湯世松，項余建，仲太生，詹俊勇，羅素萍，魏曉輝

（揚力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

精密智能型伺服壓力機(jī)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(tuán)股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

根據(jù)曲柄連桿壓力機(jī)工藝要求和交流伺服系統(tǒng)控制原理，研制開發(fā)了SIP-160精密智能型伺服壓力機(jī)，取消了機(jī)械飛輪和離合器，實現(xiàn)了伺服壓力機(jī)的柔性化和智能化控制。分析了伺服壓力機(jī)多種工作運行模式。介紹了該伺服壓力機(jī)的裝配過程中出現(xiàn)的新工藝，針對調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，作了進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，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(jī)性能。

伺服壓力機(jī)；運行模式；精密智能；下死點精度

曲柄壓力機(jī)是一種廣泛使用的鍛壓機(jī)床。傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)采用普通交流感應(yīng)異步電機(jī)驅(qū)動，并配有大慣量的機(jī)械飛輪，速度按正弦曲線變化，不能調(diào)節(jié)，運動特性單一，工藝適應(yīng)性差。而伺服壓力機(jī)具有智能化、節(jié)能、高效、高柔性、高精度、低噪、環(huán)保等特點，滿足了市場需求，也充分體現(xiàn)了鍛壓機(jī)床的未來發(fā)展趨勢[1]。傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)主要依靠飛輪儲存能量來提供工作動力[2]，而伺服壓力機(jī)則依靠大功率交流伺服電機(jī)驅(qū)動，去除了飛輪離合器，工作壓力靠電機(jī)低速大扭矩驅(qū)動，其特性曲線可隨成形工藝不同而任意開發(fā)，以適應(yīng)不同的加工材料和工藝需求。還可節(jié)能、少維護(hù)、改善現(xiàn)場工作環(huán)境，有利于可持續(xù)發(fā)展[3]。

本系統(tǒng)開發(fā)中，精密智能型伺服壓力機(jī)運行方式相對于傳統(tǒng)曲柄壓力機(jī)發(fā)生了很大變化，可以實現(xiàn)多種特殊工藝需求。另外，伺服壓力機(jī)裝配與調(diào)試過程中出現(xiàn)了很多新工藝與新問題，需持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。本文重點研究SIP-160精密智能型伺服壓力機(jī)的多種運行模式與裝配調(diào)試，更好地為公司生產(chǎn)精密智能型伺服壓力機(jī)提供依據(jù)。

1 伺服壓力機(jī)多種工作方式分析

本文研究的1600kN精密智能型伺服壓力機(jī)采用國產(chǎn)專用低速大扭矩伺服電機(jī)為動力源，配以國產(chǎn)專用大扭矩伺服驅(qū)動器和控制器，實現(xiàn)全國產(chǎn)化伺服解決方案，通過對國產(chǎn)通用控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，實現(xiàn)全閉環(huán)控制[5]。利用專用的大扭矩伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)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(tǒng)更緊湊。伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩955N·m，峰值轉(zhuǎn)矩3440N·m，具有較高瞬時過載能力，能滿足額定公稱力范圍內(nèi)各種沖壓工藝的能量需求。SIP-160伺服壓力機(jī)通過內(nèi)置的一級齒輪減速機(jī)構(gòu)，進(jìn)行復(fù)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(jié)構(gòu)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(wěn)定性，實現(xiàn)以較低功率的伺服電機(jī)完成較大噸位壓力機(jī)的沖壓加工，減輕壓力機(jī)工作時對電網(wǎng)的沖擊影響。通過有限元分析和計算，進(jìn)一步優(yōu)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(shè)計，降低桿系零件的被動慣量，并優(yōu)化肘桿驅(qū)動角，優(yōu)化滑塊運行曲線，進(jìn)一步降低主電機(jī)功率和扭矩要求[6]。SIP-160精密智能型伺服壓力機(jī)正常運行模式可分為常規(guī)運行模式和開放的多種工藝運行模式。

