（材料加工工程专业论文）伺服驱动曲柄压力机机电系统动态分析及实验研究.pdf

摘要 制潮娥是社会物质文明发展的基础，并直接影响到国民经济的发展。成形机 缓是攒遭受的重要的装备之一，它也是信息产品、电器机械、汽车、仪器等行业 中攮主要的装备。基于交流伺服电机的数字化重载机械驱动技术，是高新技术 ，( 信息技术、自动控制、现代电工、新材料等) 与传统的机械技术的结合。它可 替代液压伺服系统，兼有机械传动和液压伺服的优点，将其作为机械压力机主传 动，可以大大提高压力机的性能、可靠性和智能化水平。 本论文简要地叙述了当前伺服压力机领域的技术和进展情况，同时对伺服电 机直接驱动压力机的可行性进行了分析，确定了在当前技术及经济条件下所采取 的研究方案；根据设计方案及性能要求，制定了结构方案，并对伺服驱动压力机 进行了结构及理论分析，在此基础上建立了整个机电系统的数学模型；并依此建 立了基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真模型，并根据样机实验参数进行了仿真 实验；本文的样机实验部分详细阐述了实验的方案及过程。由仿真实验结果及样 机实验结果表明： 1 仿真实验所得电机运行特性、电机转速、相电流、滑块位移和速度曲线 合乎理论和实践，所建立的仿真模型是准确有效的。 2 本课题所研究的伺服曲柄压力机可以实现滑块任意工作曲线，同时可以 实现任意工作特性下的冲裁和拉深工作，压力机运行平稳。 3 针对曲柄压力机研制的永磁无刷商流电动机驱动控制系统可行，电机的 力能指标能满足压力机冲击性负载的要求。 4 证实电容器可以起到两方面的作用，第是充当“电子飞轮”，在工作过 程中起到能量补偿和能量回收的作用；第二是在受到峰值负荷时减小对电网的冲 击的作用。 本文所建立的伺服曲柄压力机数值仿真方法，可方便地预测各种输入参数下 的系统工作特性和电气特性，为系统参数的优化和工作性能的评估提供了一个有 力的工具。 关键词成形；设备；压力机；交流伺服；直流无刷电动机；数值仿真 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi st h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n to np h y s i c a lc i v i l i z a t i o ni nt h e s o c i e t y , w h i c hd i r e c t l ye f f e c t st h ep r o g r e s so f t h en a t i o n a le c o n o m y w h i l e ，脚f o r m i n g m a c h i n e sa r eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n te q u i p m e n t si nm a n u f a c t u r i n ga n da l 醅, a r et h e m a i n e q u i p m e n t si ns o m eo t h e ri n d u s t r i e s ，s u c ha si n f o r m a t i o n , e l e c t r i c i t y , m e c h 棚a y , a u t o m o b i l e ，i n s t r u m e n t ，a n ds oo n b a s e do na cs e r v o m o t o r s ，n c h e a v yd u t y m e c h a n i c a l d r i v i n g i sac o m b i n a t i o no fn e wa n d h i g ht e c h n o l o g y ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，a u t oc o n t r o l ，m o d e me l e c t r o t e c h n i c s ，n e wm a t e r i a l ，e r e ) a n dt r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lt e c h n o l o g y , u s e da sm a i nd r i v i n gi nf o r m i n ge q u i p m e n t ，i tc a nr e p l a c e s e r v oh y d r a u l i cs y s t e m sw i t ht h ea d v a n t a g e so fb o t hs e r v eh y d r a u l i ca n dm e c h a n i c a l s y s t e m s ，i m p r o v i n ge q u i p m e n ti n t e l l i g e n tl e v e l ，r e l i a b i l i t ya n dw o r k i n gp e r f o r m a n c