智能伺服压力机选型计算分析

汤世松，项余建，仲太生，詹俊勇，罗素萍，刘志

（扬力集团股份有限公司，江苏扬州225127）

智能伺服压力机选型计算分析

汤世松，项余建，仲太生，詹俊勇，罗素萍，刘志

（扬力集团股份有限公司，江苏扬州225127）

根据曲柄连杆压力机工艺要求和交流伺服系统控制原理，研制开发了SIP-160伺服压力机，取消了机械飞轮和离合器，实现了伺服压力机的柔性化和智能化控制。分析了伺服电机与伺服驱动器的选型计算。介绍了该伺服压力机的控制方法，针对调试过程中发现的问题，作了进一步优化监控程序，有利于提高智能型伺服压力机性能。

压力机；伺服电机；伺服驱动器；智能化控制；监控程序

传统的曲柄压力机采用普通交流感应异步电机驱动，并配有大惯量的机械飞轮，速度按正弦曲线变化，不能调节，运动特性单一，工艺适用性差。而伺服压力机具有智能化、节能、高效、高柔性、高精度、低噪声等优点，体现了锻压机床的未来发展趋势[1]。伺服压力机与传统压力机相比[2]，主要技术优势体现在控制系统更加自动化和智能化、操作方式更加灵活方便，能实现多种工艺参数自动调整，与机器人或机械手等自动送、卸料设备组成纵列串行冲压生产线实现自动生产等，从而更加适应现代生产工艺和生产节拍的要求。

在伺服压力机的设计开发中，交流伺服系统选型显得相当重要，伺服电机要求低速大扭矩，以保证伺服压力机的整体性能。伺服压力机具有柔性化、高速化、高效率的特点，保证压力机的闭合高度在生产过程中的精确稳定，抑制产品毛刺出现，使冲头工作模式与成形工艺相适应。本文重点研究1600kN精密智能型伺服压力机的选型计算分析与装配调试，更好地为公司环保节能伺服压力机的生产提供依据。

1 伺服压力机交流伺服系统选型分析

目前，高性能的伺服系统大多采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。因此，下面针对伺服电机及其伺服驱动器的选型作详细分析。

1.1 伺服电机的选型

动力装置是所有机械设备的核心，为装备提供动力，实现所需的运动规律。精密智能型伺服压力机的驱动电机，要根据该设备的工作特点和性能要求进行选择，只有在驱动电机的性能满足要求的前提下，设备性能才能得以保证。

压力机加工具有负载大、冲击强等特征，直接驱动用伺服电机与传统压力机所用电机相比，需要输出更大的转矩，具备更强的抗扰动能力。电机的选型，主要根据额定功率和额定输出转矩两个参数进行。

伺服压力机没有专门的机械飞轮，电机容量选择与普通压力机有很大不同。电机转子以及运动部件折合到电机轴的总等效转动惯量较普通压力机小很多，压制力不是靠飞轮减速，而主要靠电机的瞬时扭矩产生。根据最大工作负荷、传动比选择电机的最大负荷，综合考虑电机过载倍数、传动比等因素设计或选择电机。根据以上的选型分析，以满足工作最大力矩的条件选择伺服电机，用功率进行校核[5]。

1600kN精密智能型伺服压力机所选的主伺服电机一般要求为低速大扭矩，这样可以选择较小合适功率的伺服电机，降低整机成本。

已知曲柄压力机参数：公称压力Pg=1600kN，滑块行程S=250mm，公称力行程6mm，行程次数60spm，装模高度调节量80mm，最大装模高度320mm，公称压力角αg=17.291°，曲柄半径R= 100mm，连杆长度L=920mm，连杆系数λ=R/L= 0.109，压力机第一级传动(电机轴至中间轴)传动比i1=6.25，第二级传动(中间轴至曲轴)传动比i2=3.6，总传动比i0=i1×i2=22.5，η为压力机总效率，带拉深垫且为手动送料时为0.45。

下面探讨具体设计步骤。

1.1.1 根据最大工作负荷、传动比选择电机的最大转矩

（1）电机负载转矩

电机负载转矩为机械负载转矩换算到电机输出轴上的扭矩，计算公式为：

式中：Pg=1600kN，曲柄半径R=140mm，β=2.118°，i0= 22.5。则

（2）电机摩擦转矩

工作时压力机的转动部件上的摩擦转矩是不可忽视的。主要的摩擦有4处：①滑块导轨面；②曲轴（或芯轴）支撑颈和轴承之间的摩擦；③曲轴颈和连杆大端轴承之间的摩擦；④球头与球头座之间的摩擦。据此，机械摩擦总转矩为：

