復合伺服驅動壓邊力控制方法及執行機構設計

楊 莉 秦泗吉 杜廣杰

燕山大學，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金屬的起皺失穩。壓邊力過小不足以抑止板坯的起皺，但其過大又會使傳力區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，因而控制壓邊力是控制拉深成形過程的重要手段［1－4］。

為適應新材料（如輕質合金）、新工藝板材（如拼焊板）對成形工藝中壓邊力控制技術的要求，目前，此領域的主要研發方向為：①控制過程精確化、智能化和柔性化；②節能和環保；③工藝參數對成形過程影響規律的精確描述。

伺服驅動技術至今未能廣泛地用于成形制造領域，主要原因之一就是小功率的伺服電機不能滿足成形瞬間的大功率輸入需求。因此，如何解決伺服電機與執行機構之間功能的有效轉換，降低壓邊過程對電機功率的要求，成為壓邊力控制的關鍵問題之一。

為解決上述問題，本文采用復合伺服驅動壓邊力控制方法設計了六桿執行機構。理論分析和仿真結果表明，所設計的壓邊力控制系統可以滿足壓邊力控制的工藝要求。

1 復合伺服驅動壓邊力控制的方法及原理

根據拉深工藝對壓邊力的要求，文獻［4］提出了以數控伺服電機作為驅動元件實現壓邊的方法。這種壓邊力控制方法可以使壓邊力按預先設定的壓邊力行程曲線變化［5］，精確地實現拉深過程的壓邊力控制要求，對提高成形極限和保證成形制件的質量具有積極意義。

壓邊過程是一個變速運動過程，需要慢速壓下，快速抬起，并要求在不同的壓邊瞬間產生不同的增力比。根據拉深工藝特點，在同時考慮系統剛度、功能轉換效率等前提下，以六桿機構作為執行機構，采用該機構與伺服電機驅動的復合化設計方案，可以滿足小功率的伺服電機產生大壓邊力的要求。圖1所示為復合伺服驅動壓邊力控制系統框圖。在計算機控制下，由交流伺服電機驅動的滾珠絲杠螺母副將回轉運動轉化為直線運動，再由六桿機構將輸入的直線運動轉換為輸出的變速直線運動，通過壓力傳感器形成閉環控制系統。

圖1 復合伺服驅動壓邊力控制系統框圖

圖2為六桿機構簡圖。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。合理設計桿系尺寸，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，滿足壓邊過程產生較大壓邊力的工藝要求。

圖2 六桿機構簡圖

2 復合伺服驅動壓邊力執行機構設計

2.1 六桿機構桿系尺寸設計

在壓邊最大行程130mm變化范圍內，以壓邊工藝需要的變速傳動比為目標，以機構強度、剛度和桿系最大尺寸限制等為約束條件，利用優化設計得到六桿結構尺寸：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E的距離，它們之間的關系可用參數方程的形式表示如下：

由式（1）和式（2）可得到該機構對應的輸入與輸出位置關系曲線，如圖3所示。在某段區間內，當輸入y1的變化量很大時，通過六桿執行機構轉換到壓料板的輸出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位移量很小的工作要求。

將式（1）、式（2）對參變量θ求導，可得

圖3 六桿執行機構輸入與輸出位置關系曲線

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。當壓料板接近坯料時，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，所需要的驅動電機功率也較?。?］。

圖4 六桿執行機構輸入與輸出速比曲線

2.2 執行機構結構設計

復合伺服驅動壓邊裝置的結構原理如圖5所示，伺服電機1經聯軸器2、驅動絲杠3和螺母4做直線運動，由螺母帶動六桿執行機構5將運動和力傳遞給下滑板6，下滑板6通過連接桿7與模具的壓料板8相連，從而實現壓邊。

圖5 復合伺服驅動壓邊裝置結構原理圖

壓邊裝置擬安裝在H1F80數控伺服壓力機上。該裝置除應符合前述的壓邊力控制和拉深工藝要求之外，還應滿足結構緊湊、剛度高和易裝配等要求。此外，設計過程中要考慮總體外形尺寸，以便于其安裝在壓力機的下底孔內。與其關聯的壓力機尺寸包括工作臺孔尺寸、工作臺與地面的距離和壓力機的最大開間距離等。根據圖5和上述要求設計的壓邊裝置具體結構如圖6所示。

圖6 復合伺服驅動壓邊裝置結構

圖6中的交流伺服電機（圖中未給出）輸出軸1通過聯軸器2帶動滾珠絲杠3和螺母4實現直線往復運動，與螺母相連的連接件5通過中桿11、上桿10和下桿12帶動下滑板14運動，下滑板14通過連接桿8連接壓料板7完成可控壓邊運動，其中機架9固定在伺服壓力機工作臺上，連接板13將電機架16與機架9固連在一起，電機安裝在電機架16上。在運動過程中由下桿12把動力和運動傳給下滑板14，下滑板14經緩沖墊15，通過螺母和連接桿8連接壓料板7，實現壓邊運動。

