称重传感器在压片机“吊冲”监测上的应用研究

刘李明 韩万斌 王立文

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 “吊冲”监测的意义及应用

旋转式压片机是一种靠压力成型的片剂设备，冲模均匀排列在转台的边缘，当转台转动时，上下冲模沿着导轨曲线作上下运动，完成充填、计量、加压、出片等连续工序。压片中，导轨和冲杆润滑不足、冲模积垢太多、物料细粉过多、压片室温度过高等原因都会造成冲模在模孔中运动不畅，运行阻力逐渐加大，当冲模在转台的冲模孔内不能跟随转台的旋转在曲线轨道上作自由的上下运动时，会发生“吊冲”现象，严重时可造成冲模、导轨、供料器等零件的机械损伤，甚至对现场操作人员造成危险。

国内目前对“吊冲”的监测通常采用行程开关或接近开关监测冲头尾部的方式。如图1所示，当上冲上行轨提升上冲模向上运动受滞时，吊冲保护块受力下移，行程开关动作，立即发出停机信号。

图1 开关式“吊冲”保护装置

此种方式结构简单，安装方便，成本低廉，可防止“吊冲”现象对导轨造成的损伤，但还存在以下不足：

（1）冲模运行阻力达到相当大的阈值时，吊冲保护块才发生位移使行程开关动作；

（2）当压片室粉尘进入吊冲保护块与导轨间的缝隙中，保护阈值将增加，甚至使保护功能失效；

（3）不同直径冲模的运行阻力不同，无法调整保护阈值。

冲模运行阻力大小反映了“吊冲”的强弱程度，因此，上述保护装置只在冲模运行阻力达到阈值时有效，对“吊冲”强弱的连续性无法做出监测。只有连续测得冲模运行阻力，才能监测冲模运动情况，实现在线连续监测，而运用称重传感器是监测冲模运行阻力的有效方法之一。

2 称重传感器工作原理

称重传感器主要由弹性元件和粘贴于其上的电阻应变计构成。其工作原理是，被测物理量能够在弹性元件上产生弹性变形（应变），粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到的弹性变形转变成电阻的变化，通过桥式电路转变成电信号的变化。

称重传感器根据弹性元件结构的不同分为悬臂梁式、平行梁式、中心环式、轮辐式等。其中，悬臂梁式结构简单、紧凑、灵敏度较高，即使在几十克力的作用下，弹性元件仍能直接感受位移的变化，得到明显的信号输出。

图2为悬臂梁式弹性元件，在悬臂梁左端附近截面的上下表面各粘贴2个应变计，当悬臂端受到力F时，R1、R4受拉应变，R2、R3受压应变，按图3组成全桥差动电路，设初始时各个桥中电阻应变片阻值R1＝R2＝R3＝R4＝R，工作时的电阻变化为 ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，则电桥输出为：

图2 悬臂梁式弹性元件

图3 全桥差动电路

若ΔR1＝ΔR4＝－ΔR2＝－ΔR3＝ΔR，则有：

由式（2）可得，输出电压U0与应变计电阻变化值ΔR成线性关系，U0为毫伏级电压信号，需通过图4所示的放大整理电路转换成标准的模拟信号，传送到电气系统中A／D采样电路，CPU对采样值进行处理，适时发出“吊冲”保护信号，并将测量值发送到显示器显示。

图4 “吊冲”监测电路原理图

3 “吊冲”的监测设计

3．1 监测装置设计原理

当冲模在模孔中运动不畅时，其在上行轨内的运行阻力会逐渐加大，使导轨及安装座受力后产生微变。通过在导轨或导轨安装座上安装称重传感器，直接感受静位移的变化，便可测得冲模的运行阻力，即“吊冲”的程度。

图5（a）为压片中上冲模在上冲上行轨的受力分析，上冲模在转台的带动下，沿着上行轨的运动曲线向上移动。运动中，冲模会受到一个向左的水平分力F水平，同时上行轨及安装座也会受到冲模水平方向反作用力，通过称重传感器测得这个反作用力的大小，便可间接监测上冲模在转盘模孔中运动的灵活程度，从而避免“吊冲”情况的发生。图5（b）为压片中下冲模在下冲上行轨中的受力状态。从图中可以看出，下冲模在下冲上行轨中受力情况与上冲模相同，由于安装的限制，采取测量垂直方向分力F垂的方式完成对下冲模运行阻力的监测。

图5 冲模上行受力情况

3．2 上冲模“吊冲”监测装置设计

如图6所示，称重传感器上安装座固定在压片室顶箱上，下安装座固定在上冲上行轨安装座附近。压片时，下安装座左侧会受到水平方向的力F，通过A面传给称重传感器测量端，使其发生微变形，实现对上冲模运行阻力的间接监测。安装时通过基准位置调整使下安装座和传感器左侧接触的A面紧密贴实，以用来校准传感器的初始基准。

3．3 下冲模“吊冲”监测装置设计

如图7所示，称重传感器安装在下冲导轨底部，传感器测量端通过连接块与下冲上行轨连接，下冲上行轨右端及连接块右端与下冲导轨左端之间留有间隙。压片时，运动的下冲模对下冲上行轨产生撞击力，连接块把力传向称重传感器测量端，传感器在垂直方向发生形变，其输出电压值发生变化，实现对下冲模运行阻力的监测。

4 使用效果

图6 上冲模“吊冲”监测装置示意图

图7 下冲模“吊冲”监测装置示意图

润滑不足、冲模积垢、冲模与冲模孔配合过紧、冲模在运行中温度升高、物料细粉过多等原因，均能导致冲模在冲模孔中运动不灵活，运行阻力增大。因此，可使用逐渐增加冲模阻力的方式验证上述装置在冲模运行阻力监测上的效果。试验方式如下：（1）停用冲杆润滑功能；（2）物料颗粒60～100目；（3）不间断压片8h；（4）转台速度40r／min，供料器速度50r／min。

压片开始后每2h记录一组冲模阻力值，每组记录20个冲模运行阻力值（各记录值采集间隔为3s），计算均值，结果记录在图8中。

图8 冲模阻力均值曲线

从图8可以看出，试验中，不对冲模润滑，上冲模运行阻力和下冲模运行阻力均有较大增幅。下冲模运行阻力上升幅度更大，主要原因是试验中选用的物料颗粒细粉较多，在充填过程中，容易进入冲模和冲模孔的间隙内，随着压片时间的推移，间隙内的细粉会越来越多，并且会由原来的松散状态变得越来越硬，造成冲模与冲模孔之间的间隙越来越小，冲模阻力增大。可见，上冲模和下冲模“吊冲”监测装置都能有效地监测到冲模运行阻力的连续变化，防止“吊冲”问题发生。通过设置保护阈值，可提前对润滑不足、冲模磨损、模孔积垢等故障做出预判，避免更严重的问题发生。除此之外，根据在不同机型设置冲模阻力的采样频率，可对单个冲头或少量冲头的冲模阻力情况进行监测，从而对冲模加工尺寸及冲模和转台模孔的配合间隙的一致性进行检测。

5 结语

由试验可知，使用称重传感器的“吊冲”装置可监测冲模运行阻力的连续变化。相对开关式“吊冲”保护装置，它可实时监测“吊冲”的程度，还可通过设定不同的保护阈值，预知“吊冲”问题的发生，以便提前采取相应的控制措施。但使用称重传感器的“吊冲”装置成本相对较高，安装结构相对复杂，设备制造厂商可根据需要进一步完善验证和设计，在其产品中选择使用。

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