（机械电子工程专业论文）伺服压力机控制系统的研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o l s y s t e mo f s e r v o p r e s s 水 at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z h a n p e n g s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a o y u l i a n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l 2 0 1 0 s u p p o r t e db y ：t h ep r o v i n c et r a n s f o r m a t i o no f s c i e n c e & t e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t sp r o g r a m m eo f j i a n g s u ( n o b a 2 0 0 8 0 3 0 ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。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。 研究生签名：2 重塑塾日期：丝! ! ：竺：童 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：鉴塑墨导师签名：研究生签名：2 篁竺曼导师签名：垃日期：塞：f ! ：坐查 摘要 伺服压力机控制系统的研究 研究生姓名：詹鹏 导师姓名：毛玉良副教授 学校名称：东南大学 摘要 传统机械压力机在冲压时由于工作模式同定、运动特性单一、工艺适用性较差，无法满足不同材 料、不同冲压工艺对压力机滑块工作曲线柔性可调的要求。与传统机械压力机相比，伺服压力机利用 伺服电机直接驱动曲柄滑块机构，通过控制伺服电机的转速，可以精确地控制滑块的位移和速度，从 而满足不同加工工艺的要求。本文对双点伺服压力机的同步控制及几种运动控制方法进行了仿真研究， 并根据工程实际需要，对单点伺服压力机的运动控制器进行了设计，提出了新的硬件结构方案。论文 的主要研究内容如下： 首先，概括了国内外伺服压力机的研究现状以及伺服控制系统的性能指标。介绍了伺服压力机的 三种常用加工曲线，并对曲柄滑块机构的运动学和动力学做出了分析。 其次，研究了该伺服系统的建模方法，通过对实际压力机的实验数据进行参数辨识，用最小二乘 法获得各有关参数，验证表明，辨识得到的模型和实际的模型能很好的吻合。表明该方法对伺服系统 的建模简便有效，并接近真实系统。 第三，针对双点伺服压力机的同步控制，提出了多种同步控制策略，通过对比各种控制策略的优 缺点，最终选定交叉耦合同步控制策略，并进行了初步的仿真研究：另外，常规p i d 算法常引起快速 性与超调量之间的矛盾，文中引入了非线性p i d 用于完成伺服系统的控制，通过仿真和在实际系统上 的实验发现，非线性p i d 控制器能获得较快的响应和较小的超调量，并具有一定的自适应性；在研究 中发现，压力机在启动、停止及速度变化时容易产生冲击、失步、超调或震荡，为了提高加工质量和 加工效率，文中对加减速控制方法进行了研究，并选择了易于实现实时控制的s 曲线加减速控制方法。 第四，针对前期工程开发所采用的硬件体系，即单点伺服压力机控制器在实际调试过程和现场试 用中发现的问题，提出了新的实现方案，即以工控机和嵌入式运动控制器共同构成主从式控制系统， 并以紧凑的硬件和重新编制的软件具体实现了该系统。 最后，新型单点伺服压力机控制器在实验室和现场环境下完成了调试和初步的验证工作，不同控 制算法的对比运行表明，本文的研究工作具有实用性。另外，本文还实现了在线实时数据记录功能， 即在控制过程中，完整存储一个以上工作周期的有用数据，并在需要时可传送到工控机中保存，这对 算法的效果分析和改进，具有很好的实用价值。 关键词：伺服压力机，运动控制，系统辨识，同步控制，非线性p i d 控制器，s 曲线加减速，a r m a b s t r a c t r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fse r v op r e s s b y z h a n p e n g s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o cm a oy u l i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t at r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r e s sa l w a y sw o r k su n d e rf i x e dm o d e s ，l i m i t e dm o v e m e n tp