一種用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括動、靜模位移信號采集裝置，位移信號采集裝置與單片機控制系統(tǒng)相連，單片機控制系統(tǒng)與人機界面相連，所述的動、靜模位移信號采集裝置采集動模、靜模之間的位移變化，并將位移變化轉(zhuǎn)化為電壓變化；電壓信號傳輸給單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)對電壓信號進行處理后，在人機界面上顯示。在本實用新型中采用微位移傳感器監(jiān)測動模位移x隨時間t變化的關(guān)系，采集料段在成形過程中成形質(zhì)量的變化規(guī)律，在實際生產(chǎn)過程中，模具磨損、料段變長、變短等環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時，位移信號變化就會在包絡(luò)曲線上反映出來。
【專利說明】-種用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼球作為機械裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵零件，主要用于軸承、閥門、絲杠傳動、拋光等，是機 械、汽車行業(yè)以及軍工、航空航天工業(yè)必不可少的零件。目前國內(nèi)鋼球的基本加工工藝過程 為：原材料一冷繳一光球一熱處理一硬磨一初研一精研一超精研一光學(xué)外觀一清洗防鎊一 成品檢驗一包裝。冷鐓制坯能夠保證良好的產(chǎn)品精度和機械性能，因而中小型鋼球制坯普 遍采用冷鐓加工工藝。冷鐓作為鋼球加工的第一道工序，其成性缺陷具有擴散性、遺傳性、 隱蔽性，往往在后續(xù)工序中暴露出來，是主要的質(zhì)量隱患和次品源頭。環(huán)帶缺陷（無環(huán)帶或 環(huán)帶過大）是鋼球成行過程中的主要質(zhì)量缺陷。
[0003] 目前國內(nèi)鋼球冷鐓設(shè)備只執(zhí)行機械式的往復(fù)運動，缺乏過程檢測；傳統(tǒng)的采用專 用檢測器具進行人工檢測的方法，檢測效率低，量具易磨損，生產(chǎn)過程中問題不能被及時發(fā) 現(xiàn)和糾正，造成毛坯質(zhì)量穩(wěn)定性差，合格鋼球毛坯中往往混雜著壞品，嚴重影響成品合格 率。
[0004] 在專利申請?zhí)枮閇201310519608. 0]中公開了一種鋼球高速冷鐓機的自動檢測裝 置，，包括固定在冷鐓機機架上的PLC、冷鐓機面板1、模塊2、固定模殼3、固定球模4、活動 模殼5和活動球模6,所述模塊2與冷鐓機面板1固定連接，固定模殼3通過墊板9固定安 裝在模塊2上，固定球模4安裝在固定模殼3內(nèi)，活動球模6安裝在活動模殼5內(nèi)，活動模 殼5通過偏心輪與冷鐓機的高速電機連接，該自動檢測裝置還包括壓力傳感器7 ;在冷鐓機 的面板1上設(shè)有孔8,孔8內(nèi)裝入壓力傳感器7,壓力傳感器7通過導(dǎo)線與冷鐓機上PLC連 接；
[0005] 現(xiàn)有專利的自動檢測裝置，壓力傳感器需要安裝在冷鐓機面板上的孔內(nèi)，安裝不 方便，并且在現(xiàn)有冷鐓機的基礎(chǔ)上進行設(shè)備改造麻煩，需要重新打孔來安裝傳感器；采用 PLC控制，成本較高。并且只通過獲取沖擊壓力的值來根據(jù)壓力范圍判斷球是否合格的方法 并不全面，應(yīng)根據(jù)冷鐓過程中壓力一時間信號建立包絡(luò)曲線判斷。 實用新型內(nèi)容
[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型公開了一種用于鋼球冷鐓成形的在線 監(jiān)測系統(tǒng)，通過對冷鐓過程中動模、靜模位移信號進行實時監(jiān)測和記錄，并通過自學(xué)習(xí)算法 自動建立生產(chǎn)監(jiān)測標準，在線提取監(jiān)測并分析信號特征，在加工過程中實時監(jiān)測冷鐓球坯 時間-位移曲線，通過相關(guān)分析算法分析與生產(chǎn)監(jiān)測標準的匹配程度，使得生產(chǎn)過程中有 問題被及時發(fā)現(xiàn)，具有質(zhì)量追蹤及優(yōu)化、異常報警及設(shè)備保護等功能。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的具體方案如下：
