伺服压力机方案与设计_赵婷婷

8 mm, 行程次数 50次 , 制动时间 012 s。螺旋压力机
3#～6#的技术参数分别为 : 3#公称压力 2 500 kN, 运
动部分能量 12 kJ, 滑块行程 300 mm; 4 #公称压力
4 000 kN , 运动部分能量 36 kJ, 滑块行程 400 mm;
5#公称压力 10 000 kN , 运动部分能量 160 kJ, 滑块
文献 [ 2 - 5 ] 介绍了交流伺服电机驱动工作机 构 、产生压力进行冲压加工的研究情况 。交流伺服电 机控制方式复杂 , 价格昂贵 。笔者采用开关磁阻伺服 电机驱动压力机 [6 - 8 ] , 使曲柄和螺旋机构的压力机性 能得到提高 , 且成本较低 , 获得了市场的认可 。针对 不同工作机构 , 伺服压力机所采用的方案与设计方法 具有共同之处 。 1 结构方案与工作原理
KSRD为电机起动转矩过载倍数 ,
KP 为电机
安全系数 ; η为机械传动效率 ; αeg为电机起动加速转
(π
-
α g
)
i,
J = 1～4
角
( rad) ,
α eg
=
2πS i, J = 5
h
, J 为机械通用
压力机 的 组 号 ,
i为总传动比 ,
α g
为
额
定
压
力
角
,
co sαg
=1
+
C2λ - 2C 2 ( 1 +λ - Cλ)
根据表 1 的参数 , 设计的伺服压力机已获得应 用 。应用证明 , 采用上述方案设计完成的伺服压力机 具有结构简单 、工作可靠 、价格经济的优点 。
4 结论 伺服压力机的工作原理不同于传统压力机 。电机
在起动加速过程中提供的能量储存于系统转动惯量
中 , 由电机转速数控值决定能量的大小 , 工件成形 时 , 电机全速降释放能量实施压力加工 。
2010年 4月 第 38卷 第 8期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
Ap r12010 Vol138 No18
DO I: 10. 3969 / j1 issn11001 - 3881120101081001
伺服压力机方案与设计
赵婷婷 1 , 王浩 1 , 贾明全 2
以伺服电机取代传统电机驱动压力机 , 可以大大提 高成形装备的自动化、数字化和智能化水平 , 改善工作 性能和操作安全性 , 对于压力机行业 , 具有重大意义。 参考文献 : 【1】赵婷婷 ,贾明全 ,周秀成. 开关磁阻调速式车床主轴及其
数控方法 [ J ]. 机床与液压 , 2007, 35 (7) : 45 - 47. 【2】熊晓红 ,卢怀亮 ,黄树槐. 重载数字化机械驱动单元研究
功率 / kW
转动惯 量 / ( kg·m2 )
起动时 间 /s
制动力 矩 / (N·m )
1
22
01648 5
015
370
2
45
11621 1
016
990
3
22
01972 7
018
240
4
55
21918 1
111
800
5
132 121969 1
119
4 250
6
264 221695 9
119
7 230
伺服压力机的设计计算公式也不同 。按作者所推
出的电机参数 、电机轴侧总转动惯量 、起动加速时间
和制动器制动力矩等设计计算公式 , 笔者研制了样 机 。结果表明 , 采用该方案设计的伺服压力机具有结 构简单 、工作可靠 、价格经济的优点 。该设计方案和
设计方法解决了伺服压力机的设计问题 , 所研制的伺 服压力机样机达到了技术参数的要求 。
Keywords: Press; Servo; Design
压力机的工作机构有曲柄连杆机构 、螺旋机构和 肘杆机构等 , 可以进行不同工艺的加工 。伺服压力机 由伺服电机经过减速后直接驱动工作机构 , 电机的运 动受位移反馈控制 。常用的有直流伺服电机和交流伺 服电机 , 最近出现了开关磁阻伺服电机 [1 ] , 后者成本 相对较低 , 经济性好 。
件前 , 积蓄工作能量 , 随后完成打击工作 。设电机提
供能量 Ee , 运动部分能量为 Eg, 机械传动效率为 η,
电机起动加速转角为
α eg
,
须有
Ee
=ηαeg KeM e ≥Eg 成
立 。电机额定转矩 M e、额定功率 Pe 分别为