e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h es e r v o p r e s s e sa tp r e s e n ti nb r i e f t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sk i n do f p r e s s e si sa n a l y z e d ，a n da l s ot h er e s e a r c ha p p r o a c h e s a d o p t e du n d e rp r e s e n tt e c h n i c a la n de c o n o m i cc o n d i t i o ni sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt o t h ed e s i g np l a na n dt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，s t r u c t u r es c h e m ei s e s t a b l i s h e d f u r t h e rm o r e ，m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ew h o l ee l e c l r o m e c h a n i c a ls y s t e mi ss e t u pb y s t r u c t u r ea n d t h e o r ya n a l y s e st ot h es e i v od r i v e np r e s s w i t ht h em a t h e m a t i cm o d e l ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ei ss e tu pa n dt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h es e r v od r i v e nt e s tp r e s s t h es c h e m ea n d p r o c e d u r eo f t h ee x p e r i m e n t s a r e e x p a t i a t e di nt h ee x p e r i m e n t a lp a r ti n t h i sp a p e r t h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n ta r ei n d i c a t e da sf o l l o w e d ： 1 t h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，r o t a t es p e e d ，p h a s e c u r r e n tc u r v e so ft h e s e r v o m o t o ra n dt h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t yc u r v e so ft h es l i d ef r o mt h es i m u l a t i o na r e c o n f o r m e dw i t ht h et h e o r ya n d p r a c t i c e ，t h es i m u l a t i o nm o d e l i sa c c u r a t ea n de f f e c t i v e 2 t h es e r v od r i v e np r e s sc a nr e a l i z et h ea n y o p e r a t i o nc u r v e so f t h es l i d e ，a tt h e s a m et i m e ，i tc a nw e l lc o m p l e t et h eo p e r a t i o no f b l a n k i n ga n dd e e pd r a w i n gu n d e r v a r i o u so p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g t h i sc o u r s e ，t h ep r e s sw o r k s s t e a d i l y 3 t h es e r v od r i v e ns y s t e mo fr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e td cm o t o r ( b l d c m ) d e v e l o p e d f o rt h es e r v ep r e s si sf e a s i b l ea n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h