精密智能型伺服壓力機運行模式分析

湯世松，項余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，魏曉輝

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

精密智能型伺服壓力機運行模式分析

湯世松，項余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，魏曉輝

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

根據曲柄連桿壓力機工藝要求和交流伺服系統控制原理，研制開發了SIP-160精密智能型伺服壓力機，取消了機械飛輪和離合器，實現了伺服壓力機的柔性化和智能化控制。分析了伺服壓力機多種工作運行模式。介紹了該伺服壓力機的裝配過程中出現的新工藝，針對調試過程中發現的問題，作了進一步優化改進，大大提高了下死點精度，有利于提高精密智能型伺服壓力機性能。

伺服壓力機；運行模式；精密智能；下死點精度

曲柄壓力機是一種廣泛使用的鍛壓機床。傳統的曲柄壓力機采用普通交流感應異步電機驅動，并配有大慣量的機械飛輪，速度按正弦曲線變化，不能調節，運動特性單一，工藝適應性差。而伺服壓力機具有智能化、節能、高效、高柔性、高精度、低噪、環保等特點，滿足了市場需求，也充分體現了鍛壓機床的未來發展趨勢[1]。傳統的曲柄壓力機主要依靠飛輪儲存能量來提供工作動力[2]，而伺服壓力機則依靠大功率交流伺服電機驅動，去除了飛輪離合器，工作壓力靠電機低速大扭矩驅動，其特性曲線可隨成形工藝不同而任意開發，以適應不同的加工材料和工藝需求。還可節能、少維護、改善現場工作環境，有利于可持續發展[3]。

本系統開發中，精密智能型伺服壓力機運行方式相對于傳統曲柄壓力機發生了很大變化，可以實現多種特殊工藝需求。另外，伺服壓力機裝配與調試過程中出現了很多新工藝與新問題，需持續優化改進。本文重點研究SIP-160精密智能型伺服壓力機的多種運行模式與裝配調試，更好地為公司生產精密智能型伺服壓力機提供依據。

1 伺服壓力機多種工作方式分析

本文研究的1600kN精密智能型伺服壓力機采用國產專用低速大扭矩伺服電機為動力源，配以國產專用大扭矩伺服驅動器和控制器，實現全國產化伺服解決方案，通過對國產通用控制系統的二次開發，實現全閉環控制[5]。利用專用的大扭矩伺服電機輸出轉速500spm，能極大地降低總傳動比，將二級齒輪減速精簡為一級齒輪減速，傳動系統更緊湊。伺服電機額定轉矩955N·m，峰值轉矩3440N·m，具有較高瞬時過載能力，能滿足額定公稱力范圍內各種沖壓工藝的能量需求。SIP-160伺服壓力機通過內置的一級齒輪減速機構，進行復合增扭傳動，有效解決沖壓速度與功率消耗的矛盾、工作行程與結構尺寸的矛盾，降低沖壓過程的能量消耗，提高沖壓精度和沖壓穩定性，實現以較低功率的伺服電機完成較大噸位壓力機的沖壓加工，減輕壓力機工作時對電網的沖擊影響。通過有限元分析和計算，進一步優化桿系尺寸，將載荷能力提高到公稱力的150%，同時運用輕量化設計，降低桿系零件的被動慣量，并優化肘桿驅動角，優化滑塊運行曲線，進一步降低主電機功率和扭矩要求[6]。SIP-160精密智能型伺服壓力機正常運行模式可分為常規運行模式和開放的多種工藝運行模式。

1.1 伺服壓力機的常規運行模式

寸動：按下“雙手按鈕”，電機開始運轉（以觸摸屏主頁面中設定的轉速運轉），壓力機動作，滑塊開始運行，當松開雙手按鈕（或松開其中一只手），電機立即停止運行，滑塊立即停止，當再次松開雙手按鈕重新按下后，電機運行，滑塊動作。兩只按鈕必須同時按下，同步時間為0.5s，兩只按鈕同時動作的時間差大于0.5s，雙手信號無效，必須重新按下雙手按鈕。

單次：機床從上死點位置開始，按下“雙手按鈕”后，電機開始運行，滑塊動作，在滑塊行程到達10mm（回程位置）之前，松開雙手按鈕，滑塊將停止運行，過了10mm松開雙手按鈕，滑塊將停止在上死點位置。

連續：機床從上死點位置開始，按下“連續預置”按鈕后，連續預置指示燈亮（5s后自動熄滅），5s內按下雙手按鈕（過5s之后按下按鈕則無效），滑塊開始連續運轉，直到按下“連續停止”按鈕后滑塊停止在上死點位置。

