同步連續(xù)線主驅(qū)動電機(jī)選型計算

劉林峰

高速連續(xù)自動化沖壓生產(chǎn)線由4～6 臺壓力機(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，在每一個沖壓周期內(nèi)離合器均保持閉合狀態(tài)，與高速自動送料系統(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，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)沖壓線由手動單動控制轉(zhuǎn)向連線斷續(xù)自動控制，進(jìn)而向同步連續(xù)自動化高速沖壓線方向發(fā)展。主驅(qū)動電機(jī)的制造技術(shù)及驅(qū)動控制系統(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)動機(jī)構(gòu)各不相同，所以主驅(qū)動電機(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 沖壓線的傳動機(jī)械與工藝參數(shù)

1.1 傳動機(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)動器和電機(jī)的負(fù)荷。目前，國內(nèi)普通機(jī)械壓力機(jī)自動化生產(chǎn)線一般按兩檔設(shè)計：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，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)自動取送料設(shè)備運(yùn)行時的相位差基本恒定，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，由此對主電機(jī)性能提出較高要求（見圖1）。

圖1 五臺壓力機(jī)傳動機(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)動電機(jī)的容量。為此，需要提供詳細(xì)的機(jī)械傳動參數(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)說明主電機(jī)設(shè)計選型驗(yàn)算方法（見表1、表2）。

表1 壓力機(jī)機(jī)械傳動參數(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)的同步控制通過主從同步控制方式實(shí)現(xiàn)，就是在整個控制中選擇一個軸為主軸，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（偏心軸上的編碼器）。根據(jù)需要可以從多臺壓力機(jī)中選擇一臺，或根據(jù)工藝需求任意設(shè)定，一般選擇第一臺壓力機(jī)的給定值為整線的工作速度，同時定為主軸，其他壓力機(jī)作為從軸，按照與第一臺壓力機(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非實(shí)際的編碼器位置信號作為基準(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)計算方法

計算方法要考慮實(shí)際應(yīng)用情況，對數(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)，而計算結(jié)果是該功率下無法滿足工藝要求（在某現(xiàn)場測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)本來進(jìn)行計算。

1） 首先，筆者給出電機(jī)相關(guān)參數(shù)（見表3）。

表3 電機(jī)參數(shù)表

2） 其次，計算沖壓時能量釋放的分配。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，需要計算沖壓時它們分別釋放的能量。

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

由動力學(xué)公式計算驗(yàn)證電機(jī)。

根據(jù)工藝參數(shù)表，同時考慮壓力機(jī)的機(jī)械效率，可以計算出沖壓時間及電機(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，由于沖壓時電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，其釋放能量相應(yīng)要減少一些，計算時可以乘以一個系數(shù)。

3） 由飛輪降速可以計算出電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

恢復(fù)時間非常重要，它決定著連續(xù)線的同步性能，計算時要按最大能量需求考慮，取決于自動化傳送設(shè)備所需最小安全取送料角度，對節(jié)拍有較大影響；如果恢復(fù)時間較短，最小取送料角度就可以選擇小些，否則取大些。同時，加減速動態(tài)轉(zhuǎn)矩Md設(shè)定過大，動態(tài)性能雖好，但長時間運(yùn)行下電機(jī)發(fā)熱效驗(yàn)不合格；設(shè)定過小，發(fā)熱效驗(yàn)合格，但動態(tài)性能差，加速時間長，無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，主傳動電機(jī)不僅在壓力機(jī)沖壓時出力并補(bǔ)充飛輪降速，主傳動電機(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，以及氣動平衡缸受速度、增壓比的影響，對多連桿壓力機(jī)來說，電流負(fù)載率的影響不能忽略。由于空載運(yùn)行階段電流會增加，計算時必須考慮。從現(xiàn)場經(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)算公式可簡化為：

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

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

由于2#～4#壓力機(jī)規(guī)格相同，本文只計算一臺主電機(jī)（見表4）。

表4 主電機(jī)計算結(jié)果

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

6） 現(xiàn)場測量結(jié)果表明，盡管與理論計算釋放能量相差較大，各壓力機(jī)的運(yùn)行動態(tài)特性與計算結(jié)果的基本趨勢相同（見圖2～圖4）。

圖2 1#壓力機(jī)在10 spm 下沖壓側(cè)圍時電機(jī)傳動實(shí)時運(yùn)行曲線

圖3 1#、2#壓力機(jī)在11 spm 下電機(jī)傳動實(shí)時運(yùn)行曲線

圖4 1#～3#壓力機(jī)在12 spm 下電機(jī)傳動實(shí)時運(yùn)行曲線

3 結(jié) 語

主驅(qū)動電機(jī)的容量選型關(guān)系到同步連續(xù)自動沖壓線的穩(wěn)定生產(chǎn)，而初步選型后通過可靠的計算方法校驗(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。通過計算，選擇最合適主驅(qū)動電機(jī)，為系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試提供理論依據(jù)，提高主傳動系統(tǒng)配置的合理性。按本文計算方法選型的主驅(qū)動電機(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。