em o t o rc a nm e e tt h e i i d e m a n do f t h es t r i k el o a d i n g 4 i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ec a p a c i t o rf u n c t i o n e di nt w ow a y s ；w o r k i n ga s e l e c t r i c f l y w h e e l t o s a v ea n dd i s c h a r g ee n e r g y , a n dt or e d u c et h ei m p a c tt oe l e c 仃oc i r c u i t w h e ns u f f e r e d p e a l 【l o a d i n g t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es c r v od r i v e nc r a n kp r e s sc a ne a s i l yf o r e c a s tt h e o p e r a t i o n a la n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e mu n d e rv a r i o u si n p u tp a r a m e t e r s ， w h i c hc a nb eo f f e r e df o rt h eo p t i m i z a t i o na n de v a l u a t i o no f t h es y s t e m p a r a m e t e r s k e y w o r d sf i r m i n g ，e q u i p m e n t ，p r e s s ，a cs e r v o ，b r u s h l e s sd cm o t o r , n u m e r i c a l s i m u l a t i 0 1 1 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源、背景及研究意义 本课题来源于由广东工业大学和广东锻压机床厂有限公司联合承担的广东省 计委科技攻关项目数字机械驱动技术，目的是根据伺服曲柄压力机机电系统 结构及参数建立机电系统动态模型，在此基础上进行压力机工作过程的仿真研 究，为压力机机电系统设计提供参考。 1 1 1 伺服驱动曲柄压力机开发的目的和意义 制造业是社会物质文明发展的基础，并直接影响到国民经济的发展。成形机 械是制造业的重要的装备之一，它也是信息产品、电器机械、汽车、仪器等行业 中最主要的工艺装备之一。按传动方式，成形机械分为机械压力机和液压机两大 类。机械压力机具有结构简单、生产率高等优点，应用最为广泛。但其行程固 定，压力不易控制，尤其是滑块运动特性固定，不能改变，对工艺的适应性很 差。在一些工艺有较高要求的场合，则需使用液压机或特殊的机械压力机。 液压机有工作i 半稳、行程、压力可调等优点，而其生产率相对较低。尤其是 在高性能的液压系统中，常采用液压伺服驱动技术，如数控折弯机、数控回转头 压力机、注塑机、压铸机等。与机械传动相比，这种系统有许多优点，但也存在 不少缺点，主要是： ( 1 ) 能耗大，效率低。例如仅伺服阀在调速时就消耗了所控液压能量的 2 3 以上，加上其它控制元件，大量能量变为热能使油温升高，还要再用水来冷 却： ( 2 ) 可靠性差，故障率高。这主要是伺服系统对温度和油液的污染十分敏 感以及控制元件多、控制系统复杂所致。 ( 3 ) 油液泄漏易造成环境污染，引发火灾； ( 4 ) 控制系统复杂，机构庞大，等等。 本项目研究基于交流伺服电机的数字化重载机械驱动技术，将其作为机械压 力机主传动，这将是成形装备的一个重大突破。它是高新技术( 信息技术、自动 控制、现代电工、新材料等) 与传统的机械技术的结合。它不但可保留目前机械 j 东l 业大学工学硕十学位论义 压力机生产率高、操作简单的优点，而且可进一步简化压力机结构，克服存在的 主要缺点，滑块特性可变，速度、力量可控。大大提高压力机的性能、可靠性和 智能化水平，降低能耗，减轻重量。可以毫不夸张地说，这一技术的成功应用， 将会使具有百年历史的机械压力机发生革命性的变化。 t 1 2 伺服曲柄压力机机电系统动态分析的目的、意义 1 根据伺服曲柄压力机机电系统结构及参数建立机电系统动态模型，并对 机电系统进行数值仿真，以预知电机的动态行为，并为机电参数优化设计方案提 供依据。 系统仿真的作用在于： ( 1 ) 对尚未建立起来的系统进行方案论证及可行性分析； ( 2 ) 在系统的设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型， 进行模型简化及验证，并进行优化设计： ( 3 ) 在系统建成之后，可以利用仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改 进系统的最佳途径，找出最用的控制策略 1 。 