a t t e r n sw i t hp o o r c h a r a c t e r i s t i c s i ti sn o tw i d e l ys u i t a b l ef o rm a c h i n i n ga p p l i c a t i o n sw h e r et h er e q u i r e m e n to fa d j u s t i n gt h e w o r kc u r v ef o rd i f f e r e n tm a t e d a l sa n dd i f f e r e n ts t a m p i n gp r o c e s ss h o u l db em e t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lp r e s s ，s e r v op r e s sc a np r e c i s e l yc o n t r o lt h es l i d e rd i s p l a c e m e n ta n ds p e e dt om e e td i f f e r e n t r e q u i r e m e n t so fp r o c e s s i n gb yc o n t r o l l i n gt h es p e e do fs e r v om o t o rw h i c hd i r e c t l yd r i v e st h es l i d e r - c r a n k m e c h a n i s m t h es y n c h r o n o u sc o n t r o la n dl o t so fm o t o rc o n t r o lm e t h o do fd o u b l e - p o i n ts e r v op r e s sa r es t u d i e d a n ds i m u l a t e d i nt h ep r o c e s so fr e s e a r c h ，t h es e r v om o t i o nc o n t r o l l e ro fp r e s si sd e s i g n e da n dan e wh a r d w a r e d e s i g ni sp u tf o r w a r d t h ef o l l o w i n gi st h em 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 f i r s t l y , t h er e s e a r c hs t a t u so fs e r v op r e s sa n dt h es e r v oc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e xa r ei n t r o d u c e d t h r e ek i n d so f t y p i c a lp r o c e s s i n gc u r v e so fs e r v op r e s sa r ep r e s e n t e d i na d d i t i o n ，t h ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i c s o fs l i d e r - c r a n km e c h a n i s ma r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h es e r v os y s t e mm o d e l i n gm e t h o di ss t u d i e d b yp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nb a s e do nt h e e x p e r i m e n t a ld a t ao fa c t u a lp r e s s ，t h er e l e v a n tp a r a m e t e r si so b t a i n e db yt h el e a s ts q u a r em e t h o d t h em o d e l t e s ts h o w st h a tt h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l tm a t c h e su pt ot h ea c t u a lm o d e l s t h i sm e t h o dm a k e st h es e r v os y s t e m m o d e l i n gm o r ec o n v e n i e n ta n dm o r ea p p r o x i m a t et or e a ls y s t e m t h i r