式中：TLf为机械摩擦总转矩；μ为机械摩擦系数，对开式压力机μ=0.04～0.05；公称压力Pg=1600kN；连杆系数λ=0.109；曲轴曲柄颈直径dA=320mm；球头直径dB=280mm；曲轴支撑颈直径d0=265mm。则

机械摩擦总转矩换算到电机轴上的转矩为：

因此，电机轴上的最大转矩T=TL+Tf=3307+909= 4216（N·m）

1.1.2 综合考虑传动比、电机过载倍数等因素选择电机

在工作行程内，电机工作在过载状态，设计过载倍数为4，因此Te=T/4=4216/4=1054N·m。由于交流同步伺服电机具有过载能力强的特点，在电机选择时电机的额定转矩可以比工作最大力矩稍小一点。经过综合考虑，针对精密智能型伺服压力机的工作特点和性能要求，选择如图1所示的某国产品牌交流永磁同步伺服电机ISMD3-50D50BD-R122F作为驱动电机。该伺服电机额定转矩955N·m，峰值转矩3440 N·m，额定电压380V，具有较高瞬时过载能力，能够满足额定公称力范围内各种冲压工艺的能量需求[6]。

图1 交流伺服电机

1.2 伺服驱动器的选型

永磁交流伺服系统驱动器经历了模拟式、模数混合式的发展后，目前已进入全数字时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法上的灵活性，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加可靠。

伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。功率板是强电部分，其中包括两个单元，一是功率驱动单元PM，用于电机的驱动；二是开关电源单元，为整个系统提供数字和模拟电源。控制板是弱电部分，是电机的控制核心，也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的[7]。

本项目智能伺服压力机选用的伺服驱动器（IS550AT210I）作为主要驱动机构控制器，主要任务是响应PLC信号，根据伺服压力机机械传动比、伺服电机编码器反馈信号及滑块位移传感器信号计算滑块实时位置及速度。这样就可以完成高精度定位的控制。同时，保证在频繁起停下自身运动的平稳性与快速响应性，伺服性能直接反映了设备的整机性能与质量。

由于伺服驱动器具有自我保护功能，防过流、过压、短路等功能，故当整个伺服压力机控制系统出现故障，或者伺服电机过载，三相电源线出现过流、过压时，伺服驱动器立即报警，停止动力输出，保护电气元件和机械零件安全，更要人性化地保护人身安全，防止意外伤害[7]。针对伺服压力机故障及实时工况监控，开发了伺服控制系统监控程序，主程序界面如图2所示。

图2 控制系统监控程序主界图

调试过程中，多连杆伺服压力机运行情况良好。当SPM为38时，用高精度的下死点测试仪测试下死点精度，最大误差10μm，说明该伺服压力机具备高精度及高可靠性。下死点精度如图3所示。

图3 下死点精度

2 伺服压力机控制方法

2.1 伺服压力机控制原理图

PLC（H2U-3232MTQ）作为核心程序的载体，负责与IS550之间的CAN-LINK通讯及各种控制信号转化与流通，最终控制各执行机构的运转与协调。PLC程序根据伺服机构的机械传动比、伺服驱动器的电子齿轮比、伺服电机编码器的线数以及滑块编码器的反馈位置，计算出滑块当前的位置，从而伺服电机驱动曲轴以相应的速度运行在相应的位置。如图4所示为控制流程图。

图4 控制流程图

SERVO（IS550）伺服系统作为主要运动机构，主要任务是完成定位精度的控制，严格执行来自滑块位移传感器给出的模拟量指令信号，因为模拟量直接反馈的就是模拟量滑块的当前位置。同时，保证在频繁起停负载下自身运动的平稳性与快速响应性，伺服性能直接反映了这台设备的整机性能与质量。

2.2 伺服压力机的控制方法

经过现场的深入调试、运行，伺服压力机操作控制方法如下：

（1）先开启设备电源，等伺服压力机上电后，对PLC采集过来的各种相应器件的控制信号自检；如果在触摸屏上显示报警提示，需要人工一一排除报警故障；

（2）故障排除后，主传动伺服控制器和调模伺服控制器便准备就绪。PLC通过CAN-Link总线通讯，采集各种控制信号进行逻辑运算和顺序运算后，控制各执行机构的运转和协调；

