机械压力机PFC所需传递扭矩的在线检测方法

摘要

本发明公开了一种机械压力机PFC所需传递扭矩的在线检测方法，该方法采用滑块力程间接测量法检测PFC所需传递的扭矩Ma，根据机械压力机实际加工的有关信息，采用滑块力程特性获取Ma的值的方法进行研究。当由滑块上的力程特性得到曲轴的所需扭矩MRa后，可方便地由公式确定Ma的值，利用力传感器、A/D板及计算机等在线实测变形力数值及其时刻，采用软件可自动计算出工件变形阶段中不同时刻的扭矩MRa，并输出不同时刻的MRa值和最大值MRm，该方法具有迅速、可靠等良好特性，可以在生产中推广应用。

说明书

                     技术领域

本发明属于锻压设备之机械压力机领域的传递扭矩检测方法，具体涉及一种PFC所需传递扭矩的在线检测方法及装置。

                     背景技术

当机械压力机进行锻冲工作时，需要气动摩擦离合器(PneumaticFriction Clutch，以下简称PFC)摩擦副能输出足够大的扭矩M_q≥M_a，否则PFC摩擦面产生打滑而发生闷车事故。通过电气比例压力阀给PFC气缸提供合适的气压来满足M_q≥M_a的正常工作要求，很显然必须预先知道M_a的大小。

目前在国内外的所有机械压力机中，不管工件变形每次需要PFC传递多大的扭矩M_a(如齿轮热模锻进行第1工步的镦粗力往往仅为第2工步终锻力的1/3，相应的第1工步所需的M_a1不到第2工步的1/2)，但每次PFC气缸都进最大的气压p_max，相应地PFC所能提供的扭矩总为最大值M_qmax，既造成了压缩空气能量的浪费又使PFC的排气噪声增大对环境的污染加重，因此本发明提供一种对PFC所需传递的扭矩的大小进行在线测量的方法。并详细论述了如何通过该测量装置检测得到PFC所需传递的扭矩M_a，PFC又是如何依据M_a的大小，提供足够大的扭矩M_q来满足工作变形的需要的。

由于塑性变形过程及机械压力机的复杂性，给理论计算带来当大的难度，为此这里采用在线实测的方法来确定M_a的大小，通常PFC轴上实际的扭矩的测试方法有用扭矩传感器直接测量、使用荷重传感器间接测量、使用电动机电流间接测量和利用滑块力程间接测量四种方法，本文先对这四种方法分别进行论述。

1.扭矩传感器直接测量方法

直接测量转动轴上扭矩的传感器有以下两种类型：

a.应变式扭矩传感器：

采用电阻应变片将机械应变转换成正比于扭矩的电信号。由于其从转轴上输出信号，装置复杂，或可靠性差、或成本太高，使用不便。

b.扭转角相位差式扭矩传感器

如JCZ型转矩转速传感器的转矩测量原理就是相位差式原理，即在弹性轴的两端安装两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁缸，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期扫过磁缸的底部，使气隙磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信号。在弹性轴受扭时，将产生扭转变形，使两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比。

锻压生产的工业现场环境恶劣，且不宜对机械压力机的曲轴进行破坏性处理(如在曲轴上打磨、钻孔等)和破坏曲轴的动平衡(如在曲轴上安装传感器及其附件)，因此，上述直接测量转动轴上的扭矩的方法在机械压力机FPC扭矩测试中应用较难。

2.荷重传感器间接测量扭矩方法

在机械压力机上安装和使用荷重传感器都是比较方便的，在西安交通大学模具与塑性加工研究所的PFCB-82型机械压力机气动摩擦离合器与制动器综合智能试验台(如附图1所示)上安装的荷重传感器则可以测出PFC轴上的扭矩与时间的变化关系。图2为该实验台上安装荷重传感器的情况，制动器的固定座有左右两凸台，在一侧安装荷重传感器，通过测量荷重传感器的输出的力，通过扭矩计算公式M_a＝F×L间接计算得到作用于PFC轴上的扭矩。