d l y , s o m es y n c h r o n o u sc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep u tf o r w a r df o rt h es y n c h r o n o u sc o n t r o lo fd o u b l e - p o i n t s e r v op r e s s t h r o u g hc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e s ，c r o s s c o u p l e d c o n t r o ls t r a t e g yi ss e l e c t e di nt h ee n d a st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e no v e r s h o o ta n dr a p i d i t yi sb r o u g h ti nb yt h e c o n v e n t i o n a lp i d ，t h en o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e ri sa d o p t e dt oc o n t r o lt h es e r v os y s t e m s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e n o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e rc a na c h i e v er a p i dr e s p o n s e ，s m a l lo v e r s h o o ta n d a d a p t a b i l i t y a st h e r ea r ei m p a c lm i s s - s t e p ，o v e r s h o o to ro s c i l l a t i o nw h e nt h em a c h i n ec h a n g e ss p e e d , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o lm e t h o di ss t u d i e d f i n a l l y , s - c u r v ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l m e t h o di sa p p l i e d , w h i c he a s i l yr e a l i z e sr e a l - t i m ec o n t r 0 1 f o u r t h l y , f o rt h ea c t u a ln e e d ，t h en e wh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sp u tf o r w a r dt os i m p l i f yt h e p r e v i o u ss e r v op r e s sc o n t r o l l e r , i nw h i c ha ni n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) i si n t r o d u c e da st h em a s t e ra n d a l le m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e r 雒t h es l a v e m a n y a d v a n t a g e so ft h ep r e v i o u sv e r s i o nh a v eb e e ni n h e d r e da n d n e wf u n c t i o n sa d d e db yr e p r o g r a m m i n g i nt h i sw a y , an e wc o m p a c tv e r s i o no f t h ec o n t r o l l e ri sc o m p l e t e d f i n a l l y , t h r o u g hd e b u g g i n ga n da d j u s t m e n ti nt h el a b o r a t o r ya n di n d u s t r i a le n v i r o r t m e n t t h en e ws y s t e m o b t a i n sv a l i d a t i o n c o m p a r i s o no fc o n t r o la l g o r i t h m ss h o w st h a tt h er e s