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硕士论文基于伺服电机直接驱动的匿力机控制系统研究 摘要 近年来，随着汽车、电子等行业的发展，冲压加工成形产品改型越来越频繁，形 状亦趋于复杂化，传统机械压力机单一的加工模式已不适应现代及时化生产的特点。 本文针对传统压力机的不足，提出了新的滑块驱动模式和压力机控制方案，并采用独 立的定位模块对滑块的位置和速度进行控制，实现了滑块运动规律的任意调节，使机 械压力机可适用于多种工艺和材质的加工。主要研究内容如下： ( 1 ) 提出了一种新的滑块驱动模式：以大功率交流伺服电机代替交流异步电机， 经过一级减速齿轮直接驱动曲柄滑块机构。分析了该驱动方式的可行性，并建立了电 机主要选型参数的计算方法。 ( 2 ) 分析了该新型压力机的控制要求，构建了压力机控制系统的总体结构，并 详细介绍了系统硬件构成。 ( 3 ) 建立了滑块运动控制系统各环节的数学模型，并以此建立了基于s i m u l i n k 的仿真模型，根据试验参数进行了仿真试验。 ( 4 ) 根据压力机的控制要求和监控任务，开发了控制系统软件，包括逻辑控制 程序、滑块运动控制程序、上位机监控程序，经过多次测试，测试结果达到了设计目 标。 最后对论文的研究内容进行了总结和展望。 关键词：压力机，直接驱动，定位模块，s i m u l i n k 仿真 硕士论文基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 a b s t r a c t i nl r c c c l l ty e a r s ，埘t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e si n d u s t r y , e l e c l x o n i ep r o d u c t se r e ， s h e e tm e t a lf o r m i n gp r o d u c t sr e m o d e lm o l ec o n t i n u a l l y , t h es h a p eo fp r o d u c t sa r e i n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e dt o o ，h o w e v e r , t h ef o r m i n gp a t t e r no fu a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r e s s i st o os i m p l e xt om e e tt h ed e m a n do fm o d e r nj u s t - i n - t i m ep r o d u c t i o n a i m i n ga tt h e d i s a d v a n t a g eo fm e c h a n i c a lp r e s s ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e ws l i d ed r i v i n gs i i u c l u i ea n d p r e s sc o n t r o lc o n c e p t , i nw h i c ht h es p e c i a lp o s i t i o n i n gm o d u l ec o n t r o lt h ep o s i t i o na n d s p e e do ft h es l i d e s ot h a tt h es l i d em o t i o nc 锄b ed i s e r e t i o n a r i l yc o n t r o l l e d , i tm a k e st h e m e c h a n i c a lp r e s sp r o d u c eav a r i e t yo fw o r k p i e e e so fd i f f e r e n tt e c h n i c sa n dm a t e r i a l s n 圮 m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sp a p e r a 觞f o l l o w i n g ： ( 1 ) a i n n o v a t i v es t r u c t u r eo f s l i d ed r i v es y s t e mi sp r o p o s e d , t h ed e s i g ni st h a ti n s t e a do f a s y n e l a r o n o u sm o t o r , h i g h - p o w e rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ro m s m ) i s a d a p t e dt od r i v et h ec r a n k - s l i d es y s t e mt h r o u g ht h eg e a rw h e e l t h ef e a s i b