（材料加工工程专业论文）1100kn伺服曲柄压力机动态分析与实验研究.pdf

摘要 摘要 曲柄压力机是最主要的锻压机床，也是汽车、电器机械、电子信息、 仪器 仪表、国防工业等制造业最重要的工艺装备之一。用交流伺服电机取代普通异 步电动机，是目前成形装备领域的发展新趋势。将交流伺服驱动引入成形机 械，辅以计算机控制技术，取消了飞轮、离合器、制动器等耗能部件，不但可 以克服机械压力机的固有缺点，滑块特性可变，速度、力量可控；而且大大提 高其工作性能、降低能耗、降低噪音、延长模具寿命、提高工作可靠性，使机械 压力机具有智能化、柔性化的特点。 本项目针对在制造业中广泛应用的机械压力机，应用交流同步伺服驱动技 术，辅以计算机控制技术，将传统匀速驱动、飞轮储能的机械压力机变成新型 智能型压力机。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 进行变速驱动曲柄连杆机构的运动和动力学分析，根据设计方案及性 能要求，制定了传动机构方案，对曲柄滑块机构进行受力分析，并对电机轴负 载转矩和等效转动惯量进行了计算。 ( 2 ) 选取永磁交流伺服电机为动力，提出特殊设计和选型要求：额定扭 矩、额定功率、角加速度、过载倍数等。根据最大工作负荷、传动比选择电机 的最大负荷，综合考虑电机过载倍数、传动比等因素设计或选择电机。 ( 3 ) 以大电容为储能装置。在驱动电路中增设一组大容量电容，储存制动 时产生的电能；在压制时，再将电能释放出来，供电机使用。利用仿真和实验 对比分析，由于储能电容的作用，减少了对电网电流的冲击。 ( 4 ) 控制一电机一机械系统统一建模，并建立了基于m a t l a b s i 舢l i n k 的 仿真模块的整个伺服曲柄压力机机电系统动态仿真模型，并根据样机参数进行 了压力机运动过程的数值模拟；进行了样机运行和冲裁的实验研究。 ( 5 ) 按照实际工况建立冲压工艺，典型工艺有普通冲压、静音冲裁、高速 薄板冲裁、分级压制、精密压印等，并对典型工艺进行数值仿真，预知各种工 艺状态下的系统参数。 ( 6 ) 能耗和噪音测试。采用自制液压负载油缸进行带负荷试验，交流伺服 i 广东- t 业大学工学硕上学位论文 压力机和普通压力机在同等条件下进行对比试验，用电度表记录实际耗电；采 用普通冲裁、静音冲裁两种模式冲裁，用噪声计分别记录冲裁噪声，进行对 比。 研究结果表明，数值仿真和实验研究二者结果十分吻合，证实了数学仿真 模型的正确性；伺服曲柄压力机采用了交流永磁同步伺服电机代替普通异步感 应电机作为曲柄压力机的主传动，可以解决其工作特性不可调的缺点，从而提 高了机械压力机的工作性能，拓宽了工艺适用性；交流伺服实验样机可以实现 滑块任意工作曲线，实现了工作特性的柔性化：采用电容器取代机械飞轮，可 以起到“电子飞轮 的作用，它可以回收、存储能量，大大减少了冲压工作时 瞬时峰值电流对电网的冲击，由于储能电容的作用，电网电流冲击减少了 6 0 6 ：采用自制液压负载油缸进行带负荷试验，交流伺服压力机和普通压力 机在同等条件下进行对比试验，实验研究证明，连续行程伺服压力机节能 6 0 ，单次行程伺服压力机节能6 9 。 本文通过对交流伺服曲柄压力机机电系统的数值仿真，预知各种工艺状态下 的系统参数( 电流、电压、速度、加速度等) ，可以得到任意工艺曲线下的动态 电机参数变化情况，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，使曲柄压力机以最佳的性能适应具体工艺用途。本文的研究为伺服压力机 的设计和产品开发奠定了基础。 关键词成形装备；机械压力机：交流伺服电机；数值仿真 a b s t r a c t 暑詈鲁暑皇皇暑昌喜暑鲁鲁雹詈昌昌昔篁昌詈鲁皇昌皇詈暑喜昌皇鲁= 暑喜皇= 葛昌喜昌皇昌暑詈皇皇7 i i im f 冒号= 暑暑暑昌毒暑鼍 a b s t r a c t c r a n kp r e s si st h em a i nf o r g i n gm a c h i n ea n da l s oi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t f o r m i n ge q u i p m e n t si na u t o m o b i l e 、e l e c t r i c a lm a c h i n e r y 、e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n 、 i n s t n m a e n t a t i o n 、n a t i o n a ld e f e n s ei n d u s t r ya n do t h e rm a n u f a c t u r i n g u s i n ga cs e r v o m o t o r st or e p l a c ec o m m o na s y n c h r o n o u sm o t o r si st h en e wt r e n di nf o r m i n g e q u i p m e n tf i e l d i n t r o d u c i n ga cs e i v