几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较

1、EQUIPMENT装备文章编号:16721）121（ 2（X）8）（）5-0035-04几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较苏敏，王隆太（扬州大学 机电研究所，江苏 扬州225009）摘要：介绍了几种不同的单职动和混合驱动伺服压力机传动结构方案对各自的运动学和功率特性进行 了分析；在同一的负载条件下对曲柄连杆式、单肘杆式、双肘杆式不同传动结构的单驱动伺服压力机的滑块 行程、速度曲线、作用扭矩和功率消耗进行了比较；构建了轮系混合驱动三维结构模型，并从结构特征、伺服 电机与常规电机所帝功率以及两者间的功率比，对轮系混合驱动和杆系混合职动伺服压力机的传动结构进 行了分析、为伺服压力机的开发研究和设

2、计制造提供了有益参考关键词：机械制造；传动结构；伺服压力机；特性中图分类号：TG315.5文献标识码：B© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备ffi 2 AIDA 压力机传动结构1引育机械斥力机是金展成形领域使用嚴为广泛的一 种锻压加

3、T.设备 近年来随着交流伺服控制技术的 成熟利发展.先后出现广多种不同形式的何服用力 机，如:H本小松（KOMATSU） H1F系列唯肘杆何服 压力机叫H本会m（AIDA）低转速大扭矩接更动伺 服压力机;香港中文大学研制的杆系混合骤动伺服 压力机叫H本某公司推出的轮系混合骡动伺服圧力 机；国内一些锻压机床企业所研制的曲柄连杆式传 动结构的伺服压力机等若从乐力机传动结构看.可将卅前流行的伺服 压力机槪括为也一駅动式和混合骡动式两大类 的 者通过单.只何服电机实现对压力机滑块r.作速度的 i周节以满足不同的冲压T艺耍求氏结构形式冇汕 柄连杆式、肘杆式等；肩者是以大功率常速电机和小 功率伺服电机作为

4、动力源.通过运动合成机构对压 力机滑块速度进行右效控制常川r大吨位大功率 的伺服压力机.施运动合成机构有怎动轮系机构利 多杆机构两类不同形式本文就I ：述提及的不同传动结构伺服斥力机的 运动学特征和功率消耗进行广分析与比餃.并对各 n的特点和应用范围进行了讨论,以供相关设计人 员参考和借鉴2 曲柄连杆式单驱动伺服压力机这类伺服压力机与传统机械压力机结构校为类似.址以何服电机代替普通电机实现滑块的变速运 动 图1为国内某取压机床企业在原冇机械斥力机 堆础上所研制的8（X）kN伺服压力机其伺服电机统 传动系统的减速实现对m块的控制这类何服压力 机结构简驻易开发足国内不少企业訂选的伺服 压力机传动结

5、构但机陆存在传动链长、传动桔度堆伺服电机皮带传动图I国内呆企业何陀乐力机传动结杓以提高的不足，为此. 日本AIDA公司以低 速大扭矩伺服电机的 &利技术研制了虫接 骡动伺服斥力机（图 2）.该压力机传动链 短传动桔度有大大 提高了机床的传动效 牢和匚作稳定性© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备收稿日期：2（）08-07-28作者简介：苏 敏（I985-）.男.硕士在旗.主攻锻压设备开发硏究3肘杆式单驱动伺服压力机肘杆式伺服

6、压力机是一种多杆传动的压力机 有一定的增力作用有絞好的急何特性在T.作区域© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备35© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishi

7、ng House. All rights reserved, 装备EQUIPMENT36© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 装备EQUIPMENT有较为理想的速度特件.是现代伺服压力机中常见 的一种传动结构形式。图3为口本小松公创H1E系 列何服压力机传动结构I,何服电机通过一级皮带和 一对齿轮减速肩山肘杆机构昭动滑块实现加丁运肘杆彼I构、询心轴机构/传动齿轮副同步齿伦滑块小松H1F何脈圧力机传动结构动具有电机功耗 小、传动效率高的待 点；图4为日本网

8、野 公司所采川的对称 式肘杆结构伺服压 力机叫该压力机传 动结构对床身作用 冇对称的T作载荷.勺4两野对称肘杆式何）K丁作平稳可长期维持压力机的精度；图5为美国俄亥俄州 立大学所研制的双 肘杆伺服压力机传 动结构咬伺服电机 通过两个肘杆将其 运动转化为滑块的血线运动貝冇嗽动斥力机传动结构刚性好.负荷I.作区域长的特点町获得絞好的速度待性和压力持性。三三二書4卜死点附近处的低速性能晟悬；金系统急I叫特性 方而.若川滑块下行历经时间g和上行历经时间G 的比值qiJh进行度屋，则单肘杆式、双肘杆式和曲 柄连杆式传动结构的急冋特性参数偵分别为1.05、 1.03 J.对见甲肘杆传动结构具右一定的急冋待

