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机械伺服高速精冲机的驱动系统设计与仿真

2020-02-21 15:47:09 来源: 锻造与冲压
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导读: 在双电机多连杆机构驱动的机械伺服精冲机中,一个电机连接短曲柄在冲压工作段提供主冲压力,另一个电机连接长曲柄在滑块快速上行阶段和滑块返程阶段调节滑块运动速度。为保证力矩分配的合理性与精冲机冲压作业的周期性,双电机必须协调运转。对此采取的控制策略为:对两个曲柄采用相位反馈的方式,在相关特征相位点切换电机速度曲线,并且设置冲压工作段中非出力电机保持零速以保证双电机的协调运行。通过Adams和Simulink的仿真结果表明,所提出的方法能够有效实现二自由度机械伺服精冲机传动系的正常冲压作业的周期性运行与两个电机的合理力矩分配。

文:刘艳雄/胡斌/华林

随着精冲技术在 国内汽车零部件制造业 的普及应用 ,以及汽车零部件精冲产品大批量生产 的实际需求,当前广泛应用的低频次液压式精冲机的精冲效率低 、局限性 日益暴露 ,高速精 冲机 的生产研发需求 日益高涨。精冲机的主滑块运动为快速上

行 、低速冲裁及 快速 回程。为 了实现 高频 次冲裁 ,同时具有大吨位 的冲裁力 ,本文设计了由双伺服电机驱动的高速精冲主传动结构 ,一个小功率伺服电机负责滑块空载 阶段的调速 ,一个大功率伺服 电机负责滑块冲压阶段出力 。双伺服 电机 的协调控制是实现力矩合理分配与高频次精冲的关键 。在单自由度精冲机传动系统 中,单个 电机的转动即可确定滑块的运动,由此单电机的时间 一速度曲线 即可确定滑块运动 曲线 。但是在二 自由度精冲机传动系统 中,主电机在冲压工作段提供主力压力 ,副电机在非冲压段调节滑块上行下行 ,双 电机的时间 一速度 曲线共同确定滑块运动 曲线 ,这对两个电机运动 的协调性提出了严苛的要求 。

1 二自由度机械式精冲机传动系统驱动设计与要求

1.1 传动系统机械结构设计

本文设计的机械伺服高速精冲机传动系统采用多连杆机构 ,其机械结构如图 1所示。

机械式精冲机主传动机 构包括 曲柄 1和 4,连杆 2,3,5,机架 6以及连 杆 3上端 铰接 的滑块 。其中,曲柄 1按照顺时针方 向旋转 ,曲柄 4按照逆时针方向旋转 。在冲压阶段 ,曲柄 1提供较大冲压力 ,曲柄 4保持在水平位置 以减小力矩 载荷 ;在滑块快速上行阶段和快速返程阶段 ,曲柄 4快速转动以带动滑块运动 。为了进一步减小 曲柄 1驱动 电机输出转矩要求 ,曲柄 1与电机之 间加入 了一级减速系统 。该传动系统三维模型如图 2所示。

1. 2二自由度机械式精冲机传动驱动设计


该系统应用于高速高精机械伺服精冲机中,要求实现3200 kN的冲压力和高达每分钟220次(薄板工件)的冲压效率。由于精

冲工艺的要求,滑块要实现快速闭合、慢速冲裁、快速回程的运动规律;在机械结构中又要求曲柄1提供冲压力,曲4用于空

载调速。因此,在冲压加载阶段,曲柄 4应位于水平位置或在水平位置附近以防止冲压工作段曲柄4所连接驱动电机,即小功

率伺服电机载荷过大。表1为该传动机构的尺寸参数。


1· 3电机的选型设计

过去受到电机性能 的影响 ,在传统机械压力机中无法灵活调整滑块 的运动特性而无法满足不同产品的加工需求 。如今伺服

电机技术飞速发展 ,配合合适的传动机构 ,精冲性能得到进一步提升

因此 ,本文选用调速性 能优 异的永磁 同步电机以满足灵活调整滑块运动特性的要求 。

首先考虑曲柄1的驱动转矩,在冲压工作段,滑块冲压力负载不变时,当曲柄1旋转到水平位置所受到的转矩载荷最大,由于L2 +L3》Ll,则大功率伺服电机最大负载一为T1为      T1=FL1/i (1)式中:F为冲压力,取 3200kN。则有 一为8OO0N·in,由于这是 冲压工作,结合冲压机相关设计经验 ,考虑到伺服电机瞬时过载能力,选用额定扭矩 4000N ·m 即可 。