o d r i v et of o r m i n gm a c h i n e ，i na d d i t i o nt o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dc a n c e l l i n gt h ef l y w h e e l s ，c l u t c h e sa n db r a k e s o v e r c o m i n gi n h e r e n td e f e c to f m e c h a n i c a lp r e s s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l i d e rc a l lb e v a r i e d ，s p e e da n ds l i d e rp r e s s u r ec a nb ec o n t r o l l e d i tc a l ln o to n l yg r e a t l yi m p r o v e t h e i rp e r f o r m a n c e ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o w e rn o i s e ，p r o l o n gl i f e ，b u ta l s o i m p r o v et h ew o r k i n gr e l i a b i l i t y , m a k e m e c h a n i c a lp r e s sh a sc h a r a c t e r i s t i c so f i n t e l l i g e n ta n df l e x i b i l i t y a i m i n g a tm e c h a n i c a lp r e s s e sw h i c hw e r ew i d e l yu s e di nt h em a n u f a c t u r i n g ，t h e p r o j e c ti n t r o d u c e da cs e r v od r i v et e c h n o l o g yt of o r m i n gm a c h i n e s ，i na d d i t i o nt o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dt h et r a d i t i o n a lu n i f o r m d r i v e nm e c h a n i c a lp r e s s e s w e r et r a n s f o r m e di n t ot h en e wi n t e l l i g e n tp r e s s e s i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hw o r k sa l ea s f o l l o w s ： ( 1 ) m o v e m e n ta n dt h ed y n a m i c so fc r a n k - c o n n e c t i n gr o dm e c h a n i s md r i v e nb y v a r i a b l e - s p e e dw e r ea n a l y z e d ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ， d e v e l o p m e n to ft h et r a n s m i s s i o np r o g r a mw e r ec a r r i e do u t ，s l i d e r - c r a n kf o r c es t a t e s w e r ea n a l y z e d ，m o t o rs h a f tl o a dt o r q u ea n dt h ee q u i v a l e n tm o m e n to fi n e r t i aw e r e e a l c u l a t e d ( 2 ) s e l e c t i n gt h ep e r m a n e n tm a g n e ta cs e l v om o t o r ，t h es p e c i a ld e s i g n r e q u i r e m e n t sw e r er a i s e d ：r a t e dp o w e r , r a t e dt o r q u e ，a n g u l a ra c c e l e r a t i o n ，m u l t i p l eo f o v e r l o a d a cs e r v om o t o rd r i v ew h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es t a t u so fp r e s sw a s d e v e l o p e d ( 