[0008] -種用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括動、靜模位移信號采集裝置，位移信 號采集裝置與單片機控制系統(tǒng)相連，單片機控制系統(tǒng)與人機界面相連，所述的動、靜模位移 信號采集裝置采集動模、靜模之間的位移變化，并將位移變化轉(zhuǎn)化為電壓變化；所述的電壓 信號傳輸給單片機控制系統(tǒng)，所述的單片機控制系統(tǒng)對電壓信號進行處理后，在人機界面 上顯示。
[0009] 所述的動、靜模位移信號采集裝置包括微位移電渦流傳感器、安裝在冷鐓機固定 模殼上的固定支架和安裝在活動模殼上且用于傳感器感應(yīng)的固定感應(yīng)塊；所述的微位移電 渦流傳感器安裝在固定支架上。
[0010] 所述的單片機控制系統(tǒng)主要包括單片機芯片，A/D轉(zhuǎn)換模塊，報警裝置。A/D轉(zhuǎn)換 模塊和報警裝置均與單片機芯片相連；
[0011] 所述的報警裝置主要包括繼電器和紅色報警燈，繼電器來控制報警燈電路的通 斷；
[0012] 所述的人機界面為觸摸屏人機界面，通過串口線與單片機芯片的串口通信連接；
[0013] 所述的微位移電渦流傳感器、單片機控制系統(tǒng)、人機界面均通過系統(tǒng)控制電源電 路供電；
[0014] 所述的系統(tǒng)控制電源電路包括旋鈕開關(guān)、電源指示燈以及工業(yè)級AC-DC開關(guān)電 源，AC-DC開關(guān)電源將220V交流電轉(zhuǎn)換成24V和5V直流電輸出。
[0015] 微位移電渦流傳感器通過電渦流效應(yīng)的原理，準確測量被測體（必須是金屬導(dǎo) 體）與探頭端面的相對位置，并位移變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。將微位移電渦流傳感器及感應(yīng) 塊分別安裝在靜模和動模一側(cè)，生產(chǎn)過程中冷鐓胎體的距離變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓盘枴?br> [0016] 動、靜模位移信號采集裝置用于對冷鐓過程中動模、靜模之間位移變化的信號進 行米集；
[0017] 人機界面用于顯示冷鐓過程中位移信號的變化參數(shù)及冷鐓機工作狀態(tài)；
[0018] 單片機控制系統(tǒng)用于將位移傳感器采集到的位移信號處理后送到人機界面實時 顯示，通過自學(xué)習(xí)算法將一段穩(wěn)定生產(chǎn)過程中的位移信號記錄下來，并且自動建立包絡(luò)曲 線作為生產(chǎn)監(jiān)測標準，在加工過程中實時監(jiān)測冷鐓球坯時間-位移曲線，通過相關(guān)分析算 法分析與生產(chǎn)監(jiān)測標準的匹配程度，當實際生產(chǎn)過程測試信號超出包絡(luò)曲線時產(chǎn)生報警信 號或者自動關(guān)閉機械設(shè)備電源；
[0019] 所述的在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控方法如下：
[0020] 首先是對監(jiān)測系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程，通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練建立工作模板，主要包括3 個步驟：
[0021] 步驟1 :在操作人員的監(jiān)控下，并由操作人員判斷鋼球成形的質(zhì)量是否合格，只記 錄合格鋼球毛坯的時間-位移信號；
[0022] 步驟2 :對合格的鋼球毛坯進行離散采樣，具體如下：
[0023] 對η個冷鐓鋼球合格信號采樣；每個信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，離散為一個長度固定為j 的數(shù)組[Xij] (i = 1，2…n), (j = 1，2…N);這樣將每個載荷信號由連續(xù)模擬量變?yōu)殡x散點， 為中值濾波提供數(shù)值來源。這樣將每個載荷信號由連續(xù)模擬量變?yōu)殡x散點，為中值濾波提 供數(shù)值來源。
[0024] 步驟3:循環(huán)中值濾波：
[0025] 對η組數(shù)據(jù)中每個對應(yīng)點進行升序排列，選擇中間的x(x > 3)個數(shù)據(jù)進行保存； 如果有新數(shù)據(jù)，再進行n-x組波形的采樣，組成η組數(shù)據(jù)，升序排列；但記錄下哪些是以前保 留下來的舊數(shù)據(jù)，哪些是新的數(shù)據(jù)；根據(jù)新舊數(shù)據(jù)各種不同的排列可能，得到X組新的波形 信號，如此循環(huán)。如果沒有新波形輸入則從每個點剩余的X個數(shù)據(jù)中，選擇中間的數(shù)據(jù)進行 保存，得到標準波形信號，自動建立包絡(luò)曲線作為生產(chǎn)監(jiān)測標準，保存在單片機系統(tǒng)中；