对于本课题，机电系统的数值仿真可以直观的预测到电机输入参数的动态变 化情况及电机运行的稳定性，通过与实验数据作对比，可以优化机电系统运行参 数。 2 根据压力机滑块运动特性及负荷情况，求得电机同步输入动态参数变化 情况，为多种冲压工艺的实现提供依据。 在金属成形加工领域中，曲柄压力机得到了广泛的应用，但其冲压运动特 性固定被认为是其工作行程限制因素中最重要的一个因素。不同的加工工艺对 零件变形过程中速度的变化特性提出了各种不同的要求，为了满足这些要求， 传统方法多采用多连杆、非圆齿轮等机构形式，使曲柄压力机以最佳的性能适 应具体工艺用途。然而，在这种机构形式中，驱动曲柄的角速度为一个常量， 输出杆以不变的转速被驱动，输出杆的运动特征决定于机构的各项参数，这种 恒速电机驱动的多连杆机构始终受到机器结构的限制。一般同一种机构形式无 法满足多种冲压工艺对滑块运动速度的要求 2 。 由于伺服电机的转速具有良好的可控性，因而可以通过伺服电机驱动冲压机 构，以便于可以独立的控制滑块的位置和速度，这样可以通过一种连杆机构实现 第1 章绪论 多种工艺。对运动机构和电机进行的动态分析可以得到任意工艺喵线下的机电动 态参数变化情况，这可以为多种冲压工艺的实现提供电机动态输入方面的依据。 1 2 国内外相关课题研究现状及分析 1 。2 1 伺服电机用于压力机的研究 长期以来，电机调速和控制主要依赖童流电机，囿于价格高和结构复杂，同 时存在着价格昂贵和炭刷磨损两大致命弱点，只有轧钢机一类的少数要求较高的 设备才采用调速；一般成型设备的控制则比较简单，均采用普通交流异步电机， 速度、压力等参数不能动态调节【3 l 。与液压系统相比，机械传动的成型装备最大 的问题是其运动参数固定，调节困难。多年来，人们一直希望能增加机械成形装 备的柔性，使设备的工艺参数能得到方便的调节，以便实现工艺参数优化、提高 工作性能。 1 9 8 3 年日本和美国分别发明了稀土制作的强永磁合金，经过三代发展，现 已成为性能最好的永磁材料，其磁能积高出铁氧体一个数量极以上。用这种强磁 台金制造的电机体积小、重量轻、出力大，效率高，动作快；又由于控制技术的 发展，9 0 年代变频技术得到了迅速推广应用，技术不断更新，成本不断下降。 在此基础上，八十年代末、九十年代初，交流无刷同步电机在国内外得到普遍萤 视，并开始在工业装备中应用，全电动注塑机的开发就是一个典型的例子。日本 日精公司在8 3 年开发了首台全电动注塑机，发展为e s 系列产品，较传统液压 式注塑机节能2 5 6 0 ，1 9 9 7 年推向市场，1 9 9 8 年获日本年度优秀产品奖。 日本及美国在9 0 年代初开始进行大交负荷重载机械驱动的研究，但目前仅 局限于个别小功率成形机械的场合。如日本小松公司和村田公司分别在9 0 年初 试制了数字化机械驱动的数控回转头压力机1 4 和c n c 折弯机其传动原理为伺服 电机一精密螺旋。e n o m o t o 公司在其电动螺旋压力机中，己开始采用交流伺 服技术，开发了1 0 0 1 0 0 0 t 的伺服螺旋压力机。 在伺服驱动曲柄压力机的开发方面，早在9 0 年代初，美国俄亥俄州立大学 的1 y i o s s i f o n 和s 1 1 i v p u r i 【5 l 【6 l 口1 就研究了使用交流伺服电动机直接驱动的双肘杆压力 机，并对其进行了参数选择及优化，并制造了3 0 0 k n 的双动机械压力机。 日本a i d a d a y t o n i ! l k 公司目前已开发出一系列能达到8 0 吨公称压力的伺 服驱动压力机用于电子产业，但是也适用于一般用途的c 形机床，这种机床已在 厂东工业大学工学硬士学位论戈 日本j i m t o f 贸易展览会中公开亮相伊】。在这台设备中，伺服电机取代了传统的 主驱动电机、飞轮、离合器和制动器。经齿轮箱与驱动轴相联，伺服电机可通过 直接驱动传动轴来控制滑块行程。 2 0 0 3 年，小松公司也开发出一条伺服压力机生产线，并在2 0 0 4 年3 月北美 的m e t a l f o n n _ f _ 首次亮相，原理如图i - i 。此设计用两台伺服电机通过皮带减速。 带动滚珠丝杆运动，再通过肘杆机构带动滑块上下运动唧。 国内方面，浙江大学叶云副1 0 】【1 1 1 自8 0 年代末开始研究矗线伺服电机驱动的 锻压设备，成功地完成了直线电机驱动小型压力枫的研制。现在己能小批生产 5 k n 、1 0 k n 、3 1 5 k n 、6 0 k n 冲压机，更大吨位的压力机还在试制中。 陆永辉1 12 1 、卢宗武、张策【1 4 1 等人分别采用了混合驱动机构，用伺服电机 与常规电机混合驱动压力机，如图l 2 。在这种方案中，常规电机用来传递主要 动力，而伺服电机则通过调整五杆机构来控制滑块的位移，以此可以实现冲压工 艺的调节。但这种方法不但不能节省提高电机效率，同时还提高了机构的复杂 性。 闰l l小松公司2 f 双点倒服压力机传动原理 图1 - 2 混合输入压力机传动原理 f i 9 1 1 h 2 f a cs e i v o t w o p o i n tp r e s s o f k o m a t s u f i g l 一2h y b r i d - d r i v e n m e c h a n i c a lp r e s s 此外还有用伺服电机和较小的飞轮配合作用的压力机方案【1 5 】，在传动系统 中保留具适当惯量的小飞轮，可使伺服电动机的容量大大减少，从而使成本降 低。