电动螺旋压力机的研究与发展

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［１１］ 王洪杰， 季天晶， 毛新涛．直驱式液压位置控制系统的建模与仿
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ Ｄｉｒ ｅｃｔｌｙ－ ｄｒ ｉｖｉｎｇ Ｖｏｌｕｍｅ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｈｙｄｒ ａｕｌｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ
ＺＨＥＮＧ Ｊｉａｎｍｉｎｇ， ＺＨＡＯ Ｓｈｅｎｇｄｕｎ， ＷＥＩ Ｓｈｕｇｕｏ （ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉ＇ ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ＇ ａｎ ７１００４９， Ｓｈａｎｘｉ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｅｓｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅｆｅｎｃｅ ａｎｄ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｅｘｔ．Ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ， ｗｈｉｃｈ ｓｙｎ－ ｔｈｅｓｉｚｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ－ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｕｍｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ， ｓｍａｌｌｅｒ ｂｕｌｋ， ｌｏｗｅｒ ｎｏｉｓｅ， ｓｉｍ－ ｐｌｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｌｏｗｅｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｏｉｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ， ａｎｄ ｅａｓｉｌｙ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍ－ ｐｏｒｔａｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ； Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ； Ｏｖｅｒｖｉｅｗ
电机直驱式压力机传动链短， 电机驱动飞轮旋 转没有任何传动损失。工作时， 风扇转动、制动器松 开， 同时主电机驱动压力机飞轮使螺杆定轴旋转， 通 过安装在滑块上的螺母将螺旋运动转换为直线运 动， 使滑块加速下行， 主电机达到预先设置的打击能 量所要求的转速时， 利用飞轮储存的能量做功， 使坯 件成形。飞轮能量释放后，主电机反转，滑块上行，当 滑块到达设定的位置时电机自身制动， 制动器只是 在主电机断电时抱住飞轮， 制动力矩很小。
真分析［Ｊ］．机床与液压， ２００５， （ ５） ： ６５－ ６７．
ａｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓ－ ［１２］ 权 龙， Ｈｅｌｄｕｓｅｒ Ｓ．基于可调速电动机的高动态节能型电液动
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１２
ＣＭＥＴ 锻压装备与制造技术 ２００８ 年第 １ 期
ＲＥＶＩＥＷ 综 述
