智能伺服壓力機(jī)選型計(jì)算分析

湯世松，項(xiàng)余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，劉志

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

智能伺服壓力機(jī)選型計(jì)算分析

湯世松，項(xiàng)余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，劉志

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

根據(jù)曲柄連桿壓力機(jī)工藝要求和交流伺服系統(tǒng)控制原理，研制開(kāi)發(fā)了SIP-160伺服壓力機(jī)，取消了機(jī)械飛輪和離合器，實(shí)現(xiàn)了伺服壓力機(jī)的柔性化和智能化控制。分析了伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的選型計(jì)算。介紹了該伺服壓力機(jī)的控制方法，針對(duì)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，作了進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)控程序，有利于提高智能型伺服壓力機(jī)性能。

壓力機(jī)；伺服電機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)器；智能化控制；監(jiān)控程序

傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)采用普通交流感應(yīng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配有大慣量的機(jī)械飛輪，速度按正弦曲線變化，不能調(diào)節(jié)，運(yùn)動(dòng)特性單一，工藝適用性差。而伺服壓力機(jī)具有智能化、節(jié)能、高效、高柔性、高精度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了鍛壓機(jī)床的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[1]。伺服壓力機(jī)與傳統(tǒng)壓力機(jī)相比[2]，主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在控制系統(tǒng)更加自動(dòng)化和智能化、操作方式更加靈活方便，能實(shí)現(xiàn)多種工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，與機(jī)器人或機(jī)械手等自動(dòng)送、卸料設(shè)備組成縱列串行沖壓生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)等，從而更加適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

在伺服壓力機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，交流伺服系統(tǒng)選型顯得相當(dāng)重要，伺服電機(jī)要求低速大扭矩，以保證伺服壓力機(jī)的整體性能。伺服壓力機(jī)具有柔性化、高速化、高效率的特點(diǎn)，保證壓力機(jī)的閉合高度在生產(chǎn)過(guò)程中的精確穩(wěn)定，抑制產(chǎn)品毛刺出現(xiàn)，使沖頭工作模式與成形工藝相適應(yīng)。本文重點(diǎn)研究1600kN精密智能型伺服壓力機(jī)的選型計(jì)算分析與裝配調(diào)試，更好地為公司環(huán)保節(jié)能伺服壓力機(jī)的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 伺服壓力機(jī)交流伺服系統(tǒng)選型分析

目前，高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁交流伺服系統(tǒng)，其中包括永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。因此，下面針對(duì)伺服電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)器的選型作詳細(xì)分析。

1.1 伺服電機(jī)的選型

動(dòng)力裝置是所有機(jī)械設(shè)備的核心，為裝備提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。精密智能型伺服壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要根據(jù)該設(shè)備的工作特點(diǎn)和性能要求進(jìn)行選擇，只有在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能滿(mǎn)足要求的前提下，設(shè)備性能才能得以保證。

壓力機(jī)加工具有負(fù)載大、沖擊強(qiáng)等特征，直接驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)與傳統(tǒng)壓力機(jī)所用電機(jī)相比，需要輸出更大的轉(zhuǎn)矩，具備更強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。電機(jī)的選型，主要根據(jù)額定功率和額定輸出轉(zhuǎn)矩兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行。

伺服壓力機(jī)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的機(jī)械飛輪，電機(jī)容量選擇與普通壓力機(jī)有很大不同。電機(jī)轉(zhuǎn)子以及運(yùn)動(dòng)部件折合到電機(jī)軸的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較普通壓力機(jī)小很多，壓制力不是靠飛輪減速，而主要靠電機(jī)的瞬時(shí)扭矩產(chǎn)生。根據(jù)最大工作負(fù)荷、傳動(dòng)比選擇電機(jī)的最大負(fù)荷，綜合考慮電機(jī)過(guò)載倍數(shù)、傳動(dòng)比等因素設(shè)計(jì)或選擇電機(jī)。根據(jù)以上的選型分析，以滿(mǎn)足工作最大力矩的條件選擇伺服電機(jī)，用功率進(jìn)行校核[5]。

1600kN精密智能型伺服壓力機(jī)所選的主伺服電機(jī)一般要求為低速大扭矩，這樣可以選擇較小合適功率的伺服電機(jī)，降低整機(jī)成本。

已知曲柄壓力機(jī)參數(shù)：公稱(chēng)壓力Pg=1600kN，滑塊行程S=250mm，公稱(chēng)力行程6mm，行程次數(shù)60spm，裝模高度調(diào)節(jié)量80mm，最大裝模高度320mm，公稱(chēng)壓力角αg=17.291°，曲柄半徑R= 100mm，連桿長(zhǎng)度L=920mm，連桿系數(shù)λ=R/L= 0.109，壓力機(jī)第一級(jí)傳動(dòng)(電機(jī)軸至中間軸)傳動(dòng)比i1=6.25，第二級(jí)傳動(dòng)(中間軸至曲軸)傳動(dòng)比i2=3.6，總傳動(dòng)比i0=i1×i2=22.5，η為壓力機(jī)總效率，帶拉深墊且為手動(dòng)送料時(shí)為0.45。

