項余建，湯世松，許 楠，張 杰，吳連紅（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

雙點伺服壓力機主傳動系統(tǒng)設(shè)計與分析

項余建，湯世松，許 楠，張 杰，吳連紅
（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

通過比較常見的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點分析多桿機構(gòu)的三種類型--三角肘桿式、雙曲柄式和四點六桿式，最終設(shè)計了雙點伺服壓力機的雙曲柄主傳動系統(tǒng)。利用遺傳算法，優(yōu)化設(shè)計桿系參數(shù)，分析滑塊位移、速度、加速度以及大齒輪所需轉(zhuǎn)矩曲線。

雙點伺服壓力機；三角肘桿；雙曲柄；四點六桿；遺傳算法

在分析研究雙點伺服壓力機現(xiàn)有國內(nèi)外先進技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)市場對伺服壓力機消費需求，以及公司現(xiàn)有技術(shù)和制造裝備工藝條件，在完成單點伺服壓力機樣機基礎(chǔ)上，進行雙點伺服壓力機樣機的開發(fā)。通過樣機總體方案設(shè)計、詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計、同步控制系統(tǒng)開發(fā)、樣機試制及調(diào)試等開發(fā)設(shè)計過程，最終完成雙點伺服壓力機樣機的開發(fā)任務(wù)，其主要技術(shù)性能達到當(dāng)前國際先進水平。

1 主傳動系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 雙點伺服壓力機常見的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自伺服壓力機問世以來，國內(nèi)外壓力機制造商推出了各種不同形式的壓力機傳動系統(tǒng)?，F(xiàn)將常見傳動結(jié)構(gòu)形式介紹如下。

1.1.1 滾珠絲桿傳動形式

如日本小松1997年推出的第一臺雙點伺服壓力機HCP3000，即采用滾珠絲桿傳動結(jié)構(gòu)，兩只伺服電機通過一對同步帶輪減速后由滾珠絲桿直接驅(qū)動壓力機滑塊實現(xiàn)上下移動，如圖1所示。

滾珠絲桿控制傳動精度高，在滑塊整個行程中伺服電機所傳遞的壓力和速度大小不變，可用于大行程沖壓成形工藝。其不足為：由于傳動系統(tǒng)沒有增力作用，要求伺服電機功率大；重載滾珠絲桿價格高，承載能力有限；工作時電機需頻繁換向。

圖1HCP3000傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 多連桿傳動結(jié)構(gòu)形式

多連桿傳動結(jié)構(gòu)具有較大的增力作用，可獲得較低的工作區(qū)內(nèi)位移速度和較高的急回特性，因而在壓力機上應(yīng)用較多。如小松H2F200伺服壓力機肘桿式傳動系統(tǒng)（圖2）、會田四點六桿傳動結(jié)構(gòu)（圖3）、YAMADA高速壓力機傳動結(jié)構(gòu)（圖4）等。

圖2 小松H2F200傳動結(jié)構(gòu)

1.1.3 曲柄連桿直驅(qū)式傳動結(jié)構(gòu)

國外許多壓力機制造商依靠具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低速大轉(zhuǎn)矩伺服電機，對壓力機曲柄連桿傳動系統(tǒng)進行直接驅(qū)動，其特點為：傳動環(huán)節(jié)少，綜合間隙小，傳動精度高，如圖5所示。

圖3 會田四點多連桿結(jié)構(gòu)

圖4YAMADA高速壓力機傳動結(jié)構(gòu)

圖5 小松H2W200伺服壓力機傳動結(jié)構(gòu)

1.1.4 復(fù)合式傳動結(jié)構(gòu)

不同壓力機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有各自特點，因而不少壓力機公司綜合不同傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，開發(fā)了復(fù)合式傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如：日本小松將滾珠絲桿與肘桿機構(gòu)進行綜合，推出H2F300壓力機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示；日本網(wǎng)野推出經(jīng)蝸輪蝸桿減速的滾珠絲桿+雙肘桿傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

1.2 主傳動系統(tǒng)方案的選擇

伺服壓力機沒有普通壓力機的飛輪和離合器，是依靠伺服電機的瞬時扭矩提供壓制力的，因而需要比普通壓力機電機功率大得多的伺服電機，這將帶來伺服壓力機成本的提高。如何減小伺服電機的功率需求，降低制造成本，滿足國內(nèi)市場消費需求，是本項目設(shè)計首先需要考慮的問題。

圖6 小松H2F300壓力機傳動結(jié)構(gòu)

圖7 日本網(wǎng)野多電機雙肘桿式傳動結(jié)構(gòu)

為提高伺服壓力機噸位與伺服電機容量比值，降低制造成本，通常有兩條較為成熟的途徑：一是以多臺小功率伺服電機進行串聯(lián)或并聯(lián)同步驅(qū)動，以滿足大噸位壓力機功率消耗需求。就目前伺服電機市場兩臺小功率伺服電機價格大大低于一臺同等功率的大伺服電機價格；二是采用多桿增力機構(gòu)，達到以小功率伺服電機實現(xiàn)大噸位壓制力的目的。

目前，壓力機常用的多桿機構(gòu)有如下三種類型。

圖8 三角肘桿式多桿機構(gòu)

1.2.1 三角肘桿式多桿機構(gòu)

