伺服壓力機(jī)下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

文／仲太生·江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司

伺服壓力機(jī)下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

文／仲太生·江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司

下死點(diǎn)重復(fù)定位精度不但直接影響沖制件的成形精度，還決定著模具的使用壽命，是伺服壓力機(jī)和高速精密壓力機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)性能指標(biāo)，它體現(xiàn)了高速精密壓力機(jī)的制造能力和水平，并制約這類壓力機(jī)的使用領(lǐng)域。

目前，對(duì)壓力機(jī)下死點(diǎn)重復(fù)定位精度國(guó)內(nèi)外還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，表1為日本能率制作所（LEM）要求的高精密壓力機(jī)下死點(diǎn)精度。

下死點(diǎn)精度屬于壓力機(jī)的一種動(dòng)態(tài)精度，隨壓力機(jī)作業(yè)條件和工作狀況而呈動(dòng)態(tài)的變化。如何保證在任意工況條件下壓力機(jī)下死點(diǎn)精度的穩(wěn)定性，是提高壓力機(jī)性能和檔次的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文側(cè)重介紹筆者在從事壓力機(jī)下死點(diǎn)精度控制研究中所探索的一種下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)。

下死點(diǎn)精度的影響因素

壓力機(jī)下死點(diǎn)精度的影響因素較多，包括工作溫升、行程次數(shù)、機(jī)床剛性、運(yùn)動(dòng)副間隙等。

⑴工作溫升。由于壓力機(jī)各運(yùn)動(dòng)副摩擦的存在，在沖壓過程中必然產(chǎn)生大量摩擦熱，使連桿、導(dǎo)柱、機(jī)身等壓力機(jī)部件因溫升而伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致滑塊下死點(diǎn)位置的漂移，如圖1所示。由壓力機(jī)結(jié)構(gòu)可知，連桿和導(dǎo)柱的溫升會(huì)使下死點(diǎn)位置下移，而機(jī)身的溫升將會(huì)使下死點(diǎn)位置上移，由于各部件的溫升量、結(jié)構(gòu)尺寸以及材料熱特性的不同，所以很難建立下死點(diǎn)溫度影響模型。

⑵行程次數(shù)。壓力機(jī)的行程次數(shù)不是固定不變的，需要根據(jù)沖壓對(duì)象的工藝要求進(jìn)行設(shè)定。壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)部件作用有慣性力，其大小與速度的平方成正比，所以行程次數(shù)越高，慣性力越大，尤其是高速壓力機(jī)，其慣性力往往是壓力機(jī)負(fù)載力的好幾倍。因而，隨著壓力機(jī)行程次數(shù)的改變以及上模重量的不同，即使是同一臺(tái)壓力機(jī)，對(duì)下死點(diǎn)的影響也不盡相同。

表1 高精密壓力機(jī)下死點(diǎn)精度LEM標(biāo)準(zhǔn)

圖1 因溫升導(dǎo)致的壓力機(jī)下死點(diǎn)漂移曲線

⑶機(jī)床剛性。機(jī)床剛性對(duì)壓力機(jī)下死點(diǎn)精度也有較大的影響，如拉深成形加工，若機(jī)床承載部件的剛性不足，則滑塊到不了下死點(diǎn)的位置；若是沖裁加工，壓力機(jī)承載部件由于彈性變形所積蓄的能量將得到釋放，所以就會(huì)形成所謂的“反向負(fù)載”，從而使下死點(diǎn)向下偏移。偏移量與機(jī)床剛性有關(guān)，剛性愈差，偏移量愈大；剛性高，則偏移量小。

⑷其他因素。還有許多其他因素也會(huì)影響壓力機(jī)的下死點(diǎn)精度，如運(yùn)動(dòng)部件間隙、靜平衡氣缸的壓力、機(jī)床鎖緊的可靠程度等。

圖2 高速壓力機(jī)多桿傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

下死點(diǎn)精度控制調(diào)節(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

對(duì)于壓力機(jī)下死點(diǎn)精度的控制和調(diào)節(jié)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者以及壓力機(jī)制造商都從事了大量的研究，并取得了富有成效的研究成果。