3 ) l a r g ec a p a c i t o r sw e r eu s e da se n e r g ys t o r a g ed e v i c e s w i t hag r o u po fl a r g e i i i 广东i t 业大学_ t 学硕 ：学位论文 c a p a c i t yc a p a c i t o r si nd r i v i n gc i r c u i t ，s t o r i n ge n e r g yg e n e r a t e db yb r a k i n g ；i nt h e r e p r e s s i o n ，t h ee n e r g yw e r er e l e a s e d ，w h i c hw e r eu s e db ym o t o r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lw e r ec a r r i e do u tf o rc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，d u et ot h er o l eo fe n e r g y s t o r a g ec a p a c i t o r s ，r e d u c i n gt h ei m p a c to f t h ee l e c t r i cs h o c ko nt h en e t ( 4 ) c o n t r o l - - m o t o r - - m e c h a n i c a ls y s t e mw e r eu n i f i e dm o d e l i n g ，t h es i m u l a t i o n m o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ks o t t w a r ew a 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 tw e r ec a r r i e da c c o r d i n g t ot h ep r o t o t y p a le x p e r i m e n tp a r a m e t e r so fas e r v o d r i v e np r e s s ( 5 ) e s t a b l i s h i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n si na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ls t a m p i n g p r o c e s s ，t y p i c a lp r o c e s s e s ：o r d i n a r ys t a m p i n g , h i g h - s p e e ds h e e tm e t a ls t a m p i n g ，q u i e t b l a n k i n g ，g r a d i n gs u p p r e s s i o n ，p r e c i s i o ns t a m p i n g ，e r e t y p i c a lp r o c e s so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw e r ec a r r i e d o u t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nf o r e c a s tt h es y s t e m p a r a m e t e r so fa l lk i n d so ft e c h n o l o g yc o n d i t i o n ( 6 ) e n e r g yc o n s u m p t i o na n dn o i s et e s t i n g u s i n gs e l f - m a d et a n kf o rh y d r a u l i c l o a dt e s t s ，a cs e i v op r e s sw a sc o m p a r e dw i t ht h eg e n e r a lp r e s si nt h es a m et e s t c o n d i t i o n s ，t h ew a t t - m e t e rw a su s e dt or e c o r dt h ea c t u a lp o w e rc o n s u m p t i o n ；u s i n g o r d i n a r yb l a n k i n ga n dq u i e tb l a n k i n gm o d e s ，n o i s em e t e rw a su s e dt or e c o r db l a n k i n g n o i s er