劉李明 韓萬斌 王立文

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 “吊沖”監(jiān)測(cè)的意義及應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)式壓片機(jī)是一種靠壓力成型的片劑設(shè)備，沖模均勻排列在轉(zhuǎn)臺(tái)的邊緣，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下沖模沿著導(dǎo)軌曲線作上下運(yùn)動(dòng)，完成充填、計(jì)量、加壓、出片等連續(xù)工序。壓片中，導(dǎo)軌和沖桿潤(rùn)滑不足、沖模積垢太多、物料細(xì)粉過多、壓片室溫度過高等原因都會(huì)造成沖模在模孔中運(yùn)動(dòng)不暢，運(yùn)行阻力逐漸加大，當(dāng)沖模在轉(zhuǎn)臺(tái)的沖?？變?nèi)不能跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)在曲線軌道上作自由的上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生“吊沖”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可造成沖模、導(dǎo)軌、供料器等零件的機(jī)械損傷，甚至對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員造成危險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)“吊沖”的監(jiān)測(cè)通常采用行程開關(guān)或接近開關(guān)監(jiān)測(cè)沖頭尾部的方式。如圖1所示，當(dāng)上沖上行軌提升上沖模向上運(yùn)動(dòng)受滯時(shí)，吊沖保護(hù)塊受力下移，行程開關(guān)動(dòng)作，立即發(fā)出停機(jī)信號(hào)。

圖1 開關(guān)式“吊沖”保護(hù)裝置

此種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，成本低廉，可防止“吊沖”現(xiàn)象對(duì)導(dǎo)軌造成的損傷，但還存在以下不足：

（1）沖模運(yùn)行阻力達(dá)到相當(dāng)大的閾值時(shí)，吊沖保護(hù)塊才發(fā)生位移使行程開關(guān)動(dòng)作；

（2）當(dāng)壓片室粉塵進(jìn)入吊沖保護(hù)塊與導(dǎo)軌間的縫隙中，保護(hù)閾值將增加，甚至使保護(hù)功能失效；

（3）不同直徑?jīng)_模的運(yùn)行阻力不同，無法調(diào)整保護(hù)閾值。

沖模運(yùn)行阻力大小反映了“吊沖”的強(qiáng)弱程度，因此，上述保護(hù)裝置只在沖模運(yùn)行阻力達(dá)到閾值時(shí)有效，對(duì)“吊沖”強(qiáng)弱的連續(xù)性無法做出監(jiān)測(cè)。只有連續(xù)測(cè)得沖模運(yùn)行阻力，才能監(jiān)測(cè)沖模運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，而運(yùn)用稱重傳感器是監(jiān)測(cè)沖模運(yùn)行阻力的有效方法之一。

2 稱重傳感器工作原理

稱重傳感器主要由彈性元件和粘貼于其上的電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成。其工作原理是，被測(cè)物理量能夠在彈性元件上產(chǎn)生彈性變形（應(yīng)變），粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變計(jì)可以將感受到的彈性變形轉(zhuǎn)變成電阻的變化，通過橋式電路轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化。

稱重傳感器根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)的不同分為懸臂梁式、平行梁式、中心環(huán)式、輪輻式等。其中，懸臂梁式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、靈敏度較高，即使在幾十克力的作用下，彈性元件仍能直接感受位移的變化，得到明顯的信號(hào)輸出。

圖2為懸臂梁式彈性元件，在懸臂梁左端附近截面的上下表面各粘貼2個(gè)應(yīng)變計(jì)，當(dāng)懸臂端受到力F時(shí)，R1、R4受拉應(yīng)變，R2、R3受壓應(yīng)變，按圖3組成全橋差動(dòng)電路，設(shè)初始時(shí)各個(gè)橋中電阻應(yīng)變片阻值R1＝R2＝R3＝R4＝R，工作時(shí)的電阻變化為 ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋輸出為：

圖2 懸臂梁式彈性元件

圖3 全橋差動(dòng)電路

若ΔR1＝ΔR4＝－ΔR2＝－ΔR3＝ΔR，則有：

由式（2）可得，輸出電壓U0與應(yīng)變計(jì)電阻變化值ΔR成線性關(guān)系，U0為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，需通過圖4所示的放大整理電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，傳送到電氣系統(tǒng)中A／D采樣電路，CPU對(duì)采樣值進(jìn)行處理，適時(shí)發(fā)出“吊沖”保護(hù)信號(hào)，并將測(cè)量值發(fā)送到顯示器顯示。

圖4 “吊沖”監(jiān)測(cè)電路原理圖

3 “吊沖”的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

3．1 監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理

當(dāng)沖模在?？字羞\(yùn)動(dòng)不暢時(shí)，其在上行軌內(nèi)的運(yùn)行阻力會(huì)逐漸加大，使導(dǎo)軌及安裝座受力后產(chǎn)生微變。通過在導(dǎo)軌或?qū)к壈惭b座上安裝稱重傳感器，直接感受靜位移的變化，便可測(cè)得沖模的運(yùn)行阻力，即“吊沖”的程度。

圖5（a）為壓片中上沖模在上沖上行軌的受力分析，上沖模在轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下，沿著上行軌的運(yùn)動(dòng)曲線向上移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)中，沖模會(huì)受到一個(gè)向左的水平分力F水平，同時(shí)上行軌及安裝座也會(huì)受到?jīng)_模水平方向反作用力，通過稱重傳感器測(cè)得這個(gè)反作用力的大小，便可間接監(jiān)測(cè)上沖模在轉(zhuǎn)盤?？字羞\(yùn)動(dòng)的靈活程度，從而避免“吊沖”情況的發(fā)生。圖5（b）為壓片中下沖模在下沖上行軌中的受力狀態(tài)。從圖中可以看出，下沖模在下沖上行軌中受力情況與上沖模相同，由于安裝的限制，采取測(cè)量垂直方向分力F垂的方式完成對(duì)下沖模運(yùn)行阻力的監(jiān)測(cè)。