3.电动机电流间接测量轴上扭矩方法

机械压力机一般由三相异步电动机驱动，当PFC轴上所需的扭矩越大时，则相应的电动机所需输出转矩也越大，这样可间接地通过对电动机输出转矩的测量结果，推算出PFC轴上M_a。由异步电动机的运行原理可知，转子绕组中的电流在旋转磁场的作用下，产生了作用在电动机转子上的电磁转矩。由电动机学可知，电动机的平均电磁转矩M为：

M＝K·Φ_m·I₂·cosΦ₂(N·m)                 (1)

式中：K-与电动机结构参数有关的系数，称为转矩系数；

      Φ_m-气隙每极磁通量(Wb)；

      I₂-转子绕组相电流(A)；

      cosΦ₂-转子绕组的功率因数

由式(1)可看出，异步电动机电磁转矩M的大小与气隙每极磁通量Φ_m、转子相电流I₂以及转子的功率因数cosΦ₂成正比。但由于这个关系比较复杂，而在实际生产中，电动机在正常范围内运转时电动机的转差率很小，其气隙磁通Φ_m可视为额定值，功率因数cosΦ₂≈1，这样电磁转矩M的大小仅与转子电流I₂成正比。但因为转子电流不便于测量，根据电动机的等值电路，把转子各量进行匝数、相数和转子位置的折合后，可以得到定子电流转子折合电流与电动机的励磁电流的关系：

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式中 $>>>>I>·>>2>\prime sup>>=>>>>I>·>>1>>>k>i>>>,>>s>k$_i为电流变比，可通过计算或实验获得。异步电动机在从空载到额定负载的正常运行范围内，励磁电流的变化也非常小，基本上可视为定值。因此由式(1)和(2)可知，电动机的电磁转矩与定子电流有一定的比例关系，可以通过测量电动机定子中的某一相的电流，来间接测得电动机的电磁输出转矩。经在实验台上的大量实验发现，电动机的电流大小不但与其输出转矩有关，而且与工艺类型有关，故本发明不采用此方法获得M_a的值。

4.滑块力程间接测量方法：

实际中机械压力机的PFC所需传递的扭矩M_a是由其滑块通过模具使工件产生变形时所需力和变形高度确定的，在工业生产实际中有些机械压力机上安装有自动检测锻冲变形力及变形高度的装置，这样，用这两种信号的大小就可获得曲轴上作用的扭矩M_Ra

                      M_Ra＝Pm_q                       (3)

式中P为作用到滑块上的工件变形力(N)，m_q为曲柄连杆机构的当量力臂(m)。

当在线已知曲轴上作用的扭矩M_Ra，相应地PFC轴上所需传递的扭矩M_a应为

$>>>M>a>>=>>>M>Ra>>i\eta >>.>.>.>>(>4>)>>>s>$

式中i为PFC的轴至曲轴的传动比，η为PFC轴至曲轴之间的传动效率，对一级齿轮传动η＝0.97，二级齿轮传动η＝0.94。

                         发明内容

本发明的目的在于，提供一种机械压力机PFC所需传递扭矩的在线检测方法，该方法就是采用上述第四种方法来在线测试PFC轴上实际的扭矩以确定M_a的大小。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种机械压力机PFC所需传递扭矩的在线检测方法，该方法采用滑块力程间接测量法检测PFC所需传递的扭矩M_a，其特征在于，具体包括下列步骤：

 1)以PFC所能提供的扭矩M_q＝βM_a并且M_q与气缸气压成良好的线性关系M_qC＝kp，通过调节进入PFC气缸的气压p来达到对PFC所能产生的扭矩的控制；

2)利用滑块力程曲线确定PFC摩擦面上所需传递扭矩M_Ra的方法，包括了由工艺类型的最大变形力P_m和由在线实测P-t数值关系两种方式；

A.采用由工艺类型和最大变形力P_m的方式确定扭矩M_Ra时，首先应建立所完成工艺较为准确的工作负荷特性的数学表达式，然后计算出工件变形过程中各段的最大扭矩M_Raim，最后通过各段的对比求出整个变形过程中的扭矩最大值M_Rm；

