同步連續線主驅動電機選型計算

劉林峰

高速連續自動化沖壓生產線由4～6 臺壓力機組成，各壓力機工作在連續模式下，偏心輪之間保持固定的相位角度差，在每一個沖壓周期內離合器均保持閉合狀態，與高速自動送料系統緊密配合，提高工作效率。和工作在斷續模式下的壓力機線相比，具有以下優點：

①工作節拍提高。

②提高離合器壽命。

③消除了離合器的接合耗能，節省能量。

④減少設備震動，提高整機安全及壽命。

與傳統的斷續模式下的沖壓線相比，同步壓力機線在電氣控制部分主要有以下特點：

①壓力機之間需要同步控制。

②離合器在連續模式運行下的安全防護要求較高。

隨著電氣控制技術的發展，傳統沖壓線由手動單動控制轉向連線斷續自動控制，進而向同步連續自動化高速沖壓線方向發展。主驅動電機的制造技術及驅動控制系統技術的進步使連線同步控制成為可能。由于各沖壓線的形式、驅動機構各不相同，所以主驅動電機的容量也必須與之適應，而初步選型后需要用成熟的方法驗算電機與壓力機的同步性能。

1 沖壓線的傳動機械與工藝參數

1.1 傳動機械與工藝參數

連續工作模式下沖壓工作能的提供方式與斷續工作模式不完全相同，需要核算不同模具（工作能） 在不同節拍下驅動器和電機的負荷。目前，國內普通機械壓力機自動化生產線一般按兩檔設計：即低速8～12 次/分（采用單臂機械手或機器人），高速10～15 次/分（采用雙臂機械手或高速單臂機械手）。斷續模式下壓力機在上死點停止，飛輪速度較高，沖壓時所需能量主要由機械飛輪提供，主電機負責給機械飛輪提供能量；而連續模式下運行的壓力機在上死點不停止，沖壓能量由機械飛輪提供外，主電機也提供一部分，同時，主電機還要確保將機械飛輪快速加速到初始速度，保證前后壓力機自動取送料設備運行時的相位差基本恒定，誤差控制在±5°范圍之內，保證連續沖壓傳送料可靠運行，由此對主電機性能提出較高要求（見圖1）。

圖1 五臺壓力機傳動機構網絡系統圖

為滿足生產工藝需求，需要核算主驅動電機的容量。為此，需要提供詳細的機械傳動參數及沖壓工藝參數，根據給定參數核算主電機是否滿足沖壓工藝需求。筆者以某汽車廠壓力機為例詳細說明主電機設計選型驗算方法（見表1、表2）。

表1 壓力機機械傳動參數表

表2 沖壓工藝參數表

1.2 同步原理和控制方式

壓力機的同步控制通過主從同步控制方式實現，就是在整個控制中選擇一個軸為主軸，設定給定值基準，其他軸都在該軸的基礎上設定相位角，協調整個沖壓線的運行。主軸有兩種選擇方式。

（1） 實軸控制方式

實軸控制方式就是選擇實際編碼器信號（偏心軸上的編碼器）。根據需要可以從多臺壓力機中選擇一臺，或根據工藝需求任意設定，一般選擇第一臺壓力機的給定值為整線的工作速度，同時定為主軸，其他壓力機作為從軸，按照與第一臺壓力機的固定相位角同步運行。

（2） 虛軸控制方式

虛軸控制方式就是選擇一個非實際的編碼器位置信號作為基準，而所有的實際軸都跟隨該基準運行，其它壓力機作為從軸按固定相位角設定曲線運行。

2 主電機計算方法

計算方法要考慮實際應用情況，對數據結果進行綜合分析，使得到的結果符合實際需求。常規上需要驗算電機啟動轉矩是否滿足要求，此為標準驗算，本文不做敘述。

按照表2 參數，通常電機選擇435 kW、190 kW 即可，但由于生產線要求低速8 spm 下連續生產，而計算結果是該功率下無法滿足工藝要求（在某現場測試此配置也不能滿足），所以需選較大的主電機。經多次核算，實際選擇485 kW、280 kW電機。筆者以485 kW、280 kW 電機為核算標本來進行計算。

1） 首先，筆者給出電機相關參數（見表3）。

表3 電機參數表

2） 其次，計算沖壓時能量釋放的分配。連續模式下沖壓頻次與壓力機運行節拍基本相等，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。

先計算電機釋放的能量。不同轉速下，相同時間里電機釋放的能量不同。

由動力學公式計算驗證電機。

根據工藝參數表，同時考慮壓力機的機械效率，可以計算出沖壓時間及電機釋放的能量。

除去電機釋放的能量，剩余的能量由飛輪提供。實際上，由于沖壓時電機轉速降低，其釋放能量相應要減少一些，計算時可以乘以一個系數。

3） 由飛輪降速可以計算出電機轉差率。

恢復時間非常重要，它決定著連續線的同步性能，計算時要按最大能量需求考慮，取決于自動化傳送設備所需最小安全取送料角度，對節拍有較大影響；如果恢復時間較短，最小取送料角度就可以選擇小些，否則取大些。同時，加減速動態轉矩Md設定過大，動態性能雖好，但長時間運行下電機發熱效驗不合格；設定過小，發熱效驗合格，但動態性能差，加速時間長，無法滿足沖壓線同步性要求。

5） 電機發熱效驗。在同步運行中，主傳動電機不僅在壓力機沖壓時出力并補充飛輪降速，主傳動電機每周期都處于加速、減速、穩定運行狀態，為充分利用電機性能，電機不宜選擇過大，需要控制電機發熱，即電流負載率要低于100%。實際上，由于機械機構不同，以及氣動平衡缸受速度、增壓比的影響，對多連桿壓力機來說，電流負載率的影響不能忽略。由于空載運行階段電流會增加，計算時必須考慮。從現場經驗數據分析，一般取＜95%以滿足要求。鑒于主電機采用強制風冷方式，電機發熱等效電流驗算公式可簡化為：

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

只當Irms小于電機額定電流IN時，發熱校驗才可以通過。

由于2#～4#壓力機規格相同，本文只計算一臺主電機（見表4）。

表4 主電機計算結果

從計算結果看，轉差率、恢復角度、負載率均滿足設計要求。

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

圖2 1#壓力機在10 spm 下沖壓側圍時電機傳動實時運行曲線

圖3 1#、2#壓力機在11 spm 下電機傳動實時運行曲線

圖4 1#～3#壓力機在12 spm 下電機傳動實時運行曲線

3 結 語

主驅動電機的容量選型關系到同步連續自動沖壓線的穩定生產，而初步選型后通過可靠的計算方法校驗主電機與壓力機的同步性能，可以更好地滿足工藝需求。通過計算，選擇最合適主驅動電機，為系統參數調試提供理論依據，提高主傳動系統配置的合理性。按本文計算方法選型的主驅動電機已得到成功應用，效果良好。沖壓線實際運行中，受模具及傳送料設備的制約，高速運行下實際能量需求低于理論值。