e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tb o t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw e r e d o n ea n dt h er e s u l t sw e r ec o i n c i d e de a c ho t h e r , p r o v i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l r e p l a c i n gt h ec o l n l n o na s y n c h r o n o u si n d u c t i v em o t o rb ya c s e r v om o t o r , e l i m i n a t i n g t h ef l y w h e e la n dc l u t c h ，t h en e wa c p r e s sr e a l i z e dt h ef l e x i b l ea n di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h ea cs e r v oc r a n kp r e s sc a ng e ta n yd e s i r e ds t r o k ec 1 r v e s ，r e a l i z i n gt h ew o r k i n g f l e x i b i l i t y t h ec a p a c i t o rc a l lr u na sa n “e l e c t r i cf l y w h e e l ”，s a v i n ga n dr e l e a s i n g e l e c t r i ce n e r g ya n dr e d u c i n gt h ec u r r e n ts h o c k ，w i t ht h ec a p a c i t o r , t h ee l e c t r i cs h o c k 0 1 1t h en e tw a sr e d u c e db y6 0 6 a d o p t i n ga cs e r v om o t o rd r i v e ，a n dc a n c e lt h e e n e r g yc o m p o n e n t s ，s u c h 勰f l y w h e e l 、c l u t c h e sa n db r a k e s ，e t c ，t h ee x p e r i m e n t s p r o v e t h a tc o n t i n u o u ss t r o k es e r v op r e s se n e r g ys a v i n g6 0 ，s i n g l es t r o k es e r v op r e s s i v a b s t r a c t e n e r g ys a v i n g6 9 b a s e do nt h ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mo ft h es e r v od r i v e nc l a n kp r e s s ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nf o r e c a s tt h es y s t e mp a r a m e t e r so fa l lk i n d so ft e c h n o l o g y c o n d i t i o n ( t h ec u r r e n t ，v o l t a g e ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n ，e t c ) a n dg e tr a n d o mp r o c e s s c a r v e su n d e rt h ed y n a m i cp a r a m e t e rv a r i a t i o n so fs e r v om o t o r , w h i c hc a no f f e r d y n a m i ci n p u to ft h es e r v om o t o rf o rt h er e a l i z a t i o no fs t a m p i n gp r o c e s sa n d m a k et h e c l a n kp r e s sh a st h eb e s tp e r f o r m a n c et of i tt h es p e c i f i cp r o c e s su s e s k e y w o r d sf o r m i n ge q u i p m e n t ；m e c h a n i c a lp r e s s ；a c s e l v om o t o r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 5 9 艚教师粹俞仅拓 敝储辩：俪 年月日 第一章绪论 第一章绪论 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宏兴机械有限公司联合承担的广东省 工业攻关项目新一代数控压力机关键技术研究与产品开发，编号： 2 0 0 6 8 1 1 9 0 1 0 0 。