1.2 伺服壓力機開放運行模式

通過進一步收集典型沖壓工藝，在控制系統內構建“專家系統”，“專家系統”內置用戶常用沖壓工藝曲線20種，進一步提高機床的通用性。針對用戶的特殊工藝，優化人機界面，通過參數設置，調制出最佳化的滑塊運行軌跡和沖壓曲線。針對高級用戶設有高級手動編程模式，實現自由編程，可任意分段設定凸輪曲線，任意規劃滑塊運行軌跡，以滿足其特定沖壓工藝的要求。如“下死點長時間保壓”、“拉伸成形”、“多工位運行”等復雜運動。如圖1為多種運行模式選擇界面圖。

圖1 多種運行模式選擇界面圖

1.2.1 保壓模式

機床以高速（速度在生產界面中設定）從上死點位置開始動作，到達“工件成型”位置設定的角度時，伺服電機開始減速慢行（以工件成型速度運行）到下死點時，伺服電機停止運行（或以可能的最低速運行），保持一定時間后（下死點保壓時間）后高速返回到上死點。此運動模式下要求能夠實現單次和連續運行的功能。如圖2為保壓運動模式界面圖。

圖2 保壓運動模式界面圖

1.2.2 拉伸模式

機床以高速（速度在生產界面中設定）從上死點位置開始動作，到達“工件成型”位置設定的行程時，伺服電機開始減速慢行（以工件成型速度運行）到“工件成型結束位置”時，機床繼續以高速運行到上死點。在此運動模式下要求能夠實現單次和連續運行的功能。如圖3為拉伸運動模式界面圖。

圖3 拉伸運動模式界面圖

1.2.3 鐘擺模式

當鐘擺運動模式參數設定確認后，滑塊自動運行到設定的鐘擺開始位置，按下運行按鈕，從鐘擺開始位置開始動作，以對稱的行程量作鐘擺往返運動。在此運動模式下要求能夠實現連續運行的功能。如圖4為鐘擺運動模式界面圖。

1.2.4 順送模式

圖4 鐘擺運動模式界面圖

當順送運動模式參數設定確認后，機床以高速（速度在主界面中設定）從上死點開始運行，到設定的工件成型位置時，開始減速慢行直到下死點，過下死點后，機床以高速運行，返回上死點。在此運動模式下要求能夠實現連續運行的功能。如圖5為順送運動模式界面圖。

圖5 順送運動模式界面圖

1.2.5 多工位模式

當多工位加工模式參數設定確認后，機床以高速（速度在主界面中設定）從上死點開始運行，到設定的工件成型開始位置時，開始減速慢行（以工件成型速度運行）直到設定的工件成型結束位置，機床停止運行，等待送料機夾緊裝置夾緊后（等待夾緊時間）機床以高速運行，返回到上死點位置。在此運動模式下要求能夠實現連續運行的功能。如圖6為多工位運動模式界面圖。

2 伺服壓力機裝配與調試

2.1 滑塊部件的裝配

圖6 多工位運動模式界面圖

滑塊部件的裝配是裝配之關鍵所在，其關鍵點在于必須保證：①裝配后蝸輪蝸桿嚙合中心重合且裝模高度調節靈活方便；②高壓油缸部分不泄漏，能瞬時排放高壓液體壓力油，超載后，高壓液體壓力油迅速排放到油箱，立即卸載，動作靈敏；能在30s內實現自動補油。由伺服電機驅動精密的蝸輪蝸桿機構帶動高精度的調節螺桿，在肘桿機構的導柱內旋轉，采用精密的大螺距梯形螺紋，在保證重載驅動的同時保證螺紋配合間隙小于0.05mm。采用進口微米級位置傳感器，實時動態檢測滑塊位移量和反饋，與理論下死點位置實時動態對比，當偏移量超過設定限值，由伺服電機驅動精密模高調節機構進行動態補償，伺服驅動與上位機進行高速通訊，實時檢測，并通過特定的算法，實現自適應調整，全過程閉環控制，下死點重復定位精度可達±0.01毫米。

2.2 重載肘桿機構的裝配

重載肘桿機構的裝配是裝配之中最難之處，在裝配前期，再次采用三維仿真軟件對重載肘桿機構的自鎖角、上死點壓力角等參數進行校核，并對關鍵零件的尺寸進行檢驗確認，裝配時首先將軸套及連桿瓦鑲進肘桿機構中進行定位精加工后整體進行裝配，保證桿系機構運動平穩精確，阻尼及運動特性最優化。

2.3 電氣控制系統的調試

電氣控制采用開放式專用伺服運動控制器（Stand-Alone）進行深度二次開發，通過CAN-LINK高速通訊總線進行組態，實現上位機與HIM、驅動器等數據實時交換，應用微米級位置傳感器BTL5-A11-M0300-P-KA05實時檢測反饋滑塊位移，并形成全閉環控制方式[7]。針對用戶的特殊工藝，優化人機界面，通過參數的設置，調制出最佳化的滑塊運行軌跡和沖壓曲線，每種運動曲線都經過帶載試驗和效果驗證。對“模具庫”功能進一步優化完善，模具存儲數從60套擴充到100套，可根據對應的模具號自動調整凸輪曲線、行程、裝模高度、平衡缸氣壓等機床參數，極大地實現了智能化，縮短了運行準備時間，能夠根據機床的實際運行狀況動態顯示運行曲線，并存儲其運行曲線，方便用戶進行曲線和軌跡優化并可重復調用。

