直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)沖壓機(jī)的研究與應(yīng)用

圖1 電磁沖壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

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中所示的滾珠導(dǎo)柱式結(jié)構(gòu)外，還有串行或并行滑塊式結(jié)構(gòu)，而每種結(jié)構(gòu)下又有不同的驅(qū)動(dòng)方式。
（二）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(dòng)電源開關(guān)，設(shè)定沖壓噸位。如果是自動(dòng)沖壓，則需設(shè)定沖壓操作頻率，然后起動(dòng)沖壓按鈕，否則作手動(dòng)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(dòng)模架7向下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)下回到初始位置，等待下一次的沖壓。如果按鈕處于自動(dòng)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(dòng)機(jī)與控制技術(shù)
（一）直線電機(jī)設(shè)計(jì)
電磁沖壓機(jī)的關(guān)鍵部分是直線電動(dòng)機(jī)。一般情況下，直線電動(dòng)機(jī)往往都作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)用來驅(qū)動(dòng)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(jì)與制造提出了更高的要求。
首先，在直線電動(dòng)機(jī)的基本型式與結(jié)構(gòu)方面，我們以直線感應(yīng)電動(dòng)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(jì)了特殊結(jié)構(gòu)型式的直線電動(dòng)機(jī)，如外殼動(dòng)次級型式等特殊結(jié)構(gòu)型式；其次，在電磁方案的設(shè)計(jì)上，采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)；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(jī)的性能完全適合于電磁式?jīng)_壓機(jī)的工作需要。
（二）控制系統(tǒng)

圖2 直線電機(jī)沖壓機(jī)控制系統(tǒng)框圖

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)斷電器（SSR）來實(shí)現(xiàn)的，沖壓機(jī)的控制系統(tǒng)是一個(gè)很重要的部分，它由四小部分組成即①電源部分；②計(jì)數(shù)及顯示部分；③觸發(fā)驅(qū)動(dòng)部分；④自動(dòng)保護(hù)部分。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示： 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(dòng)和自動(dòng)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(gè)問題，這就是確定最佳觸發(fā)時(shí)刻和電機(jī)的最佳導(dǎo)通時(shí)間。對以上兩上問題主要是通過計(jì)算機(jī)仿真和檢測后采用單片機(jī)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(jié)果
我們設(shè)計(jì)和研制了5、10、31.5和50kN四個(gè)規(guī)格的樣機(jī)，其測試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值基本相符。沖力誤差在1%～5%之間。我們對直線電機(jī)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。
我們還測試了運(yùn)行的脈沖功率和總的耗電情況，測試運(yùn)行時(shí)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(jì)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。
（一）力的測試系統(tǒng)原理與方法
電磁沖壓機(jī)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(dòng)態(tài)標(biāo)定，以10kN電磁沖壓機(jī)為例，傳感器的靜、動(dòng)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(dòng)態(tài)輸出特性。測試時(shí)，將傳感器固定在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)沖壓機(jī)沖力的測試曲線。

（二）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(gè)點(diǎn)上，然后用溫度測試儀進(jìn)行檢測（見圖5）。我們共測取了7個(gè)點(diǎn)的溫度，當(dāng)時(shí)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。