e a r c hw o r ko fr e l e v a n c e ar e a l - t i m e d a t ar e c o r d i n gf u n c t i o ni sa l s or e a l i z e d i th a st h ea b i l i t yt os t o r eu s e f u ld a t ag e n e r a t e di nm o r et h a no n ew o r k c y c l eo f t h ec o n t r o lp r o c e s sf o ro f f - l i n ea l g o r i t h ma n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t i ti sp r o v e dv e r yh e l p f u l k e y w o r d s ：s e r v op r e s s ，m o t i o nc o n t r o l ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n , s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ，n o n l i n e a rp 1 d c o n t r o l l e r , s - c u r v ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n , a r m i i 目录 目录 摘要 a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 1 1 传统曲柄压力机：1 1 1 2 现代伺服压力机1 1 2 国内外伺服压力机研究现状3 1 3 伺服控制系统的性能指标5 1 4 课题的研究意义5 1 5 本文主要完成的工作6 1 6 本章小结6 第2 章伺服压力机运动分析。7 2 1 引言7 2 2 双点伺服压力机的组成7 2 3 伺服压力机的典型加工曲线7 2 4 曲柄滑块机构的运动分析9 2 5 曲柄滑块机构的动力学分析1 0 2 5 1 曲柄滑块机构的建模10 2 5 2 负载力矩分析1 l 2 5 3 系统模拟与仿真1 1 2 6 本章小结1 3 第3 章伺服控制系统的建模与模型辨识1 4 3 1 弓l 言1 4 3 2 伺服高阶系统的近似1 4 3 - 3 输入信号的选择15 3 4 模型的辨识1 6 3 5 模型的验证17 3 6 本章小结1 8 第4 章双点伺服压力机控制方法的研究 4 1 弓i 言1 9 4 2 双点伺服压力机同步控制方法1 9 4 2 1 多电机同步控制策略1 9 4 2 2 多电机同步控制仿真研究2 0 4 3 伺服系统的非线性p i d 控制2 2 4 3 1 非线性p i d 控制器的设计原理2 2 4 3 2 非线性p i d 控制器的仿真实验。2 3 4 4 加减速控制方法研究2 5 4 4 。l 常用加减速控制方法2 5 4 4 2 五阶段s 曲线加减速基本公式。2 7 h l 目录 4 4 3 五阶段s 曲线加减速控制算法2 8 4 4 4 实际控制系统的仿真分析2 9 4 5 本章小结3 0 第5 章控制系统硬件设计 5 1 引言31 5 2 控制系统总体方案一3l 5 3 嵌入式微控制器及相关组件的选择一3 2 5 3 1 系统需求分析3 2 5 3 2 微控制器芯片选型3 2 5 3 3 微控制器芯片简介3 3 5 4a r m 核心处理模块一3 3 5 4 1a r m 核心板介绍3 3 5 4 2 控制单元接口规划- ：3 4 5 5 扩展板硬件电路设计3 4 5 5 1 位置检测电路3 4 5 5 2 数模转换电路设计3 6 5 5 3 通信模块设计3 7 5 5 4 开关量输入输出电路设计3 7 5 6 系统电源设计3 8 5 7 硬件电路调试一3 9 5 7 1d a c 模块调试。4 0 5 7 2 位置检测模块调试4l 5 8 本章小结4 2 第6 章系统软件设计与实验4 3 6 1 弓i 言4 3 6 2 软件总体设计4 3 6 2 1 软件开发环境简介4 3 6 2 2 软件结构设计4 3 6 3 上位机软件设计。4 4 6 4 下位机软件设计4 4 6 4 1 主程序设计4 4 6 4 2 控制程序设计4 5 6 4 3 通信程序设计4 6 6 5 系统实验4 7 6 6 本章小结5 2 第7 章总结与展望。5 3 7 1 总结5 3 7 2 展望5 3 致谢 参考文献 5 4 5 5 攻读硕士学位期间发表的论文。 i v 5 7 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 传统曲柄压力机 第1 章绪论 曲柄压力机是一种最常用的冷冲压设备，配合相应的模具实现工件加工。所谓曲柄压力机，是其采 用了曲柄滑块这种典型的机械传动，将能量从电动机传输到工作机构，从而使坯料获得确定的变形，制 成所需的工件。 压力成形，或者说塑性成形的方法自古就有。