直线电动机驱动在冲压机上的应用
摘要：介绍了用直线电机直接驱动冲压机工作的基本原理、结构、性能以及它的检测与控制方法。和传统式机械冲压机相比，直线电机驱动的冲压机（以下简称电磁冲压机）具有结构简单、体积小、重量轻、制造周期短、成本低、控制方便、噪音低和省能等优点。目前已研究完成了50kN以下的科研样机，通过了省级鉴定并获得了多项专利，现已投入小批量生产，效果显著。100kN以上的科研样机作为省重点科技攻关项目正在研究之中。
关键词：直线电机 冲压机
1 概述
目前，国内外的冲压机械，如冲床工作时，需令其冲头作往复直线运动。现有的机械冲压机（冲床）的动力来自于旋转电动机，它需要一整套复杂的转换机构将旋转运动转变为所需的直线往复运动，为获得足够的冲压力，还需配备一只储能大飞轮。因而，这种冲压机部件多，结构复杂，体积笨重，噪声大，生产周期长，使用不灵活，且易于发生人身伤害事故。这种机械冲压机，它所存在弊端始终没能得到根本的改变。本文所研制的新型电磁冲压机（直线电机冲床）是利用直线电机技术，将电能直接转换成机械力，它不需通过任何中间转换机构，而实现冲头的往复运动。在国内外虽有类似研究，但目前尚未见有这方面的成果和产品报道，本文所述的电磁冲压机则已通过省级鉴定，获多项授权专利，并已投入小批量生产，效果显著。这种新型电磁冲压机和传统式机械冲压机相比，具有结构简单；体积小、重量轻；无周期性的机械噪声；脉冲式工作，有节能效果；冲压吨位、频率、速度可调；可有各种安装方式；易于控制，能实现多种保护功能。
2 结构与工作原理
2.1 基本结构
直线电机驱动的电磁冲压机，其总体结构示意图如图1所示。它主要分为三大部分，即机身部分、直线电机部分和控制系统部分。
图1 电磁冲压机结构示意图
图1中1是机身，它由工作台、安装电机与控制系统的支承座以及保证精度的滚珠5，导柱6和模架7所组成；图中的2和3分别为直线电机的初、次级；图中的4为整机的控制系统。
电磁冲压机目前至少有10余种不同的结构，除图1所示的滚珠导柱式结构外［5］，还有串行或并行滑块式结构［3，4］，而每种结构下又有不同的驱动方式［7］。
2.2 基本工作原理
以上结构的基本工作原理简述如下：
插上电源，起动电源开关，设定冲压吨位。如果是自动冲压，则需设定冲压操作频率，然后起动冲压按钮，否则作手动处理。按钮接通，直线电机初级2将通电产生电磁力，使次级3带动模架7向下运动，冲压工件。冲压结束，次级3在反向电磁力与恢复弹簧的拉动下回到初始位置，等待下一次的冲压。如果按钮处于自动连冲状态，则冲头将以设定的频率连续工作，直到按钮关闭为止。除非安全断电装置需要中途停止，否则冲头只受按钮控制。
3 直线电机与控制技术
3.1 直线电机设计
电磁冲压机的关键部分是直线电动机。一般情况下，直线电动机往往都作为驱动间断运行的装置为多，其持续率也往往在25%以下。而现在把直线电动机用来驱动冲压机，则其持续率要高的多，基本上是处于连续工作状态。因此，对直线电机的设计与制造提出了更高的要求。
首先，在直线电动机的基本型式与结构方面，我们以直线感应电动机为主，其结构包括圆筒型、平面双边型和单边型，还专门设计了特殊结构型式的直线电动机，如外壳动次级型式［6］等特殊结构型式；其次，在电磁方案的设计上，采用了计算机进行多方案优化设计；最后，在初、次级材料和结构上作了一些新的尝试。通过以上工作，从而使直线电机的性能完全适合于电磁式冲压机的工作需要。nextpage
3.2 控制系统