目的是通过对交流伺服曲柄压力机驱动和传动系统进行了理论 及结构分析，建立了机电系统的数学模型，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，并根据样机参数进行了数值仿真和实验研究。 1 1 1 伺服驱动曲柄压力机开发的目的、意义 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装备。我国高档锻压机床制造技术的落后，不但耗 费大量外汇，而且受制于人，严重影响了国家的核心竞争力。机械压力机是最 主要的锻压机床，也是汽车、电器机械、电子信息、仪器仪表、国防工业等制 造业最重要的工艺装备之一【1 】。 按传动方式，压力机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、维护成本低等优点，应用最为广泛。它可以进行金属板材 冲裁、拉深、压印、弯曲、成形等工艺，也可完成粉末压制等工作。它在工业 中的大量应用虽已有近百年历史，但其传动形式并没有大的变化，其主传动为 普通异步电机，飞轮储能。由此带来一系列缺点：( 1 ) 运动特性单一、工艺适 用性差。其滑块的运动特性曲线是固定的，速度按正弦曲线变化，不能调整。 对于一些特殊的工作，需设计专用压力机，只能适应一种工作；( 2 ) 行程固 定，压力不能控制，模具安装调试不便，也给安全带来隐患；( 3 ) 由于只能采 用离合器、制动器控制滑块的起停，不但能耗高、噪音大，而且极易发生人身 安全事故。在一些对工艺有较高要求的场合，常使用液压机或特殊的压力机。 液压机虽然工作性能可控，但又有速度慢、生产效率低、结构复杂、易污染等 缺点，应用范围受到较大限制。人们长期以来一直在寻找解决办法。 随着电力电子和电机技术的发展，交流伺服传动发展迅速，以其低廉的价 广东t 业大学t 学硕士：学位论文 格和良好的性能，取代直流传动，在工业上得到越来越广泛的应用。用交流伺 服电机取代普通异步电动机，是目前成形装备领域的发展新趋势【2 3 1 。它采用交 流伺服驱动，并辅以计算机控制，取消了飞轮、离合器、制动器等耗能部件， 不但可以克服机械压力机的固有缺点，滑块特性可变，速度、力量可控：而且 大大提高其工作性能、降低能耗、降低噪音、延长模具寿命、提高工作可靠 性。 1 1 2 伺服曲柄压力机机电系统动态分析的目的、意义 1 建立压力机机电系统的数学模型，为进一步的理论研究奠定基础。主 要针对伺服曲柄压力机及其伺服系统展开讨论，内容包括了对运动和动力方面 的动态数学模型的建立，永磁同步电机数学模型的建立，加入电容储能系统后 的永磁同步电机简化数学模型，以及控制系统数学模型的建立，并为进一步的 数值仿真打下基础。 2 对系统进行数值仿真，预知各种工艺状态下的系统参数( 电流、电压、速 度、加速度等) ，研究系统的设置的合理性、系统的运动特性，为编制控制程序 提供参考。建立基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真模型，通过仿真试验及样机试 验，对整个机电系统动态模型进行验证，然后利用此模型分析电机同步输入动 态参数变化情况，并为部分设计方案提供了理论依据。 3 优化系统参数，为改进机电系统指出方向。对运动机构和电机的进行逆 动态分析可以得到任意工艺曲线下的动态电机参数变化情况，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，使曲柄压力机以最佳的性能适应 具体工艺用途。 渐7 + 一a 。 vv 7 ( a ) 匀速运转( b ) 摆动 ( c ) 快慢快 2 第一章绪论 m ( d ) 压印( e )分段压制 图1 - 1 伺服曲柄压力机基本运行模式曲线 f i g 1 一lt h ec u r v e so f b a s i co p e r a t i o nm o d eo f a cs e r v oc r a n kp r e s s 1 2 国内外相关课题研究现状及分析 1 2 1 交流伺服驱动引入成形机械的研究 随着电力电子、电机、变频控制、计算机控制以及其他相关技术的迅速发 展，上世纪末出现了一种基于交流伺服电动机的数控重载机械驱动技术。数控 重载机械驱动是一种基于交流伺服电动机和机械传动系统的、用于成形设备主 传动的数控系统。它以交流伺服电动机为动力，通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或 其他机构将电动机的旋转运动转化为滑块所需的直线运动。将其作为成形装备 的主传动，不但可以大大提高设备的智能化水平、可靠性和使用性能，还可以 简化结构和安装调试工作，降低能耗，减轻重量，彻底消除油液对环境的污 染，是高新技术与传统机械系统的结合，对推动成形装备的更新换代，具有很 大的影响。 