摘  要：介紹了用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)沖壓機(jī)工作的基本原理、結(jié)構(gòu)和性能以及它的檢測(cè)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(dòng)的沖壓機(jī)（以下簡(jiǎn)稱電磁沖壓機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)了省級(jí)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)；機(jī)械

一、概述

目前，國(guó)內(nèi)外的沖壓機(jī)械，如沖床工作時(shí)，需令其沖頭作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有的機(jī)械沖壓機(jī)(沖床)的動(dòng)力來(lái)自于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為獲得足夠的沖壓力，還需配備一只儲(chǔ)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(zhǎng)，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(méi)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(guò)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(dòng)。在國(guó)內(nèi)外雖有類似研究，但目前尚未見(jiàn)有這方面的成果和產(chǎn)品鑒定，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(jiǎn)單；體積小、重量輕；無(wú)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。

二、結(jié)構(gòu)與工作原理

1、基本結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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 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(tái)、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(jí)；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。

2、基本工作原理

該結(jié)構(gòu)的基本工作原理簡(jiǎn)述如下：

插上電源，起動(dòng)電源開(kāi)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(jí)2將通電產(chǎn)生電磁力，使次級(jí)3帶動(dòng)模架7向下運(yùn)動(dòng)，沖壓工件。沖壓結(jié)束，次級(jí)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)

1、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(lái)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(duì)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(jí)型式[6]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(jí)的材料和結(jié)構(gòu)上作了一些新的嘗試。通過(guò)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。

2、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(guò)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)－固態(tài)斷電器（SSR）來(lái)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?？刂葡到y(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(cè)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(wèn)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(duì)以上兩上問(wèn)題主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和檢測(cè)后采用單片機(jī)控制線路來(lái)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(cè)試與結(jié)果

我們?cè)O(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(cè)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(duì)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(jí)的溫升作了試驗(yàn)和檢測(cè)，測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖5，  

我們還測(cè)試了運(yùn)行的脈沖功率和總的耗電情況，測(cè)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(duì)電磁沖壓機(jī)的力、溫度和能耗的測(cè)試當(dāng)中，如何準(zhǔn)確地測(cè)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(guò)程短（ms級(jí)），因此，本文采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確地測(cè)出力的數(shù)據(jù)，以下就力的測(cè)試系統(tǒng)作一介紹。  

1、力的測(cè)試系統(tǒng)原理與方法

電磁沖壓機(jī)的瞬態(tài)測(cè)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(cè)單元，其測(cè)試系統(tǒng)原理如圖5所示。  

測(cè)試前，先對(duì)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(duì)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(cè)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(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)換、檢測(cè)處理后，變成所需的瞬態(tài)力波形，該波形通過(guò)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(hào)與加速度信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便可以很方便地將噪聲信號(hào)與瞬態(tài)力信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

2、測(cè)試結(jié)果

溫度的測(cè)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(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖5）。我們共測(cè)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(jí)溫度為1h后的穩(wěn)定溫度。電能的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比。  

另外，從目前小批量生產(chǎn)來(lái)看，電磁沖壓機(jī)的制造成本也比機(jī)械沖壓機(jī)低。

五、結(jié)論

通過(guò)以上討論，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果以及小批量的生產(chǎn)表明，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(chǎng)合，它將會(huì)比機(jī)械式壓力機(jī)更受人們歡迎。