智能伺服壓力機選型計算分析

湯世松，項余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，劉志

（揚力集團股份有限公司，江蘇揚州225127）

智能伺服壓力機選型計算分析

湯世松，項余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，劉志

（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。分析了伺服電機與伺服驅動器的選型計算。介紹了該伺服壓力機的控制方法，針對調試過程中發現的問題，作了進一步優化監控程序，有利于提高智能型伺服壓力機性能。

壓力機；伺服電機；伺服驅動器；智能化控制；監控程序

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，工藝適用性差。而伺服壓力機具有智能化、節能、高效、高柔性、高精度、低噪聲等優點，體現了鍛壓機床的未來發展趨勢[1]。伺服壓力機與傳統壓力機相比[2]，主要技術優勢體現在控制系統更加自動化和智能化、操作方式更加靈活方便，能實現多種工藝參數自動調整，與機器人或機械手等自動送、卸料設備組成縱列串行沖壓生產線實現自動生產等，從而更加適應現代生產工藝和生產節拍的要求。

在伺服壓力機的設計開發中，交流伺服系統選型顯得相當重要，伺服電機要求低速大扭矩，以保證伺服壓力機的整體性能。伺服壓力機具有柔性化、高速化、高效率的特點，保證壓力機的閉合高度在生產過程中的精確穩定，抑制產品毛刺出現，使沖頭工作模式與成形工藝相適應。本文重點研究1600kN精密智能型伺服壓力機的選型計算分析與裝配調試，更好地為公司環保節能伺服壓力機的生產提供依據。

1 伺服壓力機交流伺服系統選型分析

目前，高性能的伺服系統大多采用永磁交流伺服系統，其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數字交流永磁同步伺服驅動器兩部分。因此，下面針對伺服電機及其伺服驅動器的選型作詳細分析。

1.1 伺服電機的選型

動力裝置是所有機械設備的核心，為裝備提供動力，實現所需的運動規律。精密智能型伺服壓力機的驅動電機，要根據該設備的工作特點和性能要求進行選擇，只有在驅動電機的性能滿足要求的前提下，設備性能才能得以保證。

壓力機加工具有負載大、沖擊強等特征，直接驅動用伺服電機與傳統壓力機所用電機相比，需要輸出更大的轉矩，具備更強的抗擾動能力。電機的選型，主要根據額定功率和額定輸出轉矩兩個參數進行。

伺服壓力機沒有專門的機械飛輪，電機容量選擇與普通壓力機有很大不同。電機轉子以及運動部件折合到電機軸的總等效轉動慣量較普通壓力機小很多，壓制力不是靠飛輪減速，而主要靠電機的瞬時扭矩產生。根據最大工作負荷、傳動比選擇電機的最大負荷，綜合考慮電機過載倍數、傳動比等因素設計或選擇電機。根據以上的選型分析，以滿足工作最大力矩的條件選擇伺服電機，用功率進行校核[5]。

1600kN精密智能型伺服壓力機所選的主伺服電機一般要求為低速大扭矩，這樣可以選擇較小合適功率的伺服電機，降低整機成本。

已知曲柄壓力機參數：公稱壓力Pg=1600kN，滑塊行程S=250mm，公稱力行程6mm，行程次數60spm，裝模高度調節量80mm，最大裝模高度320mm，公稱壓力角αg=17.291°，曲柄半徑R= 100mm，連桿長度L=920mm，連桿系數λ=R/L= 0.109，壓力機第一級傳動(電機軸至中間軸)傳動比i1=6.25，第二級傳動(中間軸至曲軸)傳動比i2=3.6，總傳動比i0=i1×i2=22.5，η為壓力機總效率，帶拉深墊且為手動送料時為0.45。

下面探討具體設計步驟。

1.1.1 根據最大工作負荷、傳動比選擇電機的最大轉矩

（1）電機負載轉矩

電機負載轉矩為機械負載轉矩換算到電機輸出軸上的扭矩，計算公式為：

式中：Pg=1600kN，曲柄半徑R=140mm，β=2.118°，i0= 22.5。則

（2）電機摩擦轉矩

工作時壓力機的轉動部件上的摩擦轉矩是不可忽視的。主要的摩擦有4處：①滑塊導軌面；②曲軸（或芯軸）支撐頸和軸承之間的摩擦；③曲軸頸和連桿大端軸承之間的摩擦；④球頭與球頭座之間的摩擦。據此，機械摩擦總轉矩為：