工业发达国家对此技术十分重视，短短几年其应用领域已经从注塑机发展 到折弯机、机械压力机、数控回转头压力机及螺旋压力机等各种成形设备【4 5 1 。 1 全电动注塑机 常见的注塑机多为液压式，有3 4 个执行机构( 油缸、油马达) 分别实现 合模、预塑、注射、顶出等动作。较高质量的注塑机对速度、压力、位置等参 数均有高的要求，采用液压伺服控制。采用数控机械驱动的全电动注塑机，完 全去除了液压系统，以3 - - - 4 台交流伺服电机取代液压执行机构，直线位移由滚 广东工业人学工学硕l 学位论文 珠丝杆实现。其压力、位置、速度的控制取得了比液压伺服系统更高的精度。 日本日精公司在1 9 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。我国东 莞东华公司亦在2 0 0 2 年试制成功t t l - 5 0 u - 2 0 0 u 系列全电动注塑机，全部驱动改用 交流伺服电机配上滚珠丝杆、同步皮带传动机构，加上全新的数位控制系统， 使得全电动注塑机具有极高的制品重复精度及节能环保、高可靠性或更易于操 作及维护等显著特点。 2 数控折弯机 板料折弯机是塑性成形工艺中应用最广泛的弯曲设备，早在上世纪80 年 代已经实现了数控化，普遍采用电液伺服加光栅形成闭环控制。日本小松公司 开发的新型伺服电动机驱动折弯机摒弃了液压驱动，采用交流伺服电动机一滚 珠丝杆的驱动方式。除类似于交流伺服电动机驱动回转头压力机所有的优点 外，其突出的特点是克服了液压系统速度切换时的短暂停顿现象。滑块运动更 加敏捷，生产效率更高。加上操作方便、调整容易等其他优点，整体效率较液 压式提高了1 倍以上【6 】。 图l - 2 两种折弯机滑块运动特性比较 f i g 1 - 2c o m p a r i s o nb e t w e e nt w ok i n d so fb e n d i n gm a c h i n ei ns l i d em o t i o n 3 数控回转头压力机 数控回转头压力机的发展已经有数十年的历史。最初的数控回转头压力 机，大多采用机械驱动，步冲频率比较低，仅为2 0 0 次r a i n 以下。上世纪末， 4 第一章绪论 数控回转头压力帆越来越多的采用电液伺服驱动技术，步冲频率提高到6 0 0 1 m i n 以上。2 0 0 0 年以后国外开始将交流伺服电动机驱动技术应用于数控回转头压 力机的主传动。日本村田和天田公司所提供的资料表明，他们的新型数控回转 头压力机采用了伺服电动机代替液压伺服驱动，性能有了进一步的提高，其主 要优点是：消除了油液泄漏；运动控制更加柔性：系统无需预热，可直接快速 启动；节约能源，可节电3 0 4 0 ；步冲频率鞍液压伺服系统进一步提高p j 。 加工，工作范围更广；由于去掉机械圉“肼登敢琉何脚鳓螺旋压力机 制动和离合器，马达无须空转，无电气酶1 4 a c 艄如。口州咿so f 聃i o t o 广g i 业丈学i 学敢 能t z 制动储能。能耗大为减少，节能效果达s ( p ： 工艺参数( 速度、力、能量、 行程等) 控制更方便，可以实现最佳工艺条件。 1 2 2 交流伺服电机驱动压力机发展及应用现状 交流伺服电动机是一种受输入信号控制并作快速响应的电动机，其控制精 度高，运转平稳，在其额定转速范围内能输出额定转矩，过载能力强，控制性 能可靠，响应迅速。因此交流伺服电动机广泛地应用于自动控制系统、自动 监测系统和计算装置、增量运动控制系统以及家用电器中。在这些系统和装置 中，主要是作为执行元件。 将交流伺服电动机应用于机械压力机的研究始于上世纪9 0 年代美国俄亥俄 州立大学工程研究中心。该中心提出了由交流伺服电动机驱动滚珠丝杠或曲 柄，通过多杆机构将运动转化为滑块所需的运动，并制造了木头模型装置。之 后，交流伺服电动机应用于机辘压力机的研究迅速发展日本、加拿大等国家 均进行了深入的研究，特别是日本小松和会田等公司分别开发了各自的交流伺 服电动机驱动型暗柄压力机。 图1 5 所示为日本小松公司的h 2 f 3 0 0 型交流伺服电动机直接驱动型机械压力 机，公称压力为3 0 0 0 k n ，最大滑块行程次数为8 0 次m i n ，公称压力行程为 6 r a m ，滑块行程为3 0 2 5 0 m m ，装模高度为5 5 0 r a m ，两个主伺服电动机的功率 均为1 0 0 k w 。两台伺服电动机对称放置，通过皮带减速，带动滚珠丝杠运动 再通过肘杆机构带动滑块上下运动嗍。 圈l - s 日本小松公司h 2 f 3 0 0 型交流伺服压力机 f i g , 1 - 5h 2 f 3 0 0 a cs e r v c - d r i v e np r e s s o f k o m a t s u 第一章绪论 图1 6 所示为日本会嗣公司的交流伺服电动机驱动型曲柄压力机原理简圈， 伺服电动机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连轩机构工作，无飞轮和离合器。可 设置位移传感器检测滑块的运动。实现闭环控制。 