1.1 伺服壓力機(jī)的常規(guī)運行模式

寸動：按下“雙手按鈕”，電機(jī)開始運轉(zhuǎn)（以觸摸屏主頁面中設(shè)定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)），壓力機(jī)動作，滑塊開始運行，當(dāng)松開雙手按鈕（或松開其中一只手），電機(jī)立即停止運行，滑塊立即停止，當(dāng)再次松開雙手按鈕重新按下后，電機(jī)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(jī)床從上死點位置開始，按下“雙手按鈕”后，電機(jī)開始運行，滑塊動作，在滑塊行程到達(dá)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(xù)：機(jī)床從上死點位置開始，按下“連續(xù)預(yù)置”按鈕后，連續(xù)預(yù)置指示燈亮（5s后自動熄滅），5s內(nèi)按下雙手按鈕（過5s之后按下按鈕則無效），滑塊開始連續(xù)運轉(zhuǎn)，直到按下“連續(xù)停止”按鈕后滑塊停止在上死點位置。

1.2 伺服壓力機(jī)開放運行模式

通過進(jìn)一步收集典型沖壓工藝，在控制系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)建“專家系統(tǒng)”，“專家系統(tǒng)”內(nèi)置用戶常用沖壓工藝曲線20種，進(jìn)一步提高機(jī)床的通用性。針對用戶的特殊工藝，優(yōu)化人機(jī)界面，通過參數(shù)設(shè)置，調(diào)制出最佳化的滑塊運行軌跡和沖壓曲線。針對高級用戶設(shè)有高級手動編程模式，實現(xiàn)自由編程，可任意分段設(shè)定凸輪曲線，任意規(guī)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(fù)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(jī)床以高速（速度在生產(chǎn)界面中設(shè)定）從上死點位置開始動作，到達(dá)“工件成型”位置設(shè)定的角度時，伺服電機(jī)開始減速慢行（以工件成型速度運行）到下死點時，伺服電機(jī)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?qū)崿F(xiàn)單次和連續(xù)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(jī)床以高速（速度在生產(chǎn)界面中設(shè)定）從上死點位置開始動作，到達(dá)“工件成型”位置設(shè)定的行程時，伺服電機(jī)開始減速慢行（以工件成型速度運行）到“工件成型結(jié)束位置”時，機(jī)床繼續(xù)以高速運行到上死點。在此運動模式下要求能夠?qū)崿F(xiàn)單次和連續(xù)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(dāng)鐘擺運動模式參數(shù)設(shè)定確認(rèn)后，滑塊自動運行到設(shè)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?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運行的功能。如圖4為鐘擺運動模式界面圖。

1.2.4 順?biāo)湍Ｊ?/p>

圖4 鐘擺運動模式界面圖

當(dāng)順?biāo)瓦\動模式參數(shù)設(shè)定確認(rèn)后，機(jī)床以高速（速度在主界面中設(shè)定）從上死點開始運行，到設(shè)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(jī)床以高速運行，返回上死點。在此運動模式下要求能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運行的功能。如圖5為順?biāo)瓦\動模式界面圖。

圖5 順?biāo)瓦\動模式界面圖

1.2.5 多工位模式

當(dāng)多工位加工模式參數(shù)設(shè)定確認(rèn)后，機(jī)床以高速（速度在主界面中設(shè)定）從上死點開始運行，到設(shè)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(shè)定的工件成型結(jié)束位置，機(jī)床停止運行，等待送料機(jī)夾緊裝置夾緊后（等待夾緊時間）機(jī)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?qū)崿F(xiàn)連續(xù)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(jī)裝配與調(diào)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(guān)鍵所在，其關(guān)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(diào)節(jié)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(nèi)實現(xiàn)自動補(bǔ)油。由伺服電機(jī)驅(qū)動精密的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)帶動高精度的調(diào)節(jié)螺桿，在肘桿機(jī)構(gòu)的導(dǎo)柱內(nèi)旋轉(zhuǎn)，采用精密的大螺距梯形螺紋，在保證重載驅(qū)動的同時保證螺紋配合間隙小于0.05mm。采用進(jìn)口微米級位置傳感器，實時動態(tài)檢測滑塊位移量和反饋，與理論下死點位置實時動態(tài)對比，當(dāng)偏移量超過設(shè)定限值，由伺服電機(jī)驅(qū)動精密模高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，伺服驅(qū)動與上位機(jī)進(jìn)行高速通訊，實時檢測，并通過特定的算法，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，全過程閉環(huán)控制，下死點重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01毫米。