式 已 经 有 了 很 大 的 改 进 。除 了 机 械 式 摩 擦 传 动 以 外 ， 又采用了新的传动形式， 如离合器式螺旋压力机、液 压螺旋压力机和电动螺旋压力机等。这不仅提高了 螺旋压力机的实用性、工 作 速 度 、生 产 率 和 可 靠 性 ， 打击力和能量也得到了很大的发展。如电动螺旋压 力 机 打 击 力 已 达 到 ３２０ＭＮ， 能 量 达 到 ５０００ｋＪ 以 上 。 电动螺旋压力机自上世纪 ４０ 年代研制成功以来， 在 国内外得到了广泛响应。我国上世纪 ８０ 年代由青岛 青锻锻压机械有限公司与山东工业大学成功研制生 产 出 了 Ｊ５８－ １６０ 型 １．６ＭＮ 电 机 直 驱 式 电 动 螺 旋 压 力机， 但因当时电力条件和控制技术的限制而中断 了进一步的研发工作， 十分可惜。
究与制造
同 类 设 备 。由 于 摩 擦 压 力 机 传 动 效 率 低 、功 率 损 耗 较 大和结构上的限制， 规格发展受到了影响。随着科学 水平的不断提高， 螺旋压力机的结构形式及传动形
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
［９］ Ｊａｈｎｓ Ｔ．Ｍ．， Ｖａｎ Ｎｏｃｋｅｒ Ｒ．Ｃ．Ｈｉｇｈ－ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＥＨＡ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｓｉｎｇ
综 述 ＲＥＶＩＥＷ
文章编号： １６７２－ ０１２１（ ２００８） ０１－ ００１２－ ０３
电动螺旋压力机的研究与发展
张元良， 庄云霞， 邢吉柏 （ 青岛青锻锻压机械有限公司， 山东 青岛 ２６６３００）
摘要： 介绍了电动螺旋压力机的发展过程。提出了电机直驱式和经一级齿轮传动式两种结构形式和原
理。给出了采用日本安川变频器控制特制交流异步电动机控制系统软、硬件实现的方法； 分析了电动螺旋压
大齿轮正反旋转， 大
齿轮（ 即飞轮） 与螺杆 图 １ 电机直驱式螺旋压力机头部示意图 连 接 作 定 轴 转 动 ， 带
动装在滑块上的螺母使滑块做上下直线运动实现打
击。这种形式的压力机可由多台电机同时驱动大齿
Fra Baidu bibliotek
轮， 因此可做到规格很大， 目前世界最大吨位达
３２０ＭＮ， 远远大于其他模锻设备的吨位， 受到锻造业
较大的能容量， 结构 简 单 、调 整 和 维 护 简 便 、没 有 固 制系统和自动送料、模具更换等辅助装置。理论和实
定的下死点， 能保证模锻件精度的稳定性。广泛应用 践都证明螺旋压力机工艺适应性广、生产率适中、劳
于金属模锻、精压、冲 压 工 艺 以 及 耐 火 材 料 、陶 瓷 等 动条件好， 已成为现代锻压生产优选设备之一。国内
的青睐。经一级齿轮传动的电动螺旋压力机的结构
如图 ２ 所示。目前， 这种压力机采用的电机种类和控
制尚不统一， 应用比较多的是 ＡＢＢ 变频器控制三相
异步交流电动机， 运用直接转矩控制。国内用电动机
小齿轮 大致有三类： 一类是变
制动
大齿轮
飞轮
电动机 频器控制交流异步电动
螺杆
横梁
机， 另一类是变频器控
螺母
电机直驱式电动螺旋压力机所用的电动机是特 制的， 其定子壳体坐在压力机机架的顶端， 转子轴的 上端由定子壳体支撑， 下端紧固在压力机飞轮上。飞 轮与螺杆采用键连接由推力轴承支撑在机架上， 飞 轮具有超载保护装置。制动器为抱闸形式， 制动飞轮 的外缘， 通气松开， 断气制动。电机的热量靠压力机 顶部的风扇排走。压力机的机架结构采用预应力组 合机架， 由拉杆将上横 梁 、立 柱 和 底 座 预 紧 为 一 体 ， 使其具有足够的刚度。螺母装在滑块上， 滑块采用四 股导轨与机架立柱上的导轨配合。压力机可根据需 要配置上下顶料装置。
屏幕显示
Ｋ１２０Ｓ
数字化 Ｉ ／Ｏ
数字化 Ｉ ／Ｏ
模拟 Ｉ ／Ｏ
模拟输入
电阻应变片
显示和必要
模拟输出
的参数设
变频器
电动机
定； 开关量
图 ３ 控制系统硬件组成
输入 ／输出模块主要负责一些开关信号的控制， 模拟
量输入 ／输出模块主要负责打击力的控制； 模拟量模
块产生打击力指令信号， 打击力通过触摸屏显示出