i l i t yo f t h i sd r i v e s m l e t u r ei sa n a l y z e d , am e t h o do f c a l c u l a t i n gm o t o rp o w e ra n dt o r q u ei se s t a b l i s h e d ( 2 ) p r o c e e d i n gw i t hc o n t r o ld e m a n do ft h em e c h a n i c a lp r e s sw i t hi n n o v a t i v ed r i v e s y s t e m , t h ew h o l es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d , a l ls y s t e mh a r d w a r ea n d f u n c t i o ns u b s y s t e m sa a l lp r e s e n t e di nd e t a i l s ( 3 ) t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h es l i d em o t i 0 1 1c o n t r o li se s l a b l i s h e d ， i 】r t 蛔n l o l e ，w i t h t h em a t h e m a t i cm o d e l ，t h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do i ls i m u l i n ks o f t w a r ei ss e tu pa n dt h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s 戤c 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 i v od r i v e n p r e s s ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fp r e s sc o n t r o la n dm o n i t o r i n g , t h ep r o sc o n t r o ls y s l 期z n s o f t w a r ei sd e v e l o p e d , i n d u d i n gl o g i ce o n 臼o lp r o g r a m , s l i d em o t i o nc o n t r o lp r o g r a ma n d m o n i t o r i n gp r o g r a m , a l lp r o g r a m sh a db e e nt e s t e dm a n yt i m e sa n dt h er e s u l ta c h i e v e st h e p u r p o s e l a s t l y , a l lt h er e s e a r c h e so f t h i sp a p e ra t es u m m a r i z e da n dt h ef u l 也e l r e s e a r c hi sl i s t e d k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lp r e s s d i r e c t l yd r i v e , p o s i t i o n i n gm o d u l e ，s i m u l i n ks i m u l a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：生盐沙年妇知名 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 4 在拯知蒯日 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 l 绪论 1 1 引言 机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运 动，对坯料进行成形加工的锻压设备，能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品， 在所有的锻压设备中，机械压力机所占的比例达到8 0 以上【l 】。机械压力机具有结构 简单、生产率高等优点，因而被广泛用于电器机械、汽车、电子设备、仪器制造、国 防工业、日用品等生产行业 目前国内外广泛使用的机械压力机在驱动方式上仍沿用不可调速的普通交流异 步电动机、离合器一制动器、飞轮组合，这种驱动方式简单，易生产，但由于飞轮转 动惯量很大，加之交流异步电动机额定滑差率很小，位于飞轮之后的旋转系统的转速 在一个工作周期中近似不变，从而使得通过这种传动系统实现变速难度很大，工艺适 应性差，只适合于薄板冲裁和浅拉深，不能适应深拉深【2 ，习。 变频器的出现实现了交流异步电机在一定范围内的调速，但这种驱动方式仍依靠 飞轮提供工作变形所需能量。