下面探討具體設(shè)計(jì)步驟。

1.1.1 根據(jù)最大工作負(fù)荷、傳動(dòng)比選擇電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩

（1）電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩?fù)Q算到電機(jī)輸出軸上的扭矩，計(jì)算公式為：

式中：Pg=1600kN，曲柄半徑R=140mm，β=2.118°，i0= 22.5。則

（2）電機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩

工作時(shí)壓力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的摩擦轉(zhuǎn)矩是不可忽視的。主要的摩擦有4處：①滑塊導(dǎo)軌面；②曲軸（或芯軸）支撐頸和軸承之間的摩擦；③曲軸頸和連桿大端軸承之間的摩擦；④球頭與球頭座之間的摩擦。據(jù)此，機(jī)械摩擦總轉(zhuǎn)矩為：

式中：TLf為機(jī)械摩擦總轉(zhuǎn)矩；μ為機(jī)械摩擦系數(shù)，對(duì)開(kāi)式壓力機(jī)μ=0.04～0.05；公稱(chēng)壓力Pg=1600kN；連桿系數(shù)λ=0.109；曲軸曲柄頸直徑dA=320mm；球頭直徑dB=280mm；曲軸支撐頸直徑d0=265mm。則

機(jī)械摩擦總轉(zhuǎn)矩?fù)Q算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為：

因此，電機(jī)軸上的最大轉(zhuǎn)矩T=TL+Tf=3307+909= 4216（N·m）

1.1.2 綜合考慮傳動(dòng)比、電機(jī)過(guò)載倍數(shù)等因素選擇電機(jī)

在工作行程內(nèi)，電機(jī)工作在過(guò)載狀態(tài)，設(shè)計(jì)過(guò)載倍數(shù)為4，因此Te=T/4=4216/4=1054N·m。由于交流同步伺服電機(jī)具有過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在電機(jī)選擇時(shí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可以比工作最大力矩稍小一點(diǎn)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，針對(duì)精密智能型伺服壓力機(jī)的工作特點(diǎn)和性能要求，選擇如圖1所示的某國(guó)產(chǎn)品牌交流永磁同步伺服電機(jī)ISMD3-50D50BD-R122F作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩955N·m，峰值轉(zhuǎn)矩3440 N·m，額定電壓380V，具有較高瞬時(shí)過(guò)載能力，能夠滿(mǎn)足額定公稱(chēng)力范圍內(nèi)各種沖壓工藝的能量需求[6]。

圖1 交流伺服電機(jī)

1.2 伺服驅(qū)動(dòng)器的選型

永磁交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)歷了模擬式、模數(shù)混合式的發(fā)展后，目前已進(jìn)入全數(shù)字時(shí)代。全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點(diǎn)，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法上的靈活性，使伺服驅(qū)動(dòng)器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且性能更加可靠。

伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。功率板是強(qiáng)電部分，其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元PM，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；二是開(kāi)關(guān)電源單元，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心，也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^(guò)相應(yīng)的算法輸出PWM信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)改變逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的[7]。

本項(xiàng)目智能伺服壓力機(jī)選用的伺服驅(qū)動(dòng)器（IS550AT210I）作為主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器，主要任務(wù)是響應(yīng)PLC信號(hào)，根據(jù)伺服壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)比、伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)及滑塊位移傳感器信號(hào)計(jì)算滑塊實(shí)時(shí)位置及速度。這樣就可以完成高精度定位的控制。同時(shí)，保證在頻繁起停下自身運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與快速響應(yīng)性，伺服性能直接反映了設(shè)備的整機(jī)性能與質(zhì)量。

由于伺服驅(qū)動(dòng)器具有自我保護(hù)功能，防過(guò)流、過(guò)壓、短路等功能，故當(dāng)整個(gè)伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者伺服電機(jī)過(guò)載，三相電源線出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器立即報(bào)警，停止動(dòng)力輸出，保護(hù)電氣元件和機(jī)械零件安全，更要人性化地保護(hù)人身安全，防止意外傷害[7]。針對(duì)伺服壓力機(jī)故障及實(shí)時(shí)工況監(jiān)控，開(kāi)發(fā)了伺服控制系統(tǒng)監(jiān)控程序，主程序界面如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)監(jiān)控程序主界圖

調(diào)試過(guò)程中，多連桿伺服壓力機(jī)運(yùn)行情況良好。當(dāng)SPM為38時(shí)，用高精度的下死點(diǎn)測(cè)試儀測(cè)試下死點(diǎn)精度，最大誤差10μm，說(shuō)明該伺服壓力機(jī)具備高精度及高可靠性。下死點(diǎn)精度如圖3所示。

