H20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床噪聲分析及降噪方案

王 亮，卞正其，朱志金

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 引言

作為鈑金加工業(yè)的重要一員，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床近年來(lái)迎來(lái)了其發(fā)展的高峰期。全電伺服轉(zhuǎn)塔沖床作為高效節(jié)能無(wú)污染的新一代機(jī)床，被越來(lái)越多的客戶認(rèn)可。

1988年國(guó)內(nèi)研制出第一臺(tái)機(jī)械式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，1997年國(guó)內(nèi)開(kāi)始生產(chǎn)液壓式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，2005年揚(yáng)力研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)全電伺服轉(zhuǎn)塔沖床，發(fā)展到現(xiàn)在，該種沖床已成為一種技術(shù)成熟、性能可靠的鈑金加工設(shè)備。伺服控轉(zhuǎn)塔沖床具有無(wú)液壓油污染等特點(diǎn)，而且耗電量是普通液壓沖床的65%左右，是伺服控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展趨勢(shì)之一。

H20型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，如圖1所示。其X軸送料移動(dòng)由交流伺服電機(jī)通過(guò)高精密行星減速機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，拖板上的齒條與齒輪嚙合，帶動(dòng)拖板、夾鉗運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件左右移動(dòng)、定位沖孔；Y軸送料移動(dòng)由兩個(gè)交流伺服電機(jī)通過(guò)兩個(gè)高精密行星減速機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪與橫梁底座的齒條嚙合，從而帶動(dòng)橫梁、夾鉗運(yùn)動(dòng)，工件由夾鉗夾持，實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)、定位沖孔，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，定位快等特點(diǎn)。其沖頭部分采用全電伺服主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，機(jī)床采用低速大扭矩伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)沖頭動(dòng)作，數(shù)控系統(tǒng)給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出沖壓信號(hào)，伺服電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的控制下完成沖壓動(dòng)作并發(fā)出沖壓完成信號(hào)。H20型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 H20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床基本參數(shù)

當(dāng)前，伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床發(fā)展的一大瓶頸是其噪聲問(wèn)題，這也是目前國(guó)內(nèi)機(jī)床與國(guó)外高端機(jī)床的主要差距之一。

2 沖壓傳動(dòng)原理及降噪解決方案

2.1 伺服主傳動(dòng)原理

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的主流伺服沖其主軸部分多為曲柄連桿式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

主軸電機(jī)帶動(dòng)曲軸做雙擺運(yùn)動(dòng)，曲軸帶動(dòng)連桿做上下運(yùn)動(dòng)，則對(duì)應(yīng)的滑塊做往復(fù)沖壓運(yùn)動(dòng)。

2.2 沖壓時(shí)沖頭噪聲產(chǎn)生機(jī)理

沖頭模具沖制板材會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。沖裁時(shí)，沖頭一旦接觸金屬板料，沖裁力開(kāi)始增加。與此同時(shí)，由于機(jī)身及其他受力構(gòu)件的變形而積蓄了彈性能。當(dāng)沖頭進(jìn)入板料約一半厚度時(shí)，沖裁力達(dá)到最大值。板材的突然斷裂使沖頭突然失荷，機(jī)身等積蓄的彈性能在極短時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，將激起機(jī)身及各部件的振動(dòng)，使部件間產(chǎn)生沖擊。與此同時(shí)，滑塊以相當(dāng)大的速度下沖，引起滑塊周?chē)諝獾膲毫_動(dòng)，從而輻射噪聲。前者激發(fā)的噪聲稱振鳴噪聲，后者引起的噪聲為加速度噪聲。由分析可知，振鳴噪聲與引起機(jī)身等構(gòu)件振動(dòng)的沖裁力—時(shí)間歷程有關(guān)。此外，沖裁噪聲還包括板料斷裂聲、沖頭與板料的撞擊聲及兩者接觸時(shí)的空氣擠出聲共5種噪聲。

圖2 伺服主傳動(dòng)工作原理圖

全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在工作時(shí)的噪聲可從源頭分為兩類：一是沖壓時(shí)機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的噪聲；二是主軸沖頭從接觸板材到?jīng)_穿板材時(shí)產(chǎn)生的噪聲。我們主要針對(duì)后者進(jìn)行了測(cè)試與分析。

2.2.1 通過(guò)降速減小噪聲

如圖3所示為德國(guó)VOITH公司HKL液壓系統(tǒng)的沖壓曲線。其中，黑線斜率大小表示速度快慢，越陡表示速度越快，越平表示速度越慢。

從圖示結(jié)合液壓系統(tǒng)的工作原理可看出，HKL液壓控制系統(tǒng)的沖壓柔性較好，沖頭接觸板材受到板材的反作用力被動(dòng)減速，而非主動(dòng)減速，無(wú)需控制。沖頭向下到板材即將沖穿位置再次加速?zèng)_穿，到下死點(diǎn)后通過(guò)換向閥切換后快速返回到預(yù)壓點(diǎn)。HKL液壓系統(tǒng)是通過(guò)判斷沖頭移動(dòng)的速度，通過(guò)控制卡內(nèi)的程序控制選擇是否打開(kāi)高壓閥而工作的。