B.采用由在线实测P-t数值关系是，利用力传感器、A/D板及计算机在线实测变形力数值及其时刻，计算机通过数据采集和输出卡进行控制，采用软件可自动计算出工件变形阶段中不同时刻的扭矩M_Ra，并输出不同时刻的M_Ra值和最大值M_Rm。

为了验证本发明的方法的相关程序的正确性，选用上海第二锻压机床厂生产的JH23-63型机械压力机完成冷挤压时的典型工艺进行研究。假设某冷挤压工艺中P_m＝3×10⁵N，α₀＝30°，该机械压力机的参数为滑块行程s₀＝100mm，曲柄半径R＝s₀/2＝50mm，d_o＝115mm，d_A＝155mm，d_B＝120mm，μ＝0.045，λ＝0.1，Δα＝1°，ε＝0.5°，传动比I＝5.353(为便于和角度增中中的i区别，将式(4)中的曲轴到PFC轴之间的传动比i在这里换成字母I)，一级齿轮传动效率η＝0.97，滑块行程次数n＝50次/分，相应的曲柄旋转角速度为ω＝2πn/60＝5.236(rad/s)，经过计算后的结果如图3所示，为了直观，将横坐标以压力角α(角度)表示，图中M′_l、M′_μ分别为折算到PFC轴上的理想扭矩和阻扭矩。

                        附图说明

图1为PFC-B-82型机械压力机气动摩擦离合器与制动器综合智能试验台结构示意图。图中的标号分别表示：1.制动器气压比例阀 2.荷重传感器 3.制动器气缸上气压变送器 4.制动器壳体 5.制动器活塞 6.制动器活塞位移传感器 7.制动器运动盘 8.制动器摩擦块 9.滚动轴承 10.制动端支承架及轴承 11.转动惯量调节盘 12.从动轴测速盘 13.从动轴测速光电传感器及支架 14.从动惯量盘 15.离合器端支承架及轴承 16.飞轮 17.滚动轴承 18.离合器活塞位移传感器 19.活塞 20.飞轮测速盘 21.飞轮测速光电传感器及支架 22.离合器进排气管气压变送器 23.离合器气压比例阀 24.地面25.摩擦块 26.三角皮带槽 27.从动轴；

图2为利用荷重传感器测试轴上扭矩的结构；

图3为由P_m求取冷挤压工艺的扭矩变化特性曲线，其中曲线a为M_a，曲线b为M′_l，曲线c为M′_μ；

图4为机械压力机PFC所需传递扭矩的计算机在线监测与控制系统；

图5为在线实测的变形力特性曲线；

图6为在线计算的拉延工艺的扭矩变化曲线；

图7为拉延工艺变形力变化曲线。

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

                    具体实施方式

如前所述，要使PFC摩擦副输出的扭矩M_q能满足工件变形的要求，就必须知道该工件变形时所需PFC摩擦面传递的扭矩M_a，这样才能实现根据PFC所需传递的M_a，通过智能化的气动系统以使PFC摩擦副能输出的扭矩满足：M_q≥M_a，自适应地实现可靠、高效能、低污染的锻冲加工。本发明就是根据机械压力机实际加工的有关信息来确定M_a的值。获得M_a的方法很多，本发明仅就采用滑块力程特性获取M_a的值的方法进行研究。当由滑块上的力程特性得到曲轴的所需扭矩M_Ra后，可方便地由公式确定M_a的值，为此，本发明仅就M_Ra是如何确定进行了研究。

在工业实际中的有些机械压力机上安装了可自动检测并显示滑块上作用的工件变形力的装置(以下简称为测力装置)。目前这种测力装置有两种输出方式，一种是仅能输出并显示最大工件变形力P_m，另一种是可输出不同时刻的变形力P的大小，并给出最大值，即可输出并显示P-t数值及曲线。为此，本发明首先对工艺类型已知但测力装置仅能输出最大工件变形力P_m的情况下如何得到M_Ra进行研究，然后依次对已知P-t的情况下得到M_Ra的值来论述。

