劉林峰

高速連續(xù)自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線由4～6 臺(tái)壓力機(jī)組成，各壓力機(jī)工作在連續(xù)模式下，偏心輪之間保持固定的相位角度差，在每一個(gè)沖壓周期內(nèi)離合器均保持閉合狀態(tài)，與高速自動(dòng)送料系統(tǒng)緊密配合，提高工作效率。和工作在斷續(xù)模式下的壓力機(jī)線相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①工作節(jié)拍提高。

②提高離合器壽命。

③消除了離合器的接合耗能，節(jié)省能量。

④減少設(shè)備震動(dòng)，提高整機(jī)安全及壽命。

與傳統(tǒng)的斷續(xù)模式下的沖壓線相比，同步壓力機(jī)線在電氣控制部分主要有以下特點(diǎn)：

①壓力機(jī)之間需要同步控制。

②離合器在連續(xù)模式運(yùn)行下的安全防護(hù)要求較高。

隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)沖壓線由手動(dòng)單動(dòng)控制轉(zhuǎn)向連線斷續(xù)自動(dòng)控制，進(jìn)而向同步連續(xù)自動(dòng)化高速?zèng)_壓線方向發(fā)展。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制造技術(shù)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步使連線同步控制成為可能。由于各沖壓線的形式、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各不相同，所以主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量也必須與之適應(yīng)，而初步選型后需要用成熟的方法驗(yàn)算電機(jī)與壓力機(jī)的同步性能。

1 沖壓線的傳動(dòng)機(jī)械與工藝參數(shù)

1.1 傳動(dòng)機(jī)械與工藝參數(shù)

連續(xù)工作模式下沖壓工作能的提供方式與斷續(xù)工作模式不完全相同，需要核算不同模具（工作能） 在不同節(jié)拍下驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的負(fù)荷。目前，國(guó)內(nèi)普通機(jī)械壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線一般按兩檔設(shè)計(jì)：即低速8～12 次/分（采用單臂機(jī)械手或機(jī)器人），高速10～15 次/分（采用雙臂機(jī)械手或高速單臂機(jī)械手）。斷續(xù)模式下壓力機(jī)在上死點(diǎn)停止，飛輪速度較高，沖壓時(shí)所需能量主要由機(jī)械飛輪提供，主電機(jī)負(fù)責(zé)給機(jī)械飛輪提供能量；而連續(xù)模式下運(yùn)行的壓力機(jī)在上死點(diǎn)不停止，沖壓能量由機(jī)械飛輪提供外，主電機(jī)也提供一部分，同時(shí)，主電機(jī)還要確保將機(jī)械飛輪快速加速到初始速度，保證前后壓力機(jī)自動(dòng)取送料設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相位差基本恒定，誤差控制在±5°范圍之內(nèi)，保證連續(xù)沖壓傳送料可靠運(yùn)行，由此對(duì)主電機(jī)性能提出較高要求（見(jiàn)圖1）。

圖1 五臺(tái)壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

為滿足生產(chǎn)工藝需求，需要核算主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量。為此，需要提供詳細(xì)的機(jī)械傳動(dòng)參數(shù)及沖壓工藝參數(shù)，根據(jù)給定參數(shù)核算主電機(jī)是否滿足沖壓工藝需求。筆者以某汽車廠壓力機(jī)為例詳細(xì)說(shuō)明主電機(jī)設(shè)計(jì)選型驗(yàn)算方法（見(jiàn)表1、表2）。

表1 壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)參數(shù)表

表2 沖壓工藝參數(shù)表

1.2 同步原理和控制方式

壓力機(jī)的同步控制通過(guò)主從同步控制方式實(shí)現(xiàn)，就是在整個(gè)控制中選擇一個(gè)軸為主軸，設(shè)定給定值基準(zhǔn)，其他軸都在該軸的基礎(chǔ)上設(shè)定相位角，協(xié)調(diào)整個(gè)沖壓線的運(yùn)行。主軸有兩種選擇方式。

（1） 實(shí)軸控制方式

實(shí)軸控制方式就是選擇實(shí)際編碼器信號(hào)（偏心軸上的編碼器）。根據(jù)需要可以從多臺(tái)壓力機(jī)中選擇一臺(tái)，或根據(jù)工藝需求任意設(shè)定，一般選擇第一臺(tái)壓力機(jī)的給定值為整線的工作速度，同時(shí)定為主軸，其他壓力機(jī)作為從軸，按照與第一臺(tái)壓力機(jī)的固定相位角同步運(yùn)行。

（2） 虛軸控制方式

虛軸控制方式就是選擇一個(gè)非實(shí)際的編碼器位置信號(hào)作為基準(zhǔn)，而所有的實(shí)際軸都跟隨該基準(zhǔn)運(yùn)行，其它壓力機(jī)作為從軸按固定相位角設(shè)定曲線運(yùn)行。

2 主電機(jī)計(jì)算方法

計(jì)算方法要考慮實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，使得到的結(jié)果符合實(shí)際需求。常規(guī)上需要驗(yàn)算電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，此為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算，本文不做敘述。