当然，这种传动方式同样使设备的可控性降低。 以上各种方案及理论探讨为我们研究伺服电机直接驱动曲柄压力机提供了现 实基础。 第l 章绪论 1 2 2 伺服压力机理论方面的研究 由于长期以来对于伺服电机的重载驱动难题一直无法克服，人们不得不采用 混合输入等替代方案来补偿伺服电机扭矩不足的问题，在伺服电机驱动压力机理 论方面的研究领域里，也以混合驱动方面的理论研究为多。 上世纪9 0 年代初，英国的j o n e s 就结合传统机构和可控机构的特点，提出一 套界于二者之间的机械系统方案，这种机械同时具有两类机构的特点，因此他把 之称为“h y b r i dm a c h i n e “，这奠定了混合驱动的思想。随后，t o k u z 和j o n e s 在此 方面进行了长期不懈的研究，完善了“h y b r i dm a c h i n e ”思想。在文献 【1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 中，分析了混合驱动伺服压力机的可行性，建立了模型和实验方 案，并得到和验证所预期的一些工作和结构特性。 在研究中，t o k u z 和j o n e s 实施了两种方案并进行了对比，一种为全伺服控制 压力机，另一种为混合驱动伺服压力机。研究结果认为，全伺服驱动机构的柔性 较大可以满足多种运动轨迹，但弱点是伺服电机功率不足，而采用混合输入方案 可以弥补这一点，因此他们采用了混合驱动方案，用二自由度七连杆运动合成机 构实现了变速驱动。 天津大学的张策、孟彩芳、李辉2 1 1 1 2 2 等人沿袭了t o k u z 和j o n e s 的设计思想， 分别采用了二自由度五连杆机构和二自由度九连杆机构设计了混合驱动压力机和 精压机，并对其进行了动力学建模和仿真分析。郭为忠、杜如虚【2 3 】等人也研究 了基于混合机构的金属成形可控压力机，建立了两自由度平面七杆机构的运动学 方程，以及电机力矩和功率的分配公式，并进行了基于遗传算法的优化设计。 c h e w 和p l a n 渊通过仿真研究发现，通过伺服电机控制凸轮变速运动，不仅 可以改变从动件的运动学特性，而且可以有效地降低从动件的残余振动。 在伺服电机驱动连杆机构的研究中，t o k u z | 1 9 1 首先建立了用无刷伺服电机驱 动的四杆轨迹系统模型，通过仿真分析发现伺服电机驱动的四杆机构可以减小连 杆曲线误差，并改善机构的运动学及动力学特性。 r f f u n g g g l k w c h e n l 2 5 1 通过对整个系统的运动学及动力学分析，建立伺服 电机曲柄滑块机构动态模型，并通过控制策略减小了柔性振动及外部干扰等 对系统带来的不利影响。 广东工业大学i 学硕士学位论文 1 3 伺服电机直接驱动曲柄压力机的可行性和设计方案的选择 1 3 1 伺服电机直接驱动曲柄压力机的开发难点及解决方案 多年来，在研究成形机械柔性化的过程中遇到了许多困难，影响了智能型成 形机械的发展。主要的难点在于： 1 重载伺服驱动装置的研制和应用。 多年来，控制电机一般只用在小功率，低转矩的场合，而可用于重载伺服的 直流电机却在结构上存在着机械换向和电刷这一致命弱点，这些都制约了伺服驱 动在重载机械中的应用，在重载场合，长期只能依赖液压技术。但上个世纪8 0 年代以来，永磁材料的发展使得体积小、大转矩、高效率永磁伺服电机的实现成 为可能。广东工业大学永磁同步电机传动与控制研究所自9 0 年代初开始永磁同 步电机及其控制技术的研究，自行研究试制了目前国内功率最大的系列化永磁同 步电机伫6 】，最大功率达5 5 千瓦。己将该电机成功应用于瓦楞纸板横切机上 2 7 】， 研制了专用伺服驱动控制装置，应用于国内七省数十厂家的生产线上。并且掌握 了永磁同步电机的设计制造技术及伺服控制技术。这使得重载伺服驱动装置在很 大程度上可以应用到成形机械上。 2 电机的使用效率及储能、电网冲击问题。 曲柄压力机的负载属于冲击负载，即在一个工作周期内只在较短的时间内承 受较大的工作负荷，而较长的时间时空程运转。若依此短暂的工作时间来选择电 动机的功率，则电动机的功率将会很大。为了减小电动机功率，传统的机械压力 机传动系统中设置了飞轮，这样电动机功率可以大为减少。 在交流伺服驱动的机械压力机中，为获得运动的可控性，取消了飞轮，使传 动部分的惯量减到最小，工作负荷全部靠电机瞬时转矩克服。滑块的特性曲线可 以任意改变，以实现工艺的优化。但如果仅以电机来驱动负载。同样存在着电机 容量大，并且价格昂贵的问题。为此，研究人员通过理论及试验验证，发现可以 通过在控制电路中增加“电子飞轮”储能电容的方式来实现原本由飞轮来完 成的能量存储及瞬时能量释放2 引。这样压力机空行程时电机可以以低功率运 转，而在滑块变速及承受工作负荷时输出扭矩，在电容瞬时放电的辅助下，实际 所需电机功率要比没有储能装置时要小的多。 第1 苹绪论 i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ | _ _ _ _ - 自t - - _ | - _ _ _ _ _ - 目_ e 目= _ = _ _ _ _ _ e 口_ _ _ _ _ 同时，在伺服驱动情况下，由于没有飞轮储能，直接依靠电机瞬时扭矩来克 服工作负荷，因而会产生很大的电流冲击，若不采取相应措施，将会对电网造成 极大危害。