曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

謝 嘉，王世明，高艾琳，吳燕翔，趙升噸

（1.上海海洋大學(xué)，上海201306；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安710049）

1 引言

伺服壓力機(jī)相對傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)，去掉了飛輪及離合器、制動(dòng)器，將機(jī)械傳動(dòng)部分盡量精簡，具有結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)品質(zhì)量高、滑塊運(yùn)動(dòng)柔性好、降噪節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[1]。而伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它決定了滑塊運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)行的平穩(wěn)性。一般情況下，在壓力機(jī)進(jìn)行工件加工時(shí)，金屬材料塑性變形的阻抗力會(huì)隨著材料應(yīng)變速率的增大而增大，因此為了保證加工質(zhì)量，要求和滑塊相連的模具在鍛沖工作時(shí)能夠低速慢行，但為了達(dá)到高的生產(chǎn)率，就要提高滑塊空程和回程的運(yùn)行速度。另一方面，為了滿足個(gè)性化生產(chǎn)的需要和縮短產(chǎn)品制造周期，伺服壓力機(jī)滑塊的運(yùn)行速度需要在較大范圍內(nèi)可自如調(diào)節(jié)[2]，以便在不同的加工工藝下采用不同的滑塊運(yùn)行曲線，從而實(shí)現(xiàn)較好的柔性化生產(chǎn)。以上兩方面的實(shí)現(xiàn)都以精確的滑塊運(yùn)行控制為基礎(chǔ)，而滑塊的運(yùn)行特性和壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)系最為密切。

伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成具有不同的方案，比如伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)，其包括伺服直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)[3]和伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄的壓力機(jī)[4]，該類型壓力機(jī)由于受伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩（力矩）的限制，壓力機(jī)噸位較小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率較大，增加了同噸位伺服壓力機(jī)的成本。另外較多形式的是伺服電機(jī)加減速器及螺桿結(jié)構(gòu)和伺服電機(jī)加減速器及肘桿結(jié)構(gòu)。螺桿結(jié)構(gòu)的伺服壓力機(jī)因滾珠絲杠承載能力有限，壓力機(jī)噸位不能太大，同時(shí)需要有一定的增減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)滑塊沖壓階段的低速性和非沖壓階段的快速性。肘桿結(jié)構(gòu)的伺服壓力機(jī)增加了大齒輪，其能起到飛輪的作用，這樣就減小了伺服電機(jī)的功率，相應(yīng)提高了壓力機(jī)的噸位，具有很好的發(fā)展前景。

以上分析表明，壓力機(jī)噸位和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間存在著矛盾，如果能在低速時(shí)得到較大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且能夠在較大的速度范圍調(diào)速運(yùn)行，那么就能很好地實(shí)現(xiàn)伺服壓力機(jī)的直驅(qū)運(yùn)行和滑塊的柔性控制?？梢钥闯鏊欧毫C(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須具備低速、大轉(zhuǎn)矩的特性并要具有足夠的調(diào)速空間。本文從德國不倫瑞克理工大學(xué)電機(jī)專家Herbert WEH教授提出的橫向磁場電機(jī)概念出發(fā)[5]，采用一種爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)[6]來作為伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種電機(jī)采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)電機(jī)中電樞繞組截面和齒槽寬度相互制約的矛盾，能提供相當(dāng)高的轉(zhuǎn)矩，通過弱磁控制也可以讓電機(jī)工作在較大的調(diào)速范圍內(nèi)。

本文首先論述了伺服壓力機(jī)需要解決的核心問題，即機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、調(diào)速性能優(yōu)良的大力矩伺服電機(jī)的研發(fā)采用、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)和伺服壓力機(jī)沖擊負(fù)荷和電機(jī)容量的矛盾等問題是要解決的重點(diǎn)。接著設(shè)計(jì)了曲柄肘桿伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)曲柄肘桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，并確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，同時(shí)給出了系統(tǒng)控制策略。然后對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了研究并對其工作特性進(jìn)行了校核，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)不同加工工藝的伺服控制，具有優(yōu)良的柔性加工和低速鍛沖、快速空程及回程的功能，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和系統(tǒng)控制部分都滿足了設(shè)計(jì)要求。

