双驱动伺服曲柄压力机协调控制方案分析

建立了 ADAMS 和 MATLAB 的联合仿真控制系统，并与 PID 控制方案进行比较。结果表明，采用
滑模变结构控制算法的协调控制系统具有较好的抗干扰性和协调性，并具有优于 PID 控制系统
的性能。
关键词： 伺服压力机； 协调控制； 滑模变结构； 联合仿真
中图分类号： TH113
文献标识码： B
文章编号： 2095 － 509X（ 2018） 02 － 0040 － 05
242018年第47卷机械设计与制造工程图7联合仿真控制系统图图8采用pid控制算法时两台电机输入力矩误差曲线图图9采用滑模变结构控制算法时两台电机输入力矩误差曲线图图10冲压头位移图通过对联合仿真实验的结果进行分析后发现采用滑模变结构控制算法的协调控制系统具有较图11冲压头速度图好的抗干扰性和协调性并具有优于pid控制系统的性能使得双驱动伺服曲柄压力机具有良好的动态响应特性
样机进行测试，以找到控制系统的不足之处并对其 进行不断改进，这样可以大大缩短研发周期。运用 ADAMS 和 MATLAB 建立联合仿真系统，不仅能对 双驱动伺服曲柄压力机的运动学和动力学进行仿 真分析，而且可以通过联合仿真控制系统直观地观 察控制效果，为实际样机的研制提供可靠依据。
1 双驱动伺服曲柄压力机建模
双驱动伺服曲柄压力机协调控制方案分析
贾得山，吴明亮，张来喜
（ 兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050）
摘要： 针对双驱动伺服曲柄压力机的电机协调性问题，建立了双驱动伺服曲柄压力机的虚拟样机
和数学模型，根据样机参数进行了数值仿真和实验研究，两者结果非常接近，验证了数学模型的
正确性。在分析各种协调控制算法优缺点的基础上，利用滑模变结构控制策略设计了控制算法，
在金属成型加工领域，运用曲柄连杆式伺服 压力机进行冲压成型加工是当前最主要的加工工 艺之一，但由于受到伺服电机容量的制约，曲柄连 杆式伺服 压 力 机 无 法 提 供 大 吨 位 的 冲 压 能 力［1］。 ABB 公司与济南第二机床厂联合开发的交流伺服 电机和普通交流异步电机混合驱动的伺服压力机 将两台电 机 的 动 力 合 并 后 驱 动 曲 柄 滑 块 运 动［2］。 由于滑块在低速工作阶段的运动是依靠两台电机 间的运动 抵 消 实 现，因 而 滑 块 的 运 动 调 节 范 围 有 限。日本网野公司推出的双电机双肘杆式伺服压 力机用两台伺服电机分别通过蜗杆驱动同一涡轮， 然后通过丝杠将涡轮的转动转换成冲压头的上下 移动，以 实 现 增 力 的 效 果［3］。 这 种 压 力 机 的 传 动 链相对较长，压力机冲压频率低。
1． 1 双驱动伺服曲柄压力机三维实体模型的建立 利用 SolidWorks 软件建立双驱动伺服曲柄压力
机的三维实体模型，然后导入 ADAMS 软件中，为了 更好地模拟实际系统，还需要设置每一个部件的材 料、质量、转动惯量等相关属性，使虚拟样机和实际 样机的物理特性基本相同。经合理简化后建立的双 驱动伺服曲柄压力机的三维实体模型如图 1 所示。
图 1 双驱动伺服曲柄压力机三维实体模型
收稿日期： 2017 － 01 － 18 作者简介： 贾得山（ 1991—） ，男，甘肃金昌人，兰州理工大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。
·40·
2018 年第 2 期
贾得山： 双驱动伺服曲柄压力机协调控制方案分析
1． 2 双驱动伺服曲柄压力机数学模型的建立 双驱动伺服曲柄压力机是由两台伺服电机并
联直接驱动曲柄连杆式伺服压力机，所以需要建立 曲柄连杆式伺服压力机的数学模型。曲柄连杆式 伺服压力机可以认为是一个曲柄滑块机构，如图 2 所示。
1． 3 双驱动伺服曲柄压力机数学模型的验证 数学模型的正确与否决定着所设计控制器的
正确性。首先在 ADAMS 里对双驱动伺服曲柄压 力机的三维模型进行运动学仿真，为了建立完整的 运动学仿真模型，还需要对三维模型添加约束和驱 动，添加约束 和 驱 动 的 相 关 方 法 参 见 文 献［5 ］，首 先在两个曲柄处分别添加 15N·m 的驱动力矩进 行运动学仿真，然后根据建立的数学模型在 MATLAB / Simulink 模 块 中 建 立 数 值 仿 真 系 统 进 行 仿 真，仿真初始条件与 ADAMS 里的运动学仿真初始 条件相同。
θ）
－ m2 r3 sin3 θ 2c
·
= N1 （ θ，θ）
（ 3）
m3r2sinθcosθ（ 1
+
r2 cos2θ c2
+
2rcosθ c
+
r3 sin2 θcosθ c3
+
r4
cos2 θsin2 c4
θ）
－ m3 r3 sin3 θ c
·
= N2 （ θ，θ）
（ 4）
－
（
m1 2
+
m2
+
m3） grsinθ
通过 ADAMS 的运动学仿真和 MATLAB 的数 值仿真，分别得到了双驱动伺服曲柄压力机冲压头 的位移、速度曲线图，如图 3 ～ 图 6 所示。
图 2 曲柄滑块机构
运用拉格朗日方程建立压力机的数学模型，如
式（ 1） ～ （ 7） 所示。
··
·
··
M（ θ） θ + ［N1（ θ，θ） + N2（ θ，θ） ］θ2 + G（ θ） = τ （ 1）
－
（
m2 2
+
m3 ） g ·
（ 2m3 + m2
+
m3
rcosθ c）
r3 cosθsin2 θ c
+
（ m2
+
m3 ）
r2 sin2 θ
+
m2 l2 r2 cos2 θ 3c2
+
m1 r2 3
=
M（ θ）
（ 2）
m2r2sinθcosθ（ 1
－
l2 3c2
+
rcosθ c
+
l2 r2 cos2 θ 3c4
+
r3
cosθsin2 2c3
2018 年 2 月 第 47 卷 第 2 期
机械设计与制造工程 Machine Design and Manufacturing Engineering
Feb． 2018 Vol． 47 No． 2
DOI： 10． 3969 / j． issn． 2095 － 509X． 2018． 02． 009
为了满足市场产品多样化的需求，使曲柄连杆 式伺服压力机能够提供大吨位的冲压能力，降低压 力机的造价，本文采用伺服电机直接驱动两台曲柄 连杆式伺服压力机共同带动冲压头上下运动的方 式建立了双驱动伺服曲柄压力机的虚拟样机，该压 力机的左右机架对称，两台驱动电机独立控制，且 冲压头平行度和下死点可以进行自动补偿。由于 双驱动伺服曲柄压力机是一个多变量、强耦合、非 线性的复 杂 机 械 系 统［4］，如 果 通 过 控 制 系 统 对 实 际样机进行测试，将消耗大量的财力和时间。因此 在 制造实际样机前先借助虚拟技术建立一个虚拟