曹春波 赖建能 曹凯凯
金丰(中国）机械工业有限公司 浙江 宁波 315221
摘要：伺服压力机技术自从20世纪90年代中后期在日本提出以来得到了迅速发展，目前在金属成形工业中已得到广泛应用。与采用飞轮和离合器进行储能和传动的传统压力机相比，伺服压力机通过伺服电机为滑块提供冲压动力，具有控制灵活、精度高及节能环保等巨大优势，可显著提高生产效率和良品率，并且能够降低冲击、保护模具，最终降低生产成本。伺服电机可灵活控制转速和出力，但是相比传统压力机的飞轮方案，伺服压力机的转矩较小，这对伺服压力机的传动系统设计提出了特殊要求，从而导致多种不同伺服传动方式的提出。
关键词：机械压力机；伺服化；改造
1 技术要求
本文研究任务是对一台公称力为1 100 kN的电动机械压力机进行修复和伺服化改造。改造工作要求将原有的三相异步电机更换为伺服电机，并开发相应的控制器和驱动器，实现压力机的伺服化运行。改造后的压力机控制和动力系统结构示意如图1所示。
.png)
改造工作保留原压力机的机械部件，即图1中从减速箱中的齿轮1到滑块之间的全部传动系统，仅更换电机并增加包括伺服驱动器和中央控制器在内的电控系统。电机与减速箱输入轴相连，带动整个机械系统运行。与电机同轴的电机编码器将电机转子位置信号反馈给伺服驱动器，完成位置精确控制。中央控制器通过曲轴(曲柄的旋转中心O)编码器获得曲柄角度，从而能够获取滑块位置。改造后的压力机在保留原设备基本性能指标的基础上，增加了伺服冲压功能，即滑块能够进行任意加减速控制，从而实现各种不同的冲压模式。
改造后的伺服压力机的基本技术要求为：连续运行模式下最高效率为50冲程/分钟；公称力行程为3 mm; 曲轴在0和最大速度之间的加减速过程所旋转过的角位移不超过10°。
伺服化设计工作包括电机选型、伺服驱动器和控制器软硬件设计以及伺服控制算法实现等。为此，需预先了解压力机的主要技术参数，如表1所示。
2 传动系统分析
首先对压力机传动系统进行运动学和动力学的具体分析计算，以便为后续电机选型提供理论指导。
2.1 运动学分析
图1中，β为曲柄OG与直线OA之间的夹角，夹角范围为[-π,π];点O为曲柄的旋转中心；点A为连杆L1定心端的旋转中心；辅助线BE与AC垂直；曲柄逆时针旋转为正方向；曲柄OG位于直线OA上侧时，夹角β为负数。根据曲柄连杆的运动学关系，可得夹角β与滑块位置AC之间的对应关系为：
表1?压力机的主要技术参数
参数 参数值
齿轮1及附属零件的转动惯量J1/(kg·m2) 0.067 4
齿轮2及附属零件的转动惯量J2/(kg·m2) 1.68
齿轮3、曲轴、曲柄及附属零件的转动惯量J3/(kg·m2) 3.87
滑块、上模和连杆的近似质量ms/kg 1 100
齿轮1到齿轮2的减速比r1 5.75
齿轮2到齿轮3的减速比r2 3.20
曲柄长度R/mm 101
曲轴旋转中心至连杆L1端点A之间的水平距离D1/mm 387.51
曲轴旋转中心至连杆L1端点A之间的竖直距离D2/mm 282.60
连杆L1的长度L1/mm 300
连杆L2的长度L2/mm 500
连杆L3的长度L3/mm 515
公称力行程hn/mm 3
冲压效率，即每分钟冲压次数SPM 50
式中：D0为OA的长度；d为AG的长度。
由式(1)～式(8)求得滑块位置AC对夹角β的导数，并且令导数等于零，即可求得滑块在上死点(上极限位置)和下死点(下极限位置)所对应的夹角β和滑块位置AC。由于上述公式求导运算非常繁琐，本文采用数值法对滑块位置AC和夹角β进行求解。将表1中相关数据代入式(1)～式(8),采用牛顿迭代法求得滑块在上死点和下死点所对应的位置AC和夹角β,结果如下。
1)滑块在上死点对应的位置ACTDC和曲柄夹角βTDC为：
ACTDC=648.17 mm (9)
βTDC=28.46° (10)
2)滑块在下死点对应的位置ACBDC和曲柄夹角βBDC为：
ACBDC=798.17 mm (11)
βBDC=-141.65° (12)
为方便后续分析，分别定义滑块行程h和曲柄角度θ为：
h=ACBDC-AC=(798.17-AC) mm (13)
θ=β-βTDC=(β-28.46)° (14)
将式(13)和式(14)代入式(1)～式(8),可得滑块行程h与曲柄角度θ二者的关系，以函数f表示为：
h=f(θ) (15)
由式(15)可得曲柄角度与滑块行程之间的关系曲线，如图2所示。
.png)