而变频调速方式使飞轮的稳定运转速度也大为降低，导 致工件变形所需能量的不足，并且降低了在任一角度处的速度，使滑块的行程次数下 降，特别是无法显著降低冲压阶段的速度，因而工业应用上存在不足，表现在滑块运 动曲线具有不可控性，冲压生产工艺柔性差，仍不能适应可塑性差、易脆裂等难加工 材料制品的冲裁和深拉深生产。 压力机普遍采用的控制系统仍是简单的p l c 逻辑控制，但这些数控系统的功能集 中在工作台x 、y 轴上的移动定位、冲压速度、送料装置、工件夹钳等的控制上，而 对于滑块位置、速度和冲压力的控制却无能为力。 近年来，电子、通讯、家电及汽车工业等行业中板料加工生产的产品种类越来越 丰富，形状也越发复杂，改型频繁，为提高生产效率，降低成本，同时也要提高加工 精度，对压力加工设备的性能和自动化水平要求也越来越高，为适应及时生产的要求， 开发更为先进的驱动模式和数字控制系统已迫在眉睫。 计算机技术、集成电路技术、智能控制技术等技术的进步带动了数控技术的发展， 使新型控制系统应用到机械压力机成为可能。采用交流伺服电机代替传统的交流异步 电机直接驱动，取消飞轮和离合器一制动器，结构简化，传动精度高，伺服电机与新 型的控制系统相配合，可使滑块在运行的过程中能随时加速、减速或停止，动作灵活 自由，下死点重复精度高，压力机械的柔性和适应性更好 4 1 因此，在采用交流伺服 电机驱动的基础上，根据压力机加工特点，研究相匹配的专用控制系统，以期达到成 形加工过程的完美控制，为压力机自动化生产带来全新的突破。 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 1 2 国内外压力机装各发展现状 数控压力机的产生依赖于计算机技术、自动控制、伺服驱动等技术的发展，而数 控技术在压力机中的应用比在其它机床中的应用略晚。早在1 9 6 7 年，西德t r u m p f 公司就研制出第一台硬件控制( n c ) 的单冲头数控压力机。目前国外使用数控压力机 进行板料加工生产已相当普遍，数控压力机的应用在发达国家己进入普及和成熟的阶 段。据统计，美国在1 9 7 8 年至1 9 8 3 年问共生产出数控压力机约六万台，相当于美国 全部压力机总数的2 0 左右以欧洲四国为基础的统计数字表明，在1 9 8 3 年至1 9 9 0 年间数控压力机的销售量增加了4 0 倍。现在世界上已有许多数控压力机的生产销售 公司，其中较著名的有美国的w i e d e m a n n 和w a w h i t n e y 公司，西德的t r u m p f 和n i x o o r fd a r a d o r n 公司，日本的a i d a 和n i s s h i n b 0 公司，以及瑞士的 r a s k i n 公司等等。但这些数控压力机大多为液压伺服压力机、转塔冲床或多工位机 械压力机，控制功能也集中在t 轴，工作台，自动送料、气路等机床辅助部分，而对 压力机最重要的冲压部件缺少更精确的控制，驱动方式仍采用飞轮、离合器一制动器， 即只在刚性和综合间隙上作改进和完善，且已经接近极限。 随着大功率伺服电机的研制成功，机械压力机的传动结构发生了很大变化，最大 的创新点在于伺服电机取代了传统的主驱动电机、飞轮、离合器和制动器，国内外的 研究学者和压力机制造公司在直接驱动方式上做了不少的探索。t o k u z 建立了伺服电 机驱动四杆机构的系统模型睁j ；i l e f u n g 和k w c h e n 通过对压力机的运动学和动力 学分析，研究了伺服电机曲柄滑块机构的动态模型嘲；美国俄亥俄州立大学的 y o s s i f o n 和s h i v p u r i 研究了使用交流伺服电动机直接驱动的双肘杆压力机，通过对其 进行了参数选择及优化，制造了3 0 0 k n 的双动机械压力机1 7 棚；y a h 和c h c n 提出一种 由伺服电机驱动的变转速曲柄滑块冲床，对于不同的冲压加工，冲床可提供不同的输 入转速【l o j 。日本a i d a 和k o m a t s u 公司先后推出的新型数控压力机，在传动结构 上采用伺服电机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构工作【l i 】 在现有伺服压力机产品方面，有小松公司设计制造的h 1 f 系列复合型伺服压力 机，会田公司的n s l - d 系列数控伺服压力机，山田公司的s v o 5 型与m a g 2 4 型伺服 压力机，纲野公司的s e r v ol i n k 型伺服压力机，以及金丰公司的c m l 型伺服压力机。 下面简要介绍小松公司的h 1 f 系列a c 伺服压力机【1 2 1 。 h 1 f 4 5 系列a c 伺服压力机是小松公司顺应市场变化开发的一种新型冲压设备， 其最大的特点是取消了飞轮、离合器和制动器，而由a c 伺服电机直接驱动曲柄或螺 杆带动滑块上下往复运动，可施加3 5 0 2 0 0 0k n 的压力，并且采用高性能c n c 系统， 滑块的动作灵活，可在运行的过程中随时加减速或停止，且精度很高。h 1 f 4 5 系列压 力机采用开式床身结构，公称压力为6 0 0 k n , 滑块行程长度为1 0 0 m 时行程次数为 2 硕士论文基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 7 0 s p m ，行程长度5 0 m m 时行程次数1 5 0 s p m 。