數(shù)控沖床靜音沖裁工藝的研究與實現(xiàn)*

孫 學(xué)，舒志兵*，張志遠(yuǎn)

(1.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.路斯特運動控制技術(shù)(上海)有限公司，上海 201208)

0 引 言

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床集機、電、液、氣一體，適用于對大型金屬板材進(jìn)行各種復(fù)雜沖孔、剪切、折壓成型，主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床自動化程度高、生產(chǎn)成本低、工作效率高。

但由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床工作過程中的振動與噪聲過大，不符合環(huán)保方面的要求[1]。同時，沖床的振動與噪聲還容易損壞設(shè)備和模具[2]，降低零部件生產(chǎn)的效率、質(zhì)量。

一般情況下，沖床的振動和噪聲通常是通過機床整體澆筑來解決，但面對不斷發(fā)展的沖壓工藝和復(fù)雜的床身設(shè)計，整體澆筑的難度越來越大，成本越來越高。因此，研究靜音沖裁工藝具有重要意義[3]。胡金龍等[4]運用數(shù)值仿真方法對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行了動力學(xué)分析，并提出了彈簧參數(shù)優(yōu)選和靜音沖裁模式來減振降噪的方法；韋源源等[5]建立了動態(tài)靜力學(xué)仿真模型，利用模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學(xué)，對床身強度、剛度進(jìn)行了分析，運用振動分析理論進(jìn)行了控制分析；陳敢等[6]對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身振動與噪聲間頻域與時域上的關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了在床身內(nèi)部引入吸振結(jié)構(gòu)，通過促進(jìn)振動衰減來抑制床身的振動與噪聲。

本研究將對沖裁工藝進(jìn)行運動學(xué)分析，對轉(zhuǎn)塔沖床沖頭的沖裁速度與沖裁行程進(jìn)行運動控制設(shè)計。

1 沖裁工藝與降噪方案

曲柄連桿式結(jié)構(gòu)是目前數(shù)控沖床的常用主軸傳動結(jié)構(gòu)[7]。曲柄連桿式結(jié)構(gòu)中主軸電機驅(qū)動曲軸進(jìn)行雙擺運動，連桿隨著曲軸做上下運動，帶動滑塊實現(xiàn)往復(fù)沖壓運動。

沖裁過程會產(chǎn)生峰值可達(dá)到110 dB～140 dB的噪音，這些噪聲由于滑塊慣性運動、模具與板料撞擊產(chǎn)生，會引起沖床機身和加工板材的振動產(chǎn)生，造成噪聲污染和模具磨損[8]。

傳統(tǒng)沖床通常采用機械手段來降低噪聲，主要形式有：

(1)使用雙斜沖模具降低沖裁力；

(2)利用緩沖減震裝置；

(3)使用阻尼材料覆蓋車床表面等。這些手段成本高，且降噪效果一般。

當(dāng)沖頭接觸板料和裁剪板料接近斷裂瞬間，沖裁力達(dá)到最大，板材與床身在短時間失荷，積蓄的彈性勢能會在極短時間內(nèi)全部釋放出來，激起機身和板料的振動，從而產(chǎn)生噪聲。本文針對該過程，設(shè)計沖頭滑塊運動曲線，進(jìn)行相應(yīng)PLC編程和測試，通過控制沖頭的沖裁速度和位置來有效降低噪聲[9]。

2 沖裁工藝運動學(xué)分析

2.1 沖裁過程分析

普通沖裁包括彈性變形、塑性變形和斷裂分離3個階段：

(1)彈性變形階段，模具與板料發(fā)生接觸，在模具的壓力下，使板料產(chǎn)生彈性壓縮和彎曲；

(2)塑性變形階段，隨著模具擠入板材，壓力增加，板內(nèi)應(yīng)力從屈服點值達(dá)到極限值，板料出現(xiàn)微裂紋；

(3)斷裂分離階段，模具擠壓板材，使其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，直至板料上下裂紋相遇重合，板材拉斷分離。

為了減小沖裁運動產(chǎn)生的振動和噪聲，本文對沖裁運動結(jié)合連桿進(jìn)行分析[10]。

連桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 連桿結(jié)構(gòu)

本文利用壓力傳感器測得的沖裁力與滑塊行程曲線如圖2所示。

圖2 沖裁力-行程關(guān)系曲線圖

圖2中，曲軸ON以角速度ω做旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)轉(zhuǎn)角α、β最大時，滑塊模具位于上死點；α、β逐漸減小，到達(dá)AB段，滑塊推動模具與板料接觸，擠壓板料使其變形；當(dāng)模具切入板料的1/3～1/2時，沖裁力達(dá)到最大，即C點板料斷裂；隨后慣性力將材料推出模具，直到α、β為0時，滑塊模具到達(dá)下死點；隨后α、β反向增大，滑塊模具回到上死點。