9、性. 而传统曲柄连丰I传动结构没有急回特性图7为三种传动结构的速度比较曲线图.纵坐 标滑块行程横坐标滑块各行程点的速度 为了提高 町比性在滑块I4（）.nm全行程内分别计算出三种传 动结构在滑块同一行程点的运动速度.从而得到同 一条件下三种不同的速度曲线.毎条曲线在滑块k 死点和下死点的速度均为零 由图可见:加柄连杆 式传动结构滑块卜行和上行的速度曲线为対称结 构，而单肘杆和双肘杆式传动结构的滑块速度曲线 为IE对称结构；在滑块T-作区域内小肘杆的T.作 速度晟低曲柄连杆式结构的速度最侖在5nun m 块行桎处小肘杆、戒肘杆和曲柄连杆式传动机构的 滑块 匸作速度分别为102.75miii/sx

10、 125.46nmi/sx 171.67inm/s;在空行程处滑块駅大运动速度 三者乞不相同导致各fl的最大加速度也不一样.单 肘杆、双肘杆和曲柄连杆式传动机构的滑块最大加 速度 分别为 6160inm/s2、3440min/s2、301 Omni/s2 其中 锻肘杆为最大。因此，在用单肘杆传动结构进行高速36© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 装备EQUIPMENT彳 j ft/mm速 if/mm/s图7速度比较HU线36© 1994-20

11、10 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备差动轮条齿轮副« 10杆荼濃合怜功何脳斥力机图1】FI系偃合驰的廉理图37压力机设计时应注意其附加的惯性负裁图8为扭矩比鮫加线图纵坐标滑块行程横坐 标足滑块在相同行程点上作川J：三种传动结构各门 曲柄上的扭妙需注意的是所示的扭矩曲线是假设 滑块在全行程范I韦1内均作用有额定载荷所得到的， 它仅在滑块冲压匸作范1"1内与实际悄况相符。为便F比较，本文J -5nun滑块行程处分别计算作用F单 肘杆、双肘杆和

12、曲柄连杆式传动机构曲柄上的扭矩: 1.3724xI0 混合驱动式伺服压力机 混合骡动伺服用力机是近年来悄然兴起的一种 新型伺服压力机，它通过常规电机对外做功由伺服 电机尢成对压力机滑块速度调廿.通过対这两个骡 动源的协调坨制实现对斥力机丁作速度冇效调节 5.1 轮系泯合驱动伺服压力机 i亥类混合駅动伺服压力机是利用悬动轮系将來 门常规电机和何眼电机的运动进行混介.以以动轮 系的输出带动压力机曲柄旋转.从而骡动压力机滑 块丁作 为了对轮系混合昭动伺服压力机丁作特性 进行分析仍以800kN伺服圧力机为例对轮系混 合骡动传动系统进行了设计，如图9所示。由图示可 见常规电机的运动经过一级皮带和一对齿轮

13、减速 后作为混合聊动系统的恒定输入.伺服电机的运动 经两级齿轮减速后作为町变输入.经差动轮系合成 后带动压力机曲轴转动.从而实现对压力机滑块运 动速度的调节N - mm J.9xl()7N nun .2.1 859x 1()7N *nun 若以Illi柄连杆式传动结构在曲柄上所作用的扭矩为 基准，则单肘杆和双时杆分別省力37%和15%。将 上述汁算得到的扭矩值.经同一减速机构.可计算.*1'. 各种传动结构伺服电机所需功率即单肘杆、双肘杆 以及曲柄连朴式传动结构的压力机所需电机功率分 别为：15kW、18kW、22kW扭琢/Nnun( xl(f:图8扭矩比较曲线圏9轮系混介阪动传动系统

14、三堆结构在进行上述混合骡动沏服系统电机功率设计 时.先按通常机械压力机设汁原则初步确泄常规电 机功率为7.5kW.再由该初定的常规电机功率和设 定的调速比计算伺服电机功率若用力机调速比设 定为30%则何服电机的功率就为2kW叫由J 何服 电机在压力机滑块T作区段时的减速运动实际上足 一种阻力运动.常规电机盂克服这种阻力做功冈 而常规电机所需功率Q大小炖按下式进行计算：Q=Q ”+Q 测n=9.5kW式Q ：0 ”常规电机正常匸作所盂功率；Q町,伺服电机进行速度调节所消耗的电 机功率叮见.轮系混合駅动系统的速度调疔是以消耗 滋规电机功率为代价的.为此本例何服压力机的总 功率比許通压力机增加了 4

