劉林峰

伺服壓力機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動，壓力機(jī)根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定適合的行程長度和速度；可超低速運(yùn)行；模具振動小，提高模具使用壽命；取消傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的離合器、制動器部件，降低運(yùn)行成本。伺服壓力機(jī)具有復(fù)合性、高效性、高精度、高柔性、低噪環(huán)保性、節(jié)能及易于維護(hù)等特點(diǎn)，提高設(shè)備的自動化、智能化水平，改善壓力機(jī)的工作特性，是新一代沖壓成形設(shè)備的發(fā)展方向。

1 伺服壓力機(jī)傳動機(jī)構(gòu)

伺服壓力機(jī)由本體傳動機(jī)構(gòu)及伺服驅(qū)動電機(jī)組成（見圖1）。

圖1 主驅(qū)動電機(jī)與機(jī)械機(jī)構(gòu)圖

2 伺服壓力機(jī)沖壓解決方案

伺服壓力機(jī)同時具備機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服其各自的缺點(diǎn)，所以：

①機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的沖壓頻次。

②通過凸輪曲線規(guī)劃優(yōu)化滑塊運(yùn)動，提高柔性化，減小對機(jī)械部件、模具的沖擊。

③取消機(jī)械離合器，節(jié)能降噪。

④操作模式人性化，易于調(diào)試和更換模具。

（1） 伺服壓力機(jī)運(yùn)行規(guī)劃

新型伺服壓力機(jī)采用一臺或多臺大扭矩同步伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)壓機(jī)中的電機(jī)和飛輪、離合器等部件。

傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的工作周期分為滑塊空載下降、負(fù)載工作、滑塊空載返回、上死點(diǎn)停止等4 個階段（見圖2）。

圖2 壓力機(jī)運(yùn)行曲線

而伺服壓力機(jī)利用大功率伺服控制器控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和扭矩輸出，從而控制滑塊的運(yùn)動曲線，以較低速完成沖壓動作，以較高速度下降、回程提高效率（節(jié)拍），而且可以根據(jù)不同的模具要求靈活修改滑塊的運(yùn)動曲線達(dá)到高的靈活性和柔性化，提高沖壓件的品質(zhì)。

（2） 伺服壓力機(jī)控制方案的技術(shù)要點(diǎn)

①驅(qū)動電機(jī)選擇。

②能量管理系統(tǒng)。

③多電機(jī)的同步控制。

④滑塊運(yùn)動曲線的自動生成和手動修改。

其中，驅(qū)動電機(jī)的選擇和能量管理系統(tǒng)是伺服壓力機(jī)所特有的。

3 伺服主傳動系統(tǒng)研究

3.1 主傳動伺服電機(jī)的選擇

伺服壓力機(jī)需要根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量、減速比，邊界條件包括滑塊允許最大速度、最大沖壓速度、最大加速度，最小沖壓速度、工作能等，選出一個優(yōu)化的電機(jī)及實(shí)際減速比，然后根據(jù)不同的模具做出優(yōu)化曲線。初步確定主電機(jī)型號后，需要做全面驗(yàn)算以確定系統(tǒng)負(fù)荷是否滿足工藝要求。

通過計(jì)算可以確定機(jī)械機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量、滑塊運(yùn)行曲線（見圖3） 及公稱力工作能曲線（見圖4）。本文以某伺服壓力機(jī)為例，初選2 臺1FW4 伺服電機(jī)，主要工藝參數(shù)：

圖3 行程與角度之間對應(yīng)關(guān)系

圖4 額定壓力工作能圖

式中：t—力矩施加時間（s）；E—動能（J）；A—做功（J）。

筆者將壓力機(jī)邊界限定條件、機(jī)械固有數(shù)據(jù)代入公式，得到伺服電機(jī)最大工藝能力曲線（見圖5），滑塊位置、速度及加速度曲線（見圖6、圖7），得到電機(jī)平均扭矩為8 522.3 Nm 速度為428.5 rpm（見圖8），電機(jī)總平均功率約300 kW（見圖9、圖10）。最大制動角14.186 8°，對應(yīng)開始角度230.708 3°，對應(yīng)時間0.259 s（見圖11）。由計(jì)算結(jié)果可知初選電機(jī)型號及數(shù)量滿足工藝要求。