1.PFC的扭矩与气压大小的关系

前面叙述了在机械压力机工作过程中，如何在线地获得PFC轴上的扭矩M_a的方法。在已知了M_a的大小之后，接下来的问题就是要让PFC的摩擦副能够提供足够大的扭矩M_q，使M_q≥M_a，否则将会在工件变形过程中发生摩擦面打滑，摩擦材料磨损、过热，甚至发生严重的“闷车”事故。但若不管M_a的大小，每次工作时都取最大值M_qmax，虽然工作可靠，但如前所述会造成极大的压缩空气能量的浪费，这是目前的PFC气路系统存在的不足，也正是本发明要改善之处。

考虑到工作过程中存在摩擦运动阻扭矩，为了正常工作M_q≥M_a，但为了节能又不能大很多，这里定义在进行扭矩智能控制时取：

                       M_q＝βM_a                         (5)

式中β定义为PFC扭矩储备系数。它是考虑到PFC摩擦副之间所能传递的扭矩M_q受到PFC气缸内气压的波动、摩擦系数的稳定性、真实摩擦接触面积的变化等情况下仍能使PFC正常工作而得到的。这里取β＝1.1～1.3，本申请取β＝1.2。

对PFC摩擦副来讲，其所能输出的扭矩M_q应为

                       M_q＝mμqF₀R_μ                    (6)

式中，m为摩擦面数，μ为摩擦系数，对机械压力机通常所使用的摩擦材料及对磨元件μ＝0.3～0.4。R_μ为当量摩擦半径，F₀为单面摩擦面积，q为摩擦面上的比压，该摩擦面上作用的总的压紧力Q为

                      Q＝qF₀                           (7)

Q通常是由气缸内的活塞产生的，活塞是依靠压缩空气驱动的，这样当设PFC活塞面积为S，压缩空气压强为p，当忽略活塞与气缸之间的摩擦时，可得：

                      Q＝pS                            (8)

因为式(6)和式(8)中的μ、F、R_μ及S很难人为调节，这样由式(5)可知，为了使M_q能跟随M_a而变化，只能通过调节气压p的大小。在本申请中气压p的大小，在本文中气压p依靠电气比例电磁阀在线调节，由气压传感器来反馈检测调试结果从而构成闭环系统。

通常PFC的摩擦副形式有盘式和浮动镶块式两种。本申请中的PFC-B-82型试验台采用的浮动镶块式结构形式，其所能产生的摩擦扭矩为

                     M_q＝2μqzF_iR_μ                   (9)

式中：z为浮动镶块数目；

F_i为一个浮动镶块的单边摩擦面积。

也就是说，对该种浮动镶快结构，存在下式

                     F₀＝zF_i                          (10)

                     m＝2                                (11)

由式(7)～(11)可得：

                     M_q＝2μpSR_μ                     (12)

在本发明的实验中，PFC和PFB摩擦面的尺寸为z＝10，R_μ＝0.210m，μ＝0.3～0.35，F_i＝7.7117×10^-3m²，S_B＝0.2366m²，S_C＝0.2686m²。其中S_B、S_C分别为PFC和PFB活塞的面积。

将上述数据代入式(12)并取μ＝0.31可得：  

                 M_qB＝0.0308p(N·m)                    (13)

                 M_qC＝0.0350p(N·m)                    (14)

可见对其它尺寸的PFC仍存在

                 M_qC＝kp                               (15)

也就是说摩擦离合器能够产生的摩擦扭矩大小与气缸内的气压大小成正比，这样由式(5)和式(15)可知，在已直接检测到PFC所需传递的摩擦扭矩M_a的情况下，可以根据M_a而调节气缸内气压的大小，从而达到节约压缩空气的目的。