（3）PLC程序根据控制面板触摸屏的触发信号，经过PLC内逻辑程序运行后发数字信号给两伺服驱动器，经过两伺服驱动器内部运算芯片计算出伺服机构的机械传动比、伺服电机编码器的反馈信号以及滑块编码器的反馈位置，计算出滑块当前的实际位置；

（4）主传动伺服驱动器驱动主传动伺服电机通过皮带轮传动给大齿轮驱动曲轴，再带动偏心轮经过六连杆机构传动后以相应的速度运行在相应的位置；

（5）调模伺服驱动器驱动调模伺服电机通过联轴器驱动涡轮涡杆调整球头螺杆，调整滑块封闭高度。

控制运行模式有三种选择，分别为寸动、单次、连续。如果选择寸动、单次，按双手按纽，滑块运行；如果选择连续方式，再按一下连续预置按纽，按双手可以实现滑块的连续运行。伺服电机经蜗轮蜗杆减速后直接驱动调节螺杆转动，通过改变调节螺杆与驱动杆的相对长度达到改变滑块高度的目的，配合控制系统和相关的检测模块，可实现对下死点精度的自动调节。这样，可将压力机力和运动的传递机构、模高调节机构以及下死点精度调节机构的功能集于一身，具有结构简洁、紧凑，制造成本低廉的特点。

在主控回路中，主伺服电机按照给定的滑块位移指令，经伺服驱动器的位置调节和速度调节，驱动曲轴按给定的角度进行旋转，进而经传动机构驱动滑块沿压力机导轨上下移动。在主控回路中，附设于曲轴上的光电编码器检测曲轴的实际转角并反馈，构成主驱动回路的全闭环控制[8]。

3 结束语

本文针对SIP-160精密智能型伺服压力机交流伺服系统选型计算深入分析，确定了性价比很高的方案。本文对伺服压力机控制方法作了深刻讨论，确定了有效的调试步骤。该伺服压力机具有高精度、高柔性、高效性、复合性、低噪环保性等优点，属于高档压力机。其广泛应用于电讯器材、仪器仪表、电机电器、钟表、玩具、五金、拖拉机、汽车和航空等行业。

[1]吕言，周建国，阮澍.最新伺服压力机的开发以及今后的动向[J].锻压装备与制造技术，2006，41（1）：11-14.

[2]姚健，周微，郭为忠.多连杆压力机模块化运动学性能分析[J].锻压技术，2008，33（6）：111-116.

[3]孙友松，周先辉，黎勉，等.交流伺服压力机及其关键技术[J].锻压技术，2008，33（4）：1-8.

[4]莫健华，郑加坤.伺服压力机的发展现状及其应用[J].计算机辅助设计与制造，2000，（9）：65-66.

[5]王猛，马继斌，项余建.SDP-110型伺服压力机控制系统的开发研究[J].锻压装备与制造技术，2011,46（2）：50-53.

[6]樊红梅，孙宇，李林.伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究[J].锻压技术，2007，32（4）：113-116.

[7]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2005.

[8]Suman Maiti,Chandan Chakraborty,Sabyasachi Sengupta.Simulation studies on model reference adaptive controller based speed estimation technique for the vector controlled permanent magnet synchronous motor drive[J].Simulation Modelling Practice and Theory,2009（17）+：585-596.

Analysis of selection and calculation for intelligent servo press

TANG Shisong,XIANG Yujian,ZHONG Taisheng,ZHAN Junyong,LUO Suping,LIU Zhi
（Jiangsu Yangli Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

According to the process requirements of crank press and control principle of AC servo system, the SIP-160 servo press has been developed which eliminates mechanical wheel and clutch.The flexible and intelligent control of the servo press has been realized.The selection and calculation of the servo motor and servo driver have been analyzed.The control method of servo press has been introduced.Aiming at the issues occurred in the commission process,the monitor program has been further optimized,which is favorable for improving the performance of the intelligent servo press.

Servo motor;Servo driver;Intelligent control;Monitor program

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.007

1672-0121（2016）05-0025-04

2016-05-25；

2016-07-11

江苏省科技重大专项资助项目（BE2013871）

汤世松（1985-），男，硕士，电气工程师，从事交流伺服运动控制、伺服电机、机电一体化等研究。E-mail：tangshisong26@163.com