伺服壓力機關鍵技術及其優(yōu)化研究

蔣軼

摘 要：本文闡釋了伺服壓力機的技術特點與運行原理，探究了伺服壓力機的關鍵技術，并對傳統(tǒng)系統(tǒng)進行了優(yōu)化。文章具有一定的參考價值。

關鍵詞：伺服壓力機;關鍵技術;優(yōu)化;特點;運行原理

中圖分類號：TG315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0059-02

0 引言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的飛速進步，企業(yè)對于壓力機的性能要求日益上升，傳統(tǒng)壓力機的性能已經難以滿足生產的需要。因此，具有更大柔性、更高精度、更加智能的伺服壓力機成為了眾人關注的焦點，與其相關的關鍵技術和優(yōu)化方法也成為了學者們開展研究的重點。

1 伺服壓力機技術特點

所謂伺服壓力機，其主要是指利用伺服電機來驅動控制的壓力機。其通過利用伺服電機使偏心齒輪旋轉，從而帶動滑塊運動。伺服壓力機依靠復雜的電氣控制，對滑塊的行程進行編程，從而實現(xiàn)施工作業(yè)的目標。伺服壓力機相較于傳統(tǒng)的壓力機而言，其不僅繼承了傳統(tǒng)壓力機結構簡單和生產率高的優(yōu)點，而且自動化水平高，可靠性能好，通用性強，且更加節(jié)能環(huán)保。伺服壓力機充分實現(xiàn)了傳統(tǒng)機械無法達到的壓力成形工藝，其精度高、維修性能好，大大提高了模具的壽命。

2 伺服壓力機運行原理

在傳統(tǒng)的壓力機中，其工作機構通常被設計為曲柄連桿、肘桿以及螺旋機構。在伺服壓力機中，工作機構通常是通過伺服電機減速以后直接驅動的。其中，電機的運動情況主要是經由位移反饋進行控制的。常見的曲柄連桿機構的伺服壓力機結構與螺旋機構的伺服壓力機結構如圖1和圖2所示。

無論是什么工作機構的伺服壓力機，其通常都具有伺服電機、觸摸屏、編程控制器、減速傳動機構、制動器、工作機構、位置傳感器以及其他輔助機構。當伺服壓力機在預設的起動位置進行起動的時候，伺服電機的轉矩就會由0開始不斷加速轉動，然后在減速傳動機構的作用下，工作機構就會被帶動，壓力機就開始運行。

3 伺服壓力機關鍵技術

3.1 大功率交流伺服電機及其控制技術

在很長的一段時間中，交流伺服電機都只是一個功率只有幾百瓦的執(zhí)行電機，而大功率交流伺服電機都是最近十來年才興起的。大功率伺服電機的關鍵技術要求在于，其不只需要較小的轉動慣量用于保證電機良好的動態(tài)性能，同時還必須具有可靠的控制性能以滿足電磁制動的要求。并且，大功率交流伺服電機形成的轉矩要大，而轉矩脈動必須控制在較小的范圍。目前，常見的交流伺服傳動方法主要包括異步傳動和同步傳動兩個類別，表1將其性能進行了比較。

由于永磁同步電機的體積較小，功率密度較大，頻率較快，其不但具有良好的動態(tài)性能，而且調速范圍也相對寬廣。因此永磁同步電機發(fā)展更為迅速，應用更為廣泛，并成為了伺服系統(tǒng)的首選電機。

3.2 無飛輪壓力機傳動系統(tǒng)設計

選擇合適的傳動比是無飛輪壓力機傳動系統(tǒng)設計中的一個關鍵問題。選擇小的傳動比，有利于減少中間環(huán)節(jié)和噪音，可以在一定程度上提高伺服壓力機的效率。但是，這需要大扭矩電機作支持，而電機的制造難度通常偏大，而且價格也比較高昂。所以，將傳動比適當加大，有利于降低電動機扭矩需求，減少設備的制造成本。

另外，伺服壓力機沒有專門的飛輪，在傳動系統(tǒng)的設計上具有一定的特殊性，所以電動機容量的合理選擇也十分關鍵。

3.3 調速能量的回收

伺服電機減速通常是利用電磁制動實現(xiàn)的。減速造成的動能下降通常會轉變成電能，倘若這些能量不能被有效回收，那么就只有利用電阻將其消耗。這不僅會引起壓力機效率的下降，而且還需要額外安裝電阻箱以及相關的冷卻系統(tǒng)，造成大量的資源浪費。因此，能量回收也是十分關鍵的技術。能量回收可以考慮以下3種辦法：

