伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)及其控制技術(shù)研究

萬(wàn)正東,聞開(kāi)斌,秦泗吉,佟金穎（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司, 江蘇 揚(yáng)州225128）

伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)及其控制技術(shù)研究

萬(wàn)正東,聞開(kāi)斌,秦泗吉,佟金穎
（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司, 江蘇 揚(yáng)州225128）

摘 要：伺服壓力機(jī)有著靈活的速度調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于沖壓成型領(lǐng)域。本文從壓力機(jī)主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，詳細(xì)分析了不同結(jié)構(gòu)壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和性能，然后對(duì)主軸電機(jī)的控制進(jìn)行詳細(xì)探討，介紹了主軸運(yùn)動(dòng)的控制策略。并指出此領(lǐng)域今后面臨的問(wèn)題和研究的方向，為以后研究提供參考。

關(guān)鍵詞：伺服壓力機(jī)；主傳動(dòng)控制；沖壓成型

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)成型領(lǐng)域，大大提高了成型效率和成型的質(zhì)量。伺服電機(jī)在沖壓成型領(lǐng)域應(yīng)用更是廣泛，沖壓成型以伺服電機(jī)作為沖壓的動(dòng)力源，主傳動(dòng)的質(zhì)量直接關(guān)系著沖壓的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，一直是制造商們關(guān)心的主要方面。

1 伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)分析

近年來(lái)，伺服壓力機(jī)發(fā)展速度迅猛，目前國(guó)內(nèi)外主要的壓力機(jī)主傳動(dòng)形式有伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)、混合式驅(qū)動(dòng)三種形式。直接驅(qū)動(dòng)是伺服電機(jī)直接安裝在曲軸的端部，主要應(yīng)用于小零件和精密零件的加工，這種驅(qū)動(dòng)方式具有加工精度高、生產(chǎn)中噪聲低、節(jié)約設(shè)計(jì)空間、能耗低等優(yōu)點(diǎn)；間接驅(qū)動(dòng)是伺服電機(jī)不直接和執(zhí)行元件相聯(lián)接，中間通過(guò)加速機(jī)構(gòu)來(lái)傳動(dòng)扭矩進(jìn)行動(dòng)力的輸出。這種方式應(yīng)用靈活多變，滿(mǎn)足各種不同的執(zhí)行方式設(shè)計(jì)；混合式驅(qū)動(dòng)是將傳統(tǒng)的壓力機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合而來(lái)，把飛輪融入到伺服驅(qū)動(dòng)，結(jié)合了兩者的特點(diǎn)能夠使壓力機(jī)在低電壓峰值下仍然保持沖壓能力。

2 伺服電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

近年來(lái)，隨著沖壓行業(yè)的發(fā)展，沖壓的精度和效率是每一個(gè)制造廠商不斷追求的，伺服電機(jī)的效率直接制約著沖壓技術(shù)的發(fā)展。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的研究成為重中之重。為此建立一個(gè)精確的控制模型，選擇優(yōu)秀合理的驅(qū)動(dòng)方案是保證沖壓精度和效率的關(guān)鍵。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，控制技術(shù)也在發(fā)生著巨大的變化。1971年學(xué)者布萊斯切克(Blaschke)提出矢量控制理論，到1985年德布魯克( Depeubrock M)進(jìn)一步研究出直接轉(zhuǎn)矩控制理論，目前控制策略正在向數(shù)字化的方向快速發(fā)展。數(shù)字化的控制更能滿(mǎn)足高精度的機(jī)械加工需要，以下為常見(jiàn)的控制策略：

微分幾何控制方法。這種控制方法通過(guò)把非線(xiàn)性的系統(tǒng)進(jìn)行精確的線(xiàn)性化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的控制。這種控制的方法理論上精度極高，沒(méi)有誤差。但是，這種控制方法需要滿(mǎn)足一定的線(xiàn)性化條件，而且計(jì)算非常繁瑣。

變結(jié)構(gòu)控制方法是控制系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)的變化來(lái)調(diào)整控制模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的控制。這種方法控制規(guī)律異常簡(jiǎn)單，對(duì)模型的精確度要求也不高，但是所控制的驅(qū)動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

自適應(yīng)控制法是系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)修整自身的特性來(lái)適應(yīng)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化，這樣的控制法可以解決參數(shù)隨時(shí)變化的問(wèn)題，但是需要參數(shù)的變化滿(mǎn)足線(xiàn)性參數(shù)變化的條件。

