H20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)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(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

1 引言

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

1988年國內(nèi)研制出第一臺機械式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，1997年國內(nèi)開始生產(chǎn)液壓式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，2005年揚力研發(fā)出國內(nèi)第一臺全電伺服轉(zhuǎn)塔沖床，發(fā)展到現(xiàn)在，該種沖床已成為一種技術(shù)成熟、性能可靠的鈑金加工設(shè)備。伺服控轉(zhuǎn)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(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展趨勢之一。

H20型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，拖板上的齒條與齒輪嚙合，帶動拖板、夾鉗運動，從而實現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)前后移動、定位沖孔，具有機械結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，定位快等特點。其沖頭部分采用全電伺服主傳動結(jié)構(gòu)，機床采用低速大扭矩伺服電機驅(qū)動沖頭動作，數(shù)控系統(tǒng)給伺服驅(qū)動器發(fā)出沖壓信號，伺服電機在驅(qū)動器的控制下完成沖壓動作并發(fā)出沖壓完成信號。H20型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 H20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床基本參數(shù)

當(dāng)前，伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床發(fā)展的一大瓶頸是其噪聲問題，這也是目前國內(nèi)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(dāng)前國內(nèi)的主流伺服沖其主軸部分多為曲柄連桿式結(jié)構(gòu)，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(yīng)的滑塊做往復(fù)沖壓運動。

2.2 沖壓時沖頭噪聲產(chǎn)生機理

沖頭模具沖制板材會產(chǎn)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(gòu)件的變形而積蓄了彈性能。當(dāng)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(nèi)釋放出來，將激起機身及各部件的振動，使部件間產(chǎn)生沖擊。與此同時，滑塊以相當(dāng)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(fā)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(gòu)件振動的沖裁力—時間歷程有關(guān)。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(shù)控轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的噪聲；二是主軸沖頭從接觸板材到?jīng)_穿板材時產(chǎn)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(tǒng)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(jié)合液壓系統(tǒng)的工作原理可看出，HKL液壓控制系統(tǒng)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(yù)壓點。HKL液壓系統(tǒng)是通過判斷沖頭移動的速度，通過控制卡內(nèi)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(tǒng)沖壓示意圖

圖4 為伺服主傳動系統(tǒng)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?jīng)_壓示意圖

從圖示結(jié)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(yù)壓點。靠近板材圓圈里的轉(zhuǎn)折點是需要設(shè)定的速度轉(zhuǎn)換點，速度轉(zhuǎn)換點下面的速度曲線（黑線）的斜率是需要設(shè)定的轉(zhuǎn)換點速度。沖頭運行到轉(zhuǎn)換點的速度是實際設(shè)定的速度，從快到慢的減速過程在轉(zhuǎn)換點之前出現(xiàn)，而非轉(zhuǎn)換點之后，這樣使得速度轉(zhuǎn)換點的設(shè)定更加清晰可控，直觀、方便調(diào)試。有一些主軸的工作原理是沖頭到達速度轉(zhuǎn)換點之后再減速，因為整個減速需要的時間隨著轉(zhuǎn)換點速度的改變而改變，這樣就增加了調(diào)試速度轉(zhuǎn)換點的難度，只能通過多次調(diào)試后的噪聲比較來確定轉(zhuǎn)換點位置的最佳設(shè)定值。

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

表2 噪音測試1

表3 噪音測試2

從上述的測試數(shù)據(jù)可以得出：速度轉(zhuǎn)換點的設(shè)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(chǎn)生的噪聲，而且撞擊板材的速度越慢，產(chǎn)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(shù)控轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(guān)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(xiàn)場可聽到有接觸到板材的聲音和沖穿的聲音，有連聲現(xiàn)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(zhuǎn)換點速度設(shè)定在50位置。其他板厚根據(jù)實際測試擇優(yōu)設(shè)定。

2.2.3 靜音功能在機床上的實現(xiàn)

主軸驅(qū)動上可使用IO控制設(shè)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(guān)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(shè)定不同板厚的板材（1，2，3，4mm）的速度轉(zhuǎn)換點和轉(zhuǎn)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(shù)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(jīng)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(jié)語

本文對H20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作了簡要介紹，對伺服轉(zhuǎn)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

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