h i f 4 5 系列a c 伺服压力机的优点表现在 以下几方面： 生产的高效性 提高效率的常用方法是提高冲压次数，但过分提高冲压次数会给成形带来不良影 响，而且与润滑状况、振动及冲击等因素一样会造成模具寿命降低。在这种情况下， 只有降低合模时的滑块速度，提高回程速度，才可以最大限度地提升生产效率。而这 些是传统的压力机无法做到的，h i f 4 5 系列a c 伺服压力机由于配备速度、位置和压 力可控制的a c 伺服电机，在合模时可降低滑块速度，在非工作行程内提高滑块速度， 减少不必要的时间消耗。 高精度 小松的a c 伺服冲压机通过装在滑块上的线性监测器来随时测定滑块的高度，并 将此信息反馈给伺服马达，以便能高精度地确定滑块的下死点位置。由此，可以将框 架的膨胀及浮动的间隙等因素产生的影响予以排除，使设备在安定的状态下维持高精 度的生产 低噪音 冲压加工的噪声，除了打孔作业的声音外，还有模具之间碰撞的声音，底盘缓冲 器及脱模顶针上升时的脱模音等。a c 伺服冲压机只是在模具的碰撞瞬间降低滑块的 下降速度，使在维持生产效率的同时实现低噪声加工成为了可能。 国内数控压力机的研制工作起步较晚，水平也较低。上海第二锻压机床厂曾在 1 9 7 6 研制出硬件连接数控叫c ) 步冲压力机，其板料进给系统由电液脉冲马达驱动。在 从国外引进大量的数控压力机后，国内对其技术进行了消化、吸收及国产化工作，在 科研人员的努力下，国产压力机装备水平也有了一定的提升。如北京机床研究所与天 津重型机器厂联合生产了国内第一台大型数控压力机，通过伺服闭环系统，实现了高 精度的位置、压力控制，并配有人机界面。浙江锻压机械有限公司也成功研制 j z 2 1 k - 1 1 0 型1 1 0 0 k n 开式数控快速返程压力机，该机是以普通的开式曲柄压力机为基 型，在传动系统中增设多连杆机构，在控制系统中增加数控系统设计而成。该机在结 构、性能、操纵控制等方面均处于同类压力机领先水平。其主要技术特点有： ( 1 ) 应用双曲柄多连杆机构，使滑块运行速度更适宜板料冲压要求。该机滑块 能快速接近公称力行程区，冲制完成后又可快速返回上死点。可明显缩短滑块空程时 间，提高生产率。而且，在公称力行程范围内，该机滑块运行速度明显减慢且近似匀 速，使上模与工件接触后的冲击减少，冲裁噪声明显降低，模具使用寿命延长当滑 块运行至下死点附近范围时，可在一定时间内保压，从而提高拉深制件质量。 ( 2 ) 采用了美国h e l m 公司的数控系统，使主机具有以下功能：菜单式显示和 设定压力机工作状态；实时显示曲轴转动角度、滑块运行速度与冲压力；冲压速度实 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 现数字化设定；显示并控制制件计数；可在线编程电了凸轮；高速模具保护接口；具 有光线式安全保护装置；中英文自动显示故障原因并提示诊断方法：可设定各类安全 密码；可配置装模高度传感器，实现装模高度闭环控制：可配置送料伺服系统。 由于j z 2 1 k 1 1 0 型压力机具备上述滑块的运行特性和数字化技术，故除能适应一 般的冲裁、落料、弯曲等冲压工序外，结束了在机械压力机上只能进行浅拉深的历史， 并能保证拉深件质量。而整机所具备的各项性能，更使开式压力机在数字化、宜人化、 自动化方向迈进了一大步。 但国内生产的数控压力机的特点是：功能较完善的数控压力机全部为仿制国外的 产品，数控压力机的关键部件，如数控系统的全套硬件及软件、伺服驱动电机和高精 度大导程滚珠丝杠及直线滚动导轨，都是从日本或西德进口；而功能简单的经济型数 控压力机则是操作不方便，加工精度低，适用面窄，达不到高的性价比，尚需进一步 的改进和完善。 台湾压力机行业与大陆市场形成了鲜明对比i ”】，不仅在上世纪七八十年代即实现 了主要成形设备的自给自足，并依靠质优价廉的优势在世界市场上占有越来越大的份 额，每年有8 0 的锻压机床成功销往世界市场，并造就了一批优秀的锻压设备制造企 业，金丰企业、协易( s e ) 机械两家公司先后跻身世界锻压企业前十名。2 0 0 3 年， 金属工业研究发展中心与日本大同机械制作所进行策略联盟，在较为传统的c 型冲床 和自动化精密压力机生产领域，不断进行技术创新，与大陆始终保持近五年的技术差 距。 从国内外研究现状来看，通过机械上的改进来提高压力机的综合性能已经走到了 极限，应该在驱动和控制上寻求突破，小松公司的h 1 f 系列压力机反映了压力机设备 的发展方向。 1 3 压力机控制系统发展现状 在压力加工中，控制系统的性能至关重要，在一定程度上决定了压力机的生产效 能。如今，该领域已成为压力机的研究热点。国内外的企业和研究机构都在积极开展 压力机数控化的研究，世界知名的数字控制系统开发商已有成熟的产品推向市场。华 中理工大学以锻压机床为对象，提出了基于工控机的分布式三级控制和基于个人计算 机的虚拟分布式数控系统两种模式【1 4 1 。前者的设计理念是：以操作台、p l c 和强电控 制柜组成第一级控制系统，完成开关信号的处理和控制；工业控制主计算机和智能控 制模板组成第二级控制系统，与反馈元件构成位置、速度、压力闭环控制系统；第三 级计算机用于将机床接入工厂级管理网络中而后者的特点是：使用一台通用个人计 算机( 嘲作为控制计算机，采用虚拟化设计，用软件的方法实现分布式数控系统的 4 硕士论文基于伺服电机直接驱动的压力机挣制系统研究 p l c 控制、模拟量i o 、人机交互等功能。 