几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较.pdf

《几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较.pdf（6页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、文章编号：1 6 7 2 一0 1 2 1(2 0 0 8)0 5 0 0 3 5-0 4E Q U I P M E N T几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较苏敏，王隆太(扬州大学机电研究所，江苏扬州2 2 5 0 0 9)摘要：介绍了几种不同的单驱动和混合驱动伺服压力机传动结构方案，对各自的运动学和功率特性进行了分析；在同一的负载条件下，对曲柄连杆式、单肘杆式、双肘杆式不同传动结构的单驱动伺服压力机的滑块行程、速度曲线、作用扭矩和功率消耗进行了比较；构建了轮系混合驱动三维结构模型，并从结构特征、伺服电机与常规电机所需功率以及两者间的功率比，对轮系混合驱动和杆系混合驱动伺服压力机的传动结构

2、进行了分析。为伺服压力机的开发研究和设计制造提供了有益参考。关键词：机械制造；传动结构；伺服压力机；特性中图分类号：T G 3 1 5 5文献标识码：B1 引言机械压力机是金属成形领域使用最为广泛的一种锻压加工设备。近年来，随着交流伺服控制技术的成熟和发展，先后出现了多种不同形式的伺服压力机，如：日本小松(K O M A T S U)H 1 F 系列单肘杆伺服压力机；日本会田(A I D A)低转速大扭矩直接驱动伺服压力机闭；香港中文大学研制的杆系混合驱动伺服压力机【习；日本某公司推出的轮系混合驱动伺服压力机；国内一些锻压机床企业所研制的曲柄连杆式传动结构的伺服压力机等。若从压力机传动结构看，

3、可将当前流行的伺服压力机概括为单一驱动式和混合驱动式两大类。前者通过单只伺服电机实现对压力机滑块工作速度的调节，以满足不同的冲压工艺要求，其结构形式有曲柄连杆式、肘杆式等；后者是以大功率常速电机和小功率伺服电机作为动力源，通过运动合成机构对压力机滑块速度进行有效控制，常用于大吨位大功率的伺服压力机，其运动合成机构有差动轮系机构和多杆机构两类不同形式。本文就上述提及的不同传动结构伺服压力机的运动学特征和功率消耗进行了分析与比较，并对各自的特点和应用范围进行了讨论，以供相关设计人员参考和借鉴。2 曲柄连杆式单驱动伺服压力机这类伺服压力机与传统机械压力机结构较为类收稿日期：2 0 0 8 0 7 2

4、 8作者简介：苏敏(1 9 8 5 一)，男，硕士在读，主攻锻压设备开发研究似，是以伺服电机代替普通电机实现滑块的变速运动。图l 为国内某锻压机床企业在原有机械压力机基础上所研制的8 0 0 k N 伺服压力机，其伺服电机经传动系统的减速实现对滑块的控制。这类伺服压力机结构简单，易于开发，是国内不少企业首选的伺服压力机传动结构，但机器存在传动链长、传动精度难伺服电机皮带传动图1国内某企业伺服压力机传动结构以提高的不足。为此，日本A I D A 公司以低速大扭矩伺服电机的专利技术研制了直接驱动伺服压力机(图2)，该压力机传动链 万方数据E Q U I P M E N T有较为理想的速度特性，是现

5、代伺服压力机中常见的一种传动结构形式。图3 为日本小松公司H 1 F 系列伺服压力机传动结构1，伺服电机通过一级皮带和一对齿轮减速后由肘杆机构驱动滑块实现加工运图3 小松H 1 F 伺服压力机传动结构动，具有电机功耗小、传动效率高的特点；图4 为日本网野公司所采用的对称式肘杆结构伺服压力机【4 1，该压力机传动结构对床身作用有对称的工作载荷，工作平稳，可长期维持压力机的精度；图5 为美国俄亥俄州立大学所研制的双肘杆伺服压力机传动结构四，伺服电机通过两个肘杆将其运动转化为滑块的直线运动，具有驱动图4 网野对称肘杆式伺服压力机传动结构图5 双肘杆伺服压力机传动机构图刚性好、负荷工作区域长的特点，可

6、获得较好的速度特性和压力特性。4 单驱动伺服压力机不同传动方案的比较笔者以公称力8 0 0 k N、行程1 4 0 m m、冲压速度6 0 m i n 一的同一工作参数，对上面提及的曲柄连杆式(图1，2)、单肘杆式(图3)、双肘杆式(图5)三种典机传动结构的运动特征和功率和比较，得到如图6 8 所示的速度比较曲线以及扭矩比较曲曲线可以清楚地看出：在滑肘杆传动结构有较好的低速特而传统的曲柄连杆传动结构在时间岛图6 滑块行程比较曲线下死点附近处的低速性能最差；在系统急回特性方面，若用滑块下行历经时间t。和上行历经时间t 口的比值q=t o t。进行度量，则单肘杆式、双肘杆式和曲柄连杆式传动结构的急

