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冲压加工过程中不同传感器位置和测量方法的概述与比较
摘要
金属板材成形过程中的过程力测量在科学和工业中得到了广泛的应用。测量力的进展主要用于科学研究，以分析或数值模型验证所得到的结果，并研究具体的过程特性。因此，重点是在成形过程中接受准确的力测量。在工业应用中，力测量主要是通过观察和抵消力的偏差来确保稳定的制造过程。因此，科学和工业应用对力测量系统的要求各不相同。本文概述了不同的力传感器在科学研究中的应用。在此基础上，进行了剪切模的实验研究，并配备了四个不同的力传感器。指出并讨论了传感器类型、传感器位置以及刀具配置对测量结果的影响。
关键字:传感器 测量
第一章绪论
金属板材成形过程中的过程力测量被广泛应用于数值或分析模型
验证和过程现象的分析中。因此，传感器的位置、测量周期以及所使用的测量链的选择取决于过程力测量的准确性。
工业应用方面的要求不同于科学调查方面的要求。除了高质量的力信号外，还需要简单而坚固的安装，以尽量减少额外的成本和由于安装工作造成的生产能力损失。此外，经常需要监测仰泳和工具部件的正确功能，如气压弹簧[1]。为了设计一个稳定的监测系统，选择合适的测量方法至关重要。虽然对测量系统的要求很高，但并非所有的影响都是众所周知的。如力传感器的蠕变行为[2]或热对传感器迟滞行为的影响已被考虑[3]。并对力传感器的力学参数进行了研究。尽管Stefanescu等人[5]对不同的测量方法及其优缺点作了广泛的概述，但没有考虑到对传感器信号的稳定性和准确性的决定性影响。因此，本文的目的是探讨不同的传感器位置和传感器类型，以测量精度和适合的工业和科学测量任务。首先概述了科学文献中传感器的不同位置。
在此概述的基础上，将定位于力闭包中的传感器信号与定位于力旁路中的传感器信号进行比较，这是对剪切切割过程的实验研究。通过回答以下问题，突出这些不同测量方法的优缺点：
·
a.力的测量与力旁路测量相比，在信息内容方面有哪些差异是可以观察到的？
b.测量装置对工具的符合性有什么影响？
c.在什么条件下，实验得出的力-位移曲线可以用来验证有限元模拟？
第二章 .不同力测量方法的比较
本章概述了科学文献中主要用于板材成形的力感测方法。根据最新技术，采用两种不同的测量方法。一方面，力传感器直接定位在力闭合处。因此，总的处理力为传感器充电。另一方面，传感器的位置是在一个力旁路。因此，只有部分的总处理力为传感器充电。随后，在力封闭中带有传感器的测量装置称为直接测量，而在力旁路中带有传感器的测量装置称为间接测量。一般来说，间接测量对工业应用有一定的优势。典型的情况是，设计力度较低，测量位置更可能。此外，对刀具刚度的影响很小。传感器对危险载荷的安全性也较高[6]。
然而，间接测量有一个明显的缺点。为了测量绝对力，一个经常复杂的校准过程是必要的。典型的挤压过程校准由terzyk等[7]描述。
为了确定在具体应用中是否倾向于直接或间接的力测量，对相关的科学文献进行了分析。表1列出了在不同成形过程中用于验证fe模拟或分析模型的测量方法。研究表明，文献中没有明显的趋势表明在特定的成形过程中应采用哪种测量方法。
两种测量方法都被广泛用于生成力位移数据。对于这两个范围，测量方法的影响尚未被调查或考虑。例如，Nothhaft等人[13]和斯巴莫尼安等人使用直接的力测量来验证他们的剪切过程的fe模型。 因此，由于使用了综合传感器，它们忽视了合规的影响。与此相反，Breitling等人在冲压工具中使用了间接力测量。传感器信息是控制系统的基础。由于传感器无法校准，也无法考虑刀具系统的相应偏转，因此传感器信号不能构成控制系统的有效基础。对于深绘过程，Colgan等人[17]使用直接测量来验证该过程的fe分析。同样，所用传感器的影响和工具的符合性也被忽略了。
为了保证受力位移数据的有效性，有必要研究测量位置或测量方法对测量结果的影响，以及集成传感器对工具的不同符合性。这是在本文所描述的调查中进行的。
第三章实验设置和程序
在本章中，总结了实验装置和所研究的工艺参数。实验是在高速印刷机上进行的。展示了传统剪切器的实验装置，介绍了其组成部分。在下冲程中，冲床（d）穿透金属片并将材料推入切削模（h）。在整个向上冲程中，剥离器（f）从冲程中取出剩余的金属片。在加工过程中，冲床由导向（e）引导。实验的冲孔直径为6毫米，间隙为0.15毫米。冲程速率为300SPM，冲程振幅为26毫米。