例如應(yīng)對(duì)溫升，通過采用對(duì)潤(rùn)滑油制冷或加熱等控制措施，以減小機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)下死點(diǎn)精度的影響；通過采用對(duì)稱的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使工作過程中的熱變形互相抵消等。

再如應(yīng)對(duì)慣性力，采用多連桿機(jī)構(gòu)以減小滑塊在下死點(diǎn)附近的加速度，采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料以減輕滑塊的質(zhì)量，將模高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置在上橫梁以減輕運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量等，從減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量以及減小運(yùn)動(dòng)加速度兩方面入手來降低運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的慣性力。對(duì)于高速壓力機(jī)，還通過附設(shè)動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)來最大程度地平衡運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。

在下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)方面，國(guó)外的公司有許多經(jīng)典優(yōu)秀的案例，如瑞士BRUDERER公司的BSTA系列高速精密壓力機(jī)所設(shè)置的下死點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（也稱調(diào)模機(jī)構(gòu)），就是利用杠桿原理將調(diào)模機(jī)構(gòu)與力傳遞系統(tǒng)進(jìn)行分離，這樣不僅可使下死點(diǎn)位移在調(diào)模高度處得到放大，而且還大大減輕了調(diào)節(jié)控制力的需求，使左、右兩個(gè)調(diào)模機(jī)構(gòu)各自僅需承受20％的負(fù)載力，將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)滑塊下死點(diǎn)高度變?yōu)榭赡堋?/p>

圖3 高速肘桿壓力機(jī)下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

再舉一個(gè)例子，如圖2所示為一種高速壓力機(jī)多桿傳動(dòng)系統(tǒng)，通過圖示中H點(diǎn)高度方向的位置改變可實(shí)現(xiàn)滑塊下死點(diǎn)高度的調(diào)節(jié)。如圖3所示為位于H點(diǎn)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)帶動(dòng)偏心套旋轉(zhuǎn)，由偏心套驅(qū)動(dòng)小滑塊以及與小滑塊固聯(lián)的兩個(gè)支撐桿同步進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，以最終實(shí)現(xiàn)滑塊下死點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

上述有關(guān)下死點(diǎn)精度調(diào)節(jié)的兩個(gè)例子，其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的制造工藝要求也都較高，要求有較小的螺紋間隙以及極高的耐磨性。

下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)策略和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在分析壓力機(jī)下死點(diǎn)精度影響因素以及對(duì)下死點(diǎn)精度控制技術(shù)研究現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合公司伺服壓力機(jī)開發(fā)項(xiàng)目，筆者從事了對(duì)壓力機(jī)下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的研究，并提出了下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)的策略和具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

⑴下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

如圖4所示，筆者借助現(xiàn)在在壓力機(jī)上廣為應(yīng)用的經(jīng)典調(diào)模機(jī)構(gòu)來兼作下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將普通盤式電機(jī)改為伺服電機(jī)。伺服電機(jī)經(jīng)蝸輪-蝸桿減速后直接驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過改變調(diào)節(jié)螺桿與驅(qū)動(dòng)桿的相對(duì)長(zhǎng)度達(dá)到改變滑塊高度的目的，配合控制系統(tǒng)和相關(guān)的軟件模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下死點(diǎn)精度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。這樣，就可將壓力機(jī)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞機(jī)構(gòu)、模高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及下死點(diǎn)精度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的功能集為一體，從而使壓力機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊，制造成本低廉等特點(diǎn)。

圖4 下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

⑵下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)策略。

壓力機(jī)下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)策略可用圖5表示。由圖示可見，系統(tǒng)有兩支控制回路，一支為主伺服電機(jī)的主控回路，另一支為下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)回路。

圖5 下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)思路

在主控回路中，主伺服電機(jī)按照給定的滑塊位移指令，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器的位置調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)后，驅(qū)動(dòng)曲軸按給定的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑塊沿壓力機(jī)導(dǎo)軌上下移動(dòng)。在主控回路中，附設(shè)于曲軸上的光電編碼器檢測(cè)曲軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角并反饋，構(gòu)成主驅(qū)動(dòng)回路的全閉環(huán)控制。