7、回特性参数值分别为1 0 5、1 0 3、1，可见单肘杆传动结构具有一定的急回特性，而传统曲柄连杆传动结构没有急回特性。图7 为三种传动结构的速度比较曲线图，纵坐标滑块行程，横坐标滑块各行程点的速度。为了提高可比性，在滑块1 4 0 m m 全行程内分别计算出三种传动结构在滑块同一行程点的运动速度，从而得到同一条件下三种不同的速度曲线，每条曲线在滑块上死点和下死点的速度均为零。由图可见：曲柄连杆式传动结构滑块下行和上行的速度曲线为对称结构，而单肘杆和双肘杆式传动结构的滑块速度曲线为非对称结构；在滑块工作区域内单肘杆的工作速度最低，曲柄连杆式结构的速度最高，在5 m m 滑块行程处单肘杆、双肘杆

8、和曲柄连杆式传动机构的滑块工作速度分别为1 0 2 7 5 m m s、1 2 5 4 6 m m s、1 7 1 6 7 m m s；在空行程处滑块最大运动速度n 一三者各不相同，导致各自的最大加速度也不一样，单肘杆、双肘杆和曲柄连杆式传动机构的滑块最大加速度分别为6 1 6 0 m m s 2、3 4 4 0 m m s 2、3 0 1 0 m m s 2，其中单肘杆为最大。因此，在用单肘杆传动结构进行高速行程，m m；i 赣萱；：、；，、。T X。，曲柄连杆il+；r f；一-霸簿：一二y-6 0 0-4 0 0 一2 0 002 0 04 0 06 0 0速度m m s图7 速度比较曲

9、线uIIll蟊姑 万方数据压力机设计时，应注意其附加的惯性负载。图8 为扭矩比较曲线图，纵坐标滑块行程，横坐标是滑块在相同行程点上作用于三种传动结构各自髓柄上的扭矩。需注意的是，所示的扭矩曲线是假设滑块在全行程范围内均作用有额定载荷所得到的，它仅在滑块冲压工作范围内与实际情况相符。为便于比较，本文于5 m m 滑块行程处分别计算作用于单肘杆、双肘杆和曲柄连杆式传动机构曲柄上的扭矩：1 3 7 2 4 x 1 0 7 N m m、1 9 x 1 0 7 N m m、2 1 8 5 9 1 0 7 N m m。若以曲柄连杆式传动结构在曲柄上所作用的扭矩为基准，则单肘杆和双肘杆分别省力3 7 和1

10、5。将上述计算得到的扭矩值，经同一减速机构，可计算出各种传动结构伺服电机所需功率，即单肘杆、双肘杆以及曲柄连杆式传动结构的压力机所需电机功率分别为：1 5 k W、1 8 k W、2 2 k W。矿：1 2 0斧炎、I蚤、k曲柄连再、“弋最爵幂酬EI苌4 0一手y；巡剐夕单肘杆。_-O一8-6_ 4202468扭矩N m m(x 1 0 7)图8 扭矩比较曲线5 混合驱动式伺服压力机混合驱动伺服压力机是近年来悄然兴起的一种新型伺服压力机。它通过常规电机对外做功，由伺服电机完成对压力机滑块速度调节，通过对这两个驱动源的协调控制实现对压力机工作速度有效调节。5 1 轮系混合驱动伺服压力机该类混合驱

11、动伺服压力机是利用差动轮系将来自常规电机和伺服电机的运动进行混合，以差动轮系的输出带动压力机曲柄旋转，从而驱动压力机滑块工作。为了对轮系混合驱动伺服压力机工作特性进行分析，仍以8 0 0 k N 伺服压力机为例，对轮系混合驱动传动系统进行了设计，如图9 所示。由图示可见，常规电机的运动经过一级皮带和一对齿轮减速后作为混合驱动系统的恒定输入。伺服电机的运动经两级齿轮减速后作为可变输入，经差动轮系合成后带动压力机曲轴转动，从而实现对压力机滑块运动速度的调节。E Q U I P M E N T图9 轮系混合驱动传动系统三维结构在进行上述混合驱动伺服系统电机功率设计时，先按通常机械压力机设计原则初步确