2.使用在线实测的滑块力程特性确定M_a

由文献可知，当已知工件变形力P时，还无法确定作用到曲轴上的扭矩M_Ra，必须知道力臂的大小，在最大变形力P_m处往往力臂未必取最大值，两者之间的关系对不同的工艺存在较大差异。要想得到M_Ra的值，必须知道任意力臂长度m_q下的变形力P，两者相乘才能获得M_Ra的值，然后才能由式(4)求得PFC轴上的M_a。现在任意时刻的M_Ra值无法知道而仅知道P_m的值，如何求出M_Ra呢？

虽然任意时刻的P无法获得，但机械压力机实际所完成的工艺类型如冲裁、拉深、热模锻、冷挤压是确定的，每种工艺都有其独特的力程特性，特别在已知P_m和变形高度时，其它时刻的力的变形规律可推算出来，这里的工件变形高度对确定的加工毛坯及模具也是已知，这样就在已知工艺类型、P_m及h情况下，就可获得任意时刻的M_Ra值，由此可看出这种方法存在一定的近似性。

为此，本发明先对不同工艺类型的变形力程规律进行论述，然后再研究如何由已知工艺的变形力程确定出M_Ra。如前所述，因为M_Ra已知，由式(4)可知，M_a就可求得，所以下面仅研究如何获得M_Ra。

根据文献，考虑摩擦作用后，机械压力机的曲轴(或偏心轮)所需传递的扭矩可以表示为：

               M_Ra(α)＝M_l(α)+M_μ(a)                     (16)

$>>>M>l>>>(>\alpha >)>>=>P>>(>\alpha >)>>R>>(>sin>\alpha >+>>\lambda >2>>sin>2>\alpha >)>>/>cos>>(>>sin>>->1>\; >>(>\lambda >sin>\alpha >)>>)>>.>.>.>>(>17>)>>>s>$

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式中M_l(α)为理想扭矩，M_μ(α)为摩擦扭矩，P(α)为工件变形力，μ为机械转动系统摩擦系数，对开式压力机μ＝0.04～0.05，对闭式压力机μ＝0.045～0.055，d_A、d_B和d_o分别为连杆大端、小端和曲轴支承轴颈的直径。考虑到前述五种典型工艺均由不同斜率的折线构成，为使P(α)表达式更具通用性，参考前述各工艺力程特性方程的讨论，P(α)可写成：

               P(α)＝k(α-a₀)+P₀                         (19)

式中k＝(P₁-P₀)/(a₁- a₀)为负荷线段的斜率；(a₀，P₀)和(a₁，P₁)分别为该线段两端点的坐标，这两点的坐标由各个典型工艺的参数确定，在具体求解过程中，需先根据工艺参数确定这两点的坐标，然后才能进一步求解。

为了后面计算的方便性，可令：

$>>>f>1>>>(>\alpha >)>>=>R>>(>sin>\alpha >+>>\lambda >2>>sin>2>\alpha >)>>/>cos>>(>arcsin>>(>\lambda >sin>\alpha >)>>)>>.>.>.>>(>20>)>>>s>$

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这样，式(17)和(18)可分别写成：

               M_l(α)＝P(α)f₁(α)                        (22)

               M_μ(α)＝P(α)f₂(α)                    (23)

再结合式(16)可见，M_Ra(α)是关于α的函数，这样由式(16)和(19)～(23)可方便地使用计算机求出M_Ra(α)的值并得到其最大值。另外由相关文献中各典型工艺的力程图可知，对于力程图的每一段，M_q(α)均连续，即每一段均有极值出现，此极值即为这一段的扭矩的最大值。

因为对PFC输出扭矩M_q的智能控制是在线实时的，所以要求快速自动地根据在线实测所得的P_m值和所完成的工艺类型输出M_Ra的值，便于对系统进行控制。因此须编程在线求得M_Ra的值，进而由式(4)得到M_a的值。