在成熟产品方面，北京法那科公司推出了针对锻压机械的o im a t em o d e lc 系列 c n c t 瑚，南京埃斯顿工业自动化有限公司与美国h e l m 公司合作，开发出p a c 系列压 力机数控系统【1 6 1 ，台湾长荣自动化公司研制出全电式冲压机控制器，西门子公司的 s i m o t i o n 运动控制系统及s 7 3 0 0 系列p l c 也是面向压力机的复杂运动控制开发 的新一代数控产品。其中的s i m o t i o n 是西门子全新的运动控制系统，专门针对生 产机械而设计，它将运动控制、逻辑控制及工艺控制功能集成于一身1 1 7 j 。 德国m u l l e r w e i n g a r t e n 公司与德国b e c k h o f f 公司合作【l 酊，在其生产的m u l t i e u r v e 系列冲压机械设备中，使用b e c k h o f f 公司的c 6 1 4 0 工业p c 作为控制装置，系统配备 奔腾h 1 8 5 0 微处理器，通过c p l i n k 协议可直接连接到b e c k h o f f 控制面板，系统结构 如图1 3 1 所示。强大的自动化控制软件t w i n c a t 支持所有的现场总线通信系统，并 基于g r m d o w s 2 0 0 0 操作平台，可方便地安装打印机、网络连接及电话通信服务，m u l l e r w e i n g a r t e n 还设计了p c - a 1 1 y w h e r e 软件，只要将控制系统与企业网络或i n t e m e t 连接， 就能实现远程故障诊断。 图1 3 1b e e k h o f f 公司压力机控制解决方案 德国s i e b m e y e r 公司开发的c n c 6 1 。0 5 系列伺服冲压系纠，是一种将单轴数 控系统、伺服放大器、电源、电源滤波器和制动电路集于一体的机电控制单元。配备 了数字信号和模拟信号的通信接口，可直接对生产过程的冲压力，扭矩、高度等数据 信号进行分析、处理，并具有各种不同的通信接口可同时使用的特点，例如，可同时 使用r s 2 3 2 r s 4 8 5 、以太网和p r o f i b u sd p 局域网通信接口的能力，可利用液晶显示 屏和p c 机显示数据、图像，实现生产过程数据可视化，并能将数据存储以备查询。 利用s i e b & m e y e r 公司提供的p r e s s 6 1 软件，用户可方便地对控制系统的参数进行赋 值，利用冲压生产工艺模块( 冲压力、行程控制等) 软件编制非常复杂的冲压生产工艺。 硕士论文 摹于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 冲压设备螺旋压力机 图1 3 2c n c 6 1 0 5 系列伺服冲压系统 1 4 压力机控制系统发展趋势 综合目前压力机控制技术来看，控制系统只是在硬件上采用了处理速度更快、软 硬件资源丰富的微型计算机，而在网络与控制理论层次还有很大的研究空间，未来压 力机的控制系统将朝着以下三个方向发展： ( 1 ) 智能化，随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化 程度将不断提高刚。 应用自适应控制技术。数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统 的有关参数，达到改进系统运行状态的目的； 引入专家系统指导加工，将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规 律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统； 引入故障诊断思想，具备自诊断能力，即使发生故障也能迅速排除，减少停机 时间。 ( 2 ) 网络化，通过以太网将设备接入企业网，使生产运行数据能及时反馈至工作 人员，便于设备管理、监控，若出现本地技术人员无法解决的技术故障，还可通过 i n t e m e t 连接远程维护中心，实现远程故障诊断与维护。 ( 3 ) 高柔性，系统可针对不同的材质或工艺，模拟加工过程，并自动优化工艺参 数，形成最优的滑块运动模式，达到适应多种成形加工的目标。 6 硬士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 1 5 论文主要研究内容 本课题来源于扬州锻压机床有限公司与南京理工大学的产学研合作项目“网络化 智能型数控精密成形压力机”，项目目标是在扬州锻压机床有限公司第二代精密成 形压力机j h 2 1 系列的技术基础上，研制一种新型的智能化曲柄压力机，利用伺服电 机作为机械设备的动力源，取代传统的异步电机，并基于滑块高速下降与回程、等速 加工及下死点停留时间延长等运动特性，开发一套适用于机械压力机的数控系统，使 机械压力机具有智能化、柔性化的特点，以提高压力机的自动化水平和加工性能。 论文主要研究内容为： ( 1 ) 压力机系统总体结构的研究，对机械传动机构改进、电机选型参数计算、控 制系统选型进行了探讨； ( 2 ) 控制系统总体结构详细设计： ( 3 ) 滑块运动控制系统的数学建模与仿真试验研究； ( 4 ) 控制系统软件的开发，包括逻辑控制程序、运动控制程序、运行监控程序。 