回轉頭壓力機交流伺服直驅方式的研究

趙升噸，張宗元，張貴成，2，張 超，陳 超，賈 先

（1.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049；2.廣東鍛壓機床廠有限公司，廣東 順德 528000）

0 引言

回轉頭壓力機作為一種自動化程度很高的金屬板材沖壓及成形加工設備，至今已有近五十年的應用和發展。廣泛應用于機械、電子、汽車、軍工、航空航天等多個重要工業領域。回轉頭壓力機主要由數控系統、主傳動系統、床身、送料機構及模具庫等組成。作為沖壓動力源的主傳動系統，一直是數控沖床技術進步的標志之一，經歷了幾個階段的變化和發展。近年來，隨著電機調速和伺服控制技術的飛速發展，以及直接驅動技術在機床技術中的廣泛應用，采用伺服電機驅動主傳動系統的回轉頭壓力機，具有沖壓速度高、節能、低噪聲、無液壓油、環保等優點，而且伺服電機調速性能優良，在寬廣的調速范圍內具有較高效率，可以在較小的電流下實現啟動和頻繁正反轉，實現高精度、快響應、高效率和高輸出的性能指標。目前采用伺服電機驅動主傳動系統的回轉頭壓力機已成為國外著名廠商的技術發展重點，并相繼開發出擁有各自專利技術的產品，如日本AMADA公司、MURATEC公司、芬蘭FINN-POWER公司、德國TRUMPF公司均已推出伺服電機直接驅動的數控轉塔沖床且性能上達到了新的高度。目前，國內對于伺服壓力機的研究也日趨廣泛和深入，如濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司研制的SPE系列數控伺服轉塔沖床。廣東工業大學孫友松教授等對直流伺服電動機直接驅動的機械壓力機進行了深入研究，天津大學孟彩芳教授也研究了交流伺服混合輸入式機械壓力機。

西安交通大學和廣東鍛壓機床廠有限公司以高端高速精密板材沖壓加工中心的研發為目標，對大功率交流伺服驅動高端高速精密板材沖壓加工中心的關鍵技術問題進行了深入研究，采用自主研發的開關磁通永磁電機取代普通的伺服電機，為開發高速沖壓大功率交流伺服電機驅動控制系統，建立高端高速精密板材沖壓集成技術設計、控制方法和制造工藝，制定其設計、制造、檢測等技術標準奠定了基礎。

1 伺服驅動技術的發展

以電機為基礎的伺服控制技術是壓力機交流伺服直驅傳動方式的關鍵技術，其動態性能、力學性能影響著整個傳動方式的性能，一般來說伺服驅動技術中的電動機，需要具有轉動慣量小、動態特性好、具有良好的控制性能特別是速度控制、轉矩大、轉矩脈動小等特點。

以電動機為基礎的電氣傳動技術誕生于19世紀初，電氣伺服系統根據所驅動的電機類型可分為直流（DC）伺服系統和交流（AC）伺服系統。直到上世紀50年代，高性能可調速傳動均采用直流電動機，并廣泛應用于計算機外圍設備和機械設備上，70年代更是直流伺服電機應用最為廣泛的時代。但直流調速由于采用機械換向存在著諸多不可避免的缺陷，如換向器壽命低、換向火花、造價高等問題。

隨著電機技術的不斷發展，產生了高性能交流調速系統，并表現出卓越的性能。交流伺服電機的控制精度是普通步進電機控制精度的600倍，同時交流伺服電機低頻特性好、過載能力強，采用閉環控制，控制性能更為可靠，而且交流伺服電機加速性能好，從靜止加速到額定速度一般僅需幾ms，適用于快速啟停的場合。近年來，隨著大功率交流伺服電機、電力電子器件以及交流伺服控制技術的突破，以及微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性價比的日益提高，交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為數控機床動力系統中的主導產品。

交流伺服系統主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統和感應式異步（IM型）電動機交流伺服系統。永磁同步電動機交流伺服控制技術是發展較為成熟的一種伺服控制系統，具有體積小、性能好、結構簡單、可靠性高、轉矩大、調速范圍寬等特點，特別是其具有優良的低速性能和很大的調速范圍，適應了目前高性能伺服驅動的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，以及高性能永磁同步電機控制系統控制技術的不斷完善，目前永磁同步電動機已成為交流伺服直驅壓力機中交流伺服系統的主流。

與此同時，新的調速控制系統不斷出現。開關磁阻電機和開關磁通電機是上世紀80年代發展起來的新型調速驅動系統。相比較永磁同步電機，開關磁阻電機結構簡單可靠，調速性能優良、可靠性高，在寬廣的調速范圍內具有較高效率，啟動轉矩大、啟動電流小，可以在較小的電流下實現啟動和頻繁正反轉等，可以實現高精度、快響應、高效率和高輸出的性能指標。開關磁通電機作為一種全新結構的電機逐漸受到重視并成為新的研究方向，是因為在性能和結構方面具有獨特的優勢。由于開關磁通電機獨特的磁路結構，定子采用集中繞組，端部尺寸短，繞組用銅量少，損耗小，其恒功率弱磁調速區在理論上可無限寬，具有很高的運行效率和力能指標，易于散熱，適合高速運行以無刷交流運行，目前已引起國內外的廣泛關注，成為國際上最新的研究領域。