到了近代，随着适用大批量生产，如轿车生产的主要 生产方法的发展，压力加工技术也得到了快速发展。 曲柄压力机结构简单，使用方便 j l 。按床身结构形式的不同，可分为开式和闭式：按驱动连杆数的 不同可分为单点压力机或多点压力机；按滑块数是一个还是两个可分为单动压力机或双动压力机1 2 j 。 曲柄压力机种类繁多，但结构组成和原理非常相似。传统曲柄压力机主要由曲柄滑块机构、离合器、 飞轮、普通交流电机等组成。交流电机通过带传动带动飞轮高速旋转，储存一定的动能在飞轮上，离合 器每闭合一次，飞轮就带动曲柄轴旋转一周，完成一个冲压工作周期。图1 1 为徐州锻压机床厂集团有 限公司的传统双点曲柄压力机实物图，图1 2 为其原理简图。 静辱扩 夕 i cf滑块g i 图l - 1 传统双点曲柄压力机实物图图l - 2 传统双点曲柄压力机原理简图 传统曲柄压力机具有结构简单、生产率高，应用最为广泛等优点。但是由于飞轮转动惯量很大，位 于飞轮之后的曲柄转速在一个工作周期中近似不变，导致滑块运动曲线( 关于时间的函数关系) 固定不 变。通过这种传动系统要实现滑块变速难度很大，压力机的工艺适应性差，无法满足不同材料、不同冲 压工艺对压力机滑块工作曲线柔性可调的要求 3 1 。为了能够适应不同的冲压工艺要求，压力机的滑块必 须能够实现动态调速。因而带来的缺点是：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，还会造成极大的能源浪费和噪声污染。 1 1 2 现代伺服压力机 随着制造业朝着生产规模化、产品个性化的方向发展，产品型号变化加快，生产批量相对变小，多 种型号共线生产、覆盖件大型化，一体化的趋势日益明显，要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负 载的运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便地改变输出运动规律f 4 】。同时，压力机用户也在致力 l 东南大学硕士学位论文 于改进自己原始的加工工艺方法。 以上这些不断提高的加工工艺和生产条件的多样化都促进了锻压设备行业的重大变革。世界工业已 经飞速进入激烈竞争的时代，压力机行业由此掀起新的技术变革高潮。 在需求的推动下，目前，世界上出现伺服电机直接驱动的伺服压力机，能够满足塑性加工、难成形 材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形等成形工艺的要求。伺服压力机采用交流伺服 电机代替普通交流电机，去除传统曲柄压力机上的飞轮和离合器，使得压力机机械结构得以简化，可靠 性增强。日本小松公司的h 2 w 2 0 0 型双点伺服压力机的结构如图1 3 所示，其原理简图如图l - 4 所示。 伺服电机 块 图! - 3 双点伺服压力机实物图图l - 4 双点伺服压力机原理简图 虽然伺服技术早已应用于各种机器和装置上，但是采用伺服电机驱动的机床伺服压力机出现的 时间还很短。这种新型的压力机获得了业内巨大的关注，它改变了传统压力机的设计理念，是压力机漫 长历史上的重大技术进步。许多技术进步的因素，例如生产能力的提高、加工工艺性的提高、降低噪音 和震动以及节省能源等方面都融入到了伺服压力机中。 伺服压力机正是起源于这些因素，并且不断发展。伺服压力机将为新产品的开发提供新的加工技术 和环境，从而使金属加工企业可以更好地利用这种新的技术【5 1 。 综合分析国内外各种伺服压力机的工作特性，伺服压力机的主要特点有： ( 1 ) 通用性和智能性 由于其伺服功能，滑块运动曲线不再仅仅是正弦曲线，而是可以根据工艺要求进行优化设计的任意 工艺曲线。 ( 2 ) 精度高 由于系统采用闭环控制，滑块在整个压力机工作全程都具有较高的运动控制精度，从而保证压力机 的闭合高度在生产过程中的精度稳定，抑制产品毛刺出现，防止产生不良产品。 ( 3 ) 生产率高 由于保留了曲柄压力机的优点，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。不仅如此，伺服电机驱动曲柄压力机还可以根据工件的不同，调整滑块行程，在一个工 循环中无须完成3 6 0 度旋转，而只进行一定角度的摆动来完成冲压工作，这就进一步缩短了循环时间。 最大限度的减少了无谓的行程，大大提高了生产率。 ( 4 ) 节省能源 常规曲柄压力机驱动电机一直旋转，带动飞轮旋转，靠飞轮转动惯性，通过离合器控制滑块运动。 而伺服电机驱动压力机，完全靠电机的扭矩工作，通过混合( 丝杆、多连杆等) 增力机构，实现小电机 2 第l 章绪论 发挥出大的力量，没有离合器，由电机驱动单元控制电机的启停。由于省去了飞轮，电机只有在冲压时 才旋转，普通曲柄压力机的电机和飞轮空转耗能得以节省。又由于没有离合器也减少了离合器的能耗。 据日本小松公司报道，伺服压力机较普通压力机节能2 0 以上1 5 l 。 ( 5 ) 噪声低、振动小，模具寿命长 由于其采用伺服电机和计算机数字控制系统( c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l ，简称c h i c ) ，设计特殊的 工作特性曲线，控制冲裁时冲头速度，从而减少冲裁的振动和噪声，提高模具使用寿命。