三角肘桿式多桿機構(gòu)如圖8所示，其特點：①在滑塊下死點附近有較好的低速特性；②具有較好的急回特性；③增力作用明顯。不足：①結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，增加制造難度；②傳動結(jié)構(gòu)確定后行程調(diào)整不易。

1.2.2 雙曲柄多桿機構(gòu)

雙曲柄多桿機構(gòu)如圖9所示，其特點為：①結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，裝配工藝性好；②雙曲柄機構(gòu)與曲柄連桿機構(gòu)相互獨立，便于行程調(diào)整；③在下死點附近有較好的低速性能，有一定急回特性，增力作用明顯。

1.2.3 四點六桿多桿機構(gòu)

圖9 雙曲柄多桿機構(gòu)

四點六桿多桿機構(gòu)如圖10所示，其特點為：可獲工作區(qū)內(nèi)均速滑塊位移曲線，有急回特性，適合于大行程拉伸成形工藝。

圖10 四點六桿雙點多桿傳動結(jié)構(gòu)

分析比較現(xiàn)有幾種成熟的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點，結(jié)合所開發(fā)伺服壓力機目標任務(wù)，雙點伺服壓力機確定選用雙曲柄傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩個施力點分別由各自的雙曲柄機構(gòu)和伺服電機獨立驅(qū)動。

2 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能特征

2.1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙點伺服壓力機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示，由伺服電機、齒輪軸、傳動齒輪、雙曲柄機構(gòu)、曲軸、連桿等組成。勻速轉(zhuǎn)動的兩只伺服電機，分別通過一對齒輪將運動和動力傳遞給齒輪軸；再由齒輪軸上的小齒輪驅(qū)動雙曲柄機構(gòu)的大齒輪繞自身的固定軸轉(zhuǎn)動；由雙曲柄機構(gòu)將大齒輪的均速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為與其偏心的曲軸非均速轉(zhuǎn)動；最終由曲柄連桿副將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的上下直線位移運動。

2.2 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 傳動比

如圖12所示，在伺服壓力機傳動系統(tǒng)的齒輪傳動鏈中，Z1=26，Z2=50，Z3=14，Z4=91。其第一級傳動比為i1=z2/z1=50/26=1.9230，第二級傳動比為i2=z4/z3=91/ 14=6.5，總傳動比i=i1·i2=1.9230×6.5=12.5。

圖12 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

所選用伺服電機的額定轉(zhuǎn)速為500rpm，則所設(shè)計壓力機行程次數(shù)為：

500/12.5=40.0（SPM）

2.2.2 優(yōu)化的桿系參數(shù)

以桿長L1、L2、L3、L4以及L1桿與曲柄的相對相位角Ф為設(shè)計變量，即{x1,x2,x3,x4,x5}，以公稱力行程處雙曲柄機構(gòu)大齒輪上轉(zhuǎn)矩最小為目標函數(shù)，設(shè)置種群數(shù)為120，交叉概率為0.9，變異概率為0.5，應(yīng)用遺傳算法經(jīng)100次迭代，獲得優(yōu)化的桿系參數(shù)為：

L1=290，L2=376，L3=449，L4=175，Ф=350

2.2.3 傳動系統(tǒng)性能特征

如圖13a為滑塊相對于雙曲柄機構(gòu)大齒輪轉(zhuǎn)角的位移曲線，在滑塊下降行程轉(zhuǎn)角為200°，返回行程為160°。

如圖13b為滑塊相對于雙曲柄機構(gòu)大齒輪轉(zhuǎn)角的速度曲線，滑塊下降行程最大速度為53m/min，返回行程最大速度為43m/min。

如圖13c為滑塊相對于雙曲柄機構(gòu)大齒輪轉(zhuǎn)角的加速度曲線，最大加速度6.4m/s2，距上死點13°。

如圖13d為作用在大齒輪上轉(zhuǎn)矩曲線，公稱力行程處轉(zhuǎn)矩為27780Nm。

圖13 傳動系統(tǒng)特征曲線

3 結(jié)論

雙曲柄伺服壓力機主傳動系統(tǒng)是整個壓力機的重要組成部分，是實現(xiàn)滑塊快速空程、低速沖壓和快速回程功能的基礎(chǔ)。本文通過分析比較常用的主傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，最終設(shè)計了雙點伺服壓力機的雙曲柄主傳動系統(tǒng)。利用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計了雙曲柄桿系參數(shù)，分析曲線顯示，本雙點伺服壓力機具有低速急回和增力的特性，達到預(yù)期目的。

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Design and analysis of main drive system for double-point servo press

XIANG Yujian,TANG Shisong,XU Nan,ZHANG Jie,WU Lianhong
（Yangli Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

By comparison with common transmission structures,the three modes of multi-rod mechanism have been mainly analyzed in the text,including triangle toggle mode,double crank mode and four-point&sixrod mode.Finally,the double crank main drive system has been designed to the double-point servo press. By use of genetic algorithm,the parameters of the rod system have been optimized.The slider displacement, velocity,acceleration and torque curve required by the gear have been analyzed.

Double point servo press;Triangle toggle;Double crank;Four-point&six-bar;Genetic algorithm

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.004

1672-0121（2017）02-0015-04

2016-12-26；

2017-02-20

項余建（1981-），男，工程師，從事伺服壓力機及自動化控制方向研究。

E-mail：xiangjianyuaoz@163.com