2 伺服壓力機(jī)需解決的核心問題

伺服驅(qū)動(dòng)的機(jī)械壓力機(jī)（簡稱伺服壓力機(jī)）被稱為第三代機(jī)械壓力機(jī)，它一出現(xiàn)就引起了業(yè)內(nèi)研究工作者的廣泛重視，對它的研發(fā)一直在積極進(jìn)行。要得到一個(gè)性能完善、市場競爭力強(qiáng)的伺服壓力機(jī)，必須要明確它需要解決的核心問題，然后針對這些問題進(jìn)行研究以尋求最優(yōu)的解決方案。

（1）伺服壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最終是要滿足滑塊帶動(dòng)模具進(jìn)行精確鍛沖工件的工作要求，因此其機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)按滑塊運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。伺服壓力機(jī)要實(shí)現(xiàn)柔性加工工件的功能，且總體上要實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)的低速鍛沖和快速空程及回程的特性，首先需要選擇合適的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）調(diào)速性能優(yōu)良的大力矩伺服電機(jī)的研發(fā)采用。伺服壓力機(jī)簡單的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要主驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的力矩足夠大，這樣才能代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力矩放大作用，完成對滑塊的精確控制，以實(shí)現(xiàn)柔性加工和低速加工工件、快速空程及回程的功能。因此要求開發(fā)的壓力機(jī)用伺服電機(jī)必須具有寬范圍良好的調(diào)速性能，且能在低速時(shí)提供大力矩，高速時(shí)提供足夠的功率。

（3）伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)適合伺服壓力機(jī)不同工藝滑塊運(yùn)動(dòng)曲線的精確控制，除伺服壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和主驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)本身的性能保證外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)也相當(dāng)重要。而控制技術(shù)取決于系統(tǒng)硬件和控制策略，系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有了雄厚的基礎(chǔ)，控制策略需要根據(jù)伺服壓力機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性來研究確定。

（4）伺服壓力機(jī)負(fù)荷性質(zhì)和電機(jī)容量問題。機(jī)械壓力機(jī)的負(fù)載是典型的沖擊負(fù)載，而伺服壓力機(jī)的沖擊負(fù)荷主要靠電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩來克服。解決伺服壓力機(jī)沖擊負(fù)荷和電機(jī)容量問題之間矛盾的方法之一是適當(dāng)提高機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，從而在一定范圍內(nèi)減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以降低電機(jī)的容量。另一方面，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件在減速時(shí)會(huì)把其動(dòng)能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，可以將這部分能量回收儲(chǔ)存，然后在沖壓時(shí)將電能釋放。也就是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和容量要盡量大，而一定的傳動(dòng)比又可以減小對電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和容量的壓力，同時(shí)通過能量回饋和再利用，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)控制部分組成。其中主驅(qū)動(dòng)電機(jī)是動(dòng)力源，而從電機(jī)到壓力機(jī)滑塊需要經(jīng)過一定的中間機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能就是傳遞動(dòng)力和實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到滑塊直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化。伺服壓力機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)高性能、超柔性、高精度和節(jié)能降噪等特性的基礎(chǔ)，同時(shí)其設(shè)計(jì)還要在簡化壓力機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便安裝、減少維修、減輕重量等方面具有明顯優(yōu)勢。本文以雙肘桿機(jī)械壓力機(jī)為研究目標(biāo)，采用對稱雙點(diǎn)傳動(dòng)方式，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)一級同步帶減速機(jī)構(gòu)串聯(lián)一級同步齒輪機(jī)構(gòu)，然后同步齒輪機(jī)構(gòu)通過同軸固連的曲柄肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用具有低速、大轉(zhuǎn)矩特性的橫向磁場電機(jī)，即爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)[6]。所構(gòu)成的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示。

由圖1 可以看出，曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用了對稱曲柄雙肘桿機(jī)構(gòu)，肘桿機(jī)構(gòu)在接近下死點(diǎn)時(shí)相對曲柄連桿機(jī)構(gòu)其滑塊運(yùn)行曲線較為平緩，而空程及回程速度較快，即該機(jī)構(gòu)具有明顯的低速鍛沖和快速空程及回程功能。

（2）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)只采用了一級同步帶減速機(jī)構(gòu)，然后以同步齒輪機(jī)構(gòu)連接曲柄肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)簡單緊湊。

（3）采用同步帶和齒輪傳動(dòng)，很好地保證了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度，為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制提供了良好的基礎(chǔ)。