式中：TLf為機械摩擦總轉矩；μ為機械摩擦系數，對開式壓力機μ=0.04～0.05；公稱壓力Pg=1600kN；連桿系數λ=0.109；曲軸曲柄頸直徑dA=320mm；球頭直徑dB=280mm；曲軸支撐頸直徑d0=265mm。則

機械摩擦總轉矩換算到電機軸上的轉矩為：

因此，電機軸上的最大轉矩T=TL+Tf=3307+909= 4216（N·m）

1.1.2 綜合考慮傳動比、電機過載倍數等因素選擇電機

在工作行程內，電機工作在過載狀態，設計過載倍數為4，因此Te=T/4=4216/4=1054N·m。由于交流同步伺服電機具有過載能力強的特點，在電機選擇時電機的額定轉矩可以比工作最大力矩稍小一點。經過綜合考慮，針對精密智能型伺服壓力機的工作特點和性能要求，選擇如圖1所示的某國產品牌交流永磁同步伺服電機ISMD3-50D50BD-R122F作為驅動電機。該伺服電機額定轉矩955N·m，峰值轉矩3440 N·m，額定電壓380V，具有較高瞬時過載能力，能夠滿足額定公稱力范圍內各種沖壓工藝的能量需求[6]。

圖1 交流伺服電機

1.2 伺服驅動器的選型

永磁交流伺服系統驅動器經歷了模擬式、模數混合式的發展后，目前已進入全數字時代。全數字伺服驅動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點，還充分發揮了數字控制在控制精度上的優勢和控制方法上的靈活性，使伺服驅動器不僅結構簡單，而且性能更加可靠。

伺服驅動器大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊。功率板是強電部分，其中包括兩個單元，一是功率驅動單元PM，用于電機的驅動；二是開關電源單元，為整個系統提供數字和模擬電源。控制板是弱電部分，是電機的控制核心，也是伺服驅動器技術核心控制算法的運行載體。控制板通過相應的算法輸出PWM信號，作為驅動電路的驅動信號，來改變逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的[7]。

本項目智能伺服壓力機選用的伺服驅動器（IS550AT210I）作為主要驅動機構控制器，主要任務是響應PLC信號，根據伺服壓力機機械傳動比、伺服電機編碼器反饋信號及滑塊位移傳感器信號計算滑塊實時位置及速度。這樣就可以完成高精度定位的控制。同時，保證在頻繁起停下自身運動的平穩性與快速響應性，伺服性能直接反映了設備的整機性能與質量。

由于伺服驅動器具有自我保護功能，防過流、過壓、短路等功能，故當整個伺服壓力機控制系統出現故障，或者伺服電機過載，三相電源線出現過流、過壓時，伺服驅動器立即報警，停止動力輸出，保護電氣元件和機械零件安全，更要人性化地保護人身安全，防止意外傷害[7]。針對伺服壓力機故障及實時工況監控，開發了伺服控制系統監控程序，主程序界面如圖2所示。

圖2 控制系統監控程序主界圖

調試過程中，多連桿伺服壓力機運行情況良好。當SPM為38時，用高精度的下死點測試儀測試下死點精度，最大誤差10μm，說明該伺服壓力機具備高精度及高可靠性。下死點精度如圖3所示。

圖3 下死點精度

2 伺服壓力機控制方法

2.1 伺服壓力機控制原理圖

PLC（H2U-3232MTQ）作為核心程序的載體，負責與IS550之間的CAN-LINK通訊及各種控制信號轉化與流通，最終控制各執行機構的運轉與協調。PLC程序根據伺服機構的機械傳動比、伺服驅動器的電子齒輪比、伺服電機編碼器的線數以及滑塊編碼器的反饋位置，計算出滑塊當前的位置，從而伺服電機驅動曲軸以相應的速度運行在相應的位置。如圖4所示為控制流程圖。

