直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床設(shè)計(jì)與研究

羅靜，肖鐵忠，黃娟

(1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054;

2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，四川德陽 618000)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床設(shè)計(jì)與研究

羅靜1，肖鐵忠2，黃娟2

(1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054;

2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，四川德陽 618000)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，其結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，噪聲小，是精密數(shù)控沖壓機(jī)床的重要發(fā)展方向。通過對比分析，確定圓筒型直線電機(jī)作為沖壓機(jī)床的動(dòng)力源，并設(shè)計(jì)出機(jī)床的動(dòng)力系統(tǒng)、緩沖機(jī)構(gòu)等主要零部件;在此基礎(chǔ)上，利用ADAMS軟件對沖壓過程進(jìn)行仿真，得到了沖裁力仿真曲線，沖裁力為53 kN左右，滿足設(shè)計(jì)要求;利用HyperMesh有限元軟件分析了模架的剛度及床身的約束模態(tài)，通過求解計(jì)算分析，模架最大變形位置在下端面，為1.689×10－3mm，床身最小固有頻率為125.7 Hz，結(jié)果均滿足機(jī)床使用要求。

直線電機(jī);沖床;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);仿真分析

隨著控制技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床工業(yè)對控制精度，定位、重復(fù)定位精度以及傳動(dòng)方式等提出了更高的要求［1］。直線電機(jī)因?yàn)闊o磨損、沖擊、噪聲小、速度高、效率高、精度高、零傳動(dòng)等特點(diǎn)，很好地滿足了現(xiàn)代機(jī)床對高速度、高精度等的要求，其在機(jī)床工業(yè)中的廣泛應(yīng)用必然成為未來機(jī)床的發(fā)展趨勢［2－3］。

傳統(tǒng)沖壓機(jī)床一般由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)飛輪與曲軸旋轉(zhuǎn)，再由曲軸通過連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上模的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲大，精度低;而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，即直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)上模往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成沖壓工藝，其結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，噪聲小，是精密數(shù)控沖壓機(jī)床的重要發(fā)展方向［4］。

1 沖壓機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)如下:

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體布局方案

機(jī)床的整體布局與工藝方法、運(yùn)動(dòng)裝配、精度要求、自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率都有聯(lián)系［5］。正確分析與確定機(jī)床的整體布局對機(jī)床加工精度起著至關(guān)重要的作用，通過對比各種方案，設(shè)計(jì)的直線電機(jī)沖壓成型機(jī)床布局如圖1所示。

圖1 沖床布局方案

沖床采用立式結(jié)構(gòu)，用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+曲柄連桿”的驅(qū)動(dòng)形式，簡化了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能;直線電機(jī)的定子固定在機(jī)床上，接通電源，電機(jī)產(chǎn)生氣隙磁場，這個(gè)氣隙磁場會(huì)隨著時(shí)間變化沿著直線方向移動(dòng)，在移動(dòng)的磁場作用下，定子產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，在感應(yīng)電流和氣隙磁場的作用下產(chǎn)生電磁推力，電磁推力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子帶著模架向下運(yùn)動(dòng);床身兩邊各設(shè)置一根圓柱型滾珠導(dǎo)軌，對模架進(jìn)行導(dǎo)向;在導(dǎo)軌的豎直方向上，安裝有鎖緊滑塊，當(dāng)電機(jī)斷電時(shí)鎖死滑塊，防止電機(jī)自由掉落;工作臺(tái)上設(shè)置兩個(gè)限位支架，限制模架的下行程。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

傳統(tǒng)沖壓機(jī)床的動(dòng)力系統(tǒng)一般采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的限制，存在滑塊速度不易改變、行程次數(shù)低、功率消耗大等缺陷;而直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床由于結(jié)構(gòu)及控制上的優(yōu)勢，其動(dòng)力系統(tǒng)的加、減速度、行程以及行程次數(shù)等均可以在較大的范圍內(nèi)變化，由于直線電機(jī)具有在持續(xù)推力范圍內(nèi)換向平穩(wěn)、輸出力恒定、行程可調(diào)等優(yōu)勢，使得動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。