圖3 德國(guó)VOITH液壓系統(tǒng)沖壓示意圖

圖4 為伺服主傳動(dòng)系統(tǒng)在靜音模式下的沖壓曲線。其中，黑線斜率大小表示速度快慢，越陡表示速度越快，越平表示速度越慢。

圖4 伺服沖靜音模式?jīng)_壓示意圖

從圖示結(jié)合主軸電機(jī)的工作原理可看出，沖頭接觸板材之前主動(dòng)減速?zèng)_穿板材到下死點(diǎn)后，加速返回到預(yù)壓點(diǎn)?？拷宀膱A圈里的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是需要設(shè)定的速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)，速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)下面的速度曲線（黑線）的斜率是需要設(shè)定的轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度。沖頭運(yùn)行到轉(zhuǎn)換點(diǎn)的速度是實(shí)際設(shè)定的速度，從快到慢的減速過(guò)程在轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前出現(xiàn)，而非轉(zhuǎn)換點(diǎn)之后，這樣使得速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)的設(shè)定更加清晰可控，直觀、方便調(diào)試。有一些主軸的工作原理是沖頭到達(dá)速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)之后再減速，因?yàn)檎麄€(gè)減速需要的時(shí)間隨著轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度的改變而改變，這樣就增加了調(diào)試速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)的難度，只能通過(guò)多次調(diào)試后的噪聲比較來(lái)確定轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置的最佳設(shè)定值。

表2、表3為我們做的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)（以下所有表格中的速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)定值＝電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度×10）。

表2 噪音測(cè)試1

表3 噪音測(cè)試2

從上述的測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出：速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)的設(shè)定可以改變沖壓的噪聲，也就是接觸板材的速度快慢直接影響著撞擊產(chǎn)生的噪聲，而且撞擊板材的速度越慢，產(chǎn)生的噪聲越小，如圖5所示。

2.2.2 降速對(duì)板材能否沖穿的影響

一般數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床模具最大加工尺寸（直徑）依次為：A工位12.7mm，B工位31.8mm，C工位50.8mm，D工位88.9mm。

我們使用D工位 ?46的圓模沖壓3.6mm厚的熱板，進(jìn)行滿負(fù)荷試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

可以看出，沖壓速度下降，功率減小，對(duì)能否沖穿板材影響很大。由公式

圖5 加工時(shí)間噪聲關(guān)系圖

表4 噪音測(cè)試3

其中P為沖制功率，W為沖制能量，t為沖制時(shí)間。沖穿板材所使用的能量是不變的，沖壓消耗的時(shí)間越長(zhǎng)，功率將越小。由此得出，沖壓速度減小是不能完成沖制的直接原因。因而，在處理噪聲問(wèn)題上，不能無(wú)限制地降低速度。

從表5可以看出，速度降到一定程度之后，對(duì)噪聲的影響變小，且在現(xiàn)場(chǎng)可聽(tīng)到有接觸到板材的聲音和沖穿的聲音，有連聲現(xiàn)象。通過(guò)計(jì)算?75模具沖2mm厚冷板可達(dá)到150kN的沖裁力?？紤]到客戶對(duì)大工位的速度要求及噪聲要求，取平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度設(shè)定在50位置。其他板厚根據(jù)實(shí)際測(cè)試擇優(yōu)設(shè)定。

2.2.3 靜音功能在機(jī)床上的實(shí)現(xiàn)

主軸驅(qū)動(dòng)上可使用IO控制設(shè)定靜音功能，可使用PMC快速控制在何種情況下使用靜音功能，何種情況下關(guān)閉靜音功能。圖6為靜音功能使用流程圖。

同時(shí)，通過(guò)八組宏變量分別設(shè)定不同板厚的板材（1，2，3，4mm）的速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度，確保用戶在使用中有特殊要求，方便狀況變換。

2.2.4 噪聲及其危害

dB（Decibel，分貝）是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位，本意是表示兩個(gè)量的比值大小，沒(méi)有單位。dB=10*lg（A/B），此處A、B代表參與比較的功率值，如果A＝2B，則dB≈3，反之，噪聲下降3dB，功率減少一倍。這也是為什么測(cè)試時(shí)感覺(jué)噪聲減小的很明顯，但用分貝儀測(cè)量的值卻減少了很少的原因。一般情況下，70～90dB感覺(jué)很吵、神經(jīng)細(xì)胞會(huì)受到破壞；90～100dB吵鬧加劇、聽(tīng)力將受損；100～120dB則難以忍受、1min即可能暫時(shí)致聾。因而，盡可能降低機(jī)器工作噪聲是多么的必要。

表5 噪音測(cè)試4

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)H20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔沖床的沖壓噪聲進(jìn)行了測(cè)量、分析，并提出了降噪解決方案。

圖6 靜音控制流程圖

[1]陳 琪.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身模態(tài)分析與優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（4）.

[2]李 兵.數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的最新發(fā)展—SERVO.V.R可變連桿伺服主傳動(dòng)技術(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（3）.

[3]黃海波，莫健華.全電伺服驅(qū)動(dòng)二自由度九桿機(jī)構(gòu)的同步控制研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（3）.

[4]葉春生，莫健華，樊自田，等.曲柄連桿伺服壓力機(jī)控制模型的研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（5）.