圖1 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

（4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中沒有明顯的耗能和產(chǎn)生噪聲的環(huán)節(jié)，達(dá)到了節(jié)能降噪的目的。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)曲柄肘桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

在曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，首先需要確定機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的參數(shù)，其次是確定電機(jī)的參數(shù)。為了確定這些參數(shù)，需要根據(jù)壓力機(jī)對主要參數(shù)的基本要求，依據(jù)圖1 所示機(jī)構(gòu)，對系統(tǒng)受力情況進(jìn)行預(yù)分析，以獲得影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的主要因素。然后在此基礎(chǔ)上，就可以對機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得滿足最佳滑塊運(yùn)行特性的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。然后依此確定電機(jī)參數(shù)，以研究設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

通過對圖1b 曲柄肘桿機(jī)構(gòu)的分析可得，滑塊D的水平位置Dx由桿系各桿件的長度、參數(shù)a、b、κ 和ρ1決定，即：

式中，參數(shù)ρ1為曲柄與水平方向的夾角，是曲柄肘桿機(jī)構(gòu)的輸入，它可以是均勻變化也可以是調(diào)節(jié)變化，由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置決定。其他參數(shù)根據(jù)壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要和科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)來確定，采用變量循序組合響應(yīng)面法[7]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可最終得到各變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為：l1=40mm，l2=240mm，l3=175mm，l4=165mm，l5=263mm，a=190mm，b=198mm，κ=27.13°。

在確定曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)時(shí)，需要計(jì)算壓力機(jī)工作行程的最大總負(fù)荷，該負(fù)荷包括工作負(fù)荷和摩擦負(fù)荷，然后根據(jù)最大總負(fù)荷、傳動(dòng)比來確定電機(jī)的最大負(fù)荷；同時(shí)根據(jù)壓力機(jī)伺服運(yùn)行特性的需求，來計(jì)算伺服控制時(shí)速度變化的范圍，從而確定伺服電機(jī)的調(diào)速范圍。對圖1 所示的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)，根據(jù)壓力機(jī)變形抗力簡化模型，采用Adams 分析模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以得到曲柄肘桿伺服壓力機(jī)在塑性加工過程中，機(jī)構(gòu)沖擊載荷產(chǎn)生的阻力矩和曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線以及摩擦產(chǎn)生的阻力矩和曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖2 所示。

圖2 機(jī)構(gòu)承受的阻力矩與曲柄轉(zhuǎn)角關(guān)系

由圖2 可以看出，曲柄肘桿伺服壓力機(jī)工作時(shí)，機(jī)構(gòu)在工作行程中承受的最大沖擊載荷約為6000N·m，而承受的最大摩擦阻力載荷約為500N·m，那么機(jī)構(gòu)整體承受的最大總負(fù)荷約為6500N·m，此負(fù)荷就是作用在與電機(jī)串聯(lián)的同步齒輪上的轉(zhuǎn)矩。可以看出，此最大負(fù)荷雖然出現(xiàn)的時(shí)間很短，卻是壓力機(jī)工作時(shí)真正加工工件的負(fù)荷，并且在工作過程中周期性頻繁出現(xiàn)，所以需以此轉(zhuǎn)矩來確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。而壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了一級同步帶減速機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)比為j=5。因此，通過計(jì)算電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可以確定為1300N·m，留有19%的余量，最終確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為1600N·m。而對于驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作時(shí)最大轉(zhuǎn)速的確定，則需要通過分析曲柄肘桿伺服壓力機(jī)不同工藝的滑塊運(yùn)行曲線，以此分析計(jì)算相應(yīng)的曲柄角速度的變化范圍來確定，其他電機(jī)參數(shù)根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)予以確定?？梢钥闯鰧λ欧?qū)動(dòng)電機(jī)的要求是其具有低速、大轉(zhuǎn)矩的性能，因此采用橫向磁場電機(jī)是最佳選擇。

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略

曲柄肘桿伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過橫向磁場電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶減速機(jī)構(gòu)，然后串聯(lián)一級同步齒輪機(jī)構(gòu)，而同步齒輪機(jī)構(gòu)通過同軸固連的曲柄肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到滑塊之間存在著嚴(yán)重的非線性和慣性，為保證系統(tǒng)簡捷，從而能夠保證對系統(tǒng)實(shí)時(shí)、精確的控制，本文提出采用基于Bezier 曲線數(shù)學(xué)模型的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)控制策略，見圖3。