圖3 下死點(diǎn)精度

2 伺服壓力機(jī)控制方法

2.1 伺服壓力機(jī)控制原理圖

PLC（H2U-3232MTQ）作為核心程序的載體，負(fù)責(zé)與IS550之間的CAN-LINK通訊及各種控制信號(hào)轉(zhuǎn)化與流通，最終控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)與協(xié)調(diào)。PLC程序根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)比、伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比、伺服電機(jī)編碼器的線數(shù)以及滑塊編碼器的反饋位置，計(jì)算出滑塊當(dāng)前的位置，從而伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸以相應(yīng)的速度運(yùn)行在相應(yīng)的位置。如圖4所示為控制流程圖。

圖4 控制流程圖

SERVO（IS550）伺服系統(tǒng)作為主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要任務(wù)是完成定位精度的控制，嚴(yán)格執(zhí)行來(lái)自滑塊位移傳感器給出的模擬量指令信號(hào)，因?yàn)槟M量直接反饋的就是模擬量滑塊的當(dāng)前位置。同時(shí)，保證在頻繁起停負(fù)載下自身運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與快速響應(yīng)性，伺服性能直接反映了這臺(tái)設(shè)備的整機(jī)性能與質(zhì)量。

2.2 伺服壓力機(jī)的控制方法

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的深入調(diào)試、運(yùn)行，伺服壓力機(jī)操作控制方法如下：

（1）先開(kāi)啟設(shè)備電源，等伺服壓力機(jī)上電后，對(duì)PLC采集過(guò)來(lái)的各種相應(yīng)器件的控制信號(hào)自檢；如果在觸摸屏上顯示報(bào)警提示，需要人工一一排除報(bào)警故障；

（2）故障排除后，主傳動(dòng)伺服控制器和調(diào)模伺服控制器便準(zhǔn)備就緒。PLC通過(guò)CAN-Link總線通訊，采集各種控制信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和順序運(yùn)算后，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)；

（3）PLC程序根據(jù)控制面板觸摸屏的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)邏輯程序運(yùn)行后發(fā)數(shù)字信號(hào)給兩伺服驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)兩伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部運(yùn)算芯片計(jì)算出伺服機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)比、伺服電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)以及滑塊編碼器的反饋位置，計(jì)算出滑塊當(dāng)前的實(shí)際位置；

（4）主傳動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)伺服電機(jī)通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)給大齒輪驅(qū)動(dòng)曲軸，再帶動(dòng)偏心輪經(jīng)過(guò)六連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)后以相應(yīng)的速度運(yùn)行在相應(yīng)的位置；

（5）調(diào)模伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)調(diào)模伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)渦輪渦桿調(diào)整球頭螺桿，調(diào)整滑塊封閉高度。

控制運(yùn)行模式有三種選擇，分別為寸動(dòng)、單次、連續(xù)。如果選擇寸動(dòng)、單次，按雙手按紐，滑塊運(yùn)行；如果選擇連續(xù)方式，再按一下連續(xù)預(yù)置按紐，按雙手可以實(shí)現(xiàn)滑塊的連續(xù)運(yùn)行。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(guò)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)的檢測(cè)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，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)的功能集于一身，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊，制造成本低廉的特點(diǎn)。

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)，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[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)SIP-160精密智能型伺服壓力機(jī)交流伺服系統(tǒng)選型計(jì)算深入分析，確定了性?xún)r(jià)比很高的方案。本文對(duì)伺服壓力機(jī)控制方法作了深刻討論，確定了有效的調(diào)試步驟。該伺服壓力機(jī)具有高精度、高柔性、高效性、復(fù)合性、低噪環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，屬于高檔壓力機(jī)。其廣泛應(yīng)用于電訊器材、儀器儀表、電機(jī)電器、鐘表、玩具、五金、拖拉機(jī)、汽車(chē)和航空等行業(yè)。

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Analysis of selection and calculation for intelligent servo press

TANG Shisong,XIANG Yujian,ZHONG Taisheng,ZHAN Junyong,LUO Suping,LIU Zhi
（Jiangsu Yangli Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

According to the process requirements of crank press and control principle of AC servo system, the SIP-160 servo press has been developed which eliminates mechanical wheel and clutch.The flexible and intelligent control of the servo press has been realized.The selection and calculation of the servo motor and servo driver have been analyzed.The control method of servo press has been introduced.Aiming at the issues occurred in the commission process,the monitor program has been further optimized,which is favorable for improving the performance of the intelligent servo press.

Servo motor;Servo driver;Intelligent control;Monitor program

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.007

1672-0121（2016）05-0025-04

2016-05-25；

2016-07-11

江蘇省科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（BE2013871）

湯世松（1985-），男，碩士，電氣工程師，從事交流伺服運(yùn)動(dòng)控制、伺服電機(jī)、機(jī)電一體化等研究。E-mail：tangshisong26@163.com