由图2可知，滑块在上死点的行程hTDC=150.00 mm, 对应的曲柄角度θTDC=0°;滑块在下死点的行程hBDC=0 mm, 对应的曲柄角度θBDC=189.89°。另外，根据式(15)可得公称力行程hn对应的曲柄角度θn=153.14°。
3 控制系统设计
3.1 伺服电机选型
根据冲压效率要求，电机转速nm需达到：
nm=r1·r2·SPM=920 r/min (21)
根据本文第2.2节中滑块公称力所计算的电机转矩要求，选择菲仕公司生产的永磁同步电机为改造后压力机的伺服电机，型号为U313F-1320F。该伺服电机的主要技术参数如表2所示。伺服电机带有电磁制动器，用于在断电情况下防止滑块下坠。
表2?伺服电机的主要技术参数
参数 参数值
额定转速nn/(r·min-1) 1 000
最高转速nmax/(r·min-1) 1 143
额定转矩Tn/(N·m) 270
额定转速下最大转矩Tmax/(N·m) 550
<30 %额定转速下的极限转矩Tlim/(N·m) 810
额定功率Pn/kW 28
额定电压(有效值)Vn/V 393
额定电流(有效值)In/A 56
最大电流(有效值)Imax/A 125
电机转子和制动器的转动惯量之和Jm/(kg·m2) 0.061
电磁制动器制动转矩Mb/(N·m) 300
结合表2数据及本文第2.2节动力学分析中得到的滑块在公称力行程时所需电机的最小输出转矩(776 N·m)可知，所选伺服电机能够在低速冲压(电机转速低于30 %额定转速，此时电机的极限转矩为810 N·m)条件下达到公称力行程指标。
3.2 伺服控制器设计
控制电路用于对伺服控制器主电路参数进行测量，根据电机编码器反馈的信号和用户给定指令控制电机电流，与其他设备进行通信，并对控制器各项功能进行管理协调。为了进行高速、高精度的伺服控制，控制电路采用美国TI公司的TMS320F28379D系列双核数字信号处理(Digital Signal Processing, DSP)芯片作为主控单元。
3.3 伺服控制算法
3.3.1 电流环控制
模型预测控制方法的基本思想是，在每一个控制周期内，根据算法内置电机模型，计算逆变器IGBT模块在不同开关状态时未来一个控制周期的预测电流，并选择与给定电流最接近的预测电流所对应的IGBT模块开关状态为最佳控制命令进行输出，从而使得电机的实际电流可以高速跟踪给定值。
电流环的给定信号来自速度控制器的输出，反馈信号来自电机三相电流传感器。
3.3.2 速度环控制
三环级联伺服控制算法中速度环的功能是对电机转速进行精确控制。速度控制器采用PI(比例-积分)控制方法，其中，积分环节用于消除稳态控制误差。速度环的给定信号来自位置控制器的输出，反馈信号来自电机编码器。由于编码器信号实际上是电机转子位置值，因此，控制软件需要首先对位置信号进行差分运算来获得电机的实际速度。
3.3.3 位置环控制
三环级联伺服控制算法中最外环的位置控制器采用PD(比例-微分)控制方法。其中，微分环节的作用是对位置变化进行快速跟踪，提高电机的动态性能。位置环的给定信号来自用户输入，反馈信号直接来自电机编码器。
3.3.4 PI和PD控制器
PI和PD控制器的统一Z变换表达式为：
式中：X为控制器输入；Y为控制器输出；P为比例参数；I为积分参数；D为微分参数；Ts为采样周期；N为微分环节附加的低通滤波器参数；z为Z变换因子，z=esTs,其中，复数s为复频率。
对于PI控制器，参数D=0;对于PD控制器，参数I=0。
PI和PD控制器中的比例、积分和微分环节的参数值需要在调试过程中进行整定。
结语
本文通过对一台电动机械压力机进行伺服化改造，探索了机械压力机伺服化改造的一般方法。通过对原设备进行运动学和动力学分析计算，首先确定了伺服电机的主要技术参数和型号，随后设计了伺服控制器软硬件系统，并通过仿真和试验测试检验了改造后伺服压力机的空载伺服运行效果。
通过采用能够实现快速加减速和下死点保压功能的模拟冲压曲线，并结合仿真和试验测试结果证明，本文所设计的伺服控制算法实现了精确的电机伺服控制功能，改造后的伺服压力机滑块能够精确按照给定曲线完成伺服冲压动作。
本文设计思路可用于其他类型传统机械压力机的伺服化改造工作，具有普遍的借鉴意义。
参考文献
[1]?高峰，郭为忠，宋清玉，等.重型制造装备国内外研究与发展[J].机械工程学报，2010,46(19):92-107.
[2]?赵升吨，陈超，崔敏超，等.交流伺服压力机的研究现状与发展趋势[J].锻压技术，2015,40(2):1-7,21.