雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

項(xiàng)余建，湯世松，許 楠，張 杰，吳連紅（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

項(xiàng)余建，湯世松，許 楠，張 杰，吳連紅
（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

通過比較常見的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析多桿機(jī)構(gòu)的三種類型--三角肘桿式、雙曲柄式和四點(diǎn)六桿式，最終設(shè)計(jì)了雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)的雙曲柄主傳動(dòng)系統(tǒng)。利用遺傳算法，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diǎn)伺服壓力機(jī)；三角肘桿；雙曲柄；四點(diǎn)六桿；遺傳算法

在分析研究雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)現(xiàn)有國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)市場對(duì)伺服壓力機(jī)消費(fèi)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(diǎn)伺服壓力機(jī)樣機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)行雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)樣機(jī)的開發(fā)。通過樣機(jī)總體方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同步控制系統(tǒng)開發(fā)、樣機(jī)試制及調(diào)試等開發(fā)設(shè)計(jì)過程，最終完成雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)樣機(jī)的開發(fā)任務(wù)，其主要技術(shù)性能達(dá)到當(dāng)前國際先進(jìn)水平。

1 主傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)常見的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自伺服壓力機(jī)問世以來，國內(nèi)外壓力機(jī)制造商推出了各種不同形式的壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)將常見傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式介紹如下。

1.1.1 滾珠絲桿傳動(dòng)形式

如日本小松1997年推出的第一臺(tái)雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)HCP3000，即采用滾珠絲桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩只伺服電機(jī)通過一對(duì)同步帶輪減速后由滾珠絲桿直接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)滑塊實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，如圖1所示。

滾珠絲桿控制傳動(dòng)精度高，在滑塊整個(gè)行程中伺服電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)沒有增力作用，要求伺服電機(jī)功率大；重載滾珠絲桿價(jià)格高，承載能力有限；工作時(shí)電機(jī)需頻繁換向。

圖1HCP3000傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 多連桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式

多連桿傳動(dòng)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(jī)上應(yīng)用較多。如小松H2F200伺服壓力機(jī)肘桿式傳動(dòng)系統(tǒng)（圖2）、會(huì)田四點(diǎn)六桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（圖3）、YAMADA高速壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（圖4）等。

圖2 小松H2F200傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.1.3 曲柄連桿直驅(qū)式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

國外許多壓力機(jī)制造商依靠具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低速大轉(zhuǎn)矩伺服電機(jī)，對(duì)壓力機(jī)曲柄連桿傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)為：傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，綜合間隙小，傳動(dòng)精度高，如圖5所示。

圖3 會(huì)田四點(diǎn)多連桿結(jié)構(gòu)

圖4YAMADA高速壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖5 小松H2W200伺服壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.1.4 復(fù)合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

不同壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有各自特點(diǎn)，因而不少壓力機(jī)公司綜合不同傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)了復(fù)合式傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如：日本小松將滾珠絲桿與肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合，推出H2F300壓力機(jī)傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

1.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的選擇

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

圖6 小松H2F300壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖7 日本網(wǎng)野多電機(jī)雙肘桿式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

為提高伺服壓力機(jī)噸位與伺服電機(jī)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(tái)小功率伺服電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)同步驅(qū)動(dòng)，以滿足大噸位壓力機(jī)功率消耗需求。就目前伺服電機(jī)市場兩臺(tái)小功率伺服電機(jī)價(jià)格大大低于一臺(tái)同等功率的大伺服電機(jī)價(jià)格；二是采用多桿增力機(jī)構(gòu)，達(dá)到以小功率伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)大噸位壓制力的目的。

目前，壓力機(jī)常用的多桿機(jī)構(gòu)有如下三種類型。

圖8 三角肘桿式多桿機(jī)構(gòu)

1.2.1 三角肘桿式多桿機(jī)構(gòu)

三角肘桿式多桿機(jī)構(gòu)如圖8所示，其特點(diǎn)：①在滑塊下死點(diǎn)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(dòng)結(jié)構(gòu)確定后行程調(diào)整不易。

1.2.2 雙曲柄多桿機(jī)構(gòu)

雙曲柄多桿機(jī)構(gòu)如圖9所示，其特點(diǎn)為：①結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，裝配工藝性好；②雙曲柄機(jī)構(gòu)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，便于行程調(diào)整；③在下死點(diǎn)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(diǎn)六桿多桿機(jī)構(gòu)

圖9 雙曲柄多桿機(jī)構(gòu)

四點(diǎn)六桿多桿機(jī)構(gòu)如圖10所示，其特點(diǎn)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(diǎn)六桿雙點(diǎn)多桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

分析比較現(xiàn)有幾種成熟的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，結(jié)合所開發(fā)伺服壓力機(jī)目標(biāo)任務(wù)，雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)確定選用雙曲柄傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)施力點(diǎn)分別由各自的雙曲柄機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

2 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能特征

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 傳動(dòng)比

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

圖12 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

所選用伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為500rpm，則所設(shè)計(jì)壓力機(jī)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(duì)相位角Ф為設(shè)計(jì)變量，即{x1,x2,x3,x4,x5}，以公稱力行程處雙曲柄機(jī)構(gòu)大齒輪上轉(zhuǎn)矩最小為目標(biāo)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(dòng)系統(tǒng)性能特征

如圖13a為滑塊相對(duì)于雙曲柄機(jī)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(duì)于雙曲柄機(jī)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(duì)于雙曲柄機(jī)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(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)特征曲線

3 結(jié)論

雙曲柄伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)壓力機(jī)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)滑塊快速空程、低速?zèng)_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(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終設(shè)計(jì)了雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)的雙曲柄主傳動(dòng)系統(tǒng)。利用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)了雙曲柄桿系參數(shù)，分析曲線顯示，本雙點(diǎn)伺服壓力機(jī)具有低速急回和增力的特性，達(dá)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(xiàng)余建（1981-），男，工程師，從事伺服壓力機(jī)及自動(dòng)化控制方向研究。

E-mail：xiangjianyuaoz@163.com