劉建坤 劉春枝

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250022）

伺服電機(jī)瞬時(shí)扭矩可為伺服機(jī)械壓力機(jī)提供壓制力，依靠“力”進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)的扭矩、容量通過伺服電機(jī)過載倍數(shù)確定。使用大容量的伺服電機(jī)的無飛輪傳動(dòng)系統(tǒng)雖然可獲得大噸位，但卻將使用成本大大增加了，不利于伺服機(jī)械壓力機(jī)在更多領(lǐng)域推廣運(yùn)用。為此，深化設(shè)計(jì)伺服機(jī)械壓力機(jī)，針對轉(zhuǎn)動(dòng)方案進(jìn)行深化研究非常有必要。

1 伺服機(jī)械壓力機(jī)無飛輪傳動(dòng)方案

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及工作機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)械壓力機(jī)沖壓功能的部件組成。結(jié)合伺服機(jī)械壓力機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能，可以對相關(guān)方案進(jìn)行優(yōu)化分析，了解這些方案的特征。方案具體包含以下幾種：

1.1 1A-2D 方案。直線電機(jī)對滑塊直接驅(qū)動(dòng)，使其做直線運(yùn)動(dòng)，這是該方案下功能實(shí)現(xiàn)的主要方式。特點(diǎn)是“零傳動(dòng)”，即沒有曲柄連桿、無齒輪，也不依靠多連桿、肘桿等增力機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更為輕便、簡單，有著更為精準(zhǔn)的定位，在加工上也更加方便，使生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。但同時(shí)也有不足，體現(xiàn)在生產(chǎn)中應(yīng)用成本仍很高，有著過低的直線電機(jī)功率，伺服機(jī)械壓力機(jī)公稱相對不高，難以滿足一些大型壓力機(jī)應(yīng)用需求。僅能夠應(yīng)用在微小型壓力機(jī)上。

1.2 1A-2B/2C-3B-4A 方案。這一方案中，驅(qū)動(dòng)方式與普通單點(diǎn)的機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有很多相同的地方，比如，均由交流伺服電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速來驅(qū)動(dòng)，是一種直接驅(qū)動(dòng)方式。但仍存在一些差異，比如，這一防范沒使用制動(dòng)器、飛輪等，縮小了齒輪，成本相對更低。但也存在不足，即缺乏增力結(jié)構(gòu)支持，減速比不足等。為此，公稱力的選擇需要重點(diǎn)把握，不能過大，一般控制在2500kN 以內(nèi)為宜。

1.3 1A-2B/2C-3B-4A/4B-5B 方案。該方案下的傳動(dòng)有著一定復(fù)雜性，不僅是因?yàn)橐柚鈼U機(jī)構(gòu)增力，還要進(jìn)行二級減速，伺服電機(jī)通過同步帶輪、齒輪兩級減速，曲柄連桿則會發(fā)生移動(dòng)。這樣一來，伺服電動(dòng)機(jī)容量大幅度降低，可以看作方案1A-2B/2C-3B-4A 的改進(jìn)。因?yàn)椴捎迷隽C(jī)構(gòu)肘桿，使得壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性增強(qiáng)，這是因?yàn)橹鈼U有以下特性：（1）低速運(yùn)動(dòng)特性可在滑塊下死點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而將金屬材料最大拉伸速度限制需求滿足。（2）可實(shí)現(xiàn)“快- 慢- 更快”的成形工藝運(yùn)動(dòng)要求，是由于滑塊上下不對稱的速度曲線及一定的急回特性而實(shí)現(xiàn)的[1]。（3）通過明顯增力，可控制伺服電機(jī)容量，可有效控制成本。該方案發(fā)展前景非常良好。

1.4 1A-2B-3B-3B-4A-5A 方案。此方案下，經(jīng)一級齒輪減速后的單臺伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用了雙邊傳動(dòng)的小齒輪，并且這些小齒輪會相互嚙合，為兩大齒輪源源不斷傳輸動(dòng)力，大齒輪異向回轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)曲柄、肘桿均由大齒輪分別驅(qū)動(dòng)，在共同驅(qū)動(dòng)下使滑塊有效運(yùn)動(dòng)。在單臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙點(diǎn)壓力機(jī)中，該方案的運(yùn)用最為適合。