图1传统剪切器的实验装置
为了测量顶部工具中的过程力，集成了一个力垫机kistler 9051a在直接力封闭(b)和kistler 9240a测量针(a)在力旁路。另外，力是通过底部工具板下的四个力垫圈kistler 9031b(i)测量的。由于刀具的结构边界条件，切削模具与传感器之间的距离不同。左、右传感器在距模具40毫米的距离内集成到刀具中。前部和后部的传感器与模具的距离为56毫米。为了进行位移测量，将感应位移传感器hbm wa/100(c)集成到压力机中。六个kistler 5067a电荷放大器用于力的测量。作为测量放大器，使用一个hbm量子mx840a。采样率定为19.2千赫。所有信号都由matlab 176b处理。此外，为了研究剪切器内不同测量位置的影响，本文还进行了一个实验研究，以确定单件在力封闭和整个刀具中的合规性。因此，使用了Zwick材料试验机，类型为全圆线100kn。
本文对两种板材材料进行了研究。单合金钢dc03[23]和双相钢双孔1000dp[24]，每片厚度为2毫米。
第四章不同传感器位置的直接力闭合和力旁路比较
正如最新技术所显示的，不同的传感器位置和测量方法在最近的文献中没有被系统地比较。因此，在下面的章节中，直接和间接测量方法和不同的测量位置进行了比较。第一个比较是顶部工具中的直接和间接测量。图2显示了测量工具顶部的测量针（右y轴）的变形和力垫圈（左y轴）的力测量结果。结果表明，间接测量与直接力测量的信号在质量上是可以比较的。力垫圈测量的是总过程力，而测量销测量的是工具板上孔的变形。为了用测量引脚计算绝对处理力，需要对安装的传感器工具系统进行附加校准。在最上面的工具中，直接和间接测量的质量可比性导致了这样的假设，即在间接力传递过程中，传感器可以充分检测到过程特性和过程修改。此外，间接测量传感器集成的建设性努力可以更小。由于这一点，工具行为受到的影响较小。如图2A和B所示，所调查的板材材料的质量信号不同。由于该材料的抗拉强度较高，最大处理力高于dc03的最大处理力。同时，由于刀具结构在切削阶段的材料塑性变形过程中所施加的弹性变形，使双醇1000dp的切削冲击增强。
图2.双醇1000dpa和dc03B的顶部工具中的直接力闭合和力旁测比较。
图2两种比较
第二个比较包括顶部工具的直接测量和底部工具的四个传感器的间接测量。图3A显示测量的信号。结果表明，用最上面的传感器进行测量与对最下面的传感器进行综合测量之间存在微小的差异。比较了五笔的平均值和上下偏差，用顶力垫圈测量了22.76plusmn;0.07kn，最下面工具测量的总功为23.45plusmn;0.08kn。通过考虑单个传感器的线性差，测量的顶部和底部测量的偏差在预期的范围内。此外，还可以看出加工过程的切面受力信号有微小的差异，但这些信号在质量上具有较高的对应性。由于底部刀具的质量较高，且有弹性变形，切割冲击在底部刀具中更为明显。切割冲击后的加速速度在底部工具中发生更强（见图3B）。这导致了这样的假设，即通过测量底层工具中的力，有关过程的信息内容更高
图3数据对比
图4显示了底部传感器的力信号的比较。可以看出，最大受力值随安装位置的不同而不同。工具前部和后部的传感器显示的最大力低于工具左右两侧的传感器。由此得出的假设是，传感器位置与施力点之间的距离对定量测量有显著影响。由此可以看出，尽管使用的工具板厚度为32.5毫米，但集成传感器的工具系统的刚度影响测量。此外，这四个传感器之间存在着微小的质量偏差。在切割冲击期间显示的偏差
图4直接力闭合时底部传感器的力分布比较
第五章工具配置对工具符合性和强制位移测量的影响
确定力-位移曲线对于过程理解或fe模拟的验证至关重要。因此，无 论是否使用底部传感器，都可以调整工具配置进行测量。图5A)显示了在底部工具中使用和不使用集成传感器的测量结果。图5B)显示了在底部工具中集成力传感器的工具配置的示意图以及由此产生的模板偏转。可以看出，对于没有底部传感器的刀具结构，剪切过程弹性阶段的冲冲力梯度较高。与上述配置不同的是，对于带有底部传感器的刀具配置，切割冲击更为明显。如[25]所述，可确认切割冲击幅度的增加与工具的合规性的增加之间的相关性。
图5剪切器的示意图
为了确定刀具零件的合规性，用Zwick材料试验机测量了零件的受力位移曲线。图6显示，当力垫机Kistler 9051a集成时，顶部工具的合规性从2.82mu;m/kn增加到3.67mu;m/kn。这相当于遵守率提高了30%。对于25kn的力，顶部工具的压缩差为21微米。此外，通过对测量到的力信号和计算得到的无传感器工具的弹性力梯度的比较表明，这些实验可以证实力与压缩之间的线性关系的假设。
