式编码器的实用性低的瓶颈，实现光电编码器的最终产品化。3.2 研究主要内容3.2.1 研究内容综合分析冲床装模高度计数器的研究现状，以及参考相应的减振方法，本课题将研究一种新型的调模电机编码器及其精密减振技术。研究内容包括新型光电编码器的设计，编码器的多重减振分析，模高调节一体化集成。(1)光电编码器的设计。新型光电编码器的结构如图 3 所示，包括壳体 1、槽型光耦 2、蜗轮轴 3、格雷码盘 4、输入轴 5、蜗杆 6、蜗轮 7。输入轴 5 与调模电机连接，槽型光耦与单片机控制模块连接。工作过程为调模电机通过输入轴带图 3 新型光电编码器的结构图动蜗杆 6 旋转，蜗杆 6 带动啮合的蜗轮 7 旋转，格雷码盘 4 和同轴的蜗轮 7 同步旋转，编码器的电子化通过格雷码盘 4 和槽型光耦 2 来实现，格雷码盘 4 数据的读取和识别是通过槽型光耦 2 来采集四码道格雷码盘的通断信号，光耦 4路电平开关量信号通过单片机控制模块来采集和检测，并通过 RS485 总线传输给 PLC 进行处理，并在数码管上实时显示，完成计数功能。(2)编码器的多重减振分析。多重减振包括编码器减振分析和槽型光耦减振分析，编码器减振分析首先对其结构动态性能进行模态分析，确定其结构是否稳定，若不稳定则对结构再进行修改。其次利用阻尼材料和弹性材料来建立隔振缓冲系统的模型，然后通过仿真软件和实验来观察隔振系统的减振效果。槽型光耦因为体积小，利用缓冲吸能效果好的灌封材料对整个光电传感器