1 引 言 新型电磁冲压机(直线电机冲床)是利用直线电机技术，直接将电能转换成机械力，实现冲头的往复运动。 但是，直线电机驱动冲压机在实际应用中也存在不少问题<2>，例如：①冲压机在随机触发（即初 始合闸角不定）时，瞬态冲击力时大时小，有时甚至相差几倍；②冲压机在导通时间太长时，电机 在产生有效的瞬态冲击力后，仍然处于导通状态，这时电机工作在堵转状态，电机中的电流有效值 迅速增加，导致电机温升过快，降低了电机的性能，而当时间太短时，冲压机的冲程很短，它所产 生的瞬态冲力就很小，有时甚至没有接触到模具，这样冲压机工作不正常。因此有必要开发直线电 机冲压机的辨识装置，寻找最大瞬态冲击力时的触发角和导通时间，并通过辨识分析实验获得系统的控制模型。2 辨识装置系统设计 2.1 辨识装置系统结构 直线电机驱动冲压机冲击力的辨识系统主要由三部分组成，即控制系统、直线电机驱动冲压机、测试分析 系统部分。其中，控制系统部分主要包括89C51单片机系统和放大驱动部分；测试分析系统主要 包括力传感器、
加速度传感器、电荷放大器、应变放大器、A/D采集卡、工控机和CRAS信号测试与分析系统。辨识装置系统结构图，如图1所示。89C51
单片机 控制系统 A A A V 电荷放大器 A/D采集卡 应 变 放大 器
力传感器 加速度传感器 工控机 CRAS信号 测试与 分析系统 图1 直线电机冲压机加速度、力测试原理图 2.2 控制系统软件设计 控制线路要求在软件上实现的功能有： ①对于每个输入的数据，能够判断是否在正确的范围内，并能提示给用户； ②把输入的频率转化为周期，并根据导通时间计算出直线电机断电时间，并判断它是否在正确的范围内； ③判断到初始合闸角上界与下界不等时，每次冲压时初始合闸角按递增值增加，当增加到上界时，再从下界开始； ④对于给定的合闸角能够精确到度； ⑤运行过程中，可由按键终止冲压机的工作。 程序流程图如图2所示，程序由变量初始化模块、键盘查询模块、主模块、软件陷阱模块组成<2>。 图2 控制系统程序流程图 1.3 控制系统硬件设计 控制线路的原理框图，如3所示。 取直线电机三相电压中的任一相（以A相为例）,先降压后经过比较器，把正弦波转化为方波，再通 过光耦，由模拟信号变为数字信号，送入单片机。单片机接收到工作信号后，开始检测输入电压的 上升沿零点，检测到零点后，过一段时间后发导通信号，经过光耦传给固态继电器，使直线电机开 始工作，导通信号的脉冲宽度由导通时间确定。导通时间一到，单片机发断电信号，断电后直线电机向下的推力消失，冲压机在弹簧作用下复位<2>。 图3 控制线路的原理框图 3 测试实验及结果分析 由于力传感器为自行设计的应变式、筒式力传感器，因此在测试前，先对力传感器进行静态和动态标 定，以10kN直线电机驱动冲压机为例，传感器的静、动态标定系数KF分别为0.07258 V/kN和0.07351V/kN，相对误差为1.3%，因此，可以认为，力传感器具有相同 的静动态输出特性。测试时，将力传感器固定在直线电机驱动冲压机的底座上，进行冲压，当力传 感器受到冲压机的瞬态冲击力作用后，立即产生一微弱的脉冲信号，该信号经过放大、转换、检测处理后，变成所需的瞬态力波形，该波形通过测试分析系统能直接观察到该瞬态力的大小。作为辅助数据，在压力机杆顶端安装了一只加速度传感器，利用瞬态力信号与加速度信号的对应关系 ，便可以很方便地将噪声信号与瞬态力信号区分开来。通过控制和改变冲击力的大小，即可测出不同冲击力时的冲击力和加速度信号，如图4（a）和图4（b）。通过测试实验，并从测试曲线图中可以看出： （1）该力传感器的瞬态响应特性很好；虽然冲击时间很短，但该测力装置可以准确地检测到冲击力； （2）灵敏度相当高，满足设计的需要；因为控制参数改变后，可以明显检测到冲击力的微弱变化； （3）对数据采集的实时性相当好；因为力和加速度信号Y N Y N Y N Y N 开始 变量初始化模块 键扫描 是否有按键 键处理 是否准备键 是否能运行 检测零点 初始触发角等待 直线电机按给定频率工作 运行时键盘模块 运行次数减1 是否为零 检查参数 参数赋值 键盘查询模块 主 模 块 变压器 比较器 光耦 测量系统 冲力信号 小键盘、LED、 显示器 固态继电器 光耦 单片机 的同步性很好； （4）系统对干扰信号的屏蔽相当好，因为检测到的信号比较清晰，基本不含干扰信号。