圖6 軟件模塊流程圖

下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)回路由調(diào)模伺服驅(qū)動(dòng)器、調(diào)模伺服電機(jī)以及滑塊位移傳感器組成。位移傳感器實(shí)時(shí)掃描監(jiān)測(cè)滑塊的實(shí)際位移S'，并經(jīng)下死點(diǎn)判別模塊將滑塊下死點(diǎn)的實(shí)際位移S'反饋給系統(tǒng)控制器；系統(tǒng)控制器中的比較模塊將當(dāng)前下死點(diǎn)實(shí)際位移S'與系統(tǒng)設(shè)定的理論位移S進(jìn)行比較，并計(jì)算出下死點(diǎn)當(dāng)前偏移量Ee，Ee＝S－S'；將下死點(diǎn)當(dāng)前偏移量Ee與所設(shè)定的閾值σ進(jìn)行比較，若超過閾值σ，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)模系統(tǒng)，以偏移量Ee作為調(diào)節(jié)量將下死點(diǎn)調(diào)整到指令位置，從而達(dá)到控制下死點(diǎn)精度的目的。

⑶下死點(diǎn)精度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

如上所述，筆者選用的調(diào)模機(jī)構(gòu)具有裝模高度調(diào)節(jié)和下死點(diǎn)精度調(diào)節(jié)兩大功能。前者為大位移量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)尺度為數(shù)毫米至數(shù)十毫米；后者為微位移量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)尺度為數(shù)微米至數(shù)十微米。為此，應(yīng)對(duì)該調(diào)模機(jī)構(gòu)提出較高的制造精度要求，包括蝸輪-蝸桿副的制造精度、傳動(dòng)間隙、調(diào)節(jié)螺桿-螺母副的螺距誤差等。

此外，在系統(tǒng)控制面板上還設(shè)置有一只具有三擋的調(diào)節(jié)開關(guān)，包括模高調(diào)節(jié)擋、空擋以及下死點(diǎn)精度調(diào)節(jié)擋。在控制系統(tǒng)中按圖5所示的調(diào)節(jié)策略編制相應(yīng)的軟件模塊，包括下死點(diǎn)讀取判別、比較模塊和啟動(dòng)閾值模塊等，如圖6所示為軟件模塊流程圖。在模高調(diào)節(jié)時(shí)，要求設(shè)置新下死點(diǎn)位置，與原下死點(diǎn)位置的差值將會(huì)作為調(diào)節(jié)量來啟動(dòng)調(diào)模電機(jī)。在下死點(diǎn)精度調(diào)節(jié)時(shí)，首先讀取滑塊位移傳感器數(shù)值并判別是否為下死點(diǎn)（為消除讀取誤差，連續(xù)讀取n個(gè)下死點(diǎn)數(shù)值并求平均）；經(jīng)與設(shè)定的閾值比較后，將平均偏移值設(shè)定為調(diào)節(jié)量，然后啟動(dòng)調(diào)模電機(jī)進(jìn)行下死點(diǎn)精度的調(diào)節(jié)。

結(jié)束語

利用現(xiàn)有壓力機(jī)調(diào)模機(jī)構(gòu)，由調(diào)模伺服驅(qū)動(dòng)器、調(diào)模伺服電機(jī)以及滑塊位移傳感器構(gòu)成反饋控制回路，并配以滑塊下死點(diǎn)讀取判別、實(shí)際值與理論值比較以及啟動(dòng)閾值等軟件模塊，可實(shí)現(xiàn)在任何工況條件下對(duì)壓力機(jī)下死點(diǎn)精度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證了壓力機(jī)下死點(diǎn)的工作精度和精度的穩(wěn)定性，大大提高了沖制件的質(zhì)量和加工效率。

仲太生，副總工程師，主要從事機(jī)械壓力機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)等方面的工作。