采用Bezier 曲線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算，可得到曲柄輸入和滑塊輸出的工藝特性曲線參數(shù)[8]，將這些工藝特性曲線參數(shù)應(yīng)用到壓力機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，就會(huì)大大簡化整個(gè)控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)控制的快速性。由圖3 可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的控制策略分為三大部分。首先通過離線優(yōu)化計(jì)算建立Bezier 曲線數(shù)學(xué)模型，以得到滿足伺服壓力機(jī)不同工藝要求的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)角位置控制給定曲線參數(shù)，這部分計(jì)算量大，采用離線計(jì)算將獲得的電機(jī)輸入轉(zhuǎn)角位置控制給定曲線參數(shù)以表格形式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，在實(shí)時(shí)控制時(shí)就可以迅速獲得相應(yīng)的參數(shù)，這樣有效保證了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。其次以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為核心，建立壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)，通過對其實(shí)時(shí)控制，以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角位置和輸入的給定一致。最后通過伺服壓力機(jī)雙曲柄肘桿機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，得到滿足加工工藝要求的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線。

圖3 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制模塊圖

采用圖3 所示的控制策略具有明顯優(yōu)點(diǎn)：

（1）由Bezier 曲線數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到了滿足壓力機(jī)不同工藝要求的最佳輸入和輸出柔性加工曲線參數(shù)，采用離線計(jì)算的方式，克服了因其計(jì)算量大而引起的系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性不能滿足的困難。

（2）壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)多閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，通過其中良好的控制策略和軟硬件設(shè)計(jì)，可以很好地滿足壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置伺服控制要求，從而得到滿足工藝要求的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角位置，來驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入環(huán)節(jié)即曲柄。

（3）壓力機(jī)雙曲柄肘桿機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)多連桿機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)壓力機(jī)時(shí)對其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了充分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其最終驅(qū)動(dòng)的滑塊運(yùn)行曲線能夠滿足曲柄輸入的要求，最終實(shí)現(xiàn)了滑塊柔性加工曲線的輸出。

4 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性分析及校核

曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源是伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)壓力機(jī)設(shè)計(jì)好后，工作時(shí)它對系統(tǒng)的運(yùn)行特性起著決定性的作用。本文采用爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)作為曲柄肘桿伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)柔性加工和滑塊低速鍛沖、快速空程及回程的工作特性，該驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要工作在恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)和恒功率工作區(qū)。恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)是爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)低速、大轉(zhuǎn)矩工作區(qū)域，其主要對應(yīng)壓力機(jī)滑塊運(yùn)行的低速鍛沖工作區(qū)域。而就壓力機(jī)工作過程，關(guān)鍵是壓力機(jī)滑塊在低速鍛沖過程中的運(yùn)行曲線，此區(qū)間是壓力機(jī)對工件進(jìn)行加工的工作區(qū)間，需要很大的力矩，并要求控制系統(tǒng)對滑塊的運(yùn)行控制能達(dá)到足夠的精度，以滿足工件加工的工藝要求。恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)和恒功率工作區(qū)的分界點(diǎn)是電機(jī)輸出最大電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到的最大值點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)工作過程中的快速空程和回程，希望電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠進(jìn)一步上升，這就需要進(jìn)行弱磁控制，即爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)此時(shí)需要工作在恒功率工作區(qū)。

本文通過對曲柄肘桿伺服壓力機(jī)的拉深工藝和沖裁工藝的分析，來研究壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性。在拉深加工過程中，工件的壁緣部分因受到坯料壓板的壓力牽制，往往會(huì)有褶皺產(chǎn)生，同時(shí)在工件底部的拉深部分，則可能會(huì)因?yàn)榕髁系牧鲃?dòng)與過度變形而造成異常變化，產(chǎn)生拉深破裂的情形，避免褶皺與破裂產(chǎn)生的主要方法是控制坯料塑性流動(dòng)的速度，這可以通過控制拉深加工的速度來控制坯料塑性流動(dòng)的速度，即使沖頭的拉深加工速度在運(yùn)行的速度范圍內(nèi)，以近似等速的方式運(yùn)動(dòng)。而在沖裁加工過程中，除剪切輪廓線附近的金屬外，板料本身并不產(chǎn)生塑性變形，所以由平板沖裁加工的零件仍然是一平面形狀，為了避免沖裁加工中的二次加工、提高產(chǎn)品加工精度和延長模具壽命，在沖裁工作范圍內(nèi)，就要設(shè)法使滑塊和沖頭盡量保持低速甚至接近零速運(yùn)行。