（1）利用電網進行反饋。通過此方法在一定程度上有助于電能的節(jié)省，但需要額外配置逆變系統(tǒng)，所以實際上還是會增加成本。（2）利用電容進行存儲。可以在驅動電路上配置一組容量較大的電容用于存儲機器制動時形成的電能。當要進行壓制的時候，再把存儲的電能釋放出來以供電機運行。采用這種方式不僅能省電，而且還可以有效降低大電流對電網產生的沖擊作用。但這種方法也有缺點，一是電容價格昂貴，二是電容體積較大。（3）通過多機直流互聯(lián)的方法充分利用能量。如果存在多臺伺服壓力機需要同時工作的情況，則可以通過聯(lián)網的方法讓直流層面相互連通，從而實現(xiàn)節(jié)能和緩沖電流沖擊的目標。這種方法的缺點在于受實際條件影響與限制較大。

3.4 重載高效螺旋傳動技術

在新型滑動螺旋傳動副的開發(fā)過程中主要需要重點關注以下3個技術要點：

（1）要注意開發(fā)和使用新型耐磨、減摩材料以及相關的制備技術。在廣泛使用金屬材料的同時，應當有效利用非金屬材料和復合材料。（2）應當注意對螺母的結構進行改造，從而讓載荷的分布情況更為均勻。（3）注意對潤滑條件進行改善。應當充分采用特殊的制造工藝，讓螺旋副內部能夠具備可以實現(xiàn)高效潤滑的流道。

4 傳統(tǒng)系統(tǒng)及優(yōu)化

一般情況下，采用的伺服電機多為直流與交流伺服電機，本文則將最新研究成果開關磁阻伺服電機引入伺服壓力機，進行優(yōu)化處理。

在電機起動后，伺服壓力機通過驅動滑塊進行運動。假設電機的額定轉矩是Me，起動轉矩的安全過載倍數是Ke，那么電機的恒轉矩則是Ke·Me，并且該電機將由停止狀態(tài)（恒轉矩為0）開始不斷加速旋轉。

滑塊在接觸到工件之前將不斷的積蓄工作所需要的能量以便完成將要進行的打擊工作。假設電機所提供的能量值是Ee，運動部分需要的能量是Eg，機械的傳動效率是η，電機起動形成的加速轉角是，那么應當保證Ee=η··Ke·Me≥Eg。

開關磁阻伺服電機被起動后，其加速過程所提供的能量被儲存在系統(tǒng)的轉動慣量當中。假設開關磁阻伺服電機軸側的總轉動慣量是Jeg，打擊時電機的角速度是，那么應當有：Ee=η··Ke·Me=1/2·Jeg·。

根據全速降釋放能量公式：Ee=1/2·Jeg·≥Eg。可以得出開關磁阻伺服電機軸側的總轉動慣量額定值Jeg應當是：Jeg=2·Eg/。

假設電機轉子的轉動慣量是J0，主動輪的轉動慣量是J1，傳動軸的轉動慣量是J2，工作軸的轉動慣量是J3，總的傳動比是i，那么開關磁阻伺服電機軸側總轉動慣量的設計值Je應當是：Je=J0+J1+J2/i2+J3/i2。

經以上分析可以看到，伺服壓力機在起動的時候，其開關磁阻伺服電機的恒轉矩將從0開始不斷加速旋轉。結合壓力機機械結構和傳動效率進行考慮，在開關磁阻伺服電機軸側有：η·Ke·Me=Je·d2α/dt。可以計算出角速度ω=η·Ke·Me·t/Je，角位移α=η·Ke·Me·t2/（2·Je）。由此可以得到開關磁阻伺服電機從起動到加速至額定轉速所需的時間ts=·Je/（η·Ke·Me），加速轉角=Je·/（2·η·Ke·Me）。若Je與Jeg相等，那么和也相等。

假設開關磁阻伺服電機軸側制動器制的動力矩是Mp，系統(tǒng)制動所需要的時間是tp，電機的角速度是，那么電機軸側在進行制動的時候有：Me+Mp=Je·dω/dt。制動器形成的制動力矩大小Mp=Je·/tp-Me。

根據以上分析設計的壓力機參數見表2。

目前，本文設計的伺服壓力機已經投入了實際應用。事實證明，此種伺服壓力機不僅具有簡單的結構，而且其性能可靠，經濟性突出。

5 結語

我國伺服壓力機關鍵技術已取得很大的進步，但伺服壓力機研發(fā)水平還有待提升。只有不斷引入先進科學技術，充分借鑒國外研發(fā)經驗，不斷開拓創(chuàng)新，才能推動我國伺服壓力機研制工作的發(fā)展，生產出性能更好、實用性更強的伺服壓力機。

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