此时，伺服电机驱动电路设置的储能装置，能起到“电子飞轮”的作 用。空行程时，它可储存电能，而工作行程中，主要由它为电机提供瞬时大电 流。减速时，采用电磁制动，电机作发电运行，制动的能量由“电子飞轮”回收 储存。 瑚 3 交流伺服电机及控制器的价格 大功率交流伺服电机及其控制系统目前价格十分昂贵，是这一技术推广应用 的主要障碍。据不久前的市场调研，交流同步伺服电机及控制系统价格大约为1 万元人民f f i k w t l 5 】。造成这一问题有两方面的原因，一是电机尤其是永磁同步电 机制造成本高；二是大功率交流伺服电机闯世时间不长，发达国家实行技术垄 断，国内尚未能商品化生产，主要靠进口，未能形成竞争市场。 永磁同步电机的关键材料是稀士合金，稀土资源在世界上十分稀缺，而我国 恰恰是“稀土超级大国”，稀土蕴藏量占全球的8 0 ，远超过世界其它各国的总 和。我们完全可以利用资源优势，大力开发具有自主知识产权的永磁同步伺服电 机，与进口产品竞争，市场价格就会迅速降低。控制系统的情况也与此类似，价 格问题和国外对大功率控制模块的垄断不无关系。 可以肯定地说，交流伺服电机及其控制系统的价格会逐步降低，它在成形装 备的应用领域也会越来越广。 1 3 2 伺服电机直接驱动曲柄压力机设计方案的确定 鉴于以上技术难点问题的解决，综合考虑各种方案及其经济因素，决定采用 类似与会田公司的方案，如图l - 3 所示。 1 以普通曲柄压力机基本架构为基础。 2 采用三相交流永磁电动机代替原有的异步电桃驱动负载。 3 取消飞轮，用电容储能系统实现能量的瞬时释放和存储。 4 取消离合器，直接通过电机控制来实现压力机的起停。 5 引入数字控制技术，对输入信号采用程序控制，以实现多种工作特性。 6 采用速度电流双闭环控制进行实时信号补偿。 图1 - 3 伺服电机直接驱动曲柄压力机结构简图 f i g l 一3 t h ec o n s t r u c t i o no f s e r v o - d r i v e nc l b 1 kp r e s s 工作过程为：首先根据工作特性输入特定程序来控制电机输入信号，然后伺 服电机通过一级齿轮变速直接驱动曲柄滑块机构进行工作，在空程阶段电机低转 矩工作，电容充电，而遇到负载时电机释放较大工作电流的同时，电容瞬时释放 大电流以克服负载阻力完成一次冲压，然后滑快上行，电容充电，进行下一次冲 压行为。 1 3 3 伺服电机直接驱动曲柄压力机的优点 在伺服电机直接驱动的曲柄压力机中，伺服电机经一级齿轮传动直接驱动曲 柄连杆机构工作，无飞轮和离合器，采用速度，电流双闭环控制。其优点在 于1 1 提高了压力机智能化程度和适用范围，提高了生产率并延长模具寿命 这种压力机由于其伺服功能，滑块运动曲线不再仅仅是正弦曲线，而是可根 据工艺要求进行优化的任意曲线。这就大大提高了压力机智能化程度和适用范 围。日本将这类压力机之为“自由运动”( f r e em o t i o n ) 压力机，图1 - 4 【8 】所示为 日本小松和会田等公司分别开发的该类压力机工作特性举例。 a 一模多击：滑块在工作过程中可以有短时停顿，多次加压。这对于某些精压 工作和粉末冶金压制等工艺是十分有用的， b 快速空行程慢速压制一快速回程：可以提高工作效率，改善产品质量，特 别适合某些难成形材料的拉深工作。 c 高频工作：可根据工件的不同，调整滑块行程缩短循环时间。对于薄板冲 第1 章绪论 裁，曲柄无须完成3 6 0 度旋转，而仅进行一定角度的摆动来完成冲压工作。 这就大大提高了生产率。 d 静音冲裁：图示特殊的工作特性曲线，控制冲裁时冲头的速度。从而减少冲 裁的振动和噪音，提高模具使用寿命。据小松提供的数据，该压力机的冲裁 噪音较常规曲柄压力机降低了1 0 0 倍。又由于没有空转，不工作时可以完全 a 一模多击b 快速空行程、回程，慢速工作 c 高频工作( 曲轴摆动) d 静音冲裁 图1 - 4 伺服压力机特性举例 f i g l - 4 c h a r a c t e r i s t i ce x a m p l e so f a cs e r v op r e s s 没有噪音，整个车间的噪音可大大降低。1 2 9 1 伺服驱动曲柄压力机保留了曲柄压力机的原有优点，尤其是，生产率远高于 液压机，体现了“液压机的加工质量，机械压力机的生产效率”。还可存控制器 中预存适于冲裁、拉深、压印、弯曲等工艺以及不同材料的特性曲线，使用时， 不同1 艺、不同材料调用不同曲线。这就大大提高了压力机的加工性能，扩大了 加工范围。其加工性能完全可以与液压机媲美。小松公刮在伺服机械压力机上采 用了特殊滑块运动曲线，将工件加热、成形集成在同一工序，成功地实现了镁合 金挤压成形，解决了工件温度控制的难题。1 3 0 1 2 节能 伺服驱动曲柄压力机的节能主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 交流伺服电动机采用变频调速，效率高，损耗小。 ( 2 ) 调速时，靠改变电机转速，减速时采用电磁制动，制动能量可储存再利 用。