直線電動機(jī)驅(qū)動在沖壓機(jī)上的應(yīng)用

摘要：介紹了用直線電機(jī)直接驅(qū)動沖壓機(jī)工作的基本原理、結(jié)構(gòu)、性能以及它的檢測與控制方法。和傳統(tǒng)式機(jī)械沖壓機(jī)相比，直線電機(jī)驅(qū)動的沖壓機(jī)（以下簡稱電磁沖壓機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、制造周期短、成本低、控制方便、噪音低和省能等優(yōu)點(diǎn)。目前已研究完成了50kN以下的科研樣機(jī)，通過了省級鑒定并獲得了多項(xiàng)專利，現(xiàn)已投入小批量生產(chǎn)，效果顯著。100kN以上的科研樣機(jī)作為省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目正在研究之中。
關(guān)鍵詞：直線電機(jī)　沖壓機(jī)

1　概述

目前，國內(nèi)外的沖壓機(jī)械，如沖床工作時，需令其沖頭作往復(fù)直線運(yùn)動。現(xiàn)有的機(jī)械沖壓機(jī)（沖床）的動力來自于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，它需要一整套復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹本€往復(fù)運(yùn)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(jī)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(jī)械沖壓機(jī)，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(jī)（直線電機(jī)沖床）是利用直線電機(jī)技術(shù)，將電能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械力，它不需通過任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，而實(shí)現(xiàn)沖頭的往復(fù)運(yùn)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)品報道，本文所述的電磁沖壓機(jī)則已通過省級鑒定，獲多項(xiàng)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(jī)和傳統(tǒng)式機(jī)械沖壓機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單；體積小、重量輕；無周期性的機(jī)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(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能。

2　結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1　基本結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)驅(qū)動的電磁沖壓機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它主要分為三大部分，即機(jī)身部分、直線電機(jī)部分和控制系統(tǒng)部分。

圖1中1是機(jī)身，它由工作臺、安裝電機(jī)與控制系統(tǒng)的支承座以及保證精度的滾珠5，導(dǎo)柱6和模架7所組成；圖中的2和3分別為直線電機(jī)的初、次級；圖中的4為整機(jī)的控制系統(tǒng)。

電磁沖壓機(jī)目前至少有10余種不同的結(jié)構(gòu)，除圖1所示的滾珠導(dǎo)柱式結(jié)構(gòu)外［5］，還有串行或并行滑塊式結(jié)構(gòu)［3，4］，而每種結(jié)構(gòu)下又有不同的驅(qū)動方式［7］。

2.2　基本工作原理

以上結(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(jī)初級2將通電產(chǎn)生電磁力，使次級3帶動模架7向下運(yùn)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。

3　直線電機(jī)與控制技術(shù)

3.1　直線電機(jī)設(shè)計

電磁沖壓機(jī)的關(guān)鍵部分是直線電動機(jī)。一般情況下，直線電動機(jī)往往都作為驅(qū)動間斷運(yùn)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(jī)用來驅(qū)動沖壓機(jī)，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(jī)的設(shè)計與制造提出了更高的要求。

首先，在直線電動機(jī)的基本型式與結(jié)構(gòu)方面，我們以直線感應(yīng)電動機(jī)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(jī)，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(jī)進(jìn)行多方案優(yōu)化設(shè)計；最后，在初、次級材料和結(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(jī)的性能完全適合于電磁式?jīng)_壓機(jī)的工作需要。

3.2　控制系統(tǒng)

　　電磁沖壓機(jī)的直線電機(jī)與電源的接通是通過無觸點(diǎn)開關(guān)-固態(tài)繼電器（SSR）來實(shí)現(xiàn)的，沖壓機(jī)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故障檢測與保護(hù)部分。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

本控制系統(tǒng)能達(dá)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(jī)方面的故障檢測及保護(hù)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(jī)的最佳導(dǎo)通時間。對以上兩個問題主要是通過計算機(jī)仿真和檢測后采用單片機(jī)控制線路來解決的［8］。該控制線路原理框圖如圖3所示。圖4為具體線路。