12、定常规电机功率为7。5 k W，再由该初定的常规电机功率和设定的调速比计算伺服电机功率，若压力机蒯速比设定为3 0，则伺服电机的功率就为2 k W 6 l。由于伺服电机在压力机滑块工作区段时的减速运动实际上是一种阻力运动，常规电机需克服这种阻力做功。因而，常规电机所需功率Q 大小应按下式进行计算：Q=Q 正常+Q 调节=9 5 k W式中：Q 正常常规电机正常工作所需功率；p 调节伺服电机进行速度调节所消耗的电机功率。可见，轮系混合驱动系统的速度调节是以消耗常规电机功率为代价的，为此本例伺服压力机的总功率比普通压力机增加了4 k W。5 2 杆系混合驱动伺服压力机杆系混合驱动伺服压力机是一种多

13、杆结构的伺服压力机，由于其结构相对简单，待优化的变量多，分析计算复杂，引来较多的国内外学者对其进行了研究。图1 0 为哈尔滨工业大学、香港中文大学和广东锻压机床厂共同研制的一台杆系混合驱动伺服压力机I 卦，图1 l 为其传动原理图。由图1 1 可见，常规电机以其恒定的速度驱动曲柄l 转动，伺服电机经滚珠丝杆驱动连杆3 运动，在复合铰链B 处两个驱动图l O 杆系混合驱动伺服压力机图“杆系混合驱动 万方数据E Q U I P M E N T源的运动进行合成，通过连杆4 实现滑块6 的可控往复运动。分析比较上述两种混合驱动伺服压力机传动结构，各有其特点：(1)对于轮系传动结构，一旦差动轮系结构确定

14、后，压力机传动系统即为确定，设计计算容易；轮系传动结构的伺服电机功率与系统所设定的调速比有关，调速比越大，则伺服电机所需的功率越大。(2)在杆系传动结构中，常规电机和伺服电机的输出力矩不仅与负载有关，还与该机构的几何参数有关 7 1。文献【8】针对不同的五杆混合驱动机构几何参数进行了仿真试验，试验结果表明：不同结构参数下的伺服电机与常规电机的功率比可能为0 1、1 0或1 0，差异相当大，因而在进行杆系混合驱动系统设计时，必须进行轨迹规划和结构的几何参数优化。图1 2 为文献【8】对五杆混合驱动机构进行优化后的扭矩曲线。其中图1 2 a 为常规电机扭矩变化图，图1 2 b 为伺服电机的扭矩变化

15、图，伺服电机功率仅为常规电机功率的1 1 0。(a)常规电机扭矩变化(b)伺服电机扭矩变化图1 2经优化的五杆混合驱动机构的扭矩图综合比较轮系和杆系混合驱动传动结构的特点可见：杆系机构结构简单、传动链短，经优化后可以较小的伺服电机功率实现对压力机滑块速度的有效调节，具有更大的发展应用空间。6 结论(1)伺服压力机既有曲柄连杆式和肘杆式等单一驱动传动结构，也有差动轮系和杆系的混合驱动传动结构。(2)与传统曲柄连杆式传动结构比较，肘杆式传动结构具有一定急回特性，在工作区段有较好的速度特性，有显著的增力作用，但在空行程区域有较大的加速度，需注意其附加的惯性负载。(3)轮系混合驱动传动结构设计计算简单

16、，但其结构复杂，制造装配困难，其伺服电机功率随调速比增加而增大；杆系混合驱动传动结构简单，伺服电机功率受机构几何参数影响较大，经优化后可以得到较小的伺服电机功率，具有更大的发展应用空间。【参考文献】【l】赵升吨，张志远。何予鹏，等机械压力机交流伺服电动机直接驱动方式合理性探讨锻压装备与制造技术，2 0 0 4。4 1(6)：1 9 2 3【2 1 孙友松，张宏超金属板材成形设备新发展机械工人，2 0 0 6，(3)：1 3 一1 7【3】刘娇容混合驱动可控压力机的运动方案设计及动态特性研究哈尔滨工业大学硕士学位论文，2 0 0 6【4】吕言，周建国等最新伺服压力机的开发以及今后的动向锻压装备与

17、制造技术，2 0 0 6，4 1(1)：l l 1 4【5】Y e s s i f o nS，S h i v p u r iR A n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f 舱l e c t e dr o t a r yl i n k a g ed r i v e sf o rm e c h a n i c a lp r e s s e s I n t e rJm a c hT o o l sM a n u f 1 9 9 3 3 3(2)：1 7 5 1 9 2【6】何予鹏，赵升吨。邹均，张志远利用差动轮系实现机械压力机混合输入的研究中国科学，2 0

