原创《拆垛机双料检测系统设计》
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摘 要：为了解决冲压生产线的瓶颈设备——拆垛机的双料检测故障频发的问题,笔者介绍了双料检测技术、金属加工工艺与冲压加工工艺,阐述了双料检测技术在冲压模具中的应用、拆垛机设备规格以及双料检测系统总体设计方案,针对传统DB890系列双料检测传感器存在的问题,提出了基于超声波双料检测传感器的双料检测系统改造方案设计,讨论了其原理、性能、使用方法以及优缺点,指出该技术改造能有效地保护或防止冲压模具等机械设备的损坏,节省原材料,减少废品,控制生产成本,提高生产效益,对冲压生产起到了很大的作用.
关键词：冲压；双料检测；传感器；超声波；技术改造
中图分类号：TG38；TP212.4+2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.04.086
双料检测系统是冲压机械设备必须配备的装置.一般冲床模具高达十几万元到几十万元,如果两个或多个料板叠在一起冲裁,那么模具的损坏将造成巨大的损失.双料检测系统能有效地保护或防止冲压机械设备的损坏,节省原材料,提高生产效益.笔者针对冲压生产线的瓶颈设备——拆垛机的双料检测故障频发的问题,阐述了双料检测系统总体方案,并介绍了新型双料检测传感器的原理、性能和使用方法,以及可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）在技术改造过程中的应用.
1 双料检测技术简介
工业用双料检测技术按照形式分为接触式检测和非接触式检测两大类,其中非接触式检测按照工作原理分为γ射线检测、涡轮检测、激光检测等[1].根据它们的测量原理和现场应用情况可知：γ射线检测装置、X射线检测装置主要应用于被测物体厚度较小、生产线自动化程度较高的场合,发展方向为提高检测原件的灵敏度、减小射线源的剂量、提高射线管的稳定性,从而减小环境危害和提高精度；激光检测装置主要应用于被测物体厚度较大的各种生产线,可以充分发挥测量范围大、测量精度与材质和温度无关的特点,发展方向为提高测量精度和进一步延长激光器寿命,减少系统维修次数.接触式检测装置主要应用于冷轧薄带钢生产线[2],具有测量精度高的特点,发展方向为提高系统的防碰撞性能和检测头的耐磨性能.
2 金属加工工艺与冲压加工工艺
金属加工工艺分为切屑加工、塑性加工、焊接加工、铸造4种类型.切屑加工是在指在车床作业、切屑机床作业、铣床作业中,使用适当的刀具切削材料的加工方法；塑性加工也称为非削加工,是指利用材料特有的可塑性,越过弹性限度给予变形所得到形状的加工方法；焊接加工是指利用金属的溶解性进行钉接、锻接、焊接的加工方法；铸造是指利用金属的可铸性得到形状的加工方法.
冲压加工与切屑加工相比,生产性非常高.其特征是可以得到同一精度、同一尺寸的制品.冲压加工还具有使用材料比较经济的特征,可以活用残留材料,边角料都可以彻底得到利用,甚至切屑都可以回收作为铸造材料来利用.冲压加工必须要有模具,而模具的远远高于切屑加工的切削工具,一旦造成模具损坏,损失将会非常可观.
3 双料检测技术在冲压模具中的应用
从传统冲压生产线到自动冲压生产线,压力机生产线都采用手工上料,操作员的劳动强度大、劳动效率低,尤其是大型冲压设备工件无法安全上下料；同时,在手工搬运过程中,操作员手套上的油污常常影响冲压工件的表面质量,造成次品的产生.为了满足冲裁件质量和生产效率不断提高的要求,使用机器人的自动冲压生产线可以成倍地提高冲压工件的质量与产量、降低成本、提高生产效率并最大限度地提高了设备的使用效率.在自动冲压生产线的机器人上料部分,由于钢板表面油膜张力等原因,常常会使钢板互相黏着在一起,这时一般采用空气分离或磁性分离等预防措施,然而这些措施有时无法使黏着的钢板分开.若双层钢板或多层钢板被送入压力机,不仅会产生次品,而且会对设备或模具造成伤害,导致产生高额的维修费用,延误正常生产.为了确保设备和模具的安全,保证生产的连续进行,必须在机器人夹持器上安装双料检测系统,并根据需要发出报警信号或暂停生产功能,以便自动或手动清理双料.
4 拆垛机设备规格
加工前,由于很多板料是堆垛在一起的,需要通过拆垛机（Destacker）将板料一张张分离开来.板料分离与冲压的工艺流程见图1.
板料分离后,机器人（Loader）会将端面悬浮的材料抓取并提升至双料检测高度,也就是双料检测传感器的安装高度,传感器将获取各种尺寸的板料厚度,并与生产前双料检测传感器的PLC中设定的板材厚度进行比较,判断机器人所抓板料是一块,还是多块,甚至是没抓到板料.
板料分离形式有3种,即1垛料、2垛料、4垛料（1垛料就是一次可以对1垛板料进行分离,以此类推）.其中1垛料的零件尺寸允许长度为600~
1 830 mm,宽度为2 000~4 000 mm；2垛料的零件尺寸允许长度为600~1 830 mm,宽度为955~
2 000 mm；4垛料的零件尺寸允许长度为600~
1 830 mm,宽度为250~800 mm.也就是说,根据板料规格可以选择3种分离方式.
板料厚度为0.5~2.6 mm,对象工件材料可以是冷轧钢板、热轧钢板、高强度钢板、表面处理钢板、不等厚材料等.双料排除方法是由安装在拆垛机控制台上的双料检测PLC和安装在拆垛机磁力分离器上的双料检测传感器检测出来的.在检测出双料后,需要手工将板料分离.