對自適應補償控制系統進行了調試，采用進口微米級位置傳感器，實時動態檢測滑塊位移量和反饋，與理論下死點位置實時動態對比，當偏移量超過設定限值，由伺服電機驅動精密模高調節機構進行動態補償，伺服驅動與上位機進行高速通訊，實時檢測，并通過特定的算法，實現自適應調整，全過程閉環控制，通過對下死點重復定位精度的試驗，可達到±0.01毫米。

系統對重載伺服驅動器進行了優化，將伺服電機在剎車、換向和停止階段的能量收集、儲存在超級電容柜中，優化提高回收能量的交、直流轉化效率，提高伺服電機的特定動作階段回饋給直流母線的能效比，通過試驗數據比對，實現整機節能35%的指標要求[8]。

系統通過不同類型的傳感元件和數控系統I/O接口，研發伺服壓力機實時監控系統，實時采集和監控機床的工作狀態，并對所采集信息及時進行處理，通過高性能人機界面HIM直觀地向操作者以線圖或動畫形式顯示機床各個工作參數和狀態，對可預見的機床故障預先報警，避免重大事故的發生，提高機床作業過程的安全性，通過權威部門的檢測鑒定，系統安全性符合相關壓力機標準的要求[9]。

系統應用運動控制器Stand-Alone專用編程軟件Autoshop和人機界面編程軟件Intouch Editor結合CAN-link總線通訊協議進行組態[10]。經過反復調試，機床的各項動作均達到圖紙設計要求。調試過程中，SIP-160精密智能型伺服壓力機運行情況良好。在38spm時，用高精度下死點測試儀測試了下死點精度，最大誤差10μm，說明該伺服壓力機具有高精度、高可靠性的特點。下死點精度如圖7所示。

3 結束語

圖7 下死點精度

本文針對SIP-160精密智能型伺服壓力機多種工作運行模式深入分析，同時對伺服壓力機裝配和調試過程中出現的問題作深刻討論，確定了有效工藝流程及調試步驟。該伺服壓力機執行日本JIS精度標準，具有高精度、高柔性、高效、復合、低噪、環保等優點，屬于高檔壓力機，可廣泛應用于電訊器材、儀器儀表、電機電器、鐘表、玩具、五金、拖拉機、汽車和航空等行業。

[1]王玉山．伺服機械壓力機發展狀況 [J]．鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）：29-31.

[2]姚 健，周 微，郭為忠．多連桿壓力機模塊化運動學性能分析[J].鍛壓技術，2008，33（6）：111-116.

[3]孫友松，周先輝，黎 勉，等．交流伺服壓力機及其關鍵技術[J].鍛壓技術，2008，33（4）：1-8.

[4]李 建．伺服壓力機發展及其應用[J]．一重技術，2010（5）：1-5.

[5]史國亮，孫友松，黎 勉，等．1100kN伺服曲柄壓力機控制系統研究[J]．鍛壓技術，2009，34（2）：79-82.

[6]樊紅梅，孫 宇，李 林.伺服電機直接驅動的壓力機控制系統研究[J].鍛壓技術，2007，32（4）：113-116.

[7]陳伯時，陳敏遜．交流調速系統[M]．北京：機械工業出版社，2005.

[8]Suman Maiti，Chandan Chakraborty，Sabyasachi Sengupta.Simulation studies on model reference adaptive controller based speed estimation technique for the vector controlled permanent magnet synchronous motor drive [J].Simulation Modelling Practice and Theory，2009（17）:585－596.

[9]葉春生，莫健華，樊自田，等.曲柄連桿伺服壓力機控制模型的研究及系統實現[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（5）：53-56.

[10]張得禮，胡育文．伺服壓力機加工運動的控制[J]．鍛壓裝備與制造技術，2010，45（6）：44-47.

Analysis of operating modesfor precise intelligent servo press

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

According to the process requirement and servo motor controlling principleof the crank press,the SIP-160precise intelligent servo press has been designed.The flywheel and clutch have been eliminated.The flexible and intelligent control of the servo press has been realized.A variety of operating modes for the servo press have been analyzed.The new technology in the assembly process of the servo press has been introduced.The problems during debugging process have been found.The optimized improvement has been conducted,which greatly improves the BDC precision and the performance of precise intelligent servo press.

Servo press;Operating mode;Precise intelligent;Bottom dead center precision

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.013

1672-0121（2016）01-0050-04

2015－11－10；

2015－12－26

江蘇省科技重大專項資助項目（BE2013871）

湯世松（1985-），男，碩士，工程師，從事交流伺服運動控制、伺服電機、機電一體化、PLC等研究。E-mail：tangshi song26@163.com