[0026] 上面的n，X均表示自然數(shù)。
[0027] 在監(jiān)測系統(tǒng)進行完學(xué)習(xí)訓(xùn)練之后，進入正常生產(chǎn)工作階段，進入到步驟4。正常工 況下，每次冷鐓過程的時間-位移信號曲線的特征指標與模板基本相同，一旦出現(xiàn)成形故 障，信號曲線就會產(chǎn)生相應(yīng)的異常變化。
[0028] 步驟4:在生產(chǎn)階段檢測時，通過微位移電渦流傳感器隨時采集動、靜模位移信 號，采用相關(guān)分析算法將所采集的信號與步驟3中的生產(chǎn)監(jiān)測標準進行匹配運算，當實際 生產(chǎn)過程測試信號超出包絡(luò)曲線時產(chǎn)生報警信號或者自動關(guān)閉機械設(shè)備電源，當沒有超出 包絡(luò)曲線時，設(shè)備正常運行。
[0029] 本實用新型的有益效果：
[0030] 在本實用新型中采用微位移傳感器監(jiān)測動模位移X隨時間t變化的關(guān)系，采集料 段在成形過程中成形質(zhì)量的變化規(guī)律，采用自學(xué)習(xí)算法自動建立包絡(luò)曲線作為生產(chǎn)監(jiān)測標 準，根據(jù)位移曲線上的每一點可自動分析計算最佳包絡(luò)曲線的寬度。在實際生產(chǎn)過程中，模 具磨損、料段變長、變短等環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時，位移信號變化就會在包絡(luò)曲線上反映出來；
[0031] 本實用新型在傳統(tǒng)冷鐓過程的基礎(chǔ)上增加在線監(jiān)測系統(tǒng)，使得生產(chǎn)效率大大提 高，及時發(fā)現(xiàn)冷鐓過程中的問題，在節(jié)約人力的同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，實現(xiàn)了對于 冷鐓過程球坯成形的在線監(jiān)測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1鋼球冷鐓機構(gòu)原理圖；
[0033] 圖2(a)_(b)自動學(xué)習(xí)包絡(luò)曲線示意圖；
[0034] 圖3標準信號學(xué)習(xí)算法流程圖；
[0035] 圖4傳感器安裝圖；
[0036] 圖5單片機控制系統(tǒng)圖；
[0037] 圖6系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖；
[0038] 圖中：1.偏心輪2.連桿3.滑塊4.調(diào)整塊5.動模6.定模。

【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明：
[0040] 如圖1所示是冷鐓運動的結(jié)構(gòu)原理簡圖，圖中包括偏心輪1，連桿2,滑塊3,調(diào)整 塊4動模5,定模6。鋼球冷鐓機冷鐓過程可以簡化為曲柄滑塊機構(gòu)帶動動模運動，從而使 棒料在動、靜模之間擠壓變形，最終冷鐓成球。其中調(diào)整塊可以上下調(diào)整，用于調(diào)節(jié)動模的 最大行程（即調(diào)整動模的終止位置），從而調(diào)整鋼球毛坯的環(huán)帶大小。
[0041] 在圖中建立坐標系，計算滑塊的位移X關(guān)于角度Θ的關(guān)系式。由于滑塊和偏心輪 的偏轉(zhuǎn)中心同軸，故在Λ OAB中，OB的橫坐標，即動模位移運動方程為：
[0042] X = r cos Θ +^l1 -r1 sin1 Θ
[0043] 由于Θ = cot，代入上式，將動模位移隨角度的運動規(guī)律轉(zhuǎn)化為位移隨時間的運 動函數(shù)：
[0044] .V - r cos οΛ + ^l1 - r' sin2 οΛ
[0045] 當冷鐓機空載時，動模位移χ隨角度θ、時間t的運動函數(shù)如上面兩個公式所示。 當在實際冷鐓生產(chǎn)過程中，從料段到冷鐓成球坯的過程會有應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生，料段在冷鐓的 過程中會對動模產(chǎn)生反作用力，反作用力會使得曲柄、連桿產(chǎn)生彈性變形。因此在沖壓冷鐓 的過程中，動模位移X隨角度Θ、時間t的運動函數(shù)關(guān)系將不再是上面公式所述，會發(fā)生一 定的變化。
