關(guān)于伺服機械壓力機傳動方案的研究

劉建坤 劉春枝

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南250022）

伺服電機瞬時扭矩可為伺服機械壓力機提供壓制力，依靠“力”進行傳動系統(tǒng)設(shè)計，伺服電機的扭矩、容量通過伺服電機過載倍數(shù)確定。使用大容量的伺服電機的無飛輪傳動系統(tǒng)雖然可獲得大噸位，但卻將使用成本大大增加了，不利于伺服機械壓力機在更多領(lǐng)域推廣運用。為此，深化設(shè)計伺服機械壓力機，針對轉(zhuǎn)動方案進行深化研究非常有必要。

1 伺服機械壓力機無飛輪傳動方案

驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)及工作機構(gòu)是實現(xiàn)伺服機械壓力機沖壓功能的部件組成。結(jié)合伺服機械壓力機傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能，可以對相關(guān)方案進行優(yōu)化分析，了解這些方案的特征。方案具體包含以下幾種：

1.1 1A-2D 方案。直線電機對滑塊直接驅(qū)動，使其做直線運動，這是該方案下功能實現(xiàn)的主要方式。特點是“零傳動”，即沒有曲柄連桿、無齒輪，也不依靠多連桿、肘桿等增力機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更為輕便、簡單，有著更為精準的定位，在加工上也更加方便，使生產(chǎn)效率進一步提高。但同時也有不足，體現(xiàn)在生產(chǎn)中應(yīng)用成本仍很高，有著過低的直線電機功率，伺服機械壓力機公稱相對不高，難以滿足一些大型壓力機應(yīng)用需求。僅能夠應(yīng)用在微小型壓力機上。

1.2 1A-2B/2C-3B-4A 方案。這一方案中，驅(qū)動方式與普通單點的機械壓力機傳動機構(gòu)有很多相同的地方，比如，均由交流伺服電機經(jīng)一級齒輪減速來驅(qū)動，是一種直接驅(qū)動方式。但仍存在一些差異，比如，這一防范沒使用制動器、飛輪等，縮小了齒輪，成本相對更低。但也存在不足，即缺乏增力結(jié)構(gòu)支持，減速比不足等。為此，公稱力的選擇需要重點把握，不能過大，一般控制在2500kN 以內(nèi)為宜。

1.3 1A-2B/2C-3B-4A/4B-5B 方案。該方案下的傳動有著一定復(fù)雜性，不僅是因為要借助肘桿機構(gòu)增力，還要進行二級減速，伺服電機通過同步帶輪、齒輪兩級減速，曲柄連桿則會發(fā)生移動。這樣一來，伺服電動機容量大幅度降低，可以看作方案1A-2B/2C-3B-4A 的改進。因為采用增力機構(gòu)肘桿，使得壓力機的運動特性增強，這是因為肘桿有以下特性：（1）低速運動特性可在滑塊下死點附近實現(xiàn)，進而將金屬材料最大拉伸速度限制需求滿足。（2）可實現(xiàn)“快- 慢- 更快”的成形工藝運動要求，是由于滑塊上下不對稱的速度曲線及一定的急回特性而實現(xiàn)的[1]。（3）通過明顯增力，可控制伺服電機容量，可有效控制成本。該方案發(fā)展前景非常良好。

1.4 1A-2B-3B-3B-4A-5A 方案。此方案下，經(jīng)一級齒輪減速后的單臺伺服電機驅(qū)動，運用了雙邊傳動的小齒輪，并且這些小齒輪會相互嚙合，為兩大齒輪源源不斷傳輸動力，大齒輪異向回轉(zhuǎn)得以實現(xiàn)，兩個曲柄、肘桿均由大齒輪分別驅(qū)動，在共同驅(qū)動下使滑塊有效運動。在單臺電機驅(qū)動的雙點壓力機中，該方案的運用最為適合。

1.5 1A-2B/2C-3A-4B 方案。經(jīng)同步帶輪減速以后的兩臺交流伺服電機，由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿?，直接的?qū)動方式基本與電動螺旋壓力機相同。但是該方案暴露出以下幾點明顯問題：運行過程中電機換向過于頻繁；要隨時精準同步控制；承載能力不高。但是此由多臺電機共同驅(qū)動，可以分擔單臺電機驅(qū)動壓力，并降低成本，可以廣泛運用到噸位較小的伺服機械壓力機中。

1.6 1A-2B-3A-4B-5A 方案。該方案與1A-2B/2C-3A-4B方案相似的地方有很多。滾動螺旋副后與肘桿機構(gòu)進行了串聯(lián)是該方案的一個顯著特征， 并且該方案也具備1A-2B/2C-3B-4A/4B-5B 方案的一些優(yōu)勢，但同樣存在1A-2B/2C-3A-4B 方案的缺點。較大公稱的雙點伺服機械壓力機中應(yīng)用較多。

1.7 1A-2B-3A-4B-5A 方案。該方案應(yīng)用的伺服電機有兩臺，可對同一渦輪驅(qū)動，進而改變螺旋副變渦輪轉(zhuǎn)動狀態(tài)，變?yōu)橐陨仙匣瑝K移動為主，驅(qū)動方式也變?yōu)榱艘揽繉ΨQ肘機構(gòu)增力對下滑塊上下移動。這種方案單位噸位電機容量不高，這與應(yīng)用了兩臺伺服電機驅(qū)動有關(guān)，并且對稱肘桿增力也發(fā)揮了一定作用[2]。方案仍存在一些問題，比如，成本問題、重載絲杠設(shè)計、使用壽命問題等；因為有較長的傳動鏈，使得制造變得非常復(fù)雜；上下滑塊行程不匹配，上滑塊行程更大，這樣就會將絲杠的長度增加，并使沖壓頻率大幅度降低。