图1 - 6 日本会田公司空流伺服电动机驱动型曲柄压力机原理倚囝 f 镕l 缶c e n s t n m t l o n o l e o - d r i v e n c r 蛐k p r e s s o f a i d a 国内方面，到目前为止，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器在产 业化方面比较滞后，尚未形成商品化和批量生产能力。国内目前交流伺服电机 技术尚处于研究试制阶段，产品多限于中小功率，银川西部大森数控技术有限 公司开发了s y 系列高性能数控压力机l ，采用伺服驱动控制方式，伺服电机驱 动滚珠丝杠副将回转运动转换成压力机导套的直线运动实现压装工作。国内某 单位在现有j 8 4 2 5 0 精压机结构的基础上，开发研制了一种双曲轴并联驱动肘 杆式精压机j b 8 4 - 2 5 0 ，采用交流异步电动机和交流伺服电动机联合拖动机械压 力机，增加了伺服电动机驱动机构柔性可调节的优点，可在一定范围内灵活调 节冲压滑块的位置，以适应不同加工工艺的要求。 交流伺服电机驱动压力机是成形装备发展的新动向，设备柔性化发展的必 然趋势。可以预见，在不远的将来伺服压力机将会取代传统机械压，而成为塑性 加工装备的主流设备。 1 3 本课题的可行性分析和拟解决的关键问题 1 - 3 1 可行性分析 1 随着电力电子和电机技术的发展，交流伺服传动近年来发展迅速，它无 广东t 业人学一 学硕十学位论文 须碳刷机械换向，从而克服了直流伺服传动的一系列重大缺点，且具有动态性 能好、价廉、可靠等优点，正逐渐取代传统直流伺服驱动，在工业装备中得到 了日益广泛的应用。从而为解决这一问题带来了希望。 2 m a t l a b s i m u l i n k 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，包括了众 多线性和非线性，等环节，并可方便地扩展，容易建立基于m a t l a b s i m u l i n k 模 块的整个伺服曲柄压力机机电系统动态仿真模型。可以通过编程手段实现对仿 真过程和仿真结果的控制与处理，具有比目前通用仿真软件更大的灵活性。 3 压力机p l c 控制系统、工艺软件和计算机控制技术的进一步发展和广泛 应用，使压力机在自动化、智能化方面达到一个新的水平。 1 3 2 拟解决的关键问题 1 控制一电机一机械系统统一建模。首先建立传动系统及驱动系统的数学 模型，然后建立基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真模型，通过仿真试验及样机试 验，对整个机电系统动态模型进行验证； 2 通过建立得到的仿真模型对电容量进行选择，并以计算算例相同参数为 根据，在其它参数及控制策略不变的情况下进行电容量仿真实验，研究电容器 是否可以起到增加电机力矩以克服尖峰负载和受到峰值负载时减缓峰值电流对 电网冲击的作用； 3 输入输出参数的正、逆双向求解方法。为实现曲柄压力机工艺参数优 化，必须对不同的工艺过程采用不同的滑块运动曲线，可通过两种不同的途 径，即正、逆双向求解方法来实现； 4 各种成形工艺曲线谱设定以及负荷的简化与输入。通过对各种工艺曲线 下的动态电机参数变化情况进行分析，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，使曲柄压力机以最佳的性能适应具体工艺用途。 1 4 主要研究内容 本课题所研究的伺服驱动压力机是由一台交流永磁同步电机驱动曲柄滑块 机构进行运动。根据滑块瞬时位置参数及负荷情况，求得电机同步输入动态参 数变化情况。主要涉及到机构运动学、动力学、电机学、数值分析、计算机仿 8 第一章绪论 真等多方面的内容。 1 对传动系统进行运动分析和动力分析，建立运动和动力方面的动态数学 模型。 2 对交流伺服驱动控制系统进行理论分析，建立带电容储能装置的交流同 步电机简化数学模型，以及伺服控制系统分析与选择。 3 依据之前所建立的机电系统的数学模型，建立基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真模型，利用此模型分析电机动态参数变化及滑块动态特性，并为部 分设计方案提供了理论依据。 4 通过样机实验，验证数值仿真与实验结果是否吻合，证实仿真模型的有 效性。 9 广东工业大学工学硕卜学位论文 第二章伺服曲柄压力机传动系统分析 机械压力机具有结构简单、生产率高、维护成本低等优点，应用最为广 泛，它在工业中的大量应用虽已有近百年历史，但其传动形式并没有大的变 化，由普通异步电机经齿轮减速后带动曲柄连杆机构，将旋转运动变为滑块的 直线运动【1 1 1 。其位移、速度、加速度曲线基本固定，按正弦规律变化，不能改 变，因而滑块的运动特性曲线也是固定的。 2 1 传动机构方案及运动分析 2 1 111 0 0 k n 交流伺服压力机传动方案 蓝柄 图2 - 11 1 0 0 k n 伺服曲柄压力机传动方案 f i g 2 - 1 t r a n s m i s s i o ns y s t e mo f11 0 0 k ns e r v oc r a n kp r e s s 根据普通l1 0 0 k n 曲柄压力机的传动方式，结合伺服压力机的要求，初步拟 订1 1 0 0k n 交流伺服压力机传动方案，见图2 - 1 所示。通过两极齿轮减速，永 磁交流伺服电机驱动曲轴旋转，通过曲柄连杆机构，获得滑块的直线运动。