圖5 電機(jī)工作能力曲線

圖6 滑塊轉(zhuǎn)速和加速度曲線

圖7 滑塊線轉(zhuǎn)速和加速度曲線

圖8 單臺電機(jī)出力曲線及轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖10 單臺電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖11 壓力機(jī)制動角

3.2 能量管理

（1） 能量管理需求的原因和實(shí)現(xiàn)方法

普通壓力機(jī)的工作特點(diǎn)是在沖壓過程中需要一個尖峰的能量，而伺服壓力機(jī)的滑塊除了在沖壓時需要尖峰能量之外，在加速和減速中也有尖峰能量（如圖9、圖12）：負(fù)載工作區(qū)需要能量沖壓成形；在空載下行、返回區(qū)加速時需要能量，減速時釋放能量；在勻速平穩(wěn)空載運(yùn)行區(qū)只需克服壓力機(jī)運(yùn)動部件的摩擦等機(jī)械損耗。如果直接接入電網(wǎng)，最大容量需要2 400 kW，而平均能量約300 kW，電網(wǎng)容量不能充分利用，造成浪費(fèi)，且尖峰負(fù)荷沖擊會影響其它用電負(fù)載。因此，大型的伺服壓力機(jī)必須考慮平抑電網(wǎng)尖峰的問題。

圖9 電機(jī)功率曲線

圖12 伺服壓力機(jī)運(yùn)行周期速度曲線

伺服壓力機(jī)能量管理就是提供需要的尖峰能量，同時平滑電網(wǎng)能量尖峰，降低電網(wǎng)容量需求，避免對電網(wǎng)造成不良影響。其控制方法就是通過建立一個能量儲存系統(tǒng)在主傳動系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行能量交換，使得對電網(wǎng)的供電要求和傳統(tǒng)的壓力機(jī)一樣或更小一些。

（2） 儲能方式選擇[1]

伺服壓力機(jī)的儲能方式一般有兩種：電容儲能和飛輪儲能。

①電容儲能（電能儲能）

采用模塊化大容量的電力電解電容等電容器組成電容柜來儲存能量，通過升高或降低電容器的電壓來儲存或釋放能量。電容儲能的特點(diǎn)為控制簡單，免維護(hù)。

電容儲能釋放能量計(jì)算公式：

式中：E—能量（J）；u1—初始電容電壓（v）；u2—放電后電容電壓（v）；C—電容容量（F）。

目前，對于800 t 及以下的伺服壓機(jī)，電容儲能方式性價比較高，大于800 t 的伺服壓機(jī)需要的電容柜數(shù)量大幅增加，成本及占地空間增大，所以一般不建議采用電容柜儲能方案。隨著電容器向低成本、超大容量方向發(fā)展（如太陽能儲能等），電容儲能應(yīng)是未來的發(fā)展方向。

②飛輪儲能（機(jī)械能儲能）

飛輪儲能即用一臺（或多臺） 電機(jī)驅(qū)動一個（或多個） 大轉(zhuǎn)動慣量飛輪（或直接采用大轉(zhuǎn)動慣量電機(jī)），通過控制電機(jī)的速度變化使之處于電動或發(fā)電狀態(tài)來完成飛輪機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是可提供能量大，易實(shí)現(xiàn)，但動態(tài)響應(yīng)稍慢。

飛輪能儲能釋放能量計(jì)算公式：

飛輪儲能控制要點(diǎn)在于協(xié)調(diào)主電機(jī)與飛輪電機(jī)的同步性，通過使主電機(jī)與飛輪電機(jī)的速度變化逆相來完成能量交換。因此要將主驅(qū)動電機(jī)與飛輪電機(jī)都設(shè)計(jì)在一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，以提高動態(tài)響應(yīng)時間。