4　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(jī)，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。

我們對電磁沖壓機(jī)的沖裁力以及沖壓機(jī)機(jī)身、直線電機(jī)初、次級的溫升作了試驗(yàn)和檢測，測試系統(tǒng)見圖5，還測定了運(yùn)行的脈沖功率和總的耗電情況，測試運(yùn)行時間一般在4h以上。用戶運(yùn)行連續(xù)8h以上。

在對電磁沖壓機(jī)的力、溫度和能耗的測試當(dāng)中，如何準(zhǔn)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(jī)的沖壓力是一個瞬態(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(jī)輔助測試系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確地測出力的數(shù)據(jù)，以下就力的測試系統(tǒng)作一介紹。

4.1　力的測試系統(tǒng)原理與方法

電磁沖壓機(jī)沖力的瞬態(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(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定，以10kN電磁沖壓機(jī)為例，傳感器的靜、動態(tài)標(biāo)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(rèn)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(jī)驅(qū)動沖壓機(jī)的底座上，進(jìn)行沖壓，當(dāng)傳感器受到壓力機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動沖壓機(jī)沖力的測試曲線。

4.2　測試結(jié)果

　　力的測試如上所述，結(jié)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(jī)身、軸等處的7個點(diǎn)上，然后用溫度測量儀進(jìn)行檢測（見圖5）。我們共測取了7個點(diǎn)的溫度，當(dāng)時室溫為30℃，表中所記電機(jī)線圈、次級溫度為1h后的穩(wěn)定溫度。電能的測量是采用電度表進(jìn)行的。表1為10kN電磁壓力機(jī)與機(jī)械式壓力機(jī)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(jī)的制造成本也比機(jī)械沖壓機(jī)低。

5　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(jī)驅(qū)動的沖壓機(jī)的設(shè)計是可行的，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。本文認(rèn)為用直線電機(jī)驅(qū)動的電磁沖壓機(jī)和小噸位機(jī)械式?jīng)_壓機(jī)相比，它具有文中提到的許多優(yōu)點(diǎn)，在一些合適的場合，它將會比機(jī)械式壓力機(jī)更受人們歡迎。

作者簡介：葉云岳　男，1952年生，現(xiàn)為浙江大學(xué)副教授，發(fā)表論文30余篇，專利20余項(xiàng)，專著2本，主要從事直線電機(jī)及控制技術(shù)，計算機(jī)輔助電機(jī)設(shè)計及制造技術(shù)研究。
陳永校　男，1930年生，現(xiàn)為浙江大學(xué)教授，博士導(dǎo)師，發(fā)表論文50余篇，專著多本，主要從事小功率電機(jī)，微特電機(jī)方面研究。
　　　　　
作者單位：浙江大學(xué)電機(jī)系　310027

參考文獻(xiàn)

1　中國科學(xué)院電工所等.國外直線電動機(jī)應(yīng)用.重慶：科技文獻(xiàn)出版社，1980
2　Ye Y Y,Chen Y X,Yang X C.Research and application of the punching machine driven by linear induction motor.IEEJ,LDIA′98,Tokyo,1998,62～65
3　葉云岳，張成南.一種新型沖壓機(jī).中國專利.ZL 96 2 17163.8，1997-10-11
4　葉云岳，楊賢誠，尤紹權(quán)等.并行滑塊式電磁壓力機(jī).中國專利，ZL 97 2 19580.7，1998-10-24
5　葉云岳，楊賢誠，陳永校等.滾珠導(dǎo)柱式電磁壓力機(jī).中國專利，ZL 97 2 19579.3，1998-11-21
6　葉云岳.外殼次級式管型直線感應(yīng)電動機(jī).中國專利，ZL 97 2 28905.4，1999-02-20
7　葉云岳.直線電磁驅(qū)動裝置.中國專利，ZL 97 2 19578.5，1999-01-30
8　盧琴芬.新型沖壓機(jī)用直線電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計、仿真與瞬態(tài)力的控制：［碩士論文］.浙江大學(xué)，1998