2 常見的幾種交流伺服直驅方式

2.1 直線電機直接驅動式

壓力機滑塊運動為往復直線運動，不管是采取曲柄滑塊、齒輪齒條、肘桿機構等，都是將擺動或者旋轉運動轉換為直線運動。直線電動機發展歷史久遠，將直線電機與壓力機滑塊直接相連，無齒輪、同步帶輪等減速機構，無曲柄連桿、螺旋副等運動形式轉換機構，無肘桿、多連桿等增力機構，這就是所謂的“零傳動”。這種工作機構具有結構簡單、定位精確、控制方便、節能環保等優點。但是由于直線電機的功率、扭矩以及成本限制，目前較少應用于高速、大噸位的壓力機上。

2.2 伺服電機直接與曲柄相連式

伺服電機直接與曲柄相連方式是在傳統機械式主傳動的基礎上，將伺服電機直接與曲軸相連，省去飛輪及離合器、制動器。這種方式是應用較早的一種方式，如日本AMADA公司的EM系列雙伺服電機主傳動系統是將兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端，既保證了電機對曲軸足夠的扭矩輸出，同時也可以獲得很高的沖壓頻率。

圖1是雙電機直驅式曲柄連桿主工作機構示意圖，將兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運轉，保證了對曲軸足夠的扭矩輸出，同時可以獲得很高的沖壓頻率。主軸的偏心部分位于軸的中部，此處與連桿通過滑動軸承連接。偏心部分兩側為支撐用滾子軸承，滾子軸承分別布置于主機箱和電機機箱中。主軸兩側與伺服電機的轉子通過鋁制花鍵套相連，使得結構緊湊。采用鋁制套有利于內部磁場分布，也利于減小轉動慣量。

伺服電機直接與曲柄相連方式最接近“近零傳動”的傳動方式，省去了飛輪及離合器、制動器，沒有減速器、肘桿機構等增力機構，結構簡單，控制方便，但是由于沒有增力機構，對電機的扭矩要求比較高，一般應用于低噸位的壓力機當中。

2.3 伺服電機通過減速器與曲柄肘桿等機構相連式

由于目前低速、大扭矩電機技術的限制，很多時候電機通過減速器連接曲柄滑塊機構或者電機通過絲杠螺母連接肘桿機構，利用減速器或者肘桿機構的增力特性降低對伺服電機負載扭矩的要求。如日本AMADA公司的AC單電機系列數控轉塔沖床的主傳動結構形式是將單電機通過絲杠驅動肘桿機構運動，實現滑塊的往復運動，這種結構雖然比較復雜，但是利用肘桿機構的增力特性和良好的運動特性，可降低伺服電機的負載扭矩；日本MURATEC公司的MOTORUM-2048LT型數控轉塔沖床是將伺服電機與曲柄肘桿機構相連，曲柄肘桿機構不僅有很好的增力特性，可降低伺服電機的負載扭矩，而且曲柄旋轉一周，可使滑塊上下運動兩次，從而能夠達到更高的沖壓頻率。圖2是MURATEC公司伺服電機驅動式主傳動示意圖。

伺服電機通過減速器與曲柄肘桿等機構相連式，能夠借助減速器和肘桿機構的增力特性，降低對伺服電機負載扭矩的要求。而且可以利用肘桿機構的運動學特性獲得較大的滑塊行程，實現很理想的滑塊運動曲線，能夠擴大壓力機的加工范圍，改善加工工藝性能。但是這類壓力機結構相對復雜，壓力機整體機構較為龐大，適合在較大型噸位中應用。

圖2 MURATEC公司伺服電機驅動式主傳動示意圖

2.4 雙伺服電機驅動絲杠螺母機構

直驅式滾珠螺桿主傳動機構采用伺服電機直驅方式，并采用電主軸原理，將伺服電機的轉子和絲杠的螺母固定連接，通過電機的轉動帶動絲杠螺母的轉動，進一步帶動絲杠、滑塊的上下往復運動，實現了沖壓的工作要求。

圖3為雙伺服電機驅動絲杠螺母機構示意圖。上下螺母與絲杠采用反螺旋設計，上下螺母反向轉動時，則絲杠正常往復運動，上下螺母同向轉動時，則絲杠不做往復運動，而是隨著螺母一起做旋轉運動。由于滑塊的位移和螺母的轉角成正比，不存在下死點位置，能夠通過電機控制實現不同工藝要求下對滑塊的最優運動特性設計。雙伺服電機驅動絲杠螺母傳動機構結構緊湊，傳動簡單，反饋系數調整簡單可靠，可使用伺服電機控制策略的優秀成果來改善沖壓機的靜、動態性能。但是這種伺服驅動方式需要不斷的正反轉，沖壓頻率不能太高。

