直线电机主传动系统在多工位深拉伸智能成型机上的应用

多工位深拉伸智能成型机是一种连续高效的冲裁压力装置，通过多工位送料机构(机械手)可将工件从一个模具上成型后自动传送到另一个模具，整套加工工序均可在一台机器上一次性完成，实现深拉伸五金件的全自动生产，包括落料、冲孔、冲槽、拉延、最终成形等，具有自动化程度高、生产效率高、操作安全、生产周期短、综合成本低等优点。

其主要用来加工成形形状复杂、长径比大的金属壳体，如：化妆品及医药行业的包装罐，制笔行业的笔杆笔帽，灯具行业的灯头、灯座，轴承行业的保持架和滚针轴承外圈，碱锰和镍氢镍镉电池的钢壳，微型电机外壳，制锁行业的门把手等，应用前景日益显现。

多工位深拉伸智能成型机的核心部件是其主传动系统，主传动系统是指从电机开始到冲压头的一系列传递机构的总和。主传动系统的性能好坏直接决定了最终产品的质量好坏。

传统压力机主传动系统

目前传统的压力机机机身为开式双柱结构，采用曲柄连杆机构作为主传动机构。这种主传动机构存在传动不平稳，冲压行程两头冲击较大的问题。最新的主传动机构有凸轮传动机构和多连杆主传动机构。

凸轮驱动的主传动机构，其滑块在上下死点各有60°的停留区间，有利于稳定拉延件的精度，也可以利用这一停歇时间进行横向冲孔、插人锁子和铆接等复合加工。凸轮采用修正的正弦加速度曲线，使滑块运动加速度连续变化，从而降低惯性力的作用。与曲柄连杆机构的正弦曲线运动和加速度不连续的变化相比，采用凸轮驱动要具有更多的优越性。

采用可变速的多连杆机构传动，替代原来的曲柄连杆机构，这种主传动形式在拉伸工位上具有明显的优势，可以在一次工作循环中快速下降、低速成型、并以更快的速度返回至上死点。这样可以降低模具与工件的接触速度，从而提高拉伸质量和延长模具寿命，但不降低生产率。采用这种变速传动，可以高质量的进行大深度的拉伸作业。

虽然出现改进型的主传动系统，在一定程度上提高了产品的性能，但是其都是有中间传递机构，不可避免的具有较大的惯量，难以做到精密冲压。而多工位智能成型机是高速高效的自动化生产设备，需要生产形状复杂、长径比大的零件，因此能够精密冲压，对于多工位智能成型机具有重要的意义。

用于多工位智能成型机的新型主传动系统

概述

传统的压力机在工作时，其原始动力来自于旋转电机，然后经过主传动系统后才能输出最终的往复冲压动作。主传动系统较为复杂，包括齿轮齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节。在这些环节中不可避免地产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然经过不断地改进已使传动性能得到很大的提高，但并没有从根本上解决问题。

随着电机及其驱动技术的发展，出现了“直接驱动”的概念，即取消从电机到工作部件之间一切中间环节，由电机直接驱动工作部件动作，实现“零传动”。作为直接驱动中的关键部件，直线电机因其动态响应快、定位精度高等一系列优点正越来越受到人们的关注。直线电机及其驱动控制技术在压力机上的应用，使传统机床的结构出现了重大变化，并将使机床性能发生质的飞跃。

直线电机的原理

直线电机可以看成是把一台旋转电机沿径向剖开、并展成平面而成，如图2所示。

由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧成为次级。初级由三相绕组组成，其中通入三相对称正弦电流后会产生气隙磁场。该气隙磁场的分布情况和旋转电机类似，其展开的直线方向是正弦分布的。当通人随时间变化的三相电流时，气隙磁场将沿直线移动。对于直线异步电机，其次级一般由整块金属板或者复合金属板组成，其在气隙磁场的切割下将感应电动势并产生电流，感应电流和气隙磁场相互作用产生电磁推力。对于直线同步电机，其次级由永磁体或电励磁绕组组成，次级产生的磁场和气隙磁场相互作用产生电磁推力。

在实际应用时，可以根据工程要求将电机设计成短初级、长次级，或者长初级、短次级。在冲压设备中，需要采用直线异步电机，由于没有中间传递机构，冲压力是直接传递给电机本体的，因此如果采用永磁电机的话，冲击会造成永磁体的失效。由于次级没有电缆相连，因此作为动子和负载直接相连，初级作为定子。

直线电机特点

(1)响应速度快。用直线电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯性和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反转运行。直线电机加减速度最高可以达到10 g，从而实现起动时瞬间达到高速，而在高速运行时又能瞬间准停，这对于压力机等要求瞬间力的进给非常有利。而目前传统的加工机床所能达到的最大加减速度为1g，在复杂的加工领域或者对有特殊要求的工件进行加工时显得无能为力。直线电机在压力机上应用后，可以明显提高加工效率。

(2)进给速度范围宽，可实现从1 m/s200m/min以上的进给速度范围。目前直线电机驱动机床的快进速度已达208 m/min，而传统机床快进速度小于60m/min，一般为20m/min～30m/min。

(3)定位精度高。由于采用直接驱动技术，整个系统为全闭环控制，控制精度仅仅取决于位置反馈和控制策略所能保证的精度，而不受中间传动机构精度的影响。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特陛好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。大多数直线电机产品的定位精度能够做到几微米，这个定位精度是传统旋转电机系统所不能达到的。所以，采用直线电机后压力机可以实现精密冲压。

(4)装配灵活，行程长度不受限制。对于短初级、长次级的直线电机，通过在导轨上串联定子模块，可以无限延长动子的行程长度。

(5)传动效率高，维护成本低。由于取消了中间传动环节，大幅度减少了机械摩擦、运动噪声和由此引起的能量损耗，同时也使得系统的维护成本大幅减少，甚至能够实现“零维护”。

直线电机在多工位智能成型机上的应用

对于直线电机在压力机驱动系统中的研究，代表性的产品有日本AIDA公司开发的采用直线电动机直接驱动的小型精密零件加工用LSF型新型成型压力机。该成型机采用日本FANUC公司制造的直线电机，最大加压压力为419 kN，减速器无磨损和粉尘，不需要机械限位装置。对电机的控制采用计算机数字控制(CNC)和采用直线电机直接驱动。在滑座的近处装有光栅尺。整个系统为全闭环控制，系统分辨率达到0．1 m。

直线电机减速时所产生的电能可以回归到电源。该压力机最高速度为2 m／s，行程次数为每分钟120次(行程为20mm)。另外，El本山田DOBBY公司和FANUC公司也合作完成了高精度直线驱动压力机。该机床在实际加工时，死点精度可控制在5 m之内。该压力机可以进行金属冲压、弯曲，以及组合和螺纹加工等高附加值加工。直线电机压力机结构如图3所示。

把基于直线电机的主传动机构应用于多工位智能成型机上，其结构如图4所示。