圖5 沖模上行受力情況

3．2 上沖?！暗鯖_”監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

如圖6所示，稱重傳感器上安裝座固定在壓片室頂箱上，下安裝座固定在上沖上行軌安裝座附近。壓片時(shí)，下安裝座左側(cè)會(huì)受到水平方向的力F，通過A面?zhèn)鹘o稱重傳感器測(cè)量端，使其發(fā)生微變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)上沖模運(yùn)行阻力的間接監(jiān)測(cè)。安裝時(shí)通過基準(zhǔn)位置調(diào)整使下安裝座和傳感器左側(cè)接觸的A面緊密貼實(shí)，以用來校準(zhǔn)傳感器的初始基準(zhǔn)。

3．3 下沖?！暗鯖_”監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

如圖7所示，稱重傳感器安裝在下沖導(dǎo)軌底部，傳感器測(cè)量端通過連接塊與下沖上行軌連接，下沖上行軌右端及連接塊右端與下沖導(dǎo)軌左端之間留有間隙。壓片時(shí)，運(yùn)動(dòng)的下沖模對(duì)下沖上行軌產(chǎn)生撞擊力，連接塊把力傳向稱重傳感器測(cè)量端，傳感器在垂直方向發(fā)生形變，其輸出電壓值發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)下沖模運(yùn)行阻力的監(jiān)測(cè)。

4 使用效果

圖6 上沖?！暗鯖_”監(jiān)測(cè)裝置示意圖

圖7 下沖?！暗鯖_”監(jiān)測(cè)裝置示意圖

潤(rùn)滑不足、沖模積垢、沖模與沖模孔配合過緊、沖模在運(yùn)行中溫度升高、物料細(xì)粉過多等原因，均能導(dǎo)致沖模在沖?？字羞\(yùn)動(dòng)不靈活，運(yùn)行阻力增大。因此，可使用逐漸增加沖模阻力的方式驗(yàn)證上述裝置在沖模運(yùn)行阻力監(jiān)測(cè)上的效果。試驗(yàn)方式如下：（1）停用沖桿潤(rùn)滑功能；（2）物料顆粒60～100目；（3）不間斷壓片8h；（4）轉(zhuǎn)臺(tái)速度40r／min，供料器速度50r／min。

壓片開始后每2h記錄一組沖模阻力值，每組記錄20個(gè)沖模運(yùn)行阻力值（各記錄值采集間隔為3s），計(jì)算均值，結(jié)果記錄在圖8中。

圖8 沖模阻力均值曲線

從圖8可以看出，試驗(yàn)中，不對(duì)沖模潤(rùn)滑，上沖模運(yùn)行阻力和下沖模運(yùn)行阻力均有較大增幅。下沖模運(yùn)行阻力上升幅度更大，主要原因是試驗(yàn)中選用的物料顆粒細(xì)粉較多，在充填過程中，容易進(jìn)入沖模和沖?？椎拈g隙內(nèi)，隨著壓片時(shí)間的推移，間隙內(nèi)的細(xì)粉會(huì)越來越多，并且會(huì)由原來的松散狀態(tài)變得越來越硬，造成沖模與沖模孔之間的間隙越來越小，沖模阻力增大?？梢?，上沖模和下沖模“吊沖”監(jiān)測(cè)裝置都能有效地監(jiān)測(cè)到?jīng)_模運(yùn)行阻力的連續(xù)變化，防止“吊沖”問題發(fā)生。通過設(shè)置保護(hù)閾值，可提前對(duì)潤(rùn)滑不足、沖模磨損、?？追e垢等故障做出預(yù)判，避免更嚴(yán)重的問題發(fā)生。除此之外，根據(jù)在不同機(jī)型設(shè)置沖模阻力的采樣頻率，可對(duì)單個(gè)沖頭或少量沖頭的沖模阻力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)沖模加工尺寸及沖模和轉(zhuǎn)臺(tái)?？椎呐浜祥g隙的一致性進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)語

由試驗(yàn)可知，使用稱重傳感器的“吊沖”裝置可監(jiān)測(cè)沖模運(yùn)行阻力的連續(xù)變化。相對(duì)開關(guān)式“吊沖”保護(hù)裝置，它可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)“吊沖”的程度，還可通過設(shè)定不同的保護(hù)閾值，預(yù)知“吊沖”問題的發(fā)生，以便提前采取相應(yīng)的控制措施。但使用稱重傳感器的“吊沖”裝置成本相對(duì)較高，安裝結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備制造廠商可根據(jù)需要進(jìn)一步完善驗(yàn)證和設(shè)計(jì)，在其產(chǎn)品中選擇使用。

［1］郁有文，常健，程繼紅．傳感器原理及工程應(yīng)用［M］．第3版．西安電子科技大學(xué)出版社，2008

［2］伍善根，茅永青．壓片機(jī)“吊沖”機(jī)理的研究與解決辦法［J］．機(jī)電信息，2007（32）

［3］劉九卿．鋁合金稱重傳感器及其應(yīng)用［J］．衡器，1995（6）

［4］葛愛民．壓片機(jī)的安全保護(hù)裝置及其應(yīng)用［J］．機(jī)電信息，2011（17）

［5］孫廣友，楊再忠，馬慶虎，等．旋轉(zhuǎn)壓片機(jī)的發(fā)展方向與常見故障分析［J］．機(jī)電信息，2010（23）

［6］理查德·富蘭克林．應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計(jì)與計(jì)算［A］．稱重科技暨第六屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集［C］，2007