直線電動機驅(qū)動沖壓機的研究與應(yīng)用

目前，國內(nèi)外的沖壓機械，如沖床工作時，需令其沖頭作往復(fù)直線運動。現(xiàn)有的機械沖壓機(沖床)的動力來自于旋轉(zhuǎn)電動機，它需要一整套復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樗�需的直線往復(fù)運動，為獲得足夠的沖壓力，還需配備一只儲能大飛輪。 　　因而，這種沖壓機部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，噪聲大，生產(chǎn)周期長，使用不靈活，且易于發(fā)生人身傷害事故。這種機械沖壓機，它所存在弊端始終沒能得到根本的改變。 　　本文所研制的新型電磁沖壓機(直線電機沖床)是利用直線電機技術(shù)，將電能直接轉(zhuǎn)換成機械力，它不需通過任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，而實現(xiàn)沖頭的往復(fù)運動。 　　在國內(nèi)外雖有類似研究，但目前尚未見有這方面的成果和產(chǎn)品鑒定，獲多項授權(quán)專利，并已投入小批量生產(chǎn)，效果顯著。這種新型電磁沖壓機和傳統(tǒng)式機械沖壓機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單；體積小、重量輕；無周期性的機械噪聲；脈沖式工作，有節(jié)能效果；沖壓噸位、頻率、速度可調(diào)；可有各種安裝方式；易于控制，能實現(xiàn)多種保護功能。 二、結(jié)構(gòu)與工作原理 1、基本結(jié)構(gòu) 　　 直線電機驅(qū)動的電磁沖壓機，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它主要分為三部分，即機身部分、直線電機部分和控制系統(tǒng)部分。 2、基本工作原理 　　該結(jié)構(gòu)的基本工作原理簡述如下： 　　插上電源，起動電源開關(guān)，設(shè)定沖壓噸位。如果是自動沖壓，則需設(shè)定沖壓操作頻率，然后起動沖壓按鈕，否則作手動處理。按鈕接通，直線電機初級2將通電產(chǎn)生電磁力，使次級3帶動模架7向下運動，沖壓工件。沖壓結(jié)束，次級3在反向電磁力與恢復(fù)彈簧的拉動下回到初始位置，等待下一次的沖壓。如果按鈕處于自動連沖狀態(tài)，則沖頭將以設(shè)定的頻率連續(xù)工作，直到按鈕關(guān)閉為止。除非安全斷電裝置需要中途停止，否則沖頭只受按鈕控制。 三、直線電動機與控制技術(shù) 1、直線電機設(shè)計 　　電磁沖壓機的關(guān)鍵部分是直線電動機。一般情況下，直線電動機往往都作為驅(qū)動間斷運行的裝置為多，其持續(xù)率也往往在25%以下。而現(xiàn)在把直線電動機用來驅(qū)動沖壓機，則其持續(xù)率要高的多，基本上是處于連續(xù)工作狀態(tài)。因此，對直線電機的設(shè)計與制造提出了更高的要求。 　　首先，在直線電動機的基本型式與結(jié)構(gòu)方面，我們以直線感應(yīng)電動機為主，其結(jié)構(gòu)包括圓筒型、平面雙邊型和單邊型，還專門設(shè)計了特殊結(jié)構(gòu)型式的直線電動機，如外殼動次級型式[6]等特殊結(jié)構(gòu)型式；其次，在電磁方案的設(shè)計上，采用了計算機進行多方案優(yōu)化設(shè)計；最后，在初、次級的材料和結(jié)構(gòu)上作了一些新的嘗試。通過以上工作，從而使直線電機的性能完全適合于電磁式?jīng)_壓機的工作需要。 2、控制系統(tǒng) 　　電磁沖壓機的直線電機與電源的接通是通過無觸點開關(guān)－固態(tài)斷電器（SSR）來實現(xiàn)的，沖壓機的控制系統(tǒng)是一個很重要的部分，它由四小部分組成即①電源部分；②計數(shù)及顯示部分；③觸發(fā)驅(qū)動部分；④自動保護部分。