电磁冲压机的直线电机与电源的接通是通过无触点开关-固态继电器（SSR）来实现的，冲压机的控制系统是一个很重要的部分，它由四小部分组成即①电源部分；②计数及显示部分；③触发驱动部分；④故障检测与保护部分。控制系统框图如图2所示。
图2 电磁冲压机控制系统框图
本控制系统能达到以下功能：
（1）冲压吨位可调。
（2）冲程可调。
（3）可选择手动和自动冲压。
（4）可选择冲压频率（20～300次/min）。
（5）具有各种电、热、机方面的故障检测及保护功能。
具有以上功能的控制系统，特别要注意解决两个问题，这就是确定最佳触发时刻和电机的最佳导通时间。对以上两个问题主要是通过计算机仿真和检测后采用单片机控制线路来解决的［8］。该控制线路原理框图如图3所示。图4为具体线路。
图3 冲力控制框图
图4 冲力控制线路图
4 测试与结果
我们设计和研制了5、10、31.5和50kN四个规格的样机，其测试数据与设计值基本相符。冲力误差在1%～5%之间。nextpage
我们对电磁冲压机的冲裁力以及冲压机机身、直线电机初、次级的温升作了试验和检测，测试系统见图5，还测定了运行的脉冲功率和总的耗电情况，测试运行时间一般在4h以上。用户运行连续8h以上。
图5 电磁冲压机冲力和温升测试线路原理图
1.压力传感器 2.次级测温点 3.外壳 4.滑块测温点
5.铁心 6.冲杆 7.加速度传感器 8.初级测温点
在对电磁冲压机的力、温度和能耗的测试当中，如何准确地测定其冲裁力是本文研究的任务之一。由于电磁冲压机的冲压力是一个瞬态力，其冲压速度快，瞬态过程短（ms级），因此，本文采用了数字信号处理技术并通过计算机辅助测试系统，从而准确地测出力的数据，以下就力的测试系统作一介绍。
4.1 力的测试系统原理与方法
电磁冲压机冲力的瞬态测试系统主要由三部分组成，即压力传感器、放大单元和记录检测单元，其测试系统原理如图5所示。
测试前，先对压力传感器进行静态和动态标定，以10kN电磁冲压机为例，传感器的静、动态标定系数KF分别为0.07258V/kN和0.07351V/kN，相对误差为1.3%，因此，可以认为，压力传感器具有相同的静动态输出特性。测试时，将传感器固定在直线电机驱动冲压机的底座上，进行冲压，当传感器受到压力机的瞬态作用后，立即产生一微弱的脉冲信号，该信号经过放大、转换、检测处理后，变成所需的瞬态力波形，该波形通过显示器能直接显示出该瞬态力的大小。
作为辅助数据，在冲压机杆顶端安装了一只加速度传感器，利用瞬态力信号与加速度信号的对应关系，便可以很方便地将噪声信号与瞬态力信号区分开来。图6是10kN直线电机驱动冲压机冲力的测试曲线。
图6 10kN电磁冲压机冲力的测定
4.2 测试结果
力的测试如上所述，结果见表1。温度的测试，我们用热电偶分别将其放在线圈、铁心、机身、轴等处的7个点上，然后用温度测量仪进行检测（见图5）。我们共测取了7个点的温度，当时室温为30℃，表中所记电机线圈、次级温度为1h后的稳定温度。电能的测量是采用电度表进行的。表1为10kN电磁压力机与机械式压力机的一些测试数据的对比。
电磁冲压机与机械冲压机性能对比表
另外，从目前小批量生产来看，电磁冲压机的制造成本也比机械冲压机低。
5 结论
通过以上讨论，并根据测试结果以及小批量的生产表明，直线电机驱动的冲压机的设计是可行的，控制系统是稳定的。本文认为用直线电机驱动的电磁冲压机和小吨位机械式冲压机相比，它具有文中提到的许多优点，在一些合适的场合，它将会比机械式压力机更受人们欢迎。
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