15、kW 5.2杆系混合骡动伺服压力机杆系混合骡动何服压力机是一种多杆结构的何 服压力机由"笔结构相对简单，待优化的变虽多, 分析it n复杂.引來较多的网内外学打对进Ir T 研究 图1()为哈尔滨丁业大学、香港中文大学和广 东锻斥机床厂共同研制的一台杆系混合骡动伺服压 力机叫图11为其传动原理图 由图11可见,常规电 机以其恒定的速度骡动曲柄1转动.伺服电机经滚 珠丝杆昭动连杆3运动在复合饺链B处两个駅动 源的运动进行合成.通过连杆4实现滑块6的町控 往复运动。分析比絞上述网种混合骡动伺服压力机传动纳 构各有其特点：(1) 对于轮系传动结构一 M差动轮系结构确定 后，压力机传动系统即

16、为确定设计计算容易;轮系 传动纳构的何服电机功率匕系统所设定的调速比右 关凋速比越大则伺服电机所盂的功率越大(2) 在杆系传动结构中.常规电机和伺服电机的 输出力矩不仅负载勺关.述与该机构的儿何参数 有关叫文献8针对不同的五杆混合骡动机构几何 参数进行了仿九试验试验结果表明：不同结构参数 下的伺服电机与常规电机的功率比可能为().1、1.() 或10卷并相当大因而在进行杆系混合驱动系统 设i十时，必须进行轨迹规划和结构的几何参数优化 图12为文献8对五杆混合萊动机构进行优化肩的 扭矩曲线.其中图12a为常規电机扭矩变化图图 12b为伺服电机的扭矩变化图.伺服电机功率仅为 曲规电机功率的1/10

17、常规电机扭矩变化(b)M®电机扭电变化圈12经优化的五杆混存片动机构的扭审图综合比校轮系利杆系混合骡动传动结构的特点 «T见：杆系机构结构简中、传动链短经优化肩可以 较小的伺服电机功率实现对压力机滑块速度的冇效调节具有更大的发展应用空间6 结论(1) 伺服压力机既有曲柄连杆式和肘杆式等恫 一骡动传动结构.也有羞动轮系和杆系的混合驶动 传动结构。(2) 与传统曲柄连杆式传动结构比较.肘杆式传 动结构貝冇一定急冋特+t在T.作区段冇絞好的速 度特性有浪苦的增力作用但在空行程区域有絞大 的加速度需注意其附加的惯性负载。(3) 轮系混合马区动传动纳构设汁汁算简小但其 结构显杂制造装

18、配困难英伺服电机功率随调速比 堵加而增大；杆系混合骡动传动结构简H 伺服电机 功率受机构儿何参数彩响鮫大，经优化晴町以得到 絞小的何服电机功率.具冇更大的发展应川空间。【参考文献】|1|赵升吨.张志远.何予粥.等.机械压力机交流何服电动机血接腋 动方式合理性探讨値压装备U制适技术.2004.41(6):19-23.|2|孙友松张宏趙金属板材成形设备新发展机械丁人.2006.(3): 13-17.卩刘娇容混合嗽动可控斥力机的运动方案设汁及动态待性研究. 哈尔滨T.业大学硕七学位论文.2006.|4|甘言.周建国等最新伺脳压力机的丿F发以及今百的动向锻压 装备与制造技术.2006.41(1):11

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20、rming Press Wilh Conlnillablr MtxJuiiiisiii. Joiinul of M(*< hanical Doign .2003. (9).© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, EQUIPMENT装备Analysis

21、and Comparison of Transmission Schemes of CNC Mechanical PressesSU Min> WANG Longtai(Electroinechanical Institute of Yangzhou University. angzliou 225009. Jiangsu (Jiina)Abstract: Different transmission schemes of single-driven and hybrid driven CNC mechanical presses have been introduced with an

22、alysis of their characteristics on kinematics and |>ower.Based on the same conditionjlie slide stroke,spee<l,torque and power of different transmission s<-heines of singledriven CNC mechanical presses have been compared, including crank an<l connecting r<><I inechanisin, single knuckle linkage meclianism and double knuckle linkage iii<chaniin3 -I) iikmIcI of hybrid-driven pre«H in g<?ar train lias bevn set up.Tlie transmission KchemeM of hybrid driven pr