[0046] 基于上述原理，本實用新型公開了用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括動、靜 模位移信號采集裝置，位移信號采集裝置與單片機控制系統(tǒng)相連，單片機控制系統(tǒng)與人機 界面相連；
[0047] 如圖4所示位移信號采集裝置安裝微位移電渦流傳感器的固定支架和對位移傳 感器進行感應(yīng)的感應(yīng)塊，將位移傳感器固定在支架的孔內(nèi)，通過上部的兩個螺紋孔用螺釘 緊固，支架用兩側(cè)的四個螺釘固定在固定模殼一側(cè)。傳感器具有工作可靠性好、測量范圍 廣、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)影響等優(yōu)點。將采集到 的位移信號轉(zhuǎn)化為電壓信號送入單片機；
[0048] 如圖5所示單片機控制系統(tǒng)包括單片機芯片，A/D轉(zhuǎn)換模塊，報警裝置。A/D轉(zhuǎn)換 模塊和報警輸出裝置均與單片機芯片相連，人機界面和單片機通過UARTO通信；
[0049] 如圖6所示為系統(tǒng)人機界面的設(shè)計圖，主要有四個界面組成，分別是①開機界面、 ②主頁界面、③學(xué)習(xí)模式界面、④參數(shù)設(shè)置界面。
[0050] 在使用時，打開系統(tǒng)電源電路中的旋鈕開關(guān)，電源指示燈亮，人機界面上電后首先 顯示開機界面，點擊開機界面中"進入"后進入到主頁界面；在主頁界面左側(cè)可以實時顯示 訂單量、實際完成量、訂單余量、剩余加工時間、加工速率等信息，右側(cè)包括學(xué)習(xí)模式、生產(chǎn) 模式、參數(shù)設(shè)置、幫助等選項，中間部分為位移信息顯示區(qū)域，只要將采集到的位移量以柱 狀圖的形式實時顯示；點擊"學(xué)習(xí)模式"進入到學(xué)習(xí)模式后，顯示學(xué)習(xí)模式界面，在學(xué)習(xí)模 式界面點擊"啟動"后開始學(xué)習(xí)模式，界面顯示正在學(xué)習(xí)并記錄學(xué)習(xí)結(jié)果，1-2分鐘以后點 擊"停止"按鈕，此時繪圖框?qū)@示學(xué)習(xí)結(jié)果然后進行保存，建立生產(chǎn)監(jiān)測標準；在生產(chǎn)模式 下，繪圖框?qū)崟r顯示傳感器采集到的位移信息變化并與建立的生產(chǎn)監(jiān)測標準進行比對，當 一段時間內(nèi)與監(jiān)測標準差別較大時，報警裝置工作，提醒工人要停機，對冷鐓機進行調(diào)節(jié)后 繼續(xù)生產(chǎn)；在參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置繪圖區(qū)X軸跟Y軸的參數(shù)。
[0051] 如圖6所示為系統(tǒng)主要功能：
[0052] (1)質(zhì)量分析：在線分析位移信號，建立生產(chǎn)監(jiān)測標準，鑒別成形缺陷；
[0053] (2)數(shù)據(jù)存儲與讀?。豪萌藱C界面屏幕內(nèi)部FLASH，將過程數(shù)據(jù)，生產(chǎn)統(tǒng)計信息 等存儲到系統(tǒng)；
[0054] (3)顯示模塊：實現(xiàn)可視化操作、交互式設(shè)置。實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的實時顯示，包括：動 態(tài)曲線、沖擊能量的柱狀圖、操作設(shè)置菜單等；
[0055] (4)時間標簽：將加工信息與加工時間對應(yīng)，實現(xiàn)產(chǎn)品輪班統(tǒng)計和歷史記錄查詢；
[0056] (5)參數(shù)設(shè)定：人機交互式設(shè)置重要參數(shù)，如內(nèi)部增益、位移信號采樣率等；
[0057] (6)重要參數(shù)掉電記憶：保存設(shè)置好的參數(shù)，開機自動讀取，非初次使用的監(jiān)測裝 置免設(shè)置。
[0058] 在本實用新型中采用微位移傳感器監(jiān)測動模位移x隨時間t變化的關(guān)系，采集料 段在成形過程中成形質(zhì)量的變化規(guī)律，采用自學(xué)習(xí)算法自動建立包絡(luò)曲線作為生產(chǎn)監(jiān)測標 準，根據(jù)位移曲線上的每一點可自動分析計算最佳包絡(luò)曲線的寬度。在實際生產(chǎn)過程中，模 具磨損、料段變長、變短等環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時，位移信號變化就會在包絡(luò)曲線上反映出來，如 圖2為自動學(xué)習(xí)包絡(luò)曲線示意圖；