图6使用和不用传感器对比
在基板和模板之间还另外放置了四个力垫片kistler 9031b，以便能够在底部工具中进行直接的力测量。这些传感器在基板和模板之间创造了一个间隙。通过将载荷施加在底部工具上，产生了力测量环的变形和模板的挠度。击孔进入表板的印象与击孔接触点和底部传感器之间的杠杆臂作用。这样，就产生了一个动量，并发生了模板的附加偏转。使用没有底力垫圈的工具系统可以防止模板的偏转，因为它是完全接触基板的。如图6所示，底层工具的符合性从3.2mu;m/kn增加到10.39mu;m/kn，相当于增加了325%。在绝对值中，对于25kn的压缩力，得到180mu;m的差。由于薄板厚度通常在十分之一毫米的范围内，这种压缩和显著的位移对于记录力位移曲线是不容忽视的。
总之，刀具系统的顺应性对受力位移曲线的斜率有显著的影响。在底部工具集成传感器的情况下，整个系统的符合性显著提高。在这种情况下，力位移曲线在升力信号中呈现较低的梯度。因此，在这种情况下，切削力信号受到模板变形的决定性影响
第六章不同受力测量方法与刀具受力流量的比较
如前几章所示，与顶部刀具的测量相比，底部刀具的切削冲击测量更为显著。由于底部工具板的挠度，需要进一步的研究来描述工具系统的合规性和不同的力流的影响。因此，需要进行几次实验。图7A），显示了实验设置。使用的力传感器kistler 9031b在底部工具中被两个kistler 9051a(b)所取代。另外，将力垫圈安装在底部工具上时，还使用了两个规格的压力垫圈pb 16times;100kn(a)。压电材料的基本设计原理见[26]。通过使用压力棒预装力垫圈，可以比较两种不同的测量方法在一个测量位置。第一和第二实验装置的力垫圈是同一类型的传感器，但尺寸不同。通过使用比例压片施加预载，需要更大的力垫圈内直径，这是由kistler 9051a力垫圈所启用的。此外，如图7A和图C所示，用压电材料进行测量时，使用或不使用一体化底力垫圈。实验装置1（参照图7A）使力垫圈和底部工具板的接触面能够通过定义的力流动。通过选择此设置，可以确保使用力垫片和压电片进行直接的力测量。选择实验装置3（参考图7A）来评估工业环境中的刀具条件。由于工具的生产过程，工具部件的不准确导致了非平坦的接触区，从而导致工具内的力的不确定通量。通过试验装置2（见图7A），实现了厚度2.90毫米的卸压片（c）。压力块被集中放置在底部工具板下的底部工具中。正因如此，在加工过程中，在底部工具板的偏转0.01毫米后，可以防止底部工具板的偏转。力的流动变化是这个实验设置的结果，并导致直接力测量的开关，在底部工具的间接力测量。利用第三装置C实现了全板接触，从而在测量过程中通过压电粒子实现了间接力测量。
图7各个装置的作用
如图7B所示，为了测量底部工具板(d)的位移，将四个位置传感器tesa gt 44(e)放置在模具板上。通过这些位置传感器，可以测量模版在左前方和右后角的X-、Y-和z方向的位移。
用实验装置测量试验系列的结果如图8a所示。上下力垫圈的比较证实了第四章图3所示的结果。结果表明，当路径为0.89毫米时，力垫圈和压电波耳测量值分别达到了最大和最小力。此外，力垫圈和压电材料的信号特征是信号变化。这表明，处理力导致模板在多个方向上的位移。正如在没有底力垫圈的测量装置中所看到的那样，压片的预载量被z方向的位移所减少。另外，测量装置会引起模板的偏转。这种挠度可能引起模板的侧力和位移，并影响压片。为了从质量上比较底部工具中压电棒和力垫圈的传感器信号，左压电棒信号的符号被反转，如图8B所示。结果表明，该工艺在弹塑性区（i）的传感器信号有微小的质量偏差。对切割冲击（ii）的比较显示出切割冲击的频率和振幅之间的微小偏差。
图8.A）对双醇1000dp刀具的直接力闭包中的顶部和底部工具的力垫圈和底部工具中的压力旁路测量中的压力垫圈进行了比较；底工具中的力垫圈与工具中的反向压电弹信号的比较。
图8两种情况的比较
实验结果表明，在试验过程中，接触条件的变化对试验结果有一定的影响。图9显示，所述底力垫圈的信号路径与所述顶力垫圈的信号路径有显著差异。当底部模板的挠度增加时，压力块与模板接触，底部工具系统的接触条件也发生变化。在冲程长度为0.45毫米后，对
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