2.2 連桿結(jié)構(gòu)運動學(xué)分析

假設(shè)曲軸半徑為ON=x，連桿NM=y，滑塊的位移為Sm，根據(jù)曲軸連桿的機械結(jié)構(gòu)可得：

Sm=(x-xcosα)+(y-ycosβ)

(1)

根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得：

(2)

(3)

(4)

(5)

因為μ<0.3，對上述公式根號部分應(yīng)用泰勒級數(shù)展開，可得：

(6)

則有：

(7)

滑塊M的速度Vm、加速度Am為：

(8)

(9)

(10)

Am=xω2(cosα+μcos2α)

(11)

伺服電機與曲軸直接連接，所以通過控制伺服電機的速度，即可控制滑塊的速度與加速度，進(jìn)而控制滑塊的位置。

3 靜音沖裁工藝的實現(xiàn)

3.1 靜音沖裁運動規(guī)劃

結(jié)合以上分析，根據(jù)經(jīng)驗和實際測量，本文通過降低沖裁速度，延長沖裁力作用時間，來緩和形變能的釋放，從而降低噪聲。

一般沖裁時設(shè)計的靜音沖裁位置-時間關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 一般位置-時間關(guān)系曲線圖

圖3中，沖裁過程中的沖裁效果比較差。為了減速沖裁，同時又保證整個沖裁的效率，本文設(shè)計一個預(yù)沖壓點，以減少模具接近板料的行程。

整個沖裁過程分為4個階段，改進(jìn)后的位置-時間關(guān)系曲線圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)位置-時間關(guān)系曲線圖

圖4中：

第1階段，預(yù)沖點POS2到板面接觸點POS3,模具加速接近板料；

第2階段，POS3到板料斷裂脫離點POS4，減速沖裁；

第3階段，POS4到下死點POS5，沖頭加速退出沖裁；

第4階段，POS5到POS2，沖頭快速回到預(yù)充點。

3.2 靜音沖裁程序設(shè)計

整體伺服控制系統(tǒng)基于路斯特公司的SystemOne CM系統(tǒng)搭建，以MotionOne運動控制器為控制核心，結(jié)合ServoOne伺服驅(qū)動器，并通過多圈絕對值編碼器，來實時反饋速度、位置信號，形成高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)。Codesys是一款基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的功能強大的PLC軟件，本文通過其進(jìn)行靜音沖壓的功能塊編寫和測試。

根據(jù)沖裁運動規(guī)劃，本文設(shè)定沖壓觸發(fā)信號、沖壓速度轉(zhuǎn)換點位置信號、沖壓速度和加速度信號等相關(guān)參數(shù)。程序設(shè)計中，首先進(jìn)行設(shè)備運行狀態(tài)自檢，讀取電機實際位置和實際速度，初始化用戶參數(shù)，運行到預(yù)壓點，調(diào)用靜音運行模式，根據(jù)用戶參數(shù)進(jìn)行沖壓，并進(jìn)行循環(huán)，直至收到停止信號。

3.3 靜音沖裁測試

本文通過金方圓公司提供的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床試驗機床進(jìn)行測試。

本研究設(shè)置沖程為6 mm，25 mm步距，預(yù)壓點為125°，下死點155，最高速為170 r/min，板面接觸點POS3速度為 100 r/min，對2 mm后的薄板進(jìn)行靜音沖裁，通過調(diào)試軟件抓取實際速度與實際行程，如圖5所示。

圖5 靜音沖裁實際速度與行程曲線

由圖5可知：速度變換平緩，柔性化度好，沖壓行程變化與上文所提運動規(guī)劃設(shè)計基本一致，沖壓穩(wěn)定。

通過改變預(yù)壓點改變沖壓行程，并利用分貝儀測得使用靜音沖裁功能前后，機床在不同沖程下的機床周邊噪聲。

沖程與噪聲強度曲線如圖6所示。

圖6 沖程與噪聲強度曲線

由圖6可知：

沖裁行程變大，沖裁效率滿足要求，沖裁速度提高，噪聲相應(yīng)有所提高，但相差不大；采用靜音沖裁功能后，噪聲顯著降低。

4 結(jié)束語

為了降低數(shù)控沖床沖裁時的噪音，實現(xiàn)靜音沖裁，本文對沖裁工藝進(jìn)行了研究，對沖裁工藝、沖裁過程和連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)分析，改進(jìn)了靜音沖裁運動規(guī)劃，進(jìn)行了程序設(shè)計，最后分別對兩種方案進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

測試結(jié)果表明：改進(jìn)后的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床噪聲明顯降低，沖頭工作穩(wěn)定，沖裁效果滿足系統(tǒng)精度要求，實現(xiàn)了靜音沖裁工藝。