据日本小松公 司的研究结果，伺服电机驱动数控压力机的冲裁噪声较常规曲柄压力机降低2 0 d b 以上 6 1 。 1 2 国内外伺服压力机研究现状 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。长期以来，电机调速和控制主要依赖直流电机，由于价格高和结构 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、力矩等参数不能动态调节【7j 。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 8 l 。 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。用这种强磁合金制造的电机体积小、重量轻、出力大，效 率高，动作快。近年来，由于大功率伺服电机的研究开发成功，由大功率伺服电机驱动的新型机械设备 也相应出现，如世界著名的k o m a t s u 、a i d a 、a m a d a 、a m i n o 、t o y o 等公司，先后推出了采用 该技术的伺服压力机、伺服折弯机、伺服注塑机等设备p l 。 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1 0 】；r f 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，研究了曲柄滑块机构的动态模型 1 l 】；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 n k 的双动机械压力机【l2 j i l 3 1 1y a n 和c h e 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i l 引。l o 年前，在美、日、欧等工业发达国 家就已经兴起了交流伺服电动机直接驱动压力机的研究与开发例。 日本会田( a i d a ) 公司采用了自己开发的伺服马达和c n c 控制系统推出了n s l d 型的伺服压力 机。此产晶能进行无声动作，在不降低生产速度的情况下，实现低噪音、低震动【i 引。其产品n s i 3 0 0 0 ( d ) 的具体参数为：公称力3 0 0 0 k n ，公称力行程6 m m ，正常模式下滑块行程长度4 0 0 m m 和滑块行程次数 3 0 次分。 日本天田( a m a d a ) 公司，通过压力机专用伺服电动机与曲轴构造巧妙结合，实现灵活的行程动 作及在加工区域可以进行精确动作控制的数字伺服直接驱动装置。实现了降低噪音，电力消耗及润滑的 使用量。并在2 0 0 7 年推出了s d e 系列的伺服压力机。产品s d e 3 0 3 0 的具体参数为：公称力3 0 0 0 k n ， 滑块行程长度3 0 0 m m ，滑块行程次数3 0 次分，最大装模高度5 5 0 m m 。 德国舒勒( s c h u l e r ) 股份公司最新研制开发了新一代压力机，该机采用了适合于大批量或多品种 生产的伺服驱动系统，大大提高了冲压设备的生产效率和灵活性。推出了2 5 0 0 k n 、3 1 5 0 k n 、4 0 0 0 k n 、 5 0 0 0 k n 和6 3 0 0 k n 公称力的新一代系列冲压设备，都配备了被称之为“p s e ”的部件，而且所有的冲压 设备都采用了集成化的模块，按照模块化结构制造，因此，s c h u l e r 股份公司可以为用户提供性能更强 大的板材冲压设备。产品t s d 2 2 5 0 的具体参数为：公称力2 5 0 0 k n ，滑块行程长度6 0 2 5 0 m m 和滑块 行程次数3 7 0 次分。 美国协易( s e y i ) 公司推出了门型单轴( s d l 系列) 和门型双轴( s d 2 系列) 伺服压力机，该系 列产品具有高扭矩能力，系统中内建1 0 0 组模具记忆。其产品s d 2 - 4 0 0 h 的具体参数为：公称力4 0 0 0 k n ， 3 东南大学硕士学位论文 公称力行程7 m m ，滑块行程长度2 0 0 m m ，滑块行程次数4 0 次分。 日本a i d a 和日本f a n u c 公司共同开发了一种高效率生产小型冲压件的伺服电机的压力成型机， 这种成型设备可用于生产多种引线的引线框、手表机芯的精密齿轮、精密汽车零件等小型精密品【1 6 1 。 日本小松公司9 0 年初试制了数字化机械驱动的数控回转头压力机，其传动原理为伺服电机加精密 螺旋。2 0 0 3 年，小松公司又开发出新型伺服压力机，利用2 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。该公司先后推出了h 1 f 、h 2 f 、h 2 w 和h c p 系列复合型伺 服压力机。