M
e
≥ηαEg eg
Ke
(1)
Pe ≥30ηnEKge Kα
(2)
起动时 , 开关磁阻伺服电机以恒转矩 KeM e 由 0
加速旋 转 , 考虑 机械 结 构传 动 效 率 , 电 机 轴 侧 有
ηKeM e
= Je
d2α成 d t2
立
,
则角速度 ω =ηKeM e t, Je
角位移
α =ηKeM e t2 , 得电机起动加速到额定转速 , 所用时间 2Je
ts
和加速转角
@ sdut1edu1cn。
·2·
机床与液压
第 38卷
动惯量中 ,
其能量为
1 2
J
ω2
ee
,
此能量
(可由电机转速
决定 ) 大于等于额定工作能量 Eg。压力行程时 , 电 机全速降 , 释放此能量 , 实施压力加工 ; 回程时 , 电
机加速 (螺旋工作机构为电机反向加速 ) , 位置传感
器确认滑块上止点的位置 , 通过 PLC传给伺服电机 ;
≥Eg ,
则电机轴侧总转
动惯量额定值为
J eg
=
2ELeabharlann Baidu ω2
(3)
e
电机轴侧总转动惯量设计值为
Je = J0 + J1 + J2 / i21 + J3 / i2
(4)
式中 : J0 为电机转子转动惯量 ; J1 为主动轮转动惯
量 ( kg·m2 ) ; J2 为传动轴转动惯量 ( kg·m2 ) ; J3 为
关键词 : 压力机 ; 伺服 ; 设计 中图分类号 : TG315; TG385 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2010) 8 - 001 - 3
Solution s and D esign s of Servo Presses
ZHAO Tingting1 , WAN G Hao1 , J IA M ingquan2 (11School of M echanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;
21Kehui Electric Corporation, Zibo Shandong 255087, China)
Abstract: The work p rincip les of servo p resses are different from the traditional p resses. The technical solutions and the structur2 al design methods of servo p resses were p roposed. Based on the theory of constant torque and deposited energy system , the design cal2 culation formulas of servo motor parameters, the rotated inertia on motor shaft side, starting time, the braking torque of brake were deduced. Crank and screw servo p resses were developed. The result indicates that the developed servo p ress is simp le in structure, reliable in work, low in p rice.
α e
分别为
:
ts =ηωKeeMJe e
(5)
α e
=
J
ω2
ee
2ηKeM
e
(6)
把式 ( 6) 与式 ( 1) 、 (3) 比较 , 可以看出 , 当
Je
= Jeg时 ,
α e
=αeg。
214 制动器设计
设电机轴侧制动器制动力矩为 M p , 系统制动时
间为
tp ,
则电机轴侧制动过程有 Me
+Mp
[ J ]. 机床与液压 , 2003 (2) : 33 - 34. 【3】盛兵 ,陈柏金 ,熊晓红. 基于伺服电机直接驱动的折弯机
-
α g
/π)
,
J = 1～4。
2S / h, J = 5
212 电机轴侧总转动惯量