2.2.2 直線電機(jī)的選型

直線電機(jī)分為圓筒式、圓盤式、圓弧式和平板式［6］。圓盤式和圓弧式由于其結(jié)構(gòu)的限制，難以應(yīng)用在沖床上;平板式直線電機(jī)初、次級(jí)都是矩形的，行程可以無限延伸，但是其動(dòng)子無法承受沖壓時(shí)的反向作用力，需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的緩沖機(jī)構(gòu)防止反作用力對電機(jī)的影響;圓筒型直線電機(jī)的外部結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，是一種圓柱形結(jié)構(gòu)，就是把初級(jí)和次級(jí)均沿著橫向卷成圓筒型，其特點(diǎn)是行程短，適用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)場合，與沖壓機(jī)床的行程特點(diǎn)吻合，且緩沖機(jī)構(gòu)較為簡單，故文中選用圓筒型直線電機(jī)作為機(jī)床的動(dòng)力源［7］。

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖床主要是利用高速運(yùn)動(dòng)的沖頭的強(qiáng)大瞬態(tài)動(dòng)能，獲得足夠的沖壓力進(jìn)行成型加工［8］。工藝不同，工件的變形功W1所需要的能量也不同，其負(fù)荷圖也是不同的，通常沖床都是以厚板沖裁的工作負(fù)荷圖作為設(shè)計(jì)依據(jù)［9］。如圖2所示，h為沖頭進(jìn)入板料開始斷裂的厚度，稱為切斷厚度:

圖2 沖裁工件負(fù)荷圖

將上圖看成是三角形，則沖裁時(shí)的變形功為三角形面積:

將已知條件代入 (6)式得到:t1=0.078 s，a1=v/t1=13.3 m/s2，電機(jī)推力Fe1=m(a1－g)=105 N。

對于上沖程，加速時(shí)間t2=0.222 s，加速度a2=3.25m/s2，同理可算得電機(jī)推力Fe2=m(g+a2)，取電機(jī)安全系數(shù)K=1.5，故電機(jī)最大推力為Fe2=Km(g+a2)=587.25 N。

故選大族電機(jī)LSMP02-114-300-50-1，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

考慮機(jī)構(gòu)的摩擦等因素，取系數(shù)K1=1.3，故電機(jī)所需的最大推力Fe=763.43 N，所選電機(jī)的連續(xù)推力Fc=1 443 N，峰值推力Fp=2 500 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)如圖3所示。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括直線電機(jī)初、次級(jí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，緩沖機(jī)構(gòu)和模架等部件。直線電機(jī)初級(jí)安裝在機(jī)床床身上，由安裝座9及定位座6定位;直線電機(jī)次級(jí)下端與蝶形彈簧套在一起，彈簧由彈簧安裝座5及電機(jī)次級(jí)11共同定位安裝;緩沖機(jī)構(gòu)下連模架1，模架最下端安裝沖頭構(gòu)成機(jī)床的沖壓機(jī)構(gòu);導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由法蘭滑塊3和圓柱導(dǎo)軌2構(gòu)成，對稱安裝在模架的兩端，對模架進(jìn)行導(dǎo)向;導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝在床身上;電機(jī)初級(jí)配有冷卻回路，對電機(jī)進(jìn)行冷卻，防止電機(jī)溫度過高;圓柱型導(dǎo)軌軸線與電機(jī)軸線在同一平面內(nèi)。

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 緩沖機(jī)構(gòu)

機(jī)床在工作時(shí)，電機(jī)次級(jí)隨模架一起運(yùn)動(dòng)，次級(jí)的質(zhì)量為11.5 kg，通過計(jì)算，次級(jí)在沖壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生15 kN左右的力，如果模架與次級(jí)間無緩沖機(jī)構(gòu)，次級(jí)在此作用力下將會(huì)產(chǎn)生很大的變形甚至破壞，故需設(shè)計(jì)緩沖機(jī)構(gòu)減小此力對次級(jí)的影響。由于整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，緩沖機(jī)構(gòu)需具有吸收能量大、安裝空間小等特點(diǎn)，通過對比，選擇系列A(D/t≈ 18;h0/t≈0. 4;E=206 GPa;μ=0.3)類別2外徑71 mm、內(nèi)徑36 mm的蝶形彈簧作為次級(jí)與模架之間的緩沖機(jī)構(gòu)［10］。