其产品h 2 w 2 0 0 h 的具体参数为：公称力2 0 0 0 k n ，滑块行程长度1 5 0 m m ，滑块行程次数8 5 次分，滑块调节量1 2 0 m m i j 。 在现有伺服压力机产品方面，还有山田公司的s v o 5 型与m g a - 2 4 型伺服压力机，纲野公司的 s e r v o l i n k 型伺服压力机，以及台湾金丰公司的c m i 型伺服压力机【ls j 【1 9 l 。 小松公司的伺服压力机技术在国际上处于领先地位，下面将介绍小松公司的h c p 系列交流( a c ) 伺服压力机，如下图所示。 图1 - 5h c p 3 0 0 0 伺服压力机实物图 图1 - 6h c p 3 0 0 0 伺服压力机结构简图 h c p 3 0 0 0 系列伺服压力机的最大的特点是取消了飞轮、离合器和制动器，而由交流伺服电机驱动 的滚珠丝杠带动滑块上下往复运动，采用高性能c n c 系统，可灵活控制滑块的动作，在运行的过程中 随时加减速或停止，最大压力可达8 0 0 k n 的，且精度很高。h c p 3 0 0 0 系列压力机采用闭式床身结构， 公称压力为8 0 0 k n ，滑块行程长度为1 6 0 m m ，最高上升和下降速度为1 5 0 m m s ，加工速度约为 15 0 m m s t 2 0 1 。 由于国外技术商业保密的原因，国外产品资料中对交流伺服压力机的机构特性及控制方式介绍很 少，特别是不转让大功率交流伺服电动机的技术，国内伺服压力机的研究工作落后国外十多年【3 1 。但最 近几年，国内伺服压力机的研究工作有了较快的进展，有多家单位进行了伺服压力机的研究开发工作。 浙江大学叶云岳 2 1 1 1 2 2 j 自8 0 年代末开始研究直线伺服电机驱动的锻压设备，成功地完成了直线电机 驱动小型压力机的研制。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d o i s l 。 2 0 0 6 年2 月，东南大学与江苏省徐州锻压机床厂集团有限公司联合研制了d p 2 1 6 3 型精密数控伺 服压力机，在2 0 0 7 年1 2 月该伺服压力机的产业化被纳入了2 0 0 7 年度国家火炬计划。 2 0 0 7 年，济南二机床集团在保留了原有多连杆传动机械压力机先进性的基础上，成功研发出我国 首台“混合驱动”伺服压力机，并已经投入实验生产。 2 0 0 8 年，上海交通大学与齐二机床集团有限公司联合研制出2 0 0 吨新型伺服压力机，该压力机具 有技术先进，结构合理，环保节能等特点，是具有国际先进水平的高新产品。该伺服压力机的研制得到 了国家8 6 3 计划、国家自然科学基金等大力支持。 陆永辉1 2 3 j 、卢宗武1 2 4 1 、张策1 2 5 】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 4 第l 章绪论 力机。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。 其它单位，像广东锻压集团、浙锻集团、扬锻集团、清华大学、香港中文大学、河海大学、华中科 大、天津大学、西安交通大学、南京理工大学、浙江大学、广东工业大学等近年来都在进行伺服压力机 方面的研究工作，部分单位已经开发出初步样机 2 6 1 。 国内外的研究结果表明，伺服压力机技术是目前国际上最先进的压力机技术之一，代表着压力机的 发展方向。在国外只有少数公司掌握该技术并投入生产，而国内各厂商还处于研制阶段，尚未产品化。 1 3 伺服控制系统的性能指标 作为高性能的交流伺服控制系统，主要控制目标就是迅速跟踪指令值的任意变化。在不同的应用场 合，其性能指标会有所侧重和差异。一般说来，交流伺服控制系统性能的好坏，可用下述指标来衡量【2 7 j 。 ( 1 ) 定位精度与速度控制范围 定位精度是评价位置伺服控制系统位置控制准确度的性能指标。要达到较高的定位精度，除了使用 分辨率足够高的位置检测装置外，系统的速度还应当具有足够宽的控制范围，能在最短的时间内跟踪上 目标位置。 ( 2 ) 动态响应性能指标 输出量是否能快速而准确地响应控制命令。系统在输入单位阶跃信号时，输出量的响应时间和稳定 过程可以评价系统响应特性。动态响应随系统的阻尼情况不同而变化。一般地说，当系统的响应很快时， 系统的稳定性将变坏，甚至可能产生振荡。在设计交流伺服控制系统时，应该特别注意。因此要选取合 适的控制算法来解决快速性和稳定性之间的矛盾。 ( 3 ) 稳定性 伺服控制系统的稳定性是系统正常工作的前提。当受到外界干扰时，控制系统要具有一定的抗干扰 能力。另一方面，当控制量的输出有突变时，控制系统要加以限制，并又能快速跟踪上目标位置1 2 7 1 。 1 4 课题的研究意义 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。成形机械是制造业中重要的一 类装备，它也是信息产品、电子机械、汽车、仪器等行业中最主要的工艺装备之一。 传统的机械压力机冲压时由于工作模式固定、运动特性单一、工艺适用性差，无法满足不同材料、 不同冲压工艺对压力机滑块工作曲线柔性可调的要求。特别是近年来，各个