通過對曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，拉深工藝要達(dá)到在拉深加工區(qū)間內(nèi)使滑塊位移曲線基本是一條直線，相應(yīng)的滑塊速度曲線在此區(qū)間內(nèi)接近等速，以保證拉深工藝的加工質(zhì)量。而沖裁工藝要達(dá)到在沖裁加工區(qū)間內(nèi)使滑塊位移曲線也基本是一條直線，相應(yīng)的滑塊速度很低接近零速，以很好地實(shí)現(xiàn)沖裁加工工藝的工作要求?？刂频玫降膬煞N加工工藝伺服運(yùn)行特性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)角加速度曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出電機(jī)的角加速度變化較為頻繁，而且變化范圍較大，這就需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩，來滿足伺服壓力機(jī)系統(tǒng)的這種快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

根據(jù)此節(jié)內(nèi)容和上節(jié)圖2 所示的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)公稱壓力負(fù)載，可以對壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)的特性進(jìn)行校核。充分考慮負(fù)載情況，所以取負(fù)載運(yùn)行時(shí)的最大值，同時(shí)為了計(jì)算方便，將沖擊負(fù)載取為矩形。那么根據(jù)上節(jié)的分析，沖擊負(fù)載等效到電機(jī)軸端的阻力矩約為1300N·m。另外相對公稱壓力沖擊負(fù)載，壓力機(jī)滑塊空程和回程的阻力矩都很小，所以將此部分阻力矩忽略，那么可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

圖4 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服運(yùn)行加速度特性

式中，Tm和TL分別表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)等效到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩（在此只表示壓力機(jī)沖擊負(fù)載），Ω 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，Je為系統(tǒng)等效到電機(jī)軸端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，該值可以通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算得到。則由式（2）可以計(jì)算曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的需求，從而得到該伺服壓力機(jī)系統(tǒng)在一個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸端的阻力矩變化特性如圖5 所示。由相應(yīng)的速度和阻力矩變化特性可以得到系統(tǒng)的功率變化特性如圖6 所示。

由圖5 和圖6 可以得到如下結(jié)論：

（1）圖5a 所示拉深加工工藝的阻力矩變化特性示，在拉深加工工作區(qū)間內(nèi)（0.24～0.48s），系統(tǒng)的阻力矩明顯較大。這是因?yàn)樵谠搮^(qū)間內(nèi)，滑塊運(yùn)行速度趨于勻速，而工件在此階段內(nèi)進(jìn)行加工，需要較大的加工力矩。而在空程和回程運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，因?yàn)榛瑝K基本沒有阻力，所以阻力矩較小。但是在這兩個(gè)階段，需要一定的角加速度和角減速度，所以負(fù)載阻力矩并不平穩(wěn)，而且也有一定的峰值?？傮w上來說在拉深加工工藝的整個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，壓力機(jī)加工工作區(qū)域的沖擊負(fù)載形成的阻力矩顯得比較突出。

圖5 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)軸端的阻力矩變化特性

（2）圖5b 所示的沖裁加工工藝的阻力矩變化特性中，在沖裁加工工作區(qū)間內(nèi)（0.4～0.9s），系統(tǒng)的阻力矩較大。這是因?yàn)樵谠搮^(qū)間內(nèi)，滑塊運(yùn)行速度趨于零，而工件在此階段內(nèi)進(jìn)行沖裁加工，需要較大的力矩，顯然沖裁工藝的這個(gè)區(qū)間比拉深工藝寬。同樣可以看到，沖裁工藝在空程和回程運(yùn)行時(shí)段內(nèi)也有較大的阻力矩峰值出現(xiàn)，這是因?yàn)檩^寬的沖裁加工區(qū)間要求空程和回程的運(yùn)行速度要更高，從而需要較大的加減速度，以達(dá)到額定的滑塊行程次數(shù)。這樣沖裁工藝在整個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，壓力機(jī)加工工作區(qū)域的沖擊負(fù)載形成的阻力矩就顯得不是很突出。這說明在伺服壓力機(jī)運(yùn)行過程中，并不是只在壓力機(jī)加工工作區(qū)域需要電機(jī)輸出大力矩，在空程和回程階段，為了獲得很高的加速度也有可能需要電機(jī)輸出較大大的力矩。