按照上述技术方案，本发明机械压力机PFC所需传递扭矩的在线监测系统采用计算机通过数据采集变形力传感器信号，利用在线实测的P-t数值关系确定M_Ra。如图4所示为机械压力机PFC所需传递扭矩的计算机在线监测与控制系统示意图。

如前所述，有些机械压力机上安装的变形力传感器可输出任意时刻的变形力P值的模拟信号，通过A/D数据采集及计算机就可得到P-t数据关系。考虑到α＝ωt，经把时间t转化为曲柄转角关系α和数字滤波后就可得到如图5所示的P-α关系及数值。下面就来讨论如何由图5来确定M_Ra的大小。

3.转角步长Δα的选取

首先对如图5中的微小区间[α_i，α_i+1]，α_i+1＝α_i+Δα，Δα为计算M_Ra的步长，在该微小区间内，设P变化很小可忽略不计，因而可看成常数，并取作微区间左侧的数值P_i，即P＝P(α_i)(α_i≤α≤α_i+Δα)。这样图5中的连续曲线就可由高低不同的阶梯(α_i，P_i)所代替，实际上在计算机通过A/D卡获得图5中的曲线时，也是由很密集的离散点光滑而得。所以为提高运算速度也可不必先获得图5的曲线(当然在控制系统带有P-α显示功能的情况例外)，当已知A/D卡的采样周期Δt时，计算扭矩M_Ra时的转角步长Δα可按下式进行选取：

                Δα＝ωΔt                                (24)

很显然Δα越小，精确度越高，但在线控制扭矩的实时性会受到一定程度的影响，因此Δα的选取应兼顾上述两个方面。

1.M_Ra的确定

由式(16)、(17)和(18)，在任一转角α_i处的曲轴上所需传递的扭矩M_Rai为

                 M_Rai＝M_l(α_i)+M_μ(α_i)                    (25)

                 M_l(α_i)＝P(α_i)f₁(α_i)                   (26)

                 M_μ(α_i)＝P(α_i)f₂(α_i)                  (27)

然后增加一个Δα，求出下一个转角α_i+1＝α_i+Δα处的M_Ra(i+1)的值，依次进行直到计算出全部(0～α₀)范围内的M_Ra的值，然后比较求出最大值M_Rm。再利用式ωt_i＝α_i就可得到不时刻t_i的扭矩M_Rai的值。将以上计算步骤编制成程序可实现在线计算，并迅速为后面的控制系统提供数据。为了验证该程序的正确性，仍选用前面举例时所采用到的JH23-63型机械压力机进行对具有典型拉延工艺的近似半个正弦波形的力变形图进行仿真，即

                 P(α)＝4×10⁵sin 2α(N)  (0≤α≤90°)    (28)

如前所述对该机械压力机因其滑块行程s₀＝100mm，曲柄半径R＝s₀/2＝50mm，d₀＝115mm，d_A＝155mm，d_B＝120mm，μ＝0.045，λ＝0.1，Δα＝1°，传动比I＝5.353，一级齿轮传动效率η＝0.97，滑块行程次数n＝50次/分，相应地曲柄旋转角速度ω＝2πn/60＝5.236(rad/s)。将上述已知数据输入到所编制的程序中，可得到如图6和图7所示的仿真结果，图6为扭矩变化曲线，图7为变形力曲线。由图6可求得在压力角α＝53.1°(t＝0.177s)时取得PFC轴所需的最大扭矩M_a＝3493(N·m)。从图6和图7可看出，M_a的最大值和力P的最大值出现的时刻是不同的(变形力P在45处取的最大值)，因此不能简单地认为最大变形力P_m处就是扭矩最大处。

利用力传感器、A/D板及计算机等在线实测变形力数值及其时刻，采用软件可自动计算出工件变形阶段中不同时刻的扭矩M_Ra，并输出不同时刻的M_Ra值和最大值M_Rm，这种方法具有迅速、可靠等良好特性，值得在生产中推广应用。

按照上述技术方案申请人已完成一系列试验，结果证明达到了本发明的目的。