直線電機驅動的沖壓機床設計與研究

羅靜，肖鐵忠，黃娟

(1.重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054;

2.四川工程職業技術學院車輛工程系，四川德陽 618000)

直線電機驅動的沖壓機床設計與研究

羅靜1，肖鐵忠2，黃娟2

(1.重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054;

2.四川工程職業技術學院車輛工程系，四川德陽 618000)

直線電機驅動的沖壓機床可以實現“零傳動”，其結構簡單，控制精度高，噪聲小，是精密數控沖壓機床的重要發展方向。通過對比分析，確定圓筒型直線電機作為沖壓機床的動力源，并設計出機床的動力系統、緩沖機構等主要零部件;在此基礎上，利用ADAMS軟件對沖壓過程進行仿真，得到了沖裁力仿真曲線，沖裁力為53 kN左右，滿足設計要求;利用HyperMesh有限元軟件分析了模架的剛度及床身的約束模態，通過求解計算分析，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，結果均滿足機床使用要求。

直線電機;沖床;結構設計;仿真分析

隨著控制技術及先進制造技術的發展，機床工業對控制精度，定位、重復定位精度以及傳動方式等提出了更高的要求［1］。直線電機因為無磨損、沖擊、噪聲小、速度高、效率高、精度高、零傳動等特點，很好地滿足了現代機床對高速度、高精度等的要求，其在機床工業中的廣泛應用必然成為未來機床的發展趨勢［2－3］。

傳統沖壓機床一般由旋轉電機帶動飛輪與曲軸旋轉，再由曲軸通過連桿機構將旋轉運動轉化為上模的直線往復運動，結構復雜，噪聲大，精度低;而直線電機驅動的沖壓機床可以實現“零傳動”，即直線電機直接驅動上模往復運動完成沖壓工藝，其結構簡單，控制精度高，噪聲小，是精密數控沖壓機床的重要發展方向［4］。

1 沖壓機床的技術指標

設計的由直線電機驅動的沖壓機床主要技術指標如下:

2 機床結構設計

2.1 整體布局方案

機床的整體布局與工藝方法、運動裝配、精度要求、自動化程度及生產效率都有聯系［5］。正確分析與確定機床的整體布局對機床加工精度起著至關重要的作用，通過對比各種方案，設計的直線電機沖壓成型機床布局如圖1所示。

圖1 沖床布局方案

沖床采用立式結構，用直線電機驅動取代傳統的“旋轉電機+曲柄連桿”的驅動形式，簡化了機床的機械結構，提高動態響應性能;直線電機的定子固定在機床上，接通電源，電機產生氣隙磁場，這個氣隙磁場會隨著時間變化沿著直線方向移動，在移動的磁場作用下，定子產生感應電動勢和電流，在感應電流和氣隙磁場的作用下產生電磁推力，電磁推力驅動動子帶著模架向下運動;床身兩邊各設置一根圓柱型滾珠導軌，對模架進行導向;在導軌的豎直方向上，安裝有鎖緊滑塊，當電機斷電時鎖死滑塊，防止電機自由掉落;工作臺上設置兩個限位支架，限制模架的下行程。

2.2 動力系統設計

2.2.1 動力系統運動學分析

傳統沖壓機床的動力系統一般采用曲柄滑塊機構，由于結構的限制，存在滑塊速度不易改變、行程次數低、功率消耗大等缺陷;而直線電機直接驅動的沖壓機床由于結構及控制上的優勢，其動力系統的加、減速度、行程以及行程次數等均可以在較大的范圍內變化，由于直線電機具有在持續推力范圍內換向平穩、輸出力恒定、行程可調等優勢，使得動力系統的運動平穩可靠。

2.2.2 直線電機的選型

直線電機分為圓筒式、圓盤式、圓弧式和平板式［6］。圓盤式和圓弧式由于其結構的限制，難以應用在沖床上;平板式直線電機初、次級都是矩形的，行程可以無限延伸，但是其動子無法承受沖壓時的反向作用力，需要設計較復雜的緩沖機構防止反作用力對電機的影響;圓筒型直線電機的外部結構類似于傳統旋轉電機，是一種圓柱形結構，就是把初級和次級均沿著橫向卷成圓筒型，其特點是行程短，適用于往復運動場合，與沖壓機床的行程特點吻合，且緩沖機構較為簡單，故文中選用圓筒型直線電機作為機床的動力源［7］。