与机械制动和液压传动的节流调速相比，可大大节省能量。 j 东i 业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 在普通压力机中，飞轮空转耗能约占总能耗的b 一3 0 ，连续工作时偏 低，而单次行程工作时偏高【3 1 1 。交流伺服驱动时，去除了飞轮，仅在需要工作 时电机释放较大能量，这一部分能量得以节省。 ( 4 ) 在普通压力机中，离合器( 主要指摩擦离合器) 耗能约占总能量的 2 0 f 2 l 】，伺服电机驱动，取消了离合器，这一部分能量得以节省。 ( 5 ) 大多数中小型机械压力机，采用带式制动器。制动器每个周期均工作， 消耗不少能量，伺服电机驱动时，制动器仅在停车时才起作用，制动耗能得以节 省。 当然，节能效果尚决定于变流以及储能和再利用的效率。总体而言，采用交 流伺服电机驱动应当是节能的。 1 4 本课题主要研究内容及方法 前文提及，本课题的主要目的是根据伺服曲柄压力机机电系统结构及参数建 立机电系统动态模型，在此基础上通过滑块运动特性及负荷情况，求得电机同步 输入动态参数变化情况，为压力机机电系统设计提供参考。具体研究内容及方法 按章节如下： 第一章介绍了本课题的相关背景、目的及研究意义，查阅了伺服压力机方面 相关资料介绍了国内外在此领域的技术背景和进展情况，同时对伺服电机直接驱 动压力机的可行性进行了分析，确定了在当前技术及经济条件下所采取的研究方 案，并介绍了伺服电机直接驱动的曲柄压力机的优点所在，充分阐述了本项目的 意义所在。 第二章主要是对伺服压力机的传动及执行部分进行了运动学和动力学分析， 通过甲面矢量三角形法及欧拉交换导出曲柄滑块机构运动学方程；用平面静力甲 衡方程对其进行了静力分析，并通过等效惯性矩法剐其加入了动载荷分析。进而 完成了整个传动机构运动学及动力学数学建模。 第三章首先介绍了本课题所采用的直流永磁无刷电动机，并存一定的简化条 件下，分析了电机的动态特性，进而根据课题设计方案加入了储能电容及控制策 略，建立了电机伺服控制系统的数学模型。 第四章建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真模型，通过仿真试验与理论 第1 章绪论 结果相对比，对整个机电系统动态模型进行了验证。然后利用此模型分析了电机 同步输入动态参数变化情况，并为部分设计方案提供了理论依据。 第五章根据实验条件，对伺服压力机进行了相关样机实验。在对样机能力进 行标定之后，首先进行了空载恒速及变速实验，在此基础上分别进行了负载冲裁 及拉伸实验，对预期设想和仿真模型进行了分析和验证。 最后在结论中综合阐述了本文的主要研究成果，并对在今后的研究工作及 需要注意的地方做出了说明。 第2 章伺服曲柄压力机运动学及动力学分析 传统的曲柄压力机由普通异步电机经减速后带动曲柄匀速旋转，再通过连杆 带动滑块上下运动实现压制工作。除部分压力机曲柄长度可调外，一般的曲柄压 力机结构参数是固定的，因而滑块的运动特性曲线是固定的 3 2 1 。 曲柄压力机作为一种通用设备，其加工对象是多种多样的，它们的工艺特性 极不相同。伺服曲柄压力机要在单机上满足各种工件工艺特性的要求，必须使压 力机滑块的运动特性可调整，也就是要对机构的运动特性进行有效控制，这必然 要求对压力机的运动模式及受力情况进行准确的分析。 2 1 传动机构运动分析 2 1 1 运动分析的目的和方法 机构的运动分析，就是根据原动件的己知运动规律，求出该机构其他构件上 某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速 度。通过对机构进行速度分析，可以了解从动件的速度变化规律能否满足工作要 求，还可以了解机构的受力情况。运动分析既可以判断一个机构的优劣，为选择 最好的机构提供依据，同时也是机构动力分析的基础。 压力机多连杆机构一般都属于单自由度的平面连杆机构。平面运动分析的方 法主要有图解法和解析法和实验法三种。图解法的特点是形象直观，但作图较繁 琐，精度一i 高。图解法常用的方法有：速度瞬心法和相对运动图解法等。实验法 需要专门的仪器设备。而解析法则可以得到较高的计算精度，尽管其建立数学关 系式时较复杂，计算工作量也较大，但随着计算机的普及和发展，机构运动分析 的解析法发展得很快。驯 解析法一般是先建立机构的位置方程，然后将位置方程对时间求导得速度方 程和加速度方程。 在本课题中，压力机的传动机构由一级传动齿轮及结点正置的蓝柄滑块机构 组成。由于所使用的圆形齿轮机构的传动比固定，下面侧重于使用复数矢量法对 结点正置曲柄滑块机构进行运动分析。 釜：耋堡璧苎塑生2 墨誊翌兰墨塑垄兰坌堑 2 1 2 曲柄滑块机构运动分析 y 图2 - i 伺服曲柄压力机曲柄滑块机构简圈 f i 9 2 1 t h em o v e m e n to ft h ec r a n k s l i d em l e c h a n i s i l l 图2 一l 为本课题所研究的伺服驱动曲柄式压力机曲柄滑块机构运动简图，曲 柄长o a = l ，连杆长a b = ，：，由于伺服电机具有输出转速、力矩可控的特点，其 滑块的运动曲线任意可控，整个机构的运动参数为时间和曲柄转角的函数。