復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊力控制方法及執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 莉 秦泗吉 杜廣杰

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

在板料拉深成形過程中，壓邊力的作用是為了防止變形區(qū)金屬的起皺失穩(wěn)。壓邊力過小不足以抑止板坯的起皺，但其過大又會(huì)使傳力區(qū)的金屬超過承載能力而引起破壞。壓邊力是影響拉深過程的重要工藝參數(shù)，因而控制壓邊力是控制拉深成形過程的重要手段［1－4］。

為適應(yīng)新材料（如輕質(zhì)合金）、新工藝板材（如拼焊板）對(duì)成形工藝中壓邊力控制技術(shù)的要求，目前，此領(lǐng)域的主要研發(fā)方向?yàn)椋孩倏刂七^程精確化、智能化和柔性化；②節(jié)能和環(huán)保；③工藝參數(shù)對(duì)成形過程影響規(guī)律的精確描述。

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)至今未能廣泛地用于成形制造領(lǐng)域，主要原因之一就是小功率的伺服電機(jī)不能滿足成形瞬間的大功率輸入需求。因此，如何解決伺服電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間功能的有效轉(zhuǎn)換，降低壓邊過程對(duì)電機(jī)功率的要求，成為壓邊力控制的關(guān)鍵問題之一。

為解決上述問題，本文采用復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊力控制方法設(shè)計(jì)了六桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)。理論分析和仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的壓邊力控制系統(tǒng)可以滿足壓邊力控制的工藝要求。

1 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊力控制的方法及原理

根據(jù)拉深工藝對(duì)壓邊力的要求，文獻(xiàn)［4］提出了以數(shù)控伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)壓邊的方法。這種壓邊力控制方法可以使壓邊力按預(yù)先設(shè)定的壓邊力行程曲線變化［5］，精確地實(shí)現(xiàn)拉深過程的壓邊力控制要求，對(duì)提高成形極限和保證成形制件的質(zhì)量具有積極意義。

壓邊過程是一個(gè)變速運(yùn)動(dòng)過程，需要慢速壓下，快速抬起，并要求在不同的壓邊瞬間產(chǎn)生不同的增力比。根據(jù)拉深工藝特點(diǎn)，在同時(shí)考慮系統(tǒng)剛度、功能轉(zhuǎn)換效率等前提下，以六桿機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用該機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合化設(shè)計(jì)方案，可以滿足小功率的伺服電機(jī)產(chǎn)生大壓邊力的要求。圖1所示為復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊力控制系統(tǒng)框圖。在計(jì)算機(jī)控制下，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠螺母副將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，再由六桿機(jī)構(gòu)將輸入的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出的變速直線運(yùn)動(dòng)，通過壓力傳感器形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊力控制系統(tǒng)框圖

圖2為六桿機(jī)構(gòu)簡圖。輸入滑塊（上滑塊）與螺母相連，輸出滑塊（下滑塊）與壓料板相連。合理設(shè)計(jì)桿系尺寸，可使壓邊裝置具有快速壓下、慢速加載及快速返回的工作特性，得到需要的輸入和輸出速度比，滿足壓邊過程產(chǎn)生較大壓邊力的工藝要求。

圖2 六桿機(jī)構(gòu)簡圖

2 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊力執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 六桿機(jī)構(gòu)桿系尺寸設(shè)計(jì)

在壓邊最大行程130mm變化范圍內(nèi)，以壓邊工藝需要的變速傳動(dòng)比為目標(biāo)，以機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和桿系最大尺寸限制等為約束條件，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)得到六桿結(jié)構(gòu)尺寸：L＝93mm，LAB＝93mm，LBC＝55mm，LCD＝116mm，LEC＝181mm（圖2），圖2中的y1、y2分別為輸入和輸出滑塊至點(diǎn)E的距離，它們之間的關(guān)系可用參數(shù)方程的形式表示如下：

由式（1）和式（2）可得到該機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的輸入與輸出位置關(guān)系曲線，如圖3所示。在某段區(qū)間內(nèi)，當(dāng)輸入y1的變化量很大時(shí)，通過六桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到壓料板的輸出y2的變化量很小，滿足壓料板和被壓板料之間在豎直方向的相對(duì)位移量很小的工作要求。

將式（1）、式（2）對(duì)參變量θ求導(dǎo)，可得

圖3 六桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入與輸出位置關(guān)系曲線

由式（3）和式（4）可得到輸入與輸出的速比變化曲線，如圖4所示。當(dāng)壓料板接近坯料時(shí)，減速比較快，因此，作用于絲杠的扭矩較小，也可獲得較大的壓邊力，所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率也較?。?］。

圖4 六桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入與輸出速比曲線

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，伺服電機(jī)1經(jīng)聯(lián)軸器2、驅(qū)動(dòng)絲杠3和螺母4做直線運(yùn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)六桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)5將運(yùn)動(dòng)和力傳遞給下滑板6，下滑板6通過連接桿7與模具的壓料板8相連，從而實(shí)現(xiàn)壓邊。

圖5 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊裝置結(jié)構(gòu)原理圖

壓邊裝置擬安裝在H1F80數(shù)控伺服壓力機(jī)上。該裝置除應(yīng)符合前述的壓邊力控制和拉深工藝要求之外，還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高和易裝配等要求。此外，設(shè)計(jì)過程中要考慮總體外形尺寸，以便于其安裝在壓力機(jī)的下底孔內(nèi)。與其關(guān)聯(lián)的壓力機(jī)尺寸包括工作臺(tái)孔尺寸、工作臺(tái)與地面的距離和壓力機(jī)的最大開間距離等。根據(jù)圖5和上述要求設(shè)計(jì)的壓邊裝置具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊裝置結(jié)構(gòu)

