H20型全電伺服數控轉塔沖床噪聲分析及降噪方案

王 亮，卞正其，朱志金

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

1 引言

作為鈑金加工業的重要一員，數控轉塔沖床近年來迎來了其發展的高峰期。全電伺服轉塔沖床作為高效節能無污染的新一代機床，被越來越多的客戶認可。

1988年國內研制出第一臺機械式數控轉塔沖床，1997年國內開始生產液壓式數控轉塔沖床，2005年揚力研發出國內第一臺全電伺服轉塔沖床，發展到現在，該種沖床已成為一種技術成熟、性能可靠的鈑金加工設備。伺服控轉塔沖床具有無液壓油污染等特點，而且耗電量是普通液壓沖床的65%左右，是伺服控轉塔沖床的發展趨勢之一。

H20型數控轉塔沖床是全電伺服數控轉塔沖床，如圖1所示。其X軸送料移動由交流伺服電機通過高精密行星減速機帶動齒輪轉動，拖板上的齒條與齒輪嚙合，帶動拖板、夾鉗運動，從而實現工件左右移動、定位沖孔；Y軸送料移動由兩個交流伺服電機通過兩個高精密行星減速機帶動齒輪轉動，齒輪與橫梁底座的齒條嚙合，從而帶動橫梁、夾鉗運動，工件由夾鉗夾持，實現前后移動、定位沖孔，具有機械結構性能穩定，定位快等特點。其沖頭部分采用全電伺服主傳動結構，機床采用低速大扭矩伺服電機驅動沖頭動作，數控系統給伺服驅動器發出沖壓信號，伺服電機在驅動器的控制下完成沖壓動作并發出沖壓完成信號。H20型數控轉塔沖床的主要性能參數如表1所示。

表1 H20型全電伺服數控轉塔沖床基本參數

當前，伺服數控轉塔沖床發展的一大瓶頸是其噪聲問題，這也是目前國內機床與國外高端機床的主要差距之一。

2 沖壓傳動原理及降噪解決方案

2.1 伺服主傳動原理

當前國內的主流伺服沖其主軸部分多為曲柄連桿式結構，如圖2所示。

主軸電機帶動曲軸做雙擺運動，曲軸帶動連桿做上下運動，則對應的滑塊做往復沖壓運動。

2.2 沖壓時沖頭噪聲產生機理

沖頭模具沖制板材會產生很大的噪聲。沖裁時，沖頭一旦接觸金屬板料，沖裁力開始增加。與此同時，由于機身及其他受力構件的變形而積蓄了彈性能。當沖頭進入板料約一半厚度時，沖裁力達到最大值。板材的突然斷裂使沖頭突然失荷，機身等積蓄的彈性能在極短時間內釋放出來，將激起機身及各部件的振動，使部件間產生沖擊。與此同時，滑塊以相當大的速度下沖，引起滑塊周圍空氣的壓力擾動，從而輻射噪聲。前者激發的噪聲稱振鳴噪聲，后者引起的噪聲為加速度噪聲。由分析可知，振鳴噪聲與引起機身等構件振動的沖裁力—時間歷程有關。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的空氣擠出聲共5種噪聲。

圖2 伺服主傳動工作原理圖

全電伺服數控轉塔沖床在工作時的噪聲可從源頭分為兩類：一是沖壓時機床的機械結構共振產生的噪聲；二是主軸沖頭從接觸板材到沖穿板材時產生的噪聲。我們主要針對后者進行了測試與分析。

2.2.1 通過降速減小噪聲

如圖3所示為德國VOITH公司HKL液壓系統的沖壓曲線。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。

從圖示結合液壓系統的工作原理可看出，HKL液壓控制系統的沖壓柔性較好，沖頭接觸板材受到板材的反作用力被動減速，而非主動減速，無需控制。沖頭向下到板材即將沖穿位置再次加速沖穿，到下死點后通過換向閥切換后快速返回到預壓點。HKL液壓系統是通過判斷沖頭移動的速度，通過控制卡內的程序控制選擇是否打開高壓閥而工作的。

圖3 德國VOITH液壓系統沖壓示意圖

圖4 為伺服主傳動系統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 伺服沖靜音模式沖壓示意圖

從圖示結合主軸電機的工作原理可看出，沖頭接觸板材之前主動減速沖穿板材到下死點后，加速返回到預壓點。靠近板材圓圈里的轉折點是需要設定的速度轉換點，速度轉換點下面的速度曲線（黑線）的斜率是需要設定的轉換點速度。沖頭運行到轉換點的速度是實際設定的速度，從快到慢的減速過程在轉換點之前出現，而非轉換點之后，這樣使得速度轉換點的設定更加清晰可控，直觀、方便調試。有一些主軸的工作原理是沖頭到達速度轉換點之后再減速，因為整個減速需要的時間隨著轉換點速度的改變而改變，這樣就增加了調試速度轉換點的難度，只能通過多次調試后的噪聲比較來確定轉換點位置的最佳設定值。

表2、表3為我們做的噪聲測試數據（以下所有表格中的速度轉換點設定值＝電機的旋轉角度×10）。

表2 噪音測試1

表3 噪音測試2

從上述的測試數據可以得出：速度轉換點的設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生的噪聲，而且撞擊板材的速度越慢，產生的噪聲越小，如圖5所示。

2.2.2 降速對板材能否沖穿的影響

一般數控轉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，進行滿負荷試驗，測試數據如表4所示。

可以看出，沖壓速度下降，功率減小，對能否沖穿板材影響很大。由公式

圖5 加工時間噪聲關系圖

表4 噪音測試3

其中P為沖制功率，W為沖制能量，t為沖制時間。沖穿板材所使用的能量是不變的，沖壓消耗的時間越長，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，在處理噪聲問題上，不能無限制地降低速度。

從表5可以看出，速度降到一定程度之后，對噪聲的影響變小，且在現場可聽到有接觸到板材的聲音和沖穿的聲音，有連聲現象。通過計算?75模具沖2mm厚冷板可達到150kN的沖裁力。考慮到客戶對大工位的速度要求及噪聲要求，取平衡點轉換點速度設定在50位置。其他板厚根據實際測試擇優設定。

2.2.3 靜音功能在機床上的實現

主軸驅動上可使用IO控制設定靜音功能，可使用PMC快速控制在何種情況下使用靜音功能，何種情況下關閉靜音功能。圖6為靜音功能使用流程圖。

同時，通過八組宏變量分別設定不同板厚的板材（1，2，3，4mm）的速度轉換點和轉換點速度，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）是一個純計數單位，本意是表示兩個量的比值大小，沒有單位。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。這也是為什么測試時感覺噪聲減小的很明顯，但用分貝儀測量的值卻減少了很少的原因。一般情況下，70～90dB感覺很吵、神經細胞會受到破壞；90～100dB吵鬧加劇、聽力將受損；100～120dB則難以忍受、1min即可能暫時致聾。因而，盡可能降低機器工作噪聲是多么的必要。

表5 噪音測試4

3 結語

本文對H20型全電伺服數控轉塔沖床作了簡要介紹，對伺服轉塔沖床的沖壓噪聲進行了測量、分析，并提出了降噪解決方案。

圖6 靜音控制流程圖

[1]陳 琪.數控轉塔沖床機身模態分析與優化[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（4）.

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

[3]黃海波，莫健華.全電伺服驅動二自由度九桿機構的同步控制研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（3）.

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