1.5 1A-2B/2C-3A-4B 方案。經(jīng)同步帶輪減速以后的兩臺交流伺服電機(jī)，由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)，直接的驅(qū)動(dòng)方式基本與電動(dòng)螺旋壓力機(jī)相同。但是該方案暴露出以下幾點(diǎn)明顯問題：運(yùn)行過程中電機(jī)換向過于頻繁；要隨時(shí)精準(zhǔn)同步控制；承載能力不高。但是此由多臺電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，可以分擔(dān)單臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力，并降低成本，可以廣泛運(yùn)用到噸位較小的伺服機(jī)械壓力機(jī)中。

1.6 1A-2B-3A-4B-5A 方案。該方案與1A-2B/2C-3A-4B方案相似的地方有很多。滾動(dòng)螺旋副后與肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了串聯(lián)是該方案的一個(gè)顯著特征， 并且該方案也具備1A-2B/2C-3B-4A/4B-5B 方案的一些優(yōu)勢，但同樣存在1A-2B/2C-3A-4B 方案的缺點(diǎn)。較大公稱的雙點(diǎn)伺服機(jī)械壓力機(jī)中應(yīng)用較多。

1.7 1A-2B-3A-4B-5A 方案。該方案應(yīng)用的伺服電機(jī)有兩臺，可對同一渦輪驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而改變螺旋副變渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，變?yōu)橐陨仙匣瑝K移動(dòng)為主，驅(qū)動(dòng)方式也變?yōu)榱艘揽繉ΨQ肘機(jī)構(gòu)增力對下滑塊上下移動(dòng)。這種方案單位噸位電機(jī)容量不高，這與應(yīng)用了兩臺伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)有關(guān)，并且對稱肘桿增力也發(fā)揮了一定作用[2]。方案仍存在一些問題，比如，成本問題、重載絲杠設(shè)計(jì)、使用壽命問題等；因?yàn)橛休^長的傳動(dòng)鏈，使得制造變得非常復(fù)雜；上下滑塊行程不匹配，上滑塊行程更大，這樣就會將絲杠的長度增加，并使沖壓頻率大幅度降低。

1.8 1B-（2A-3A-4B）+（2B-3B-4B）-3D-4A 方案。該方案比起其他方案有著顯著不同，即使用了混合驅(qū)動(dòng)方式，混合的對象為交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)與普通交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。異步電機(jī)是主要?jiǎng)恿碓矗ㄟ^帶輪與齒輪可使使勻速轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢；起到運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)作用的是伺服電機(jī)，減速通過兩級齒輪實(shí)現(xiàn)。比起全伺服驅(qū)動(dòng)，混合驅(qū)動(dòng)中伺服電機(jī)有更小的容量，依靠兩個(gè)原件間運(yùn)動(dòng)抵消實(shí)現(xiàn)滑塊低速工作行程的運(yùn)動(dòng)，但滑塊運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)僅能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行。

1.9 1B-（2A-3A-3B-4A）+（2B-4B）-5C。該方案也采用到了混合驅(qū)動(dòng)，經(jīng)皮帶輪與齒輪減速后，異步電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)會對曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；通過曲柄連桿對滑塊移動(dòng)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)；兩臺電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過自由度合成機(jī)構(gòu)合并，以更好的驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，并能極大降低伺服電機(jī)容量需求。但是該方案仍存在一些不足：（1）機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)難度增大，因?yàn)閼?yīng)用到了多輸入、多自由度的機(jī)構(gòu)。（2）控制系統(tǒng)的復(fù)雜性增大，因?yàn)樾枰悄芑刂贫嘧杂啥葯C(jī)電耦合系統(tǒng)。