直線電機驅動的沖床主要是利用高速運動的沖頭的強大瞬態動能，獲得足夠的沖壓力進行成型加工［8］。工藝不同，工件的變形功W1所需要的能量也不同，其負荷圖也是不同的，通常沖床都是以厚板沖裁的工作負荷圖作為設計依據［9］。如圖2所示，h為沖頭進入板料開始斷裂的厚度，稱為切斷厚度:

圖2 沖裁工件負荷圖

將上圖看成是三角形，則沖裁時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，電機推力Fe1=m(a1－g)=105 N。

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

故選大族電機LSMP02-114-300-50-1，其主要技術參數見表1。

表1 電機主要技術參數

考慮機構的摩擦等因素，取系數K1=1.3，故電機所需的最大推力Fe=763.43 N，所選電機的連續推力Fc=1 443 N，峰值推力Fp=2 500 N，滿足設計要求。

2.2.3 動力系統結構設計

機床動力系統如圖3所示。動力系統結構主要包括直線電機初、次級，導向機構，緩沖機構和模架等部件。直線電機初級安裝在機床床身上，由安裝座9及定位座6定位;直線電機次級下端與蝶形彈簧套在一起，彈簧由彈簧安裝座5及電機次級11共同定位安裝;緩沖機構下連模架1，模架最下端安裝沖頭構成機床的沖壓機構;導向機構由法蘭滑塊3和圓柱導軌2構成，對稱安裝在模架的兩端，對模架進行導向;導向機構安裝在床身上;電機初級配有冷卻回路，對電機進行冷卻，防止電機溫度過高;圓柱型導軌軸線與電機軸線在同一平面內。

圖3 動力系統結構

2.3 緩沖機構

機床在工作時，電機次級隨模架一起運動，次級的質量為11.5 kg，通過計算，次級在沖壓時會產生15 kN左右的力，如果模架與次級間無緩沖機構，次級在此作用力下將會產生很大的變形甚至破壞，故需設計緩沖機構減小此力對次級的影響。由于整機結構尺寸的限制，緩沖機構需具有吸收能量大、安裝空間小等特點，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、內徑36 mm的蝶形彈簧作為次級與模架之間的緩沖機構［10］。

3 ADAMS沖裁力模擬仿真

采用在UG中建立三維實體模型、然后導入ADAMS軟件分析的方法建立分析模型，導入模型后，先對各實體進行約束，即圓柱型導軌、彈簧安裝座及蝶形彈簧與模架間均添加固定副，電機次級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動副，即對兩圓柱型導軌添加移動副，結果如圖4所示。分析時，模架最底端與工件接觸，加載時需考慮電機次級的質量，故在電機次級上施加如下載荷函數: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)))，仿真時間 0.3 s，步長 3 000步，點擊開始按鈕對其進行運動仿真，利用ADAMS的后處理功能，得到如圖5所示的結果。可知:最大沖裁力為53 kN左右，滿足設計的要求。

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。對整個沖壓過程的模型進行簡化，即將模架的上表面進行零位移約束，在模架的下表面加載40 kN的靜力，模擬機床沖壓時的受力情況。將建立好的幾何模型導入HyperMesh中進行四面體網格劃分，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求解計算，剛度結果如圖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 床身約束模態分析

約束沖床床身底部所有自由度，對其進行約束模態分析，將建立好的有限元模型通過radioss求解計算，提取前6階模態振型，結果如表2所示。

表2 床身前6階約束模態

機床的沖壓頻率為200次/min，即3.3 Hz，遠小于床身的一階固有頻率125.7 Hz，滿足使用要求。

5 結論

(1)對比分析了傳統沖壓機床與直線電機驅動的沖壓機床的優劣，后者是高精度沖壓機床的發展趨勢;

(2)確定了直線電機驅動的沖壓機床的主要技術指標及整體布局方案;

(3)通過對比，確定將圓筒型直線電機作為沖床的動力源，并對機床的動力系統、緩沖機構等主要零部件做了設計;

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

(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，通過求解計算分析，結果滿足機床使用要求。

綜上所述，機床的各項參數均滿足設計指標要求。

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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

重慶市教委科學技術研究資助項目 (KJ130806)

羅靜 (1974—)，女，教授，研究方向為集成制造技術及裝備。E－mail:luojing@cqut.edu.cn。