按照表2 參數(shù)，通常電機(jī)選擇435 kW、190 kW 即可，但由于生產(chǎn)線要求低速8 spm 下連續(xù)生產(chǎn)，而計(jì)算結(jié)果是該功率下無(wú)法滿足工藝要求（在某現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試此配置也不能滿足），所以需選較大的主電機(jī)。經(jīng)多次核算，實(shí)際選擇485 kW、280 kW電機(jī)。筆者以485 kW、280 kW 電機(jī)為核算標(biāo)本來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

1） 首先，筆者給出電機(jī)相關(guān)參數(shù)（見(jiàn)表3）。

表3 電機(jī)參數(shù)表

2） 其次，計(jì)算沖壓時(shí)能量釋放的分配。連續(xù)模式下沖壓頻次與壓力機(jī)運(yùn)行節(jié)拍基本相等，沖壓速度相對(duì)低些，工件變形所需能量由飛輪和電機(jī)共同提供。因此，需要計(jì)算沖壓時(shí)它們分別釋放的能量。

先計(jì)算電機(jī)釋放的能量。不同轉(zhuǎn)速下，相同時(shí)間里電機(jī)釋放的能量不同。

由動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算驗(yàn)證電機(jī)。

根據(jù)工藝參數(shù)表，同時(shí)考慮壓力機(jī)的機(jī)械效率，可以計(jì)算出沖壓時(shí)間及電機(jī)釋放的能量。

除去電機(jī)釋放的能量，剩余的能量由飛輪提供。實(shí)際上，由于沖壓時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，其釋放能量相應(yīng)要減少一些，計(jì)算時(shí)可以乘以一個(gè)系數(shù)。

3） 由飛輪降速可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

恢復(fù)時(shí)間非常重要，它決定著連續(xù)線的同步性能，計(jì)算時(shí)要按最大能量需求考慮，取決于自動(dòng)化傳送設(shè)備所需最小安全取送料角度，對(duì)節(jié)拍有較大影響；如果恢復(fù)時(shí)間較短，最小取送料角度就可以選擇小些，否則取大些。同時(shí)，加減速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Md設(shè)定過(guò)大，動(dòng)態(tài)性能雖好，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下電機(jī)發(fā)熱效驗(yàn)不合格；設(shè)定過(guò)小，發(fā)熱效驗(yàn)合格，但動(dòng)態(tài)性能差，加速時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足沖壓線同步性要求。

5） 電機(jī)發(fā)熱效驗(yàn)。在同步運(yùn)行中，主傳動(dòng)電機(jī)不僅在壓力機(jī)沖壓時(shí)出力并補(bǔ)充飛輪降速，主傳動(dòng)電機(jī)每周期都處于加速、減速、穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，為充分利用電機(jī)性能，電機(jī)不宜選擇過(guò)大，需要控制電機(jī)發(fā)熱，即電流負(fù)載率要低于100%。實(shí)際上，由于機(jī)械機(jī)構(gòu)不同，以及氣動(dòng)平衡缸受速度、增壓比的影響，對(duì)多連桿壓力機(jī)來(lái)說(shuō)，電流負(fù)載率的影響不能忽略。由于空載運(yùn)行階段電流會(huì)增加，計(jì)算時(shí)必須考慮。從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，一般?。?5%以滿足要求。鑒于主電機(jī)采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式，電機(jī)發(fā)熱等效電流驗(yàn)算公式可簡(jiǎn)化為：

式中：I1～I(xiàn)n—對(duì)應(yīng)各分段時(shí)間的電流值（A）；t1～tn—對(duì)應(yīng)I1～I(xiàn)n的各段時(shí)間（s）；Irms—等效電流（A）。

只當(dāng)Irms小于電機(jī)額定電流IN時(shí)，發(fā)熱校驗(yàn)才可以通過(guò)。

由于2#～4#壓力機(jī)規(guī)格相同，本文只計(jì)算一臺(tái)主電機(jī)（見(jiàn)表4）。

表4 主電機(jī)計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果看，轉(zhuǎn)差率、恢復(fù)角度、負(fù)載率均滿足設(shè)計(jì)要求。

6） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，盡管與理論計(jì)算釋放能量相差較大，各壓力機(jī)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性與計(jì)算結(jié)果的基本趨勢(shì)相同（見(jiàn)圖2～圖4）。

圖2 1#壓力機(jī)在10 spm 下沖壓側(cè)圍時(shí)電機(jī)傳動(dòng)實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線

圖3 1#、2#壓力機(jī)在11 spm 下電機(jī)傳動(dòng)實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線

圖4 1#～3#壓力機(jī)在12 spm 下電機(jī)傳動(dòng)實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量選型關(guān)系到同步連續(xù)自動(dòng)沖壓線的穩(wěn)定生產(chǎn)，而初步選型后通過(guò)可靠的計(jì)算方法校驗(yàn)主電機(jī)與壓力機(jī)的同步性能，可以更好地滿足工藝需求。通過(guò)計(jì)算，選擇最合適主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試提供理論依據(jù)，提高主傳動(dòng)系統(tǒng)配置的合理性。按本文計(jì)算方法選型的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)已得到成功應(yīng)用，效果良好。沖壓線實(shí)際運(yùn)行中，受模具及傳送料設(shè)備的制約，高速運(yùn)行下實(shí)際能量需求低于理論值。