18、0 7，3 7(1)：7 0-7 9【7】李辉。张宇平混合驱动压力机动态静力分析研究现代制造工程，2 0 0 5，(7)：4 6【8】R D u，W Z G u o T h eD e s i g no faN e wM e t a lF o r m i n gP r e s sW i t hC o n t r o l l a b l e M e c h a n i s m J o u r n a l o f M e c h a n i c a l D e s i g n，2 0 0 3，(9)A n a l y s i sa n dC o m p a r i s o no fT r a n s

19、 m i s s i o nS c h e m e so fC N CM e c h a n i c a lP r e s s e sS UM i n，W A N GL o n g t a i(E l e c t r o m e c h a n i c a lI n s t i t u t eo fY a n g z h o uU n i v e r s i t y，Y a n g z h o u2 2 5 0 0 9，J i a n g s uC h i n a)A b s t r a c t：D i f f e r e n tt r a n s m i s s i o ns c h e m

20、 e so fs i n g l e d r i v e na n dh y b r i d-d r i v e nC N Cm e c h a n i c a lp r e s s e sh a v e 万方数据几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较作者：苏敏，王隆太，SU Min，WANG Longtai作者单位：扬州大学机电研究所,江苏,扬州,225009刊名：锻压装备与制造技术英文刊名：CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2008,43(5)被引用次数：4次 参考文

21、献(8条)参考文献(8条)1.赵升吨;张志远;何予鹏 机械压力机交流伺服电动机直接驱动方式合理性探讨期刊论文-锻压装备与制造技术2004(06)2.孙友松;张宏超 金属板材成形设备新发展期刊论文-机械工人 2006(03)3.刘娇容 混合驱动可控压力机的运动方案设计及动态特性研究 20064.吕言;周建国 最新伺服压力机的开发以及今后的动向期刊论文-锻压装备与制造技术 2006(01)5.Yossifon S;Shivpuri R Analysis and comparison of selected rotary linkage drives for mechanicalpresses 19

22、93(02)6.何予鹏;赵升吨;邹均;张志远 利用差动轮系实现机械压力机混合输入的研究期刊论文-中国科学D辑 2007(01)7.李辉;张宇平 混合驱动压力机动态静力分析研究期刊论文-现代制造工程 2005(07)8.R.Du;W.Z.Guo The Design of a New Metal Forming Press With Controllable Mechanism 2003(09)本文读者也读过(9条)本文读者也读过(9条)1.张贵成.黄鹏.李建业.ZHANG Guicheng.HUANG Peng.LI Jianye 伺服压力机工作能力设计期刊论文-锻压装备与制造技术2009,4

23、4(3)2.赵婷婷.王浩.贾明全.ZHAO Tingting.WANG Hao.JIA Mingquan 伺服压力机方案与设计期刊论文-机床与液压2010,38(8)3.莫健华.郑加坤.古閑伸裕.吕言.LV Yan.MO Jianhua.ZHENG Jiakun.KOGA Nobuhiro.GUXIAN.LV Yan 伺服压力机的发展现状及其应用期刊论文-锻压装备与制造技术2007,42(5)4.李建.Li Jian 伺服压力机发展及其应用期刊论文-一重技术2010(5)5.基于UG的肘杆式伺服压力机动力学分析方法研究期刊论文-机械工程师2009(11)6.叶春生.侯文杰.张军伟.莫健华.樊自

24、田.YE Chun-sheng.HOU Wen-jie.ZHANG Jun-wei.MO Jian-hua.FAN Zi-tian 数字伺服压力机控制系统的研究期刊论文-锻压技术2009,34(6)7.T.BLUM.A.MEYER 新一代伺服压力机技术会议论文-20088.吕言.周建国.阮澍.LV Yan.ZHOU Jianguo.RUAN Shu 最新伺服压力机的开发以及今后的动向期刊论文-锻压装备与制造技术2006,41(1)9.赵婷婷.贾明全.ZHAO Ting-ting.JIA Ming-quan 伺服曲柄压力机的刚性连接分析期刊论文-机械设计与制造2010(8)引证文献(4条)引证文献(4条)1.王粟.覃岭.阮卫平.伍伟杰.胡建国 机械式压力机曲柄六杆机构运动学特性分析期刊论文-机械传动 2011(1)2.仲太生.马继斌.魏晓辉 浅谈数控节能复合型伺服压力机研发期刊论文-锻压装备与制造技术 2011(2)3.朱新武.闻开斌.任东杰 肘杆式伺服压力机的运动分析期刊论文-锻压装备与制造技术 2011(4)4.鲁昌龙 数控伺服压力机混合驱动传动控制系统的结构设计与分析期刊论文-科技资讯 2009(36)本文链接：http:/