直線電動機驅動沖壓機的研究與應用

圖1 電磁沖壓機結構示意圖

圖1中1是機身，它由工作臺、安裝電機與控制系統的支承座以及保證精度的滾珠5，導柱6和模架7所組成；圖中的2和3分別為直線電機的初、次級；圖中的4為整機的控制系統。
電磁沖壓機目前至少有10余種不同的結構，除圖1中所示的滾珠導柱式結構外，還有串行或并行滑塊式結構，而每種結構下又有不同的驅動方式。
（二）基本工作原理
該結構的基本工作原理簡述如下：
插上電源，起動電源開關，設定沖壓噸位。如果是自動沖壓，則需設定沖壓操作頻率，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將通電產生電磁力，使次級3帶動模架7向下運動，沖壓工件。沖壓結束，次級3在反向電磁力與恢復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，則沖頭將以設定的頻率連續工作，直到按鈕關閉為止。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
（一）直線電機設計
電磁沖壓機的關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動間斷運行的裝置為多，其持續率也往往在25%以下。而現在把直線電動機用來驅動沖壓機，則其持續率要高的多，基本上是處于連續工作狀態。因此，對直線電機的設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構方面，我們以直線感應電動機為主，其結構包括圓筒型、平面雙邊型和單邊型，還專門設計了特殊結構型式的直線電動機，如外殼動次級型式等特殊結構型式；其次，在電磁方案的設計上，采用了計算機進行多方案優化設計；最后，在初、次級的材料和結構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沖壓機的工作需要。
（二）控制系統

圖2 直線電機沖壓機控制系統框圖

電磁沖壓機的直線電機與電源的接通是通過無觸點開關－固態斷電器（SSR）來實現的，沖壓機的控制系統是一個很重要的部分，它由四小部分組成即①電源部分；②計數及顯示部分；③觸發驅動部分；④自動保護部分。控制系統框圖如圖2所示： 控制系統能達到以下功能：
1．沖壓噸位可調；
2．沖程可調；
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，特別要注意解決兩個問題，這就是確定最佳觸發時刻和電機的最佳導通時間。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。圖4為具體線路。

圖3 沖力控制框圖

圖4 沖力控制線路圖

四、測試與結果
我們設計和研制了5、10、31.5和50kN四個規格的樣機，其測試數據與設計值基本相符。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之一。由于電磁沖壓機的沖壓力是一種瞬態力，其沖壓速度快，瞬態過程短（ms級），因此，本文采用了數字信號處理技術并通過計算機輔助測試系統，從而準確地測出力的數據，以下就力的測試系統作一介紹。
（一）力的測試系統原理與方法
電磁沖壓機的瞬態測試系統主要由三部分組成，即壓力傳感器、放大單元和記錄檢測單元，其測試系統原理如圖5所示。

測試前，先對壓力傳感器進行靜態和動態標定，以10kN電磁沖壓機為例，傳感器的靜、動態標定系數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輸出特性。測試時，將傳感器固定在直線電機驅動沖壓機的底座上，進行沖壓，當傳感器受到壓力機的瞬態作用后，立即產生一微弱的脈沖信號，該信號經過放大、轉換、檢測處理后，變成所需的瞬態力波形，該波形通過顯示器能直接顯示出該瞬態力的大小。
作為輔助數據，在沖壓機桿頂端安裝了一只加速度傳感器，利用瞬態力信號與加速度信號的對應關系，便可以很方便地將噪聲信號與瞬態力信號區分開來。圖6是10KN直線電機驅動沖壓機沖力的測試曲線。

（二）測試結果
力的測試如上所述，結果見表1。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據的對比。
另外，從目前小批量生產來看，電磁沖壓機的制造成本也比機械沖壓機低。