其次考虑曲柄 4的驱动转矩 ,由于在 冲压工作段曲柄 4位于水 平位置 ,其受到转矩负载较小 ,经过仿真计算 ,曲柄 4最大扭矩为 2000N·m。

1. 3 · 2电机转速的估算

由于精冲机要求的冲次不高于每分钟220次,即电机运行平均速度不超过220 rpmo根据估算结果在厂家提供的电机中选取的两个电机技术参数如表2所示。


2双电机位置环控制策略

曾有学者提出过类似的压力机构型 ,但是他们在设计相关压力机时提出曲柄1的运动模式为恒速运动模式[,若将这种方案运用在高速机械伺服精冲机上必将引起两种极端工况:(1)如果曲柄1 的速度设定满足精冲机高频次的要求,其在冲压工作阶段必将引起滑块速度过大,而过快的冲压速度将引起精冲件断面质量恶化,模具的寿命也将大大降低;(2)如果曲柄1的速度设定满足精冲工艺的低速加载要求,过低的转速又将大大降低精冲机的冲压频次,降低其工作效率。因此,主电机的运转应当经过伺服控制实现冲压阶段低速运转、非冲压低负载阶段高速运转。

如图3所示,当曲柄1处于竖直向上位置、曲柄4处于水平向右位置,即图中加速起始点位置时,滑块处于上死点位置;在上死点位置,两个电机同时开始加速直到各自达到最大转速,此时滑块处于返程阶段与快速上行阶段;当滑块接近冲压板料时,曲柄1接近冲裁起始点开始减速,曲柄4接近初始位置开始减速;减速完成后曲柄4位于水平位置附近,曲柄1进人低速冲压负载阶段。

在不考虑实际运行过程中的误差与速度发生波动的情况下,对两个曲柄进行速度规划,两个曲柄的角速度时域规划曲线如图4所示,其中的加减速曲线为三角函数形式。


考虑到在精冲机实际工作时电机在速度控制下,产生的速度跟踪误差,每个周期的大小必然与规划曲线的周期有所不同,当两个曲柄的周期不一致时,周期累加将造成误差累加,精冲机也将无法正常工作。因此,有必要在双电机控制速度环外加一层位置环,不同于传统位置环着眼于对位置误差的控制,本文中位置环通过对两个曲柄的相位反馈,在相关特征相位处切换速度输人函数,相关控制的函数切换逻辑框图如图5所示。


3仿真结果与分析

3· 1仿真相关参数

为了验证上文中提出的速度函数切换控制策略在该精冲机传动控制系统中能否有效实现双电机的协调运行,进行了精冲机传动系统动力学仿真。结合Adams多体动力学分析的优势和Matlab控制模型搭建的优势,将SolidWorks中建立的二自由度精冲机机械传动系统模型导人Adams中,添加相关约束条件进行模型的装配后,将Adams模型导人Matlab 中进行联合仿真。

设计主电机最大加速度为1047.1976rad · s一2, 高速段速度为36.5420rad · S ,低速段速度为团20rad · s ;对应曲柄高速段速度为18.2710 rad · s 低速段速度10 rad · s ;副电机的最大加速度为 1 7· 1 6 rad · s ,高速段速度为31.4159 rad · s 低速段速度为0 rad · s-l,冲压工件厚度为6 mm,冲压力为3200 kN,即32佣0 NO冲压频次约为每分钟133次。

3· 2仿真结果分析

6为曲柄1和曲柄4的速度曲线图,曲柄1

实现了空载阶段高速回转,冲压段低速旋转,高速段与低速段之间以三角函数形式进行过渡;曲柄4 实现了空载阶段高速回转,冲压段保持零速并且与曲柄1运动周期保持一致。从图7可以看出滑块在空载阶段以较高速度实现回程与上行,在冲压阶段低速上行,符合冲压工艺中对低速加载的要求。


8和图9分别为两个电机轴端在精冲机空载运行和带3200 kN冲压负载运行时的转矩变化曲线。副电机转矩在空载运行中和带负载运行中转矩曲线基本不变,最大转矩负荷为2000N.M,主电机转矩在两个工程中在滑块回程与快速上行阶段均处于低负载转矩状态,其中当当电机进行加减速时出现小峰值;两种工况下转矩负载变化发生在冲压工作段并且在该阶段的冲压负载转矩最大值为8000N.M,在此阶段副电机处于水平位置不提供冲压力,而主电机处于低速转动状态并提供冲压力。


以上分析表明,在仿真条件下该位置环速度函数切换策略能够有效协调该而自由度机械式精冲机两个电机的协调运转,实现主电机冲压出力、副电机空程调速的功能,合理进行了两个电机的转矩分配,是两个惦记的工作状态均运行在其转矩限值和转速限值以下。

4.结语

针对自由度高速机械伺服精冲机转动机构进行了初步统计设计,确定了该双电机伺服系统的电机转矩和功率,结合仿真对两个伺服电机进行了选型。针对二自由度高精冲机提出了一种双电机新型位置环控制策略,仿真结果表明,在该控制策略下精冲机转动系统能够有效工作,保证了主电机冲压出力以及副电机空程调速功能的实现,双电机转矩得到合理分配。


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