3 ADAMS沖裁力模擬仿真

采用在UG中建立三維實(shí)體模型、然后導(dǎo)入ADAMS軟件分析的方法建立分析模型，導(dǎo)入模型后，先對各實(shí)體進(jìn)行約束，即圓柱型導(dǎo)軌、彈簧安裝座及蝶形彈簧與模架間均添加固定副，電機(jī)次級(jí)與蝶形彈簧間添加固定副;完成前述的幾何約束后再添加運(yùn)動(dòng)副，即對兩圓柱型導(dǎo)軌添加移動(dòng)副，結(jié)果如圖4所示。分析時(shí)，模架最底端與工件接觸，加載時(shí)需考慮電機(jī)次級(jí)的質(zhì)量，故在電機(jī)次級(jí)上施加如下載荷函數(shù):IF(time － 0.078:(1.03*1000/0.078 － 9806.65)*42.396/1000，0，IF(time－0.079:0，0，IF(time－0.2796:－588，0，0)))，仿真時(shí)間 0.3 s，步長 3 000步，點(diǎn)擊開始按鈕對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，利用ADAMS的后處理功能，得到如圖5所示的結(jié)果?？芍?最大沖裁力為53 kN左右，滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖4 ADAMS前處理模型

圖5 沖裁力仿真曲線

4 主要零部件有限元分析

4.1 模架剛度分析

模架是直接承受沖壓反作用力的部件，其剛度將直接決定機(jī)床的性能，模架采用45鋼，彈性模量E=210 Gpa，泊松比 μ=0.27，密度ρ=7 890 kg/m3。對整個(gè)沖壓過程的模型進(jìn)行簡化，即將模架的上表面進(jìn)行零位移約束，在模架的下表面加載40 kN的靜力，模擬機(jī)床沖壓時(shí)的受力情況。將建立好的幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，單元尺寸為6 mm，有限元模型如圖6所示。

圖6 模架有限元模型

在模架下端面豎直向上加載40 kN的反作用力，有限元模型邊界條件如圖7所示。

圖7 模架邊界條件模型

將建立好的有限元模型通過radioss求解計(jì)算，剛度結(jié)果如圖8所示。

圖8

由圖8知:模架最大變形位置在下端面，為1.689×10－3mm，滿足使用要求。

4.2 床身約束模態(tài)分析

約束沖床床身底部所有自由度，對其進(jìn)行約束模態(tài)分析，將建立好的有限元模型通過radioss求解計(jì)算，提取前6階模態(tài)振型，結(jié)果如表2所示。

表2 床身前6階約束模態(tài)

機(jī)床的沖壓頻率為200次/min，即3.3 Hz，遠(yuǎn)小于床身的一階固有頻率125.7 Hz，滿足使用要求。

5 結(jié)論

(1)對比分析了傳統(tǒng)沖壓機(jī)床與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床的優(yōu)劣，后者是高精度沖壓機(jī)床的發(fā)展趨勢;

(2)確定了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)床的主要技術(shù)指標(biāo)及整體布局方案;

(3)通過對比，確定將圓筒型直線電機(jī)作為沖床的動(dòng)力源，并對機(jī)床的動(dòng)力系統(tǒng)、緩沖機(jī)構(gòu)等主要零部件做了設(shè)計(jì);

(4)利用ADAMS軟件模擬沖壓過程，并得到機(jī)床的沖裁力仿真曲線，沖裁力為44 kN左右，滿足設(shè)計(jì)要求;

(5)利用HyperMesh有限元軟件分析了模架的剛度及床身的約束模態(tài)，通過求解計(jì)算分析，結(jié)果滿足機(jī)床使用要求。

綜上所述，機(jī)床的各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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Designand Research of Punching Machine Driven by Linear Motor

LUO Jing1，XIAO Tiezhong2，HUANG Juan2
(1.College of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.Vehicle Engineering Department，Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000，China)

Punchingmachine driven by linear motor can achieve“zero drive”，which has the advantages of simple structure，high control precision and low noise，so it is an important development direction of precision CNC punchingmachine.Through comparative analysis，the cylindrical linearmotor was determined as a power source for punchingmachine，and themachine's power system，bufferingmechanism and othermajor componentswere designed.Based on this，stamping processwas simulated by ADAMS software，and then blanking force simulation curve was obtained.Punching force is about 53 kN，which canmeet the design requirements.The mold stiffness and bed constraintmodewere analyzed using HyperMesh finite elementanalysis software.By solving computational analysis，mold maximum deformation was 1.689 ×10－3mm and this position was in the lower end face，bed minimum natural frequency was 125.7 Hz.The results satisfy the requirements of themachine.

Linearmotor;Punchingmachine;Structure design;Simulation analysis

TH122

A

1001－3881(2015)21－142－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.034

2014－10－21

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目 (KJ130806)

羅靜 (1974—)，女，教授，研究方向?yàn)榧芍圃旒夹g(shù)及裝備。E－mail:luojing@cqut.edu.cn。