7 硕士论文基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 2 伺服电机直接驱动压力机总体设计 2 1 压力机基本工作原理 j i - 1 2 1 开式压力机主要由以下几部分组成【2 l 】： ( 1 ) t 作机构：曲轴、连杆、滑块，平衡缸等部分组成； ( 2 ) 传动系统：一级齿轮传动； ( 3 ) 操纵系统：由组合干式气动离合器、制动器组成： ( 4 ) 润滑系统：采用电动浓油润滑装置，对导轨面、曲轴前后轴瓦和连杆轴瓦 进行集中润滑，润滑间歇时间和出油量由可编程控制器控制； ( 5 ) 过载保护系统：采用液压过载保护装置，压力机过载时，卸荷阀打开，滑 块停止动作； ( 6 ) 模高调节机构：手动或电动调节方式，通过滑块上的指针和t 型导轨上的 标尺指示装模高度。 ( 7 ) 电气控制系统：采用可编程控制器控制主电机启停、双联电磁阀通断、各 指示灯亮灭等动作。 压力机工作原理如图2 1 1 所示，电动机l 通过三角皮带驱动大皮带轮3 ，经过离 合器5 和齿轮6 、7 、8 带动偏心齿轮9 ，带动滑块1 3 和凸模1 4 直线下行，冲压工作 完成后滑块回程上行，离合器自动脱开，同时制动器4 接通，使滑块停止在上死点附 近，大皮带轮同时起到飞轮的作用，偏心齿轮9 和曲轴的作用相同。 机械压力机的载荷是冲击性的，即在一个工作周期内冲压工作的时间很短，短时 的最大功率比平均功率大十几倍以上，因此在传动系统中都设置有飞轮，按平均功率 选用的电动机启动后，飞轮运转至额定转速，积蓄动能。凸模接触坯料开始锻压工作 后，电动机的驱动功率小于载荷，转速降低，飞轮释放出积蓄的动能进行补偿。锻压 工作完成后，飞轮再次加速积蓄动能，以各下次使用。 机械压力机上的离合器与制动器设有机械或电气连锁，以保证离合器接合前制动 器一定松开，制动器制动前离合器一定脱开。 生产中，有可能发生超载现象，为保证设备和人员安全，常在压力机上装设有过 载保护装置和光电保护装置。 硕士论文基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 l 一电动机，2 一小皮带轮，3 - - 大皮带轮，4 - - 制动器，5 一离合器 6 、8 一小齿轮，7 一大齿轮，9 - 偏心齿轮，1 0 - - 芯轴，1 1 一机身，1 2 一连杆 1 3 一滑块，1 4 一凸模，1 5 一凹模，1 6 - - 垫扳，1 7 一工作台，1 8 一液压气垫 图2 1 ，l 机械压力机工作原理图 2 2 设计且标 j h 2 1 系列开式压力机且属第二代成形压力机，但驱动结构上仍是落后的飞轮、 离合器一制动器组合模式，结构复杂、臃肿，多环节传动精度差，噪音大：该压力机 虽然采用了流行的p l c 控制，但主要集中在电气、电机的起停，油路、气路上，控制 动作多为开关量，而对于滑块的位置速度无法做到有效的控制，对不同工件的冲裁适 应性差，尤其是可塑性差、易脆裂等难加工材料制品的冲裁和拉深加工；同时，加工 过程中压力机状态采用指示灯显示。缺乏直观的状态与故障监控，生产及工艺管理也 无从谈起。 针对传统压力机存在的不足，参照第三代压力机的技术特点，提出设计目标为： 摒弃传统的飞轮、离合器一制动器，以大功率交流伺服电机代替传统的交流异步电机， 通过一级齿轮减速机构，驱动曲柄滑块机构动作。同时，控制功能在原有的逻辑控制 基础上增加上位机监控和运动控制，分别实现压力机的实时监控和滑块位置速度可 调，提高压力机的加工“柔性“ 9 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 表示每分钟滑块动作次数) ，滑块在行程内最高 齿轮减速比：1 0 ： 配置安全制动系统。 2 3 伺服电机直接驱动压力机总体设计方案 根据设计目标，构建基于伺服电机直接驱动压力机设计方案如2 3 1 所示。 图2 3 1 伺服电机直接驱动压力机系统框图 在机械结构上，伺服电机只通过一级减速齿轮，再依靠连杆带动滑块上下运动， 这样有效降低了传动误差，提高了滑块位置精度，并且转动惯量的减小使系统动态响 应更快。同时，通过一级齿轮减速，可减小电机的调速范围，增大出力比，结构简单， 维护方便。紧急制动装置采用电磁制动器，在过载、故障、电源断电时需要紧急停车 时，电磁制动器断电，弹簧作用于制动盘上，使处于衔铁与电机端盖之间的制动盘被 夹紧，依靠摩擦力矩使电机轴停转；当制动器通电时，电磁铁心将衔铁吸合，制动盘 技释放，即制动器被打开。 1 0 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 伺服系统中的执行元件为大功率的交流伺服电机，伺服电机具有以下特点：较强 的过载能力；宽的调速范围，良好的加减速性能；可频繁起动、制动，正反转切换等 重复运动；能够灵活方便地接受计算机控制指令；具有良好的鲁棒性和快速响应能力。 与电机配套的伺服驱动器接受控制系统发出的命令，与电机速度反馈信号相比较后向 电机输出正确的控制电压。 2 j 1 伺服电机直接驱动可行性分析 在直接驱动技术最初研究中，由于受到不少技术的局限性而无法得以实现圈。随 着新材料、电力电子及微处理技术、控制理论与电机理论的发展，压力机采用伺服电 机直接驱动的条件已逐渐成熟。 ( 1 ) 大功率伺服电机的研制 驱动装置是所有机电系统的核心，提供装备所需动力并实现所需的运动咧。长期 以来，重载驱动场合均采用直流电机，但由于其结构存在机械换向和电刷这一致命弱 点，而伺服电机功率不足，限制了其在压力机中的应用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钕铁硼( n d f e b ) 阱l ，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。用这种强磁合金制造的同步电机体 积小、重量轻、出力大，效率高，动作快。同时，在工业应用中，交流同步伺服电机 相比于异步伺服电机在可控性、过载能力、可靠性、体积、重量、节能、效率及耐受 环境等方面具有较大的优势。此外，同步电机比较容易实现电气制动，储存制动能量， 这对于间歇工作的成形装备，具有重要的意义。大转矩、高效率的永磁同步伺服电机 应用到机械压力机具有明显的潜力。日本f a n u c 、安川公司都已研制出了最高功率高 达1 5 0 k w 的交流伺服系列电机。 ( 2 ) 电机储能及电网冲击 曲柄压力机的负载属于冲击负载，在短时间内达到较高的工作负荷，依此时间内 计算的功率选择电机，电机的容量将会很大，因此传统方式是设置飞轮以减少电机功 率。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。但如果仅以电机来驱动负载， 同样存在着电机容量大，价格昂贵的问题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 瞬时能量释放陋】。压力机空行程时电机可低功率运行，而在工作行程内，通过电容瞬 时放电辅助，输出所需的冲压力矩，这样可大大减少电机的体积、功率。 同时，在伺服电机直接驱动情况下，无飞轮储能，电机释放瞬时扭矩来克服工作 负荷时将产生很大的电流冲击，若不采取相应措旌，将对电网造成隐患。伺服电机驱 l l 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 动电路设置的储能装置，将起到“飞轮”的作用，空行程时储存电能，工作行程中为 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，产生的能量由储能 电容储存圈。 ( 3 ) 驱动控制技术的进步 交流同步伺服电机的运行离不开驱动控制电路，电力电子技术及微处理技术进一 步推动了同步伺服电机在成形装备中的实用价值。随着功率开关管从早期的晶闸管发 展到目前的智能模块( i p m ) ，使得电机的驱动装置向着重量轻、体积小、高效率、高 可靠性、高性能、高精度、多功能及智能化方向发展。同时，高速微处理器和d s p 器件的出现，使控制器实现了半数字化的数模混合控制和全数字化的控制，运行速度、 处理能力提高很大，而且还有专用的控制芯片出现嘲。 2 3 2 电机选型分析 压力机加工具有负载大、冲击强的特征，直接驱动用伺服电机与传统压力机用电 机相比，需要输出更大的扭矩，具备更强的抗扰动能力。因此，有必要对直接驱动用 伺服电机选型进行分析。电机两个主要选型参数为额定功率和额定输出扭矩，其中电 机功率计算除了分析压力机一个工作周期所消耗的能量，还应考虑加减速动态过程。 一、功率计算 已知曲柄压力机参数：公称压力p g - = 6 0 0 k n ，滑块行程1 4 0 r a m ，公称力行程5 m m ， 平均行程次数为5 7 s p m ( 2 5 7 5 ) ，封高调节量为8 0 m ，公称压力角口。= 1 9 6 2 9 ，曲 柄半径胆- - 7 0 m m ，连杆长度l = 6 4 0 m m ，连杆系数五= r l = o 1 0 9 ，齿轮传动机构减速比 为1 0 。 本项目中计算伺服电机功率时，应考虑两部分：首先是恒速驱动时一个工作周期 所消耗的能量，其次是加速时消耗的能量。 1 恒速驱动下电机功率计算鲫 压力机一个工作循环所消耗的能量a 为： a = 4 + 4 + 4 + 4 + 4 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中： 4 为工件变形功( 属有效能量) ； 4 为拉深垫工作功，即进行拉深工艺时压边所需的功( 属有效能量) ； 丘为工作行程中曲柄滑块机构摩擦消耗的能量： 4 为工作行程时压力机受力系统的弹性变形所消耗的能量； 4 为压力机空程向下和空程向上时所消耗的能量。 1 2 f 里堂皇薹王堡堡皇熟塞堡墅垫堕堡查墼丝塑墨篓塑塞 ( 1 ) 工件变形功4 能量不同，在工作行程内压力机的工作负荷如图2 3 2 所示通用压力机是以厚板冲 裁负荷作为变形功的计算依据。 p 倒2 3 2 压力机工作负荷图 在冲裁工件时，当冲头进入到板料厚度的0 4 0 5 倍时板料即断裂，因此通常取 h = o 4 5 ( 2 2 ) 式中i j b 为板料厚度，h 为切断厚度。 将图2 3 2 中的曲线视为三角形，则冲裁时的变形功为 4 2 弓 ( 2 3 ) 考虑到曲线为鼓形，应增加裕量，则： 4 。0 7 p ：h ( 2 4 ) 将式( 2 2 ) 代入( 2 4 ) 得： 42 0 3 1 5 p ：h ( 2 5 ) 对于单级传动压力机，有以下经验公式： 2 0 2 0 ( 2 6 ) 则：4 = 0 3 1 5x 6 0 0 x 1 0 3 x o 2 x 垢丽x l f f 3 = 9 2 6j ( 2 ) 拉深垫工作功4 对于带拉深垫的压力机，应按浅拉深工艺来计算工艺变形功。