此辨识装置结合单片机控制系统就可以将最大瞬态冲击力时的触发角和导通时间精确地通过实验获得。 图4 直线电机驱动冲压机冲击力及加速度测试曲线 4 结论与展望 直线电机的发展与应用必将导致机床结构和性能发生革命性的变化。但考虑到直线电机本身还有一些 问题没有得到很好解决，其设计模型、设计理论、制造工艺和控制等方面都还有待完善<3>，目 前的应用还只是限于旋转电机传动满足不了的高速高精加工机床上，而且还只是处于应用的初级阶 段。然而，随着新型磁性材料和电机专用冷却方法的出现，随着机床高速化、精密化的进一步发展，直线电机在机床上的应用必定会越来越广泛。本文开发的直线电机驱动的冲压机系统辨识装置能够较为精确地测量瞬态冲击力与电机触发角和导通 时间的关系，可以有效地完成直线电机驱动冲压机的系统辨识，对直线电机冲压机的优化设计和精密控制具有重要意义。相信直线电机冲压机的性能将越来越完善，应用范围将越来越广<4>。直线电机驱动冲压机的辨识装置设计@陈亚良$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
@梅德庆$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
@张春良$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
@陈子辰$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
直线电机;;电磁冲压机;;
系统辨识 在分析直线电机驱动冲压机的结构、工作机理、性能的基础上,设计了该冲压机的系统辨识装置, 可用于分析直线电机参数与瞬态冲击力之间的关系,从而为该直线电机冲压机的优化设计及控制提 供依据。<1>叶云岳,陈永校,卢琴芬.直线电动机驱动冲压机的研究与应用
.电工技术学报,1999,14(5).
<2>卢琴芬.新型冲压机用直线电机的优化设计、仿真与瞬态力的控制,.杭州:浙江大学,1998.
<3>YeY Y,ChenY X,YangX C.Research and application of the punching machine driven by linear induction motor .IEEJ,LDIA 98,Tokyo,1998.62～65.
<4>叶云岳.直线电机原理与应用,北京:机械工业出版社,2000.6.1郑孀呕 哺咚倩⒕芑慕徊椒⒄梗毕叩缁诨采系挠τ帽囟ɑ嵩嚼丛焦惴骸?本文开发的直线电 机驱动的冲压机系统辨识装置能够较为精确地测量瞬态冲击力与电机触发角和导通时间的关系，可 以有效地完成直线电机驱动冲压机的系统辨识，对直线电机冲压机的优化设计和精密控制具有重要意义。相信直线电机冲压机的性能将越来越完善，应用范围将越来越广<4>。直线电机驱动冲压机的辨识装置设计@陈亚良$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
@梅德庆$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
@张春良$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027
@陈子辰$浙江大学生产工程研究所!浙江杭州310027直线电机;;电磁冲压机;;系统辨识 在分析直线电机驱动冲压机的结构、工作机理、性能的基础上,设计了该冲压机的系统辨识装置, 可用于分析直线电机参数与瞬态冲击力之间的关系,从而为该直线电机冲压机的优化设计及控制提 供依据。<1>叶云岳,陈永校,卢琴芬.直线电动机驱动冲压机的研究与应用.电工技术学报,1999,14(5).
<2>卢琴芬.新型冲压机用直线电机的优化设计、仿真与瞬态力的控制,.杭州:浙江大学,1998.
<3>YeY Y,ChenY X,YangX C.Research and application of the punching machine driven by linear induction motor .IEEJ,LDIA 98,Tokyo,1998.62～65.
<4>叶云岳.直线电机原理与应用,北京:机械工业出版社,2000.6.1
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