通 过控制伺服电机的转速和扭矩，使滑块的运动特性曲线可调，压力可控；通过 滑块上的小型调节电机，可以控制压力机封闭高度；通过位移传感器以实现滑 块的位移和速度反馈。根据常用冲压工艺，建立参数化压力机控制程序库。 1 0 伺服曲柄压力机传动系统分析 2 1 2 变速驱动曲柄压力机运动分丰斤【1 2 ”】 y 为实现曲柄压力机工艺参数优 化，必须对不同的工艺过程采用不同 的滑块运动曲线。在工程实际中，可 通过两种不同的途径来实现。两种方 法均根据曲柄滑块机构的封闭矢量方 程( 1 ) 求解。 尹+ l2 = x 口( 2 1 ) 1 正向求解法：预先定出应输入 曲柄的运动规律，求出滑块的运动特 图2 2 曲柄连杆机构简图 f i g 2 2c o n s t r u c l i o no f c t n a k l i a k a g cl m c h a 正啦性曲线。 正向求解法相对比较容易，它根据工艺过程的具体要求，预先设定曲柄的角位 移9 l ( t ) 、角速度c o l ( t ) 、角加速度s l ( t ) ，通过曲柄滑块机构的运动关系，f l pn - i 获 得滑块的位移刚、速度( t ) 、加速度a b ( t ) 。已知9 l ( t ) 、l ( t ) 、8 1 ( t ) ，采用复 数矢量法解方程( 1 ) 得滑块的位移跗、速度( t ) 、加速度a b ( t ) ，以及连杆a b 的角位移t p 2 ( t ) 、角速度m 2 ( t ) 、角加速度现( t ) 如下： o ) ：缈，型垫趔 姒f ) - 盟业型垡c o s 斧盟业区 ( 2 _ 2 ) 。 驴，9 9 、 缈：( ，) ：a r c s i n ( 一半 缈：( ，) = 一1 0 。! 堕 吼) = 垡也生薯罢 生业堕 式中： = ；a b - - - 广东1 = 业人学t 学硕一l ：学位论文 厂、 瓢k 一 ；一一 图2 - 3 恒速驱动状态下滑块的运动特性曲线 f i g 2 - 3 k i n e t i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t h es l i d ea tu n i f o r mr o t a t es p e e d 2 逆向求解法：已知滑块所需要的运动特性，反推应输入曲柄的运动规 律。 逆向求解法根据工艺过程提出的滑块在各位置的速度、加速度要求，求解 曲柄在对应位置的角位移、角速度、角加速度。即已知双t ) 、v b ( t ) 、a b ( t ) ，求 9 l ( t ) 、0 3 l ( t ) 、l ( t ) 以及连杆的9z ( t ) 、0 3 ：( t ) 、c 2 ( t ) 。同样用复数矢量法解方程得到： g l ( f ) = 纵垆一s 岛擎， q ( f ) 2 焉x b 而c o s 0 2，s m 咿2 一仍j ，缈一c o s i - 妒2 ) + l 2 呸2 + 毛c o s 伊2 ，s i n ( 0 2 9 )( 2 3 ) 舭) 一s i n ( - 半) 哆( f ) 。i x 面a 。c 再o s t p 面l 以归丛生毫鲁焉生塑 式中：x 爻b b ( ( t f ) ) 和= 爻r b - ( f l ) 由2 - x 口s ( ( f t ) ) 经；数值微分获得。 1 2 伺服f i 柄压力机传动系统分析 一 。旷吲一 图2 4 保压成型工艺要求的滑块运动曲线 f i g 2 4 k i n e t i cc u r v eo f t h es l i d eu n d e rm o l d i n gt e c h n i c sa tu n i f o r mp r e s s 2 2 曲柄滑块机构的受力分析【1 4 】 2 2 1 滑块受力分析 忽略摩擦和零件本身重量时滑块的受力情况 如图2 5 所示。其中p 是坯料抵抗变形的反作用 力，q 是导轨对滑块的约束反力，n 口是连杆对 滑块的约束反力，这三个力交于b 点，组成一 。个平衡的汇交力系。 p 根据力的平衡原理，从力三角形中可以求得 力q 、n 口，p 之间的关系： p 匕2 南 q = p t g f l 弼图2 - 5 滑块的受力分析。 令连杆a b 与中线o b 夹角为n ，曲柄与 f i g 2 5f o r c ca n a l y s i so f s l i d e 。守j 王们习甲缓大用刿p 叫俐习 o b 夹角为口，有：= 妒2 一万口= 万一妒l 由此前推导得知，s i n = 2 s i n a ，口= 0 0 时，= 0 0 。对于本课题所研究 的压力机，2 = 0 0 9 ，当口= 9 0 0 时，= 5 4 0 ，由于角较小，因此，可以认 为c o s o f l ，t g p s i i l = 见s i n 口，故上述二式可写为： p ( 2 - 4 ) 1 3 广东t 业大学1 = 学硕_ t 学位论文 2 2 2 曲轴受力分析 q p a s i n a t 图2 - 6 曲轴受力分析 f i g 2 6 f o r c ea n a l y s i so f b e n ta x l e ( 2 - 5 ) 图2 - 6 是不计摩擦和零件本身重