电机在起动加速过程中提供的能量储存于系统转
动惯量中 , 设电机轴侧总转动惯量为 Jeg , 打击时电
机角速度
为
ω e
,
有
Ee
=ηαeg KeM e
=
1 2
J egω2e成 立
,
由
全速降释放能量
Ee
=
1 2
ω J 2 eg e
= Je
dω成 dt
立 , 制动器制动力矩为
Mp =
J
ω
ep
tp
- Me
(7)
第 8期
赵婷婷 等 : 伺服压力机方案与设计
· 3 ·
式中 :
ω p
为电机角速度
( s- 1 ) 。
3 设计应用
曲柄压力机 1 #、2 #的技术参数为 : 1 #公称压力
1 000 kN , 2 #公 称 压 力 2 500 kN, 公 称 压 力 行 程
工作轴转动惯量 ( kg·m2 ) ; i为总传动比 , i = i1 i2;
i1 为第一级传动比 ; i2 为第二级传动比 。
当 Je ≥Jeg时 , 电机打击角速度小于额定速度 ,
也能提供打击能量 ; 当 Je ≤Jeg时 , 电机打击角速度
大于额定速度 , 才能提供打击能量 。
213 起动加速时间
当滑块需要停在上止点时 , 伺服电机减速 , 制动器实
施断电制动 , 滑块停在上至点 , 完成一个工作循环 。
图 2 伺服螺旋压力机
2 设计原理
211 伺服电机转矩与功率
伺服压力机在电机起动过程中驱动滑块运动 。若
电机额定转矩为 M e , 起动转矩安全过载倍数为 Ke ,
则电机以恒转矩 KeM e 由 0 加速旋转 , 在滑块接触工
(11山东理工大学机械工程学院 , 山东淄博 255049; 21山东科汇电气股份有限公司 , 山东淄博 255087)
摘要 : 伺服压力机的工作原理与传统压力机不同 。在总结其特点的基础上 , 提出不同工作机构伺服压力机的共同点及 其技术方案和结构设计方法 , 利用恒转矩系统积蓄能量理论 , 推出伺服电机参数 、电机轴侧总转动惯量 、起动加速时间 、 制动器制动力矩的设计计算公式 , 并进行了曲柄 、螺旋伺服压力机的设计与研制 。结果表明 , 采用该设计方案的伺服压力 机具有结构简单 、工作可靠 、价格较低的优点 。
,
C 为行程系数 ,
C = Sg , S /2
λ为连杆系数 , λ = S /2, L 为连杆长度 , S 为滑块空 L
行程 , h为螺杆导程 ; n 为曲柄滑块行程次数或螺杆
转速 ( r·m in - 1 ) ; Pe 为电机额定功率 (W ) , Kα 为行
程角位移系数 ,
α
Kα
=
eg
πi
=
(1
图 1 伺服曲柄压力机 当伺服压力机在预设起动位置起动 , 伺服电机恒 转矩由零加速旋转 , 通过减速传动带动工作机构运 动 , 电机在起动加速过程中提供的能量储存于系统转
收稿日期 : 2009 - 04 - 13 基金项目 : 山东省科技攻关项目 (2007GG10004019) 作者简介 : 赵婷婷 (1962—) , 女 , 硕士 , 副教授 , 主要从事机械设备的教学与研究 。电话 : 13395337698, E - mail: zhaott
式中 : Eg 为运动部分能量 , 机械通用压力机 Eg = E0 /
η 0
= Kg Fg Sg ,
E0 为有效能量 ,
η 0
为压力机效率
,
Fg
为公称压力 ( kN ) ; Sg 为公称压力行程 ( mm ) , Kg
为工作能量系数 ; Ke 为电机起动转矩安全过载倍数 ,
Ke
= KSRD , KP
工作机构 (如螺旋 、多杆 、肘杆或曲柄连杆滑 块机构等 ) 不同的伺服压力机 , 均由伺服电机 、电 机控制器 、减速传动 、制动器 、位置传感器 、可编程 控制器 、触摸屏 、工作机构 、辅助机构等组成 。减速 传动的级数由电机到工作机构的传动比决定 。曲柄连
杆机构和螺旋机构的伺服压力机结构如图 1、2所示 。
行程 700 mm; 6#公称压力 16 000 kN , 运动部分能量
280 kJ, 滑块行程 700 mm , 制动时间 014 s。电机转
速 1 500 r/m in, 按公式 ( 2) 、 ( 3) 、 ( 5) 、 ( 6) , 得
设计参数和电机轴侧数据如表 1。
表 1 压力机设计参数
编号 #