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示： 控制系統(tǒng)能達到以下功能： （1）沖壓噸位可調(diào)； （2）沖程可調(diào)； （3）可選擇手動和自動沖壓； （4）可選擇沖壓頻率（20～300次/min）。 （5）具有各種電、熱、機方面的故障檢測及保護功能。 　　具有以上功能的控制系統(tǒng)，特別要注意解決兩個問題，這就是確定最佳觸發(fā)時刻和電機的最佳導(dǎo)通時間。對以上兩上問題主要是通過計算機仿真和檢測后采用單片機控制線路來解決的。該控制線路原理框圖如圖3所示。 四、測試與結(jié)果 　　 我們設(shè)計和研制了5、10、31.5和50kN四個規(guī)格的樣機，其測試數(shù)據(jù)與設(shè)計值基本相符。沖力誤差在1%～5%之間。我們對直線電機沖壓機的沖裁力以及沖壓機機身、直線電機初、次級的溫升作了試驗和檢測，測試系統(tǒng)見圖5， 　　我們還測試了運行的脈沖功率和總的耗電情況，測試運行時間一般在4h以上。用戶運行連續(xù)8h以上。在對電磁沖壓機的力、溫度和能耗的測試當中，如何準確地測定其沖裁力是本文研究的任務(wù)之一。由于電磁沖壓機的沖壓力是一種瞬態(tài)力，其沖壓速度快，瞬態(tài)過程短（ms級），因此，本文采用了數(shù)字信號處理技術(shù)并通過計算機輔助測試系統(tǒng)，從而準確地測出力的數(shù)據(jù)，以下就力的測試系統(tǒng)作一介紹。 1、力的測試系統(tǒng)原理與方法 　　電磁沖壓機的瞬態(tài)測試系統(tǒng)主要由三部分組成，即壓力傳感器、放大單元和記錄檢測單元，其測試系統(tǒng)原理如圖5所示。 　　測試前，先對壓力傳感器進行靜態(tài)和動態(tài)標定，以10kN電磁沖壓機為例，傳感器的靜、動態(tài)標定系數(shù)KF分別為0.07258V/kN和0.07351V/kN，相對誤差為1.3%，因此，可以認為，壓力傳感器具有相同的靜動態(tài)輸出特性。 　　測試時，將傳感器固定在直線電機驅(qū)動沖壓機的底座上，進行沖壓，當傳感器受到壓力機的瞬態(tài)作用后，立即產(chǎn)生一微弱的脈沖信號，該信號經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換、檢測處理后，變成所需的瞬態(tài)力波形，該波形通過顯示器能直接顯示出該瞬態(tài)力的大小。 　　作為輔助數(shù)據(jù)，在沖壓機桿頂端安裝了一只加速度傳感器，利用瞬態(tài)力信號與加速度信號的對應(yīng)關(guān)系，便可以很方便地將噪聲信號與瞬態(tài)力信號區(qū)分開來。圖6是10KN直線電機驅(qū)動沖壓機沖力的測試曲線。 2、測試結(jié)果 　 溫度的測試，我們用熱電偶分別將其放在線圈、鐵心、機身、軸等處的7個點上，然后用溫度測試儀進行檢測（見圖5）。我們共測取了7個點的溫度，當時室溫為30℃，表中所記電機線圈、次級溫度為1h后的穩(wěn)定溫度。電能的測量是采用電表進行的。表1為10kN電磁壓力機與機械式壓力機的一些測試數(shù)據(jù)的對比。 　　另外，從目前小批量生產(chǎn)來看，電磁沖壓機的制造成本也比機械沖壓機低。 五、結(jié)論 　　通過以上討論，并根據(jù)測試結(jié)果以及小批量的生產(chǎn)表明，直線電機驅(qū)動的沖壓機的設(shè)計是可行的，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。本文認為用直線電機驅(qū)動的電磁沖壓機和小噸位機械式?jīng)_壓機相比，它具有文中提到的許多優(yōu)點，在一些合適的場合，它將會比機械式壓力機更受人們歡迎。