圖6 曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率變化特性

（3）圖5 所示的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拉深和沖裁加工工藝阻力矩變化特性顯示，兩種工藝驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸端的阻力矩最大瞬時(shí)值在1600N·m左右，沒有超出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)要求。

（4）在圖6 所示的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率變化特性中，基于（1）中所述的原因，拉深加工工作時(shí)壓力機(jī)系統(tǒng)所需功率在整個(gè)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)比較突出；同理基于（2）中所述的原因，以及由于空程和回程時(shí)滑塊運(yùn)行速度較大，則沖裁加工工作時(shí)壓力機(jī)系統(tǒng)所需功率在整個(gè)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)反而小于其他空程和回程時(shí)系統(tǒng)所需的功率。

（5）圖6 中功率的正負(fù)表示能量流動(dòng)的方向。功率為正時(shí)表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器吸收能量，電機(jī)處于正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)；功率為負(fù)時(shí)表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器回饋能量，電機(jī)處于正轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)。出現(xiàn)能量這樣正反向流動(dòng)的原因，是因?yàn)樵谇鈼U伺服壓力機(jī)運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)周期性的增速和減速（見圖4 中電機(jī)角加速度有正值和負(fù)值），在減速時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)把壓力機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，回饋到到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流側(cè)在儲(chǔ)能電容上儲(chǔ)存，再在電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)釋放出來。

5 結(jié)論

曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)壓力機(jī)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)滑塊低速鍛沖、快速空程及回程功能和柔性加工的基礎(chǔ)。本文通過對伺服壓力機(jī)需要解決的核心問題的詳細(xì)分析，確定了伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究方向，設(shè)計(jì)了曲柄肘桿伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。具體給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，然后給出了系統(tǒng)曲柄肘桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果并確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略。文中以拉深和沖裁加工工藝為例，對設(shè)計(jì)的曲柄肘桿伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了詳細(xì)研究和校核。結(jié)果表明拉深工藝和沖裁工藝都很好地實(shí)現(xiàn)了低速鍛沖和快速空程及回程的功能，而且可以方便地完成不同的加工工藝，即系統(tǒng)具有明顯的柔性。同時(shí)結(jié)果顯示，系統(tǒng)所研究采用的爪極式組合定子橫向磁場電機(jī)滿足壓力機(jī)工作時(shí)對轉(zhuǎn)矩的要求，而且功率可以實(shí)現(xiàn)雙向流通，起到節(jié)能降耗的作用。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)到機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及系統(tǒng)控制策略都滿足了伺服壓力機(jī)的工作要求。

[1]金風(fēng)明，竇志平，韓新民.伺服壓力機(jī)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（1）：19-21.

[2]渠聚鑫，夏琴香，龍曉斌，等.伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)及其控制技術(shù)的研究進(jìn)展[J].鍛壓技術(shù)，2014，39（10）：89-97.

[3]趙升噸，張學(xué)來，高長宇，等.高速壓力機(jī)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（1）：17-25.

[4]呂 言，周建國，阮 澍.最新伺服壓力機(jī)的開發(fā)以及今后的動(dòng)向[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（1）：11-14.

[5]WEH H，MAY H.Achievable force densities for permanent magnet exited machines in a new configuration [C]//Proceedings ofInternational Conference on Electrical Machines：Munchen，Germany，March，1986：1107-1111.

[6]XIE J，KANG D H，WOO B C，et al.Optimum design of transverse flux machine for high contribution of permanent magnet to torque using response surface methodology[J].Journal of Electrical Engineering and Technology，2012，7（5）：745-752.

[7]謝 嘉，趙升噸，梁錦濤，等.壓力機(jī)桿系優(yōu)化求解的變量循序組合響應(yīng)面法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，46（5），2012.

[8]尚萬峰，趙升噸.服壓力機(jī)加工工藝的Bezier 模型及其優(yōu)化研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，46（3）：31～35.