冷镦作为钢球加工的第一道工序,其成形缺陷是主要的质量隐患和次品源头。国内钢球冷镦设备只执行机械式的往复动作,缺乏过程监测;传统的采用专用检测器具进行过程完成后的人工检测方式,量具易磨损,检测效率低,不能及时发现生产过程中的成形缺陷和故障,检测能力成为限制钢球冷镦工艺升级的瓶颈。国外对金属压力加工在线质量的监测开展了理论研究,通过对过程信号特征的在线分析实现过程实时监测,并将成形监测仪器的应用在塑性加工行业。首先分析了钢球冷镦的成形原理,并建立冷镦运动系统的数学模型。应用塑性加工专用的有限元软件DEFORM-3D针对钢球冷镦成形过程进行了数值模拟,通过改变冷镦棒料料长和模具同轴度两个指标,对正常工况及两类钢球墩制过程中常见的缺陷(环带缺陷和球形偏差)的成形过程进行有限元数值模拟。经过后处理运算,获得成球过程中,底模(静模)载荷曲线与常见成形质量缺陷的对应关系。分析模拟结果,不同环带大小主要体现在载荷曲线的峰值和时序两个特征上;相同料长情况下,球形偏心缺陷主要体现在冷镦初始阶段的载荷动态数值上。从而,采用载荷波形信号分析钢球毛坯成形质量状况是正确可行的,提出通过采集底模载荷信号监测钢球成形质量的信息特征:时序和局部峰值。波形的采集是实现质量分析的基础。针对底模载荷信号提取的特殊环境,分析比较力传感器的特点以及对钢球冷镦设备的影响;分析压电效应的原理和应用,提出应用压电传感器采集底模载荷信号。考虑钢球冷镦机的结构、刚度要求等因素选取压电材料,设计了PVDF薄膜式压电传感器,选取合适的安装位置,计算冷镦力大小对承载能力进行校核。针对压电传感器测量电路,从理论上分析了压电传感器的等效电路,对电荷和电压式前置放大电路进行了理论分析,提出应用高阻抗输入的电压放大器AD623作为前置放大器,并通过理论校核和实验,验证了电压放大器的可行性。在分析系统的功能要求和硬件架构的基础上,建立了硬件平台。设计了核心MCU模块、A/D转换单元、人机交互界面电路、系统时钟单元、键盘模块的电路等硬件模块。根据工厂实际状况,采取硬件抗干扰措施,设计了PCB电路板。分析系统软件的总体构架,通过模块化编程和调用,成功搭建了系统的软件运行平台。编写系统初始化模块、TFT显示模块、数据采集与分析模块、人机交互模块和系统时钟读写模块,供主程序和各子程序间有序的分时调用。实现了载荷信号离散化和鉴别算法,通过人机交互模块实现参数设定,通过系统时钟读写实现了质量和加工信息的可追溯性;最终实现了成形监测系统的研发。到工业现场采集3种成形缺陷的数据,编写了载荷信号学习与鉴别算法,利用MATLAB分析处理数据,验证了冷镦成形质量监测的有效性和准确性。