圖4 控制流程圖

SERVO（IS550）伺服系統作為主要運動機構，主要任務是完成定位精度的控制，嚴格執行來自滑塊位移傳感器給出的模擬量指令信號，因為模擬量直接反饋的就是模擬量滑塊的當前位置。同時，保證在頻繁起停負載下自身運動的平穩性與快速響應性，伺服性能直接反映了這臺設備的整機性能與質量。

2.2 伺服壓力機的控制方法

經過現場的深入調試、運行，伺服壓力機操作控制方法如下：

（1）先開啟設備電源，等伺服壓力機上電后，對PLC采集過來的各種相應器件的控制信號自檢；如果在觸摸屏上顯示報警提示，需要人工一一排除報警故障；

（2）故障排除后，主傳動伺服控制器和調模伺服控制器便準備就緒。PLC通過CAN-Link總線通訊，采集各種控制信號進行邏輯運算和順序運算后，控制各執行機構的運轉和協調；

（3）PLC程序根據控制面板觸摸屏的觸發信號，經過PLC內邏輯程序運行后發數字信號給兩伺服驅動器，經過兩伺服驅動器內部運算芯片計算出伺服機構的機械傳動比、伺服電機編碼器的反饋信號以及滑塊編碼器的反饋位置，計算出滑塊當前的實際位置；

（4）主傳動伺服驅動器驅動主傳動伺服電機通過皮帶輪傳動給大齒輪驅動曲軸，再帶動偏心輪經過六連桿機構傳動后以相應的速度運行在相應的位置；

（5）調模伺服驅動器驅動調模伺服電機通過聯軸器驅動渦輪渦桿調整球頭螺桿，調整滑塊封閉高度。

控制運行模式有三種選擇，分別為寸動、單次、連續。如果選擇寸動、單次，按雙手按紐，滑塊運行；如果選擇連續方式，再按一下連續預置按紐，按雙手可以實現滑塊的連續運行。伺服電機經蝸輪蝸桿減速后直接驅動調節螺桿轉動，通過改變調節螺桿與驅動桿的相對長度達到改變滑塊高度的目的，配合控制系統和相關的檢測模塊，可實現對下死點精度的自動調節。這樣，可將壓力機力和運動的傳遞機構、模高調節機構以及下死點精度調節機構的功能集于一身，具有結構簡潔、緊湊，制造成本低廉的特點。

在主控回路中，主伺服電機按照給定的滑塊位移指令，經伺服驅動器的位置調節和速度調節，驅動曲軸按給定的角度進行旋轉，進而經傳動機構驅動滑塊沿壓力機導軌上下移動。在主控回路中，附設于曲軸上的光電編碼器檢測曲軸的實際轉角并反饋，構成主驅動回路的全閉環控制[8]。

3 結束語

本文針對SIP-160精密智能型伺服壓力機交流伺服系統選型計算深入分析，確定了性價比很高的方案。本文對伺服壓力機控制方法作了深刻討論，確定了有效的調試步驟。該伺服壓力機具有高精度、高柔性、高效性、復合性、低噪環保性等優點，屬于高檔壓力機。其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]呂言，周建國，阮澍.最新伺服壓力機的開發以及今后的動向[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（1）：11-14.

[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]莫健華，鄭加坤.伺服壓力機的發展現狀及其應用[J].計算機輔助設計與制造，2000，（9）：65-66.

[5]王猛，馬繼斌，項余建.SDP-110型伺服壓力機控制系統的開發研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2011,46（2）：50-53.

[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.

Analysis of selection and calculation for intelligent servo press

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

According to the process requirements of crank press and control principle of AC servo system, the SIP-160 servo press has been developed which eliminates mechanical wheel and clutch.The flexible and intelligent control of the servo press has been realized.The selection and calculation of the servo motor and servo driver have been analyzed.The control method of servo press has been introduced.Aiming at the issues occurred in the commission process,the monitor program has been further optimized,which is favorable for improving the performance of the intelligent servo press.

Servo motor;Servo driver;Intelligent control;Monitor program

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.007

1672-0121（2016）05-0025-04

2016-05-25；

2016-07-11

江蘇省科技重大專項資助項目（BE2013871）

湯世松（1985-），男，碩士，電氣工程師，從事交流伺服運動控制、伺服電機、機電一體化等研究。E-mail：tangshisong26@163.com