2.3 復合伺服驅動系統設計

復合伺服驅動壓邊裝置利用交流伺服電機驅動機械傳動機構，實現壓邊力的精確控制。為選擇合適的電機，需要求出折算到電機軸上的負載轉矩M、等效負載慣量和加速力矩等［7］，其負載轉矩的計算公式為

式中，F為壓邊力、摩擦力及重力的總和；S為滾珠絲杠導程；η為機械傳動系統總效率；i為減速比（i＞1）。

若壓邊裝置產生的最大壓邊力為200kN，壓邊機構的最大行程為130mm，選用的滾珠絲杠直徑為40.0mm，導程為8.0mm，型號為FFZD4008R－3－P3/500×350。機械傳動系統的總效率為0.9。當壓料板作用于板坯時，六桿機構的減速比大于25，由式（5）可求出負載轉矩。交流伺服電機的額定功率選為1.8kW，額定轉矩為11.5N·m，瞬間最大轉矩為28.7N·m，額定轉速為1500r/min，最大轉速為3000r/min，轉子轉動慣量為31.7kg·cm2。此電機的外形尺寸較小，便于與壓邊執行機構一起安裝在壓力機的底孔內。

若直接利用伺服電機、聯軸器和絲杠螺母帶動壓料板進行壓邊，按最大壓邊力200kN計算，忽略摩擦力與重力的影響，可得出電機額定轉矩應大于283N·m，需要選擇額定功率大于15kW的電機。采用復合傳動方案可顯著降低電機的功率要求。

2.4 復合伺服驅動壓邊裝置仿真分析

隨著計算機虛擬仿真技術的迅速發展，虛擬樣機技術己成為現代設計方法之一。復合伺服驅動壓邊裝置執行機構的研究是實現壓邊控制的基礎，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多體系統，可完成其動力學建模與仿真分析。

先將三維建模環境下的模型文件數據轉換成仿真軟件圖形接口支持的格式，導入仿真分析軟件環境，生成仿真模型。然后添加相應的約束：絲杠與螺母為螺旋副，鉸接副為旋轉副，滑塊與機架之間的約束為移動副，施加旋轉驅動。對每個零件根據選定的材料添加質量信息，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行仿真，動、靜摩擦因數分別取為0.05、0.08，旋轉副間隙取為0.02mm，移動副間隙取為0.035mm。設仿真時間為10s，步長為500步。

當壓料板施加恒定的壓邊力于坯料時，伺服電機輸出的轉矩隨著減速比的增大而減小，如圖7所示。這從仿真角度驗證了具有不均勻傳動比的六桿機構的增力特性，為電機的選擇提供了參考依據。

圖7 恒壓邊力對應的伺服電機轉矩輸出曲線

圖8所示為壓邊力、所需驅動轉矩及位移與時間關系曲線。由上面分析可知，六桿機構的傳動比若取i，當最大壓邊力不變時，忽略摩擦等因素的影響，所選電機的轉矩只為原來的1/i。采用復合驅動方案，可大大降低所選電機的額定轉矩和功率，減少電機和驅動模塊成本；但其執行機構增加，傳動環節增多，系統摩擦轉矩增大，系統效率有所降低。

圖8 壓邊力、所需驅動轉矩及位移與時間關系曲線

當壓料板施加變壓邊力于坯料時（圖8a），仿真得到的電機輸出轉矩曲線如圖8b所示，圖8c所示為對應的輸出滑塊位移d與時間t的關系曲線。

仿真驗證了所設計的壓邊裝置可以實現變壓邊力的控制。與其他方法相比［8－9］，復合伺服驅動控制方法可實現對拉深過程壓邊力的精確控制，具有所需驅動功率小、控制系統簡單、結構緊湊等優點。

3 結論

（1）根據伺服電機驅動的壓邊力控制原理，采用復合化設計方法設計了壓邊裝置。利用壓邊裝置執行機構的變傳動比特性，可使小功率電機產生大的壓邊力，滿足拉深工藝的要求。

（2）采用虛擬樣機技術對壓邊裝置進行了仿真分析。對恒定壓邊力情況下伺服電機轉矩的仿真，驗證了該壓邊裝置的增力特性。對變壓邊力情況下的系統仿真，驗證了復合伺服驅動方法，可以使壓邊力按理想行程曲線變化，實現拉深過程中壓邊力的精確控制。

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