圖3 雙伺服電機驅動絲杠螺母機構示意圖

3 交流直驅方式電機參數的選擇

3.1 電機轉速

高速、高頻率沖壓對電機的轉速要求必須嚴格控制在電機的最高轉速之內，電機的調速范圍需要滿足壓力機高速沖、步沖、壓型、靜音加工、模具校準等沖壓工藝。為了提高壓力機的運動平穩性和精度，目前對伺服電機的速度控制要求越來越高，特別是對于交流伺服電機連接曲柄肘桿機構的壓力機，一般要求在低速時具有大扭矩，又能滿足高速沖壓的工藝條件，電機在低速運行時效率會降低，而且發熱量會增大，冷卻條件也會降低，因此交流伺服直驅式壓力機對電機的轉速要求以及調速范圍具有很高的要求。

3.2 最大扭矩

在正常狀態下，工作狀態的載荷扭矩不能超過電機額定扭矩的80%，特別是在低速大扭矩工作狀態下，電機是恒扭矩輸出。

式中：T0——電機額定扭矩；

Ts——工作狀態載荷扭矩。

式中：TL——電機軸上的負載扭矩，kg·cm；

F——滑塊的軸向運動力，kg；

h——傳動系統的效率；

Tc——轉換到電機軸上的摩擦力矩。

雙伺服電機驅動絲杠螺母機構中電機的選擇主要考慮到滿足絲杠的驅動扭矩。

式中：TL——電機總扭矩；

Tp——外部載荷所產生的扭矩；

TD——預緊力產生的摩擦力矩；

Tj——加速度產生的負荷扭矩；

Tb——支撐軸承產生的摩擦力矩。

雙伺服電機驅動絲杠螺母機構，電機不僅要提供足夠的扭矩來滿足足夠的沖壓力，還需要滿足伺服電機不斷的啟停、加速、減速所需要的足夠大的角加速度，來完成高速沖壓、靜音加工、連沖加工、壓型加工等多種工作模式的要求。針對不同工作需求，對絲杠的加速、減速、勻速各階段進行計算，求得每個周期所需要的時間，進一步校核電機扭矩是否滿足設計要求。現在也有直驅式曲柄肘桿機構中交流伺服電機做頻繁正反轉，實現曲柄滑塊機構中曲柄的擺動進一步實現滑塊的往復運動的壓力機。

式中：Tf——摩擦阻力矩；

∑I——總的轉動慣量；

e——角加速度；

w——角速度。

3.3 當量負載慣量

負載慣量應限制在電機慣量的2.5倍以內，轉換到電機軸上的負載慣量一般用下式計算。

式中：JL——轉換到電機軸上的負載慣量，kg·cm；

Jk——各種旋轉件的轉動慣量；

wk——各種旋轉件的角速度；

w——伺服電機的角速度；

mi——各種直線運動部件的質量；

Vi——各種直線運動部件的速度。

3.4 連續過載時間

電機的熱源很復雜，電機較長時間過載狀態下，會使電機的發熱量增大，一般的電機在運行過程中都有過載保護。壓力機在工作過程中，會出現過載的情況，需要連續過載時間限制在電機規定的連續過載時間內。

4 結論

（1）交流伺服直驅壓力機在性能上具有許多優越性，特別是柔性化、節能減噪、智能化和改善設備工作性能方面，具有劃時代的意義。目前交流伺服直驅壓力機越來越受到國內外的重視，已成為新一代伺服壓力機的發展方向。

（2）直線電機直接驅動式、伺服電機直接與曲柄相連式在某種程度上實現了“近零傳動”，但是對伺服電機的性能要求較高。目前較多采用雙伺服電機直接與曲柄相連式，既保證了對曲軸足夠的扭矩輸出，同時可以獲得很高的沖壓頻率。

（3）伺服電機通過減速器與曲柄肘桿等機構相連式是目前交流伺服直驅傳動方式中較常采用的一種方式。這種方式能夠借助減速器和肘桿機構的增力特性，降低對伺服電機負載扭矩的要求。而且可以利用肘桿機構的運動學特性擴大壓力機的加工范圍，改善加工工藝性能。但是這類壓力機結構相對復雜，壓力機整體機構較為龐大。

（4）雙伺服電機驅動絲杠螺母機構在上述四種交流伺服直驅傳動方式中較少被采用。這種方式結構緊湊，傳動簡單，反饋系數調整簡單可靠，可使用伺服電機控制策略的優秀成果來改善沖壓機的靜、動態性能。但是這種伺服驅動方式需要不斷地正反轉，沖壓頻率不能太高。同時對絲杠的強度和精度要求比較高。

（5）交流伺服電機的轉速、最大扭矩、當量負載扭矩、連續過載時間等是選取交流伺服電機的主要技術參數，同時建立了相應的計算公式。

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