滑块 制 交 流 伺 服 电 动 机 ， 都
是运用矢量控制技术，
但两种变频器不一样。
立柱
还有采用开关磁阻电动
拉杆
垫板
机的， 但需匹配专用的
底座
控制器。上述变频器控
拉杆帽
制交流伺服电动机成本
图 ２ 经一级齿轮传动的 电动螺旋压力机
偏高， 在大吨位压力机 上极少使用。
３ 电动螺旋压力机的控制系统 电动螺旋压力机的优点是能量大小可调。飞轮
力源［Ｊ］．太原理工大学学报， ２００３， （ ７） ：６０６－ ６１０．
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［１３］ 王 祥 ， 蔡 起 仲．开 关 磁 阻 电 动 机 原 理 及 在 纺 织 行 业 中 的 应 用
的应用［Ｊ］．机床与液压， ２００５， （ ３） ：１１９－ １２１．
来， 变频器采用矢量控制方式控制电机运转， 电动机
通过传动机构带动压力机滑块实现上下往复运动。
控制系统运行时， 通过安装在机身上的接近开关检
测滑块的位置， 并根据各接近开关信号发出一系列
控制指令， 满足各种操作要求。
（ ２） 软件结构
软件系统在 ＫＧＬ＿ＷＣ 环境下采用梯形图编写。
根据螺旋压力机控制系统的要求， 将主程序分化为
角速度 ω直接影响能量， 因此， 在打击过程中， 控制 能量的大小也就是控制角速度 ω的大小。青锻公司 采用日本安川变频器控制特制交流异步电动机， 运 用矢量控制技术， 电机采用编码器反馈， 速度控制精 度提高， 从而控制能量更加精确。矢量控制技术可在 极短时间内让电机达到额定转矩， 适应电动螺旋压 力机低速大扭矩的要求。可通过输入 ０～＋１０Ｖ 的电 压信号或 ４ｍＡ～２０ｍＡ 的电流信号对应电动机速度， 从而控制能量大小。
力机的特点。
关键词： 机床技术； 发展； 结构特点； 电动螺旋压力机； 综述
中图分类号： ＴＧ３１５．６
文献标识码： Ａ
１ 概述
加 工 余 量 小 、锻 件 精 度 高 。现 代 螺 旋 压 力 机 相 继 采 用
螺旋压力机是一种历史悠久的锻压设备， 具有 了超载保护、力能显示、能量预选及先进的计算机控
多个子程序模块， 各模块实现各个功能， 以便识别和
修 改 。控 制 程 序 对 手 动 和 运 行 分 别 进 行 控 制 。下 行 打
击时， 变频器正向运行触点闭合， 电动机以设定好的
加速时间使其达到设置的速度， 此时滑块加速运行，
达到打击工件所需的能量 （ 根据不同工件调节安装
图 １ 是青岛青锻锻压机械有限公司产电机直驱 式电动螺旋压力机， 这种形式的压力机因受电动机 本身制造难度的限制， 吨位难以做大， 一般公称力在 ２０ＭＮ 以下。
２．２ 经 一 级 齿 轮 传
风扇
转子
动的电动螺旋压力机
定子
制动
飞轮
电动压力机的另
螺杆
一种形式是经一级齿
机身
轮传动， 即电机轴上
装有一个小齿轮驱动
非金属材料的压力加工。螺旋压力机的设备投资、模 外相关企业都十分重视螺旋压力机的开发与应用。
具和锻件成本比模锻锤和热模锻压力机便宜一半，
青岛青锻锻压机械有限公司开发 研 制 了 ８０ＭＮ
摩擦螺旋压力机， 经查证为目前国内外最大规格的
收稿日期： ２００７－ １１－ ２９ 作 者 简 介 ： 张 元 良 （ １９５６－ ） ， 男 ， 高 工 ， 总 工 程 师 ， 从 事 锻 压 设 备 的 研
近年来， 随着科技发展， 变频技术和电子数控技 术的不断提高， 电动螺旋压力机的开发创新、生产制 造已全面展开， 华中科技大学、青岛青锻锻压机械有 限公司等， 都相继拥有了自己的技术和产品并迅速 地推向市场。电动螺旋压力机已成为目前最具生命 力的螺旋压力机产品。
２ 电动螺旋压力机的结构原理 ２．１ 电机直驱式电动螺旋压力机
（ １） 硬件设计 控制系统以可编程序控制器 Ｋ７Ｍ－ ＤＲ４０Ｕ 为核 心， 辅以数字量输入 ／ 输出、模拟量输入 ／ 输出扩展模 块， 再加上外围的控制电路和控制对象（ 图 ３） 。ＣＰＵ
１３
ＣＭＥＴ 锻压装备与制造技术 ２００８ 年第 １ 期
综 述 ＲＥＶＩＥＷ
模块通过通 讯接口与触 摸屏进行通 讯， 触摸屏 负责数据的