魯棒性控制法運(yùn)用測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的誤差，然后通過(guò)誤差糾正來(lái)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這種控制法專(zhuān)注于狀態(tài)，不進(jìn)行變量的調(diào)整，算法也不需要精確的模型，但是控制器需要在有界的建模誤差下使系統(tǒng)穩(wěn)定。

智能控制是一種智能化的控制策略，也就是說(shuō)，它是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，但從理論上?lái)說(shuō)，它并不像一些末梢神經(jīng)系統(tǒng)那樣敏感和精確，實(shí)際上，它是一種模糊控制，而從更深入的角度來(lái)看，采用的是遺傳算法理論，從數(shù)字化控制的控制策略來(lái)看，它再其發(fā)展運(yùn)算的過(guò)程中，并不一來(lái)于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，這就在很大程度上減少了控制策略計(jì)算的工作量與復(fù)雜程度，不僅如此，智能控制的魯棒性比較強(qiáng)，這也是智能控制法其中的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但進(jìn)一步來(lái)看，雖然智能控制不依賴(lài)于數(shù)學(xué)模型，但它的控制也是較為復(fù)雜的，而在實(shí)際中，智能控制法的實(shí)現(xiàn)難度較大。

3 主軸運(yùn)動(dòng)控制策略

在伺服壓力機(jī)傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，無(wú)論從哪個(gè)方面來(lái)看，主軸運(yùn)動(dòng)控制都是十分重要的內(nèi)容，這是因?yàn)橹鬏S運(yùn)動(dòng)決定這伺服壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)主軸運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)相關(guān)部件的合理控制，可見(jiàn)主軸運(yùn)動(dòng)在伺服壓力機(jī)傳動(dòng)中是至關(guān)重要的，存在主軸運(yùn)動(dòng)，必然就會(huì)存在其相應(yīng)的控制策略，也只有合理有效的控制策略，才能從很大程度上對(duì)主軸運(yùn)動(dòng)得到有效控制，進(jìn)而讓伺服壓力機(jī)傳動(dòng)得到控制。

從主軸運(yùn)動(dòng)的控制策略來(lái)看，它不是憑空存在的，也不是憑借一時(shí)的靈感改造成功的，可以說(shuō)，它是在其相應(yīng)理論模型的建立以及實(shí)踐的嘗試完善中實(shí)現(xiàn)的。我國(guó)研究學(xué)者通過(guò)對(duì)伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的深層次分析，并依據(jù)不同的沖壓工藝，在大量理論與研究的基礎(chǔ)上建立了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模擬仿真模型，這種仿真模型主要是通過(guò)Solidwork、ΑNSYS 和 ΑDΑMS 聯(lián)合仿真模型的建立，通過(guò)數(shù)據(jù)模擬與計(jì)算，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特征，從而為設(shè)計(jì)以及主軸運(yùn)動(dòng)控制提供有力的策略。

但在理論模擬與實(shí)際嘗試的過(guò)程中，它們還是存在了一定的差異性。像伺服壓力機(jī)主軸運(yùn)動(dòng)滑塊往往需要高精度的定位與控制，而從實(shí)際上來(lái)看，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)會(huì)受到伺服壓力機(jī)運(yùn)作中各種工況的干擾與影響，而在理論中，Matlab 軟件中的 Simulink 仿真工具具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，它能夠及時(shí)而有效地在模型建立中將實(shí)際的多種因素考慮進(jìn)去，具體來(lái)說(shuō)，它能夠較為便捷地觀察并收集到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的各種參數(shù)變化，而且它的仿真與模擬建模更具直觀性，并且在模擬操作的過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的柔性變更。同時(shí)，在理論研究與實(shí)際結(jié)合上，我國(guó)周莉?qū)W者對(duì)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的撿垃圾，從一定程度上仿真了單位時(shí)間內(nèi)連桿與滑塊運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。

從以上理論建模到實(shí)際應(yīng)用表明，主軸運(yùn)動(dòng)控制可以通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，而具體實(shí)現(xiàn)策略是經(jīng)過(guò)模型建立、模擬以及相關(guān)計(jì)算及試驗(yàn)而得出的。

4 結(jié)語(yǔ)

伺服壓力機(jī)在我國(guó)工程機(jī)械發(fā)展過(guò)程中起到了十分重要的作用，它通過(guò)速度、傳動(dòng)調(diào)節(jié)以及主軸運(yùn)動(dòng)控制策略，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械運(yùn)作的高精度、定額速度的精確控制。

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