圖6中的交流伺服電機(jī)（圖中未給出）輸出軸1通過聯(lián)軸器2帶動(dòng)滾珠絲杠3和螺母4實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與螺母相連的連接件5通過中桿11、上桿10和下桿12帶動(dòng)下滑板14運(yùn)動(dòng)，下滑板14通過連接桿8連接壓料板7完成可控壓邊運(yùn)動(dòng)，其中機(jī)架9固定在伺服壓力機(jī)工作臺(tái)上，連接板13將電機(jī)架16與機(jī)架9固連在一起，電機(jī)安裝在電機(jī)架16上。在運(yùn)動(dòng)過程中由下桿12把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳給下滑板14，下滑板14經(jīng)緩沖墊15，通過螺母和連接桿8連接壓料板7，實(shí)現(xiàn)壓邊運(yùn)動(dòng)。

2.3 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊裝置利用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓邊力的精確控制。為選擇合適的電機(jī)，需要求出折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩M、等效負(fù)載慣量和加速力矩等［7］，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)為壓邊力、摩擦力及重力的總和；S為滾珠絲杠導(dǎo)程；η為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；i為減速比（i＞1）。

若壓邊裝置產(chǎn)生的最大壓邊力為200kN，壓邊機(jī)構(gòu)的最大行程為130mm，選用的滾珠絲杠直徑為40.0mm，導(dǎo)程為8.0mm，型號(hào)為FFZD4008R－3－P3/500×350。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為0.9。當(dāng)壓料板作用于板坯時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)的減速比大于25，由式（5）可求出負(fù)載轉(zhuǎn)矩。交流伺服電機(jī)的額定功率選為1.8kW，額定轉(zhuǎn)矩為11.5N·m，瞬間最大轉(zhuǎn)矩為28.7N·m，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，最大轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為31.7kg·cm2。此電機(jī)的外形尺寸較小，便于與壓邊執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起安裝在壓力機(jī)的底孔內(nèi)。

若直接利用伺服電機(jī)、聯(lián)軸器和絲杠螺母帶動(dòng)壓料板進(jìn)行壓邊，按最大壓邊力200kN計(jì)算，忽略摩擦力與重力的影響，可得出電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于283N·m，需要選擇額定功率大于15kW的電機(jī)。采用復(fù)合傳動(dòng)方案可顯著降低電機(jī)的功率要求。

2.4 復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊裝置仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)己成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一。復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)壓邊裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究是實(shí)現(xiàn)壓邊控制的基礎(chǔ)，借助仿真分析軟件，建立壓邊裝置仿真模型，將壓邊裝置視為一個(gè)多體系統(tǒng)，可完成其動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析。

先將三維建模環(huán)境下的模型文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成仿真軟件圖形接口支持的格式，導(dǎo)入仿真分析軟件環(huán)境，生成仿真模型。然后添加相應(yīng)的約束：絲杠與螺母為螺旋副，鉸接副為旋轉(zhuǎn)副，滑塊與機(jī)架之間的約束為移動(dòng)副，施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。對(duì)每個(gè)零件根據(jù)選定的材料添加質(zhì)量信息，用彈簧代替緩沖墊（彈簧剛度為40kN/mm）。在考慮摩擦和間隙的情況下進(jìn)行仿真，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)分別取為0.05、0.08，旋轉(zhuǎn)副間隙取為0.02mm，移動(dòng)副間隙取為0.035mm。設(shè)仿真時(shí)間為10s，步長為500步。

當(dāng)壓料板施加恒定的壓邊力于坯料時(shí)，伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩隨著減速比的增大而減小，如圖7所示。這從仿真角度驗(yàn)證了具有不均勻傳動(dòng)比的六桿機(jī)構(gòu)的增力特性，為電機(jī)的選擇提供了參考依據(jù)。

圖7 恒壓邊力對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出曲線

圖8所示為壓邊力、所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及位移與時(shí)間關(guān)系曲線。由上面分析可知，六桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比若取i，當(dāng)最大壓邊力不變時(shí)，忽略摩擦等因素的影響，所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩只為原來的1/i。采用復(fù)合驅(qū)動(dòng)方案，可大大降低所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和功率，減少電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊成本；但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加，傳動(dòng)環(huán)節(jié)增多，系統(tǒng)摩擦轉(zhuǎn)矩增大，系統(tǒng)效率有所降低。

圖8 壓邊力、所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及位移與時(shí)間關(guān)系曲線

當(dāng)壓料板施加變壓邊力于坯料時(shí)（圖8a），仿真得到的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖8b所示，圖8c所示為對(duì)應(yīng)的輸出滑塊位移d與時(shí)間t的關(guān)系曲線。

仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的壓邊裝置可以實(shí)現(xiàn)變壓邊力的控制。與其他方法相比［8－9］，復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)控制方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)拉深過程壓邊力的精確控制，具有所需驅(qū)動(dòng)功率小、控制系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓邊力控制原理，采用復(fù)合化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了壓邊裝置。利用壓邊裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變傳動(dòng)比特性，可使小功率電機(jī)產(chǎn)生大的壓邊力，滿足拉深工藝的要求。

（2）采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)壓邊裝置進(jìn)行了仿真分析。對(duì)恒定壓邊力情況下伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩的仿真，驗(yàn)證了該壓邊裝置的增力特性。對(duì)變壓邊力情況下的系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了復(fù)合伺服驅(qū)動(dòng)方法，可以使壓邊力按理想行程曲線變化，實(shí)現(xiàn)拉深過程中壓邊力的精確控制。

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