根据文献 1 1 介绍， 当量浅拉深功略大于式( 2 5 ) 计算出的厚板冲裁功。为设计方便，用厚板冲裁功代替 浅拉深功但应考虑工件压边所需的功，即拉深垫工作功，消耗的能量大小取决于压 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 紧力和工作行程。拉深垫工作功计算公式为： ，a 2 = 秘s = 等 眨， 式中罡为压力机公称压力，s 为滑块行程长度。 则属= 6 0 0 x 1 0 3 x 0 1 4 1 3 6 = 2 3 3 3 3j ( 3 ) 曲柄滑块机构摩擦消耗的能量正 对于通用压力机，曲柄滑块机构摩擦消耗的能量可由如下公式表示： 4 2 0 5 最咚 ( 2 8 ) 其中为摩擦当量力臂，巴为公称压力，吃为公称压力角 计算公式为= m c l + _ c j 九+ + 以】，已知参数摩擦系数= o 0 4 ，a = 0 1 0 9 ，曲轴曲柄颈直径以= 1 6 0 m m ，球头直径蟊= l s 0 m ，曲轴支承颈直径屯= 1 3 0 姗，则= 0 0 4 1 1 0 9 x1 6 0 + 0 1 0 9 x1 5 0 + 1 3 0 2 = 6 4 7 r a m 。 因此，属= 0 5 0 0 0 6 4 7 x 6 0 0 i 0 3 o 3 4 2 = 6 6 3 8j ( 4 ) 压力机受力系统的弹性变形所消耗的功4 压力机处于工作行程中时，机身和曲柄滑块机构等受力系统因受载产生弹性变 形，因而引起能量损耗，有时一部分的弹性变形能量可以转化为有用能量，为了安全， 认为全部弹性变形能量都已损失。 4 2 弓劬 ( 2 9 ) 其中厅表示压力机总的垂直变形，a h = ，g 为压力机垂直刚度，查表得开 l 式压力机g 推荐值为4 0 0 k n m m ，a h = 6 0 0 4 0 0 = i 5 姗。 则丘= 6 0 0 1 0 3 i 5 1 0 4 2 = 4 5 0j ( 5 ) 空程向下和空程向上时所消耗的能量正 根据文献 1 2 表6 4 提供的试验数据，查表得到对应6 0 吨压力机空程损耗功 为9 7 8 j ，因此正= 9 7 8 j 综合以上分析，压力机一个工作循环所消耗的总能量： 彳= 4 + 4 + 4 + 4 + 4 = 9 2 6 + 2 3 3 3 3 + 6 6 3 8 + 4 5 0 + 9 7 8 。5 3 5 1 1j 压力机一个工作循环电机平均功率为： 1 4 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 肛丝 研 ( 2 1 0 ) 机安全系数，查表得七= 1 5 ；f 为工作循环时间，卢面1 ，玎为滑块行 程次数，产5 7 ，g 为行程利用系数，手动送料时g = o 5 ，则f = 而警去= 2 1 s ，7 为 压力机总效率，带拉深垫且为手动送料时为0 4 5 。 因此胆堑! ：! 兰! ：! ：8 5 ( k w ) 。 2 1 x 0 4 5 2 电机加速或减速时电机功率计算 在一个冲压行程中，伺服电机的速度经历匀速、减速、加速的变化过程，因此在 确定伺服电机的功率时，还需考虑其加、减速时的动态转矩。 电机转矩的变化由电机的运动方程决定，电机的运动方程为【勰1 ： 丁正t ：，掣 ( 2 1 1 ) 。 4 班 其中，为电机输出转矩，正为折算到电机轴的负载转矩，0 为机械摩擦转矩折算 到电机轴的摩擦转矩，由为电机轴转速，为折算到电机轴上的总转动惯量。 图2 5 3 为变速驱动时伺服电机运动模型，t o 到为减速区，t 2 到f 3 为加速区，其 余时段为匀速区系统加速时，7 五+ 弓，即警 o ，电机提供加速力矩；当系统减速 时，k 瓦+ 弓，t i p - 警 0 ，电机提供制动力矩 上死点 下死点 图2 5 3 伺服电机变速运动模型 首先讨论系统加速，设加速力矩为互，则王= ，已知电机轴上的总惯量为 0 5 7 4 k g m 2 ，滑块最高行程次数为7 5 ，则电机输出轴转速为7 5 0 r p m , 滑块一个工作循 1 5 硕士论文 基于伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究 环所用的时间为i 0 5 s ，滑块行程为1 4 0 咖，工作行程为5 m m 。在此预先按一级减速计 算。进行拉深工艺时，滑块行程次数变化最大为2 5 s p m 加速到7 5 s p m ，2 5 s p m 时电机 转速为2 5 1 0 = 1 5 0 r p m ，因此，电机从2 5 0 r p m 加速到最大角速度7 5 0 r p m 才能满足工 艺及速率要求。 t 。到下死点的时间为；l - - 杀0 t g o 笔# ) = o 0 7 s o 综合生产效率和节能的考虑， 初步设定加速时间为0 2 s ，则电机的最大加速度为： _ d o ) ：堡：( 7 5 0 - 2 5 0 ) 2 z ：2 6 1 7 ( t a d s 2 ) 甜业o 2 6 0 则互= 辟= 2 6 1 7 x 0 5 7 4 = 1 5 0 2 n m 。 电机按最大的加速度加速到7 5 0 r p m 时的瞬时动态功率为