2.2 重載肘桿機(jī)構(gòu)的裝配

重載肘桿機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的自鎖角、上死點壓力角等參數(shù)進(jìn)行校核，并對關(guān)鍵零件的尺寸進(jìn)行檢驗確認(rèn)，裝配時首先將軸套及連桿瓦鑲進(jìn)肘桿機(jī)構(gòu)中進(jìn)行定位精加工后整體進(jìn)行裝配，保證桿系機(jī)構(gòu)運動平穩(wěn)精確，阻尼及運動特性最優(yōu)化。

2.3 電氣控制系統(tǒng)的調(diào)試

電氣控制采用開放式專用伺服運動控制器（Stand-Alone）進(jìn)行深度二次開發(fā)，通過CAN-LINK高速通訊總線進(jìn)行組態(tài)，實現(xiàn)上位機(jī)與HIM、驅(qū)動器等數(shù)據(jù)實時交換，應(yīng)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(huán)控制方式[7]。針對用戶的特殊工藝，優(yōu)化人機(jī)界面，通過參數(shù)的設(shè)置，調(diào)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(jīng)過帶載試驗和效果驗證。對“模具庫”功能進(jìn)一步優(yōu)化完善，模具存儲數(shù)從60套擴(kuò)充到100套，可根據(jù)對應(yīng)的模具號自動調(diào)整凸輪曲線、行程、裝模高度、平衡缸氣壓等機(jī)床參數(shù)，極大地實現(xiàn)了智能化，縮短了運行準(zhǔn)備時間，能夠根據(jù)機(jī)床的實際運行狀況動態(tài)顯示運行曲線，并存儲其運行曲線，方便用戶進(jìn)行曲線和軌跡優(yōu)化并可重復(fù)調(diào)用。

對自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，采用進(jìn)口微米級位置傳感器，實時動態(tài)檢測滑塊位移量和反饋，與理論下死點位置實時動態(tài)對比，當(dāng)偏移量超過設(shè)定限值，由伺服電機(jī)驅(qū)動精密模高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，伺服驅(qū)動與上位機(jī)進(jìn)行高速通訊，實時檢測，并通過特定的算法，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，全過程閉環(huán)控制，通過對下死點重復(fù)定位精度的試驗，可達(dá)到±0.01毫米。

系統(tǒng)對重載伺服驅(qū)動器進(jìn)行了優(yōu)化，將伺服電機(jī)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(yōu)化提高回收能量的交、直流轉(zhuǎn)化效率，提高伺服電機(jī)的特定動作階段回饋給直流母線的能效比，通過試驗數(shù)據(jù)比對，實現(xiàn)整機(jī)節(jié)能35%的指標(biāo)要求[8]。

系統(tǒng)通過不同類型的傳感元件和數(shù)控系統(tǒng)I/O接口，研發(fā)伺服壓力機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng)，實時采集和監(jiān)控機(jī)床的工作狀態(tài)，并對所采集信息及時進(jìn)行處理，通過高性能人機(jī)界面HIM直觀地向操作者以線圖或動畫形式顯示機(jī)床各個工作參數(shù)和狀態(tài)，對可預(yù)見的機(jī)床故障預(yù)先報警，避免重大事故的發(fā)生，提高機(jī)床作業(yè)過程的安全性，通過權(quán)威部門的檢測鑒定，系統(tǒng)安全性符合相關(guān)壓力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的要求[9]。

系統(tǒng)應(yīng)用運動控制器Stand-Alone專用編程軟件Autoshop和人機(jī)界面編程軟件Intouch Editor結(jié)合CAN-link總線通訊協(xié)議進(jìn)行組態(tài)[10]。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，機(jī)床的各項動作均達(dá)到圖紙設(shè)計要求。調(diào)試過程中，SIP-160精密智能型伺服壓力機(jī)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(jī)具有高精度、高可靠性的特點。下死點精度如圖7所示。

3 結(jié)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(jī)多種工作運行模式深入分析，同時對伺服壓力機(jī)裝配和調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題作深刻討論，確定了有效工藝流程及調(diào)試步驟。該伺服壓力機(jī)執(zhí)行日本JIS精度標(biāo)準(zhǔn)，具有高精度、高柔性、高效、復(fù)合、低噪、環(huán)保等優(yōu)點，屬于高檔壓力機(jī)，可廣泛應(yīng)用于電訊器材、儀器儀表、電機(jī)電器、鐘表、玩具、五金、拖拉機(jī)、汽車和航空等行業(yè)。

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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(jī)、機(jī)電一體化、PLC等研究。E-mail：tangshi song26@163.com