飛輪儲能適用于大容量儲能系統(tǒng)，一般用于800 t 以上伺服壓力機(jī)。

③儲能系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

我公司生產(chǎn)的大型伺服壓力機(jī)采用飛輪電機(jī)儲能方式。這種方式在突變能量釋放時會有延時，形成能量轉(zhuǎn)換死區(qū)，為此，在飛輪電機(jī)與主驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器直流母線連接的中間增設(shè)電容模塊以補(bǔ)充瞬時能量需求，從而提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度（見圖13）。

圖13 伺服儲能系統(tǒng)能量流動示意圖

通過合理分配電網(wǎng)側(cè)與儲能機(jī)構(gòu)的能量供需比例，由電網(wǎng)側(cè)輸入平均功率能量，由儲能系統(tǒng)提供超出部分的能量，使伺服壓力機(jī)主驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的性價比。

采用能量管理系統(tǒng)后，一條60 000 kN 的五序壓力機(jī)自動化沖壓線（第一臺為伺服壓力機(jī)） 及車間配套設(shè)施只需一臺1 600 kVA 動力變壓器供電即可滿足生產(chǎn)負(fù)荷需求。

3.3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)配置方案需求

伺服壓力機(jī)主驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要組成部分：

①伺服電機(jī)。

②伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器和控制軟件包。

③能量管理系統(tǒng)。

④手輪功能系統(tǒng)。

⑤HMI 人機(jī)界面。

（1） 伺服電機(jī)

由上述伺服壓力機(jī)的工作狀態(tài)可知，主驅(qū)動電機(jī)應(yīng)采用過載能力大，剛性驅(qū)動軸無扭轉(zhuǎn)間隙，無易磨損傳動件，慣性矩小，安裝方便，以及高效的高頻響應(yīng)伺服電機(jī)。

（2） 驅(qū)動控制器

伺服壓力機(jī)通過控制伺服電機(jī)的速度和扭矩來改變滑塊的運(yùn)行曲線和出力來完成做功，故需要一個高動態(tài)性能和精度的，能夠?qū)?fù)雜工藝集成到驅(qū)動控制系統(tǒng)中的控制器，在控制一臺或多臺伺服電機(jī)的同步運(yùn)行的基礎(chǔ)上，控制能量管理系統(tǒng)的運(yùn)行，在生產(chǎn)中充分利用伺服壓力機(jī)的能力。在選擇通用型逆變器時，為提高驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)速度及降噪，需要提高功率元件的脈沖頻率，并相應(yīng)降低驅(qū)動裝置的容量。

（3） 手輪調(diào)整

手輪是伺服壓力機(jī)獨(dú)有系統(tǒng)，它可以使伺服壓力機(jī)準(zhǔn)確定位及精確完成步進(jìn)運(yùn)動。由于伺服電機(jī)具有零速全扭矩輸出的特性，通過手輪控制伺服驅(qū)動來調(diào)整壓力機(jī)運(yùn)行，便于在調(diào)試模具時得到所需的數(shù)據(jù)，減少調(diào)試時間，提高生產(chǎn)效率。

（4） HMI 人機(jī)界面硬件

HMI 人機(jī)界面能夠?qū)崟r反映所需的參數(shù)和曲線。與傳統(tǒng)壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)能夠以CAM曲線運(yùn)行，此外，伺服壓力機(jī)還擁有示教功能，實(shí)現(xiàn)這些新功能需要在HMI 和手輪輔助下設(shè)置，修改和保存參數(shù)。

4 結(jié) 語

用本文介紹的方法計(jì)算選型的伺服壓力機(jī)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，證明能夠滿足工藝要求，主驅(qū)動電機(jī)功率及轉(zhuǎn)矩的利用效率，以及儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的峰值的平抑均取得預(yù)期效果。