根据 工艺过程的具体要求，预先设定曲柄的角位移仍( t ) 、角速度u ( t ) 、角加速度 e ，( t ) ，通过曲柄滑块机构的运动关系，即可获得滑块的位移s ( t ) 、速度v a ( t ) 、加 速度a 。( t ) 。已知吼( t ) 、ul ( t ) 、e ( t ) ，依照矢量三角形法则，有： ，1 十1 2 = x 曰 ( 2 1 ) _ 一 用复数形式表示为：i i e 妫+ 1 2 e7 忱= x 口 1 1c o s ( p l + 1 2c o s q 22 ，ls i n 妒1 + z 2s i n = 0 由欧拉公式展开分别取实部和虚部： 脯 s i n 仍= 一厂1 1s i n 仍= 一触仍 舯 五= 2 连杆角速度： 国2 = 一旯! 业l c o s 纯 滑块位移： s 口= 一x 母一( ，2 一，1 ) = 1 1 ( 1 一c o s ( p 1 ) 一1 2 ( 1 + c o s 0 2 ) ( 2 - 2 ) 滑块速度： o ) = 鲁铂掣娌3 滑块加速度： ( f ) ：d v ，b ：坐型业堕竺鲤k 照岖( 2 _ 4 ) a t c o s 够， 其旃 m ) 一s i n ( 一生产) ：t ) = - - f a t 。怒 占：( f ) ：丝 s i n 许一，2 毛c o s 0 1 + ，2t ；s i n2 f 2 - c o s 妒2 = _ 1 i n 纸一鲁掣i n 妒 ： 咖。c 。s 吼+ 冬m ：c 。s 妒。 ( 2 5 ) 其中妒：( f ) ，：和) ，e 2 0 ) 分别为连杆的角位移、角速度和角加速度， 分别为连杆中心速度的横轴分量和纵轴分量。 第2 章伺服曲柄压力机运动学及动力学分析 2 2 传动机构力学分析 2 2 1 机构力学分析的目的和方法 在机构运动过程中，其各个构件都受到力的作用，所以机构的运动过程也是 机构受力和做功的过程。作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能 的重要参数。而且也是决定相应构件尺寸及结构形状等的重要依据。所以不论是 设计新的机械还是为了合理地使用现有的机械，都必须对机构的受力情况进行 分析。 研究机构力分析的目的有二： ( 1 ) 确定运动副中的反力。对于设计机构各个零件和校核其强度、测算机构 中的摩擦力和机械效率等，都必须已知机构的运动副反力。 ( 2 ) 确定机构嚣加的平衡力或平衡力矩。对于确定机器工作时所需的驱动功 率或能承受的最大负荷等都是必需的数据。 对于低速机械，由于运动构件因惯性力而引起的动载荷不大，故可忽略不 计。这种不计动载荷而仅考虑静载荷的计算称为静力分析。但是对于高速机械， 由于其动载荷很大，往往大大超过其他静载荷，因此不能忽略不计。这种同时计 及静载荷和动载荷的计算称为动力分析。 在机构的动力分析中，一般采用动态静力法，即根据达朗贝尔原理，假想地 将惯性力加在产生该力的构件上，则在惯性力和所有的其他外力作用下，该机构 或其中构件都可以认为是处于平衡状态，因此可以用静力学的方法进行计算，这 种动力计算方法称为动态静力法。 对机械进行动态静力分析时，除了应确定机构所受的所有外力( 驱动力、生 产阻力及重力) 外，还应计算各构件在运动过程中产生的惯性力。在进行新机械 的设计时，由于构件的结构形状通常尚未确定，因而应先近似估出各构件的剖面 尺寸、质量和转动惯量，确定构件的惯性力后，再进行机构的力分析并进行强度 校核，如不满足强度条件，可反复修正原来估计出的有关构件尺寸。p 3 机构力分析的方法有图解几何法和解析法甄种。图解几何法是运用理论力学 中的力多边形和二力共线、三力汇交等知识，通过按比例作图进行求解。本章首 先讨论无摩擦情况下按静定构件组进行机构静力分析，然后加入摩擦力分析，最 后通过导入惯性力进行动载荷分析。 在本课题中，为便于分析对一些次要环节作必要的简化，忽略弹性影响及震 动，并不考虑间隙影响，认为构件为纯刚性体，建立力学模型。 2 2 2 理想状态下构件受力分析 、 、扛 p ( x 。p - l l iq lp 与争”厂刁 朗q 么吗! 主 图2 2 结点正置的曲柄滑块机构及曲轴受力分析 f i 9 2 - 2 f o r c ea n a l y s i so f t h ec r a n k - s l i d em e c h a n i s ma n dt h ec r a n k 图2 2 为结点正置的曲柄滑块机构及曲轴的受力简图。滑块上受到工件变形 力p 的作用，在忽略摩擦力的情况下，p 力由连杆上给与滑块的作用力p a s 及导轨 给予滑块上的反作用力q 相平衡。 令连杆a b 与中线o b 夹角为，曲柄与o b 夹角为口，有： = 妒2 一万 瑾= 万一伊i 根据力的平衡原理得： 。南 o = p t g f l 由此前推导得知，s i n , 6 = a , s i n t z ，对于本课题所研究的压力机，2 = 0 0 9 4 5 ， 当口：0 。时，口= 0 。当口= 9 0 。时，= 5 4 。由于卢角较小，因此，可以 第2 苹伺服曲柄压力机运动学及动力学分析 认为c o s t t t 1 。辔声s i n , 6 = 2 s i n a 。故上述二式可写为： 只口“p ( 2 6 ) q p a s i n 口( 2 7 ) 再分