5 双料检测系统总体设计
5.1 传统DB890系列双料检测传感器存在的问题
生产现场使用的是吉恩士（KENECY）公司生产的DB890系列双料检测传感器,它运用的是高频涡流检测技术[3],该技术主要用于测量金属板带的厚度.传感器感受的是被测物表面到传感器之间距离的变化.
为了克服被测物表面不平整或者上下振动对测量的影响,通常在被测物两侧分别对称安装两个特性相同的传感器L1和L2,预先通过厚度给定系统移动传感器的位置,使x1 等于 x2 等于 x0,板厚度不变而板材上下移动,则恒有x1 + x2 等于 2x0,输出电压总和为2U0；若被测板料的厚度发生变化,则输出电压变化了ΔU,变为2U0+ΔU,通过适当转化即可由偏差指示表指示出厚度的变化量.图2为传统双料检测方式示意图.在实际生产现场中,DB890系列双料检测传感器的工作方式为：在进料器（Feeder）抓起板料时,通过感应板材侧面的厚度来判别是否为双料.
目前,DB890系列双料检测传感器的传统双料检测方式存在以下3个方面的问题：一是DB890系列双料检测传感器对板材距离的要求较为苛刻.由于板料堆垛时难以使板料之间完全对齐,因此距离容易发生变化.当距离发生变化时,即有可能造成失效或误报警.二是板料边缘经过DB890系列双料检测传感器的时候,有时存在振幅过大的问题,造成误检或失效.三是磁性分离器距离DB890系列双料检测传感器太近,磁场存在干扰影响,但具体影响量无法计量.因此,基于高频涡流检测技术的双料检测技术一般运用于目标厚度变化不大、环境好、运行目标平稳的场合,其主要缺点就是对测量环境要求高、测量精度受外界因素影响大.
5.2 双料检测系统改造方案设计
5.2.1 超声波双料检测传感器
超声波双料检测传感器是利用超声波在被测目标中的传播和反射的原理进行厚度测量的,其工作原理[4]为：超声波探头发出超声波信号,通过耦合剂进入被测物体内部,传输过程中在被测目标上下表面各反射回一个声波信号,即界面波和底面回波,利用终端处理界面波和底面回波的相位差即可测量出被测目标的厚度为
h 等于 vt / 2 .（1）
式中：h为被测目标厚度；v为声波在被测目标中的传播速度；t为声波在被测目标中的传播时间.
5.2.2 吸盘式超声波双料检测传感器的优点
一是传感器在吸盘中间,可良好地贴合板料表面进行检测,稳定性良好,这样板材堆垛的质量不会影响DB890系列双料检测传感器的检测,误检或漏检的情况基本消除.二是远离磁性分离器,受影响较小.三是不会与板料发生刮擦,使传感器使用寿命较长,也不会使刮擦产生的碎屑影响模具和零件的质量.
5.2.3 吸盘式超声波双料检测传感器的缺点
一是控制器可以通用,但由于传感器安装在夹持器上,为每组零件所专用,因此传感器需要的数量较多,每套零件需要1个传感器.二是传感器的电线连接可使用航空插头,需要人工连接,耗时短,且方便,可以在模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）换模完成后,擦模时顺便连接.通过对比不难发现,超声波双料检测传感器的精度和稳定性比高频涡流式双料检测传感器更加适合现场使用环境.笔者就此设计了一套基于超声波双料检测传感器的双料检测系统（见图3）.
6 结束语
冲压设备的自动化流水线作业是批量生产作业的一大趋势,又快又准地进行板料的精确上下料是自动冲压生产线运行的一个前提,运用于垛料拆分机械的超声波双料检测传感器就是实现这一关键环节的重要技术保证.通过双料检测,保护了模具等冲压设备,减少了废品,控制了生产成本,对冲压生产起到了很大的作用.
参考文献：
[1] 贾志国,卢治功.在线厚度检测技术[J].仪表技术,2009(2):19-21.
[2] 王仕磻,朱自强.现代光学原理[M].成都:电子科技大学出版社,1998.
[3] 金国藩,李景镇.激光测量学[M].北京:科学出版社,1998.
[4] 孙本荣,王友铭,陈瑛.中厚钢板检测技术[M].北京:冶金工业出版社,1993.
（责任编辑 邸开宇）
Design of Double - material Test System of Unstacker
WANG Zhi-bin
（Sanjiang University, Jiangsu Nanjing 210012 China）
Abstract： In this paper, in order to solve bottleneck problem of punching production line, which means the frequent faults of double-material test of the unstacker, the author introduced the double-material test technology, metal processing technology and punching processing technology, and expounded total design scheme of double-material test technology in application of stamping die, equipment specification of unstacker and double-material test system. Then, aiming at the existing problems in sensors of traditional DB890 series double-material test, the author proposed tranormation scheme design of double-material test system based on double-material test sensors of ultrasonic we. In the end, the author discussed principles, performance, application method as well as advantages and disadvantages, and pointed out that this technical tranormation can effectively protect or prevent damages of stamping dies and other mechanical equipment, se raw materials, reduce waste products, control production costs, increase production efficiency, and play a significant role in punching production.
Key words： punching; double-material test; sensor; ultrasonic we; technical tranormation
系统设计论文参考资料：
小结,此文是关于双料和系统设计和检测方面的系统设计论文题目、论文提纲、系统设计论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