1.8 1B-（2A-3A-4B）+（2B-3B-4B）-3D-4A 方案。該方案比起其他方案有著顯著不同，即使用了混合驅(qū)動方式，混合的對象為交流伺服電機驅(qū)動與普通交流異步電機驅(qū)動。異步電機是主要動力來源，通過帶輪與齒輪可使使勻速轉(zhuǎn)動速度減慢；起到運動調(diào)節(jié)作用的是伺服電機，減速通過兩級齒輪實現(xiàn)。比起全伺服驅(qū)動，混合驅(qū)動中伺服電機有更小的容量，依靠兩個原件間運動抵消實現(xiàn)滑塊低速工作行程的運動，但滑塊運動調(diào)節(jié)僅能在一定范圍內(nèi)進行。

1.9 1B-（2A-3A-3B-4A）+（2B-4B）-5C。該方案也采用到了混合驅(qū)動，經(jīng)皮帶輪與齒輪減速后，異步電機的勻速轉(zhuǎn)動會對曲柄轉(zhuǎn)動進行驅(qū)動；通過曲柄連桿對滑塊移動驅(qū)動調(diào)節(jié)；兩臺電機的運動通過自由度合成機構(gòu)合并，以更好的驅(qū)動滑塊運動，并能極大降低伺服電機容量需求。但是該方案仍存在一些不足：（1）機構(gòu)分析及設(shè)計難度增大，因為應(yīng)用到了多輸入、多自由度的機構(gòu)。（2）控制系統(tǒng)的復(fù)雜性增大，因為需要智能化控制多自由度機電耦合系統(tǒng)。

2 各種傳動類型伺服壓力機典型產(chǎn)品

2.1 直接驅(qū)動型產(chǎn)品。日本公司開發(fā)的L-SF 系列產(chǎn)品，公稱力較大，即10kN，且有100mm 的行程，還具備200 次·min-1的工作頻率；國內(nèi)浙江大學(xué)開發(fā)的5～100kN 同類型產(chǎn)品中，10kN規(guī)格的與普通機械壓力機相比有更多優(yōu)勢，比節(jié)能就是其中最為顯著的優(yōu)勢之一，更加輕便，降噪效果更顯著等。

2.2 肘桿增力型。日本AMINO 公司的雙點伺服壓力機，傳動方案為1A-2B-3B-3B-4A-5A，屬于等償肘桿型，三角肘桿型代表產(chǎn)品為日本KOMATSU 公司的HIF 系列產(chǎn)品，有著2000kN的最大公稱。

2.3 混合驅(qū)動型。如今，雖然混合驅(qū)動型有著一定優(yōu)勢，但是應(yīng)用仍不夠普遍，很多混合型驅(qū)動尚處于實驗階段，沒能在實際生產(chǎn)中運用，尤其是在伺服機械壓力機上使用更是少之甚少。其中，應(yīng)用最多的產(chǎn)品是桿系混合驅(qū)動伺服機械壓力機，即使大噸位的電機被開發(fā)出來，但是功率仍達不到使用標準，與普通電機的功率相差甚遠[3]。

3 伺服機械壓力機傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1 混合驅(qū)動?；旌纤欧?qū)動技術(shù)將成為伺服機械壓力機未來研究的一個熱點。目前，全伺服驅(qū)動已經(jīng)成為商品化伺服機械壓力機主導(dǎo)驅(qū)動方式，這是因為二自由度耦合傳動機構(gòu)設(shè)計上更為復(fù)雜，很難對滑塊進行調(diào)節(jié)。但同時優(yōu)勢也比較明顯，比如，能夠降低電機容量，節(jié)約成本等。

3.2 驅(qū)動源與傳動機構(gòu)。伺服驅(qū)動壓力機的性能更高，但造價也高，對推廣應(yīng)用造成不便。采用新傳動機構(gòu)是解決這一問題的關(guān)鍵，而傳動機構(gòu)又存在一定復(fù)雜性，容易使制造成本增加。還可以對新型伺服驅(qū)動源進行開發(fā)，包括開關(guān)磁阻電機、變頻電機等。

3.3 傳動機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。伺服機械壓力機比起傳統(tǒng)的機械壓力機，傳動機構(gòu)更為復(fù)雜，需要使用到肘桿、多連桿、差動輪系等。且對這些機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，即組合設(shè)計后，主要是為了將伺服電機的輸出扭矩降低，進而降低伺服電機容量及成本，而不再是簡單將滑塊特殊曲線獲得。但是，當前組合設(shè)計時效性不高，設(shè)計方法缺乏。為此，使用動力學(xué)分析軟件、CAD 軟件就顯得非常必要。

3.4 傳動機構(gòu)剛性設(shè)計與位置控制。在設(shè)計中，通過組合方式將增力功能提升，但是剛性仍不足，不僅沒有提升反而降低了很多，這就是伺服機械壓力機在組合設(shè)計后暴露出的問題，在設(shè)計后，控制的內(nèi)容也增多了，包括滑塊運動速度、滑塊位移等，同時還要考慮機身彈性變形、傳動機構(gòu)變化問題，因為這些都是關(guān)系到使用效果的問題。為此，在傳動機構(gòu)方案設(shè)計上，剛?cè)狁詈蟿恿Ψ治鍪潜夭豢缮俚摹?/p>

總之，伺服機械壓力機傳動方案有很多，且不同方案均有一一定優(yōu)勢即不足，適應(yīng)領(lǐng)域也不同。在機械系統(tǒng)日趨復(fù)雜下，需要進一步優(yōu)化設(shè)計，解決剛?cè)狁詈?、機電耦合等問題，找出最優(yōu)傳動方案，使產(chǎn)品以最優(yōu)成本得到廣泛推廣運用。