2 各種傳動(dòng)類型伺服壓力機(jī)典型產(chǎn)品

2.1 直接驅(qū)動(dòng)型產(chǎn)品。日本公司開發(fā)的L-SF 系列產(chǎn)品，公稱力較大，即10kN，且有100mm 的行程，還具備200 次·min-1的工作頻率；國內(nèi)浙江大學(xué)開發(fā)的5～100kN 同類型產(chǎn)品中，10kN規(guī)格的與普通機(jī)械壓力機(jī)相比有更多優(yōu)勢，比節(jié)能就是其中最為顯著的優(yōu)勢之一，更加輕便，降噪效果更顯著等。

2.2 肘桿增力型。日本AMINO 公司的雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)，傳動(dòng)方案為1A-2B-3B-3B-4A-5A，屬于等償肘桿型，三角肘桿型代表產(chǎn)品為日本KOMATSU 公司的HIF 系列產(chǎn)品，有著2000kN的最大公稱。

2.3 混合驅(qū)動(dòng)型。如今，雖然混合驅(qū)動(dòng)型有著一定優(yōu)勢，但是應(yīng)用仍不夠普遍，很多混合型驅(qū)動(dòng)尚處于實(shí)驗(yàn)階段，沒能在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用，尤其是在伺服機(jī)械壓力機(jī)上使用更是少之甚少。其中，應(yīng)用最多的產(chǎn)品是桿系混合驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)械壓力機(jī)，即使大噸位的電機(jī)被開發(fā)出來，但是功率仍達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)，與普通電機(jī)的功率相差甚遠(yuǎn)[3]。

3 伺服機(jī)械壓力機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1 混合驅(qū)動(dòng)?；旌纤欧?qū)動(dòng)技術(shù)將成為伺服機(jī)械壓力機(jī)未來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，全伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為商品化伺服機(jī)械壓力機(jī)主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)方式，這是因?yàn)槎杂啥锐詈蟼鲃?dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜，很難對滑塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。但同時(shí)優(yōu)勢也比較明顯，比如，能夠降低電機(jī)容量，節(jié)約成本等。

3.2 驅(qū)動(dòng)源與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的性能更高，但造價(jià)也高，對推廣應(yīng)用造成不便。采用新傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是解決這一問題的關(guān)鍵，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又存在一定復(fù)雜性，容易使制造成本增加。還可以對新型伺服驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行開發(fā)，包括開關(guān)磁阻電機(jī)、變頻電機(jī)等。

3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。伺服機(jī)械壓力機(jī)比起傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜，需要使用到肘桿、多連桿、差動(dòng)輪系等。且對這些機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即組合設(shè)計(jì)后，主要是為了將伺服電機(jī)的輸出扭矩降低，進(jìn)而降低伺服電機(jī)容量及成本，而不再是簡單將滑塊特殊曲線獲得。但是，當(dāng)前組合設(shè)計(jì)時(shí)效性不高，設(shè)計(jì)方法缺乏。為此，使用動(dòng)力學(xué)分析軟件、CAD 軟件就顯得非常必要。

3.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性設(shè)計(jì)與位置控制。在設(shè)計(jì)中，通過組合方式將增力功能提升，但是剛性仍不足，不僅沒有提升反而降低了很多，這就是伺服機(jī)械壓力機(jī)在組合設(shè)計(jì)后暴露出的問題，在設(shè)計(jì)后，控制的內(nèi)容也增多了，包括滑塊運(yùn)動(dòng)速度、滑塊位移等，同時(shí)還要考慮機(jī)身彈性變形、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變化問題，因?yàn)檫@些都是關(guān)系到使用效果的問題。為此，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)上，剛?cè)狁詈蟿?dòng)力分析是必不可少的。

總之，伺服機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)方案有很多，且不同方案均有一一定優(yōu)勢即不足，適應(yīng)領(lǐng)域也不同。在機(jī)械系統(tǒng)日趨復(fù)雜下，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決剛?cè)狁詈?、機(jī)電耦合等問題，找出最優(yōu)傳動(dòng)方案，使產(chǎn)品以最優(yōu)成本得到廣泛推廣運(yùn)用。