[0059] 鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)運行學(xué)習(xí)算法時，在操作人員的監(jiān)控下并由操作人 員判斷鋼球成形的質(zhì)量是否合格，只記錄合格鋼球毛坯的位移信號。如圖3所示列出了標 準信號學(xué)習(xí)算法流程，通過數(shù)據(jù)采集得到離散化載荷信號數(shù)據(jù)點，將整個波形的學(xué)習(xí)修正 為對點的學(xué)習(xí)。主要有采樣離散和循環(huán)中值濾波兩步。
[0060] (1)采樣離散：進行η個冷鐓鋼球合格信號采樣；每個信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，離散為 一個長度固定為N的數(shù)組[x iN] (i = 1，2…η)。這樣將每個載荷信號由連續(xù)模擬量變?yōu)殡x 散點，為中值濾波提供數(shù)值來源。
[0061] (2)循環(huán)中值濾波：對η組數(shù)據(jù)中每個對應(yīng)點進行升序排列，選擇中間的3個數(shù)據(jù) 進行保存。如果有新數(shù)據(jù)，再進行η-3組波形的采樣，組成η組數(shù)據(jù)，升序排列；但記錄下哪 些是以前保留下來的舊數(shù)據(jù)，哪些是新的數(shù)據(jù)。由于舊數(shù)據(jù)已經(jīng)過篩選，所包含的信息量比 新數(shù)據(jù)大，其優(yōu)先權(quán)高，根據(jù)新舊數(shù)據(jù)各種不同的排列可能，得到3組新的波形信號，如此 循環(huán)。如果沒有新波形輸入則從每個點剩余的3個數(shù)據(jù)中，選擇中間的數(shù)據(jù)進行保存，得到 標準波形信號。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括動、靜模位移信號采集 裝置，位移信號采集裝置與單片機控制系統(tǒng)相連，單片機控制系統(tǒng)與人機界面相連，所述的 動、靜模位移信號采集裝置采集動模、靜模之間的位移變化，并將位移變化轉(zhuǎn)化為電壓變 化；所述的電壓信號傳輸給單片機控制系統(tǒng)，所述的單片機控制系統(tǒng)對電壓信號進行處理 后，在人機界面上顯示。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的動、靜 模位移信號采集裝置包括微位移電渦流傳感器、安裝在冷鐓機固定模殼上的固定支架和安 裝在活動模殼上且用于傳感器感應(yīng)的固定感應(yīng)塊；所述的微位移電渦流傳感器安裝在固定 支架上。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的單片 機控制系統(tǒng)包括單片機芯片，A/D轉(zhuǎn)換模塊，報警裝置；A/D轉(zhuǎn)換模塊和報警裝置均與單片 機芯片相連。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的報警 裝置主要包括繼電器和紅色報警燈，繼電器來控制報警燈電路的通斷。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的人機 界面為觸摸屏人機界面，通過串口線與單片機芯片的串口通信連接。
6. 如權(quán)利要求2所述的用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的微位 移電渦流傳感器、單片機控制系統(tǒng)、人機界面均通過系統(tǒng)控制電源電路供電。
7. 如權(quán)利要求6所述的用于鋼球冷鐓成形的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的系統(tǒng) 控制電源電路包括旋鈕開關(guān)、電源指示燈以及工業(yè)級AC-DC開關(guān)電源，AC-DC開關(guān)電源將 220V交流電轉(zhuǎn)換成24V和5V直流電輸出。
【文檔編號】B21K1/02GK204159809SQ201420580494
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】朱國棟, 艾長勝 申請人:濟南大學(xué)