伺服压力机关键技术及其优化研究

蒋轶

摘 要：本文阐释了伺服压力机的技术特点与运行原理，探究了伺服压力机的关键技术，并对传统系统进行了优化。文章具有一定的参考价值。

关键词：伺服压力机;关键技术;优化;特点;运行原理

中图分类号：TG315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0059-02

0 引言

随着现代制造业的飞速进步，企业对于压力机的性能要求日益上升，传统压力机的性能已经难以满足生产的需要。因此，具有更大柔性、更高精度、更加智能的伺服压力机成为了众人关注的焦点，与其相关的关键技术和优化方法也成为了学者们开展研究的重点。

1 伺服压力机技术特点

所谓伺服压力机，其主要是指利用伺服电机来驱动控制的压力机。其通过利用伺服电机使偏心齿轮旋转，从而带动滑块运动。伺服压力机依靠复杂的电气控制，对滑块的行程进行编程，从而实现施工作业的目标。伺服压力机相较于传统的压力机而言，其不仅继承了传统压力机结构简单和生产率高的优点，而且自动化水平高，可靠性能好，通用性强，且更加节能环保。伺服压力机充分实现了传统机械无法达到的压力成形工艺，其精度高、维修性能好，大大提高了模具的寿命。

2 伺服压力机运行原理

在传统的压力机中，其工作机构通常被设计为曲柄连杆、肘杆以及螺旋机构。在伺服压力机中，工作机构通常是通过伺服电机减速以后直接驱动的。其中，电机的运动情况主要是经由位移反馈进行控制的。常见的曲柄连杆机构的伺服压力机结构与螺旋机构的伺服压力机结构如图1和图2所示。

无论是什么工作机构的伺服压力机，其通常都具有伺服电机、触摸屏、编程控制器、减速传动机构、制动器、工作机构、位置传感器以及其他辅助机构。当伺服压力机在预设的起动位置进行起动的时候，伺服电机的转矩就会由0开始不断加速转动，然后在减速传动机构的作用下，工作机构就会被带动，压力机就开始运行。

3 伺服压力机关键技术

3.1 大功率交流伺服電机及其控制技术

在很长的一段时间中，交流伺服电机都只是一个功率只有几百瓦的执行电机，而大功率交流伺服电机都是最近十来年才兴起的。大功率伺服电机的关键技术要求在于，其不只需要较小的转动惯量用于保证电机良好的动态性能，同时还必须具有可靠的控制性能以满足电磁制动的要求。并且，大功率交流伺服电机形成的转矩要大，而转矩脉动必须控制在较小的范围。目前，常见的交流伺服传动方法主要包括异步传动和同步传动两个类别，表1将其性能进行了比较。

由于永磁同步电机的体积较小，功率密度较大，频率较快，其不但具有良好的动态性能，而且调速范围也相对宽广。因此永磁同步电机发展更为迅速，应用更为广泛，并成为了伺服系统的首选电机。

3.2 无飞轮压力机传动系统设计

选择合适的传动比是无飞轮压力机传动系统设计中的一个关键问题。选择小的传动比，有利于减少中间环节和噪音，可以在一定程度上提高伺服压力机的效率。但是，这需要大扭矩电机作支持，而电机的制造难度通常偏大，而且价格也比较高昂。所以，将传动比适当加大，有利于降低电动机扭矩需求，减少设备的制造成本。

另外，伺服压力机没有专门的飞轮，在传动系统的设计上具有一定的特殊性，所以电动机容量的合理选择也十分关键。

3.3 调速能量的回收

伺服电机减速通常是利用电磁制动实现的。减速造成的动能下降通常会转变成电能，倘若这些能量不能被有效回收，那么就只有利用电阻将其消耗。这不仅会引起压力机效率的下降，而且还需要额外安装电阻箱以及相关的冷却系统，造成大量的资源浪费。因此，能量回收也是十分关键的技术。能量回收可以考虑以下3种办法：

（1）利用电网进行反馈。通过此方法在一定程度上有助于电能的节省，但需要额外配置逆变系统，所以实际上还是会增加成本。（2）利用电容进行存储。可以在驱动电路上配置一组容量较大的电容用于存储机器制动时形成的电能。当要进行压制的时候，再把存储的电能释放出来以供电机运行。采用这种方式不仅能省电，而且还可以有效降低大电流对电网产生的冲击作用。但这种方法也有缺点，一是电容价格昂贵，二是电容体积较大。（3）通过多机直流互联的方法充分利用能量。如果存在多台伺服压力机需要同时工作的情况，则可以通过联网的方法让直流层面相互连通，从而实现节能和缓冲电流冲击的目标。这种方法的缺点在于受实际条件影响与限制较大。

3.4 重载高效螺旋传动技术

在新型滑动螺旋传动副的开发过程中主要需要重点关注以下3个技术要点：

（1）要注意开发和使用新型耐磨、减摩材料以及相关的制备技术。在广泛使用金属材料的同时，应当有效利用非金属材料和复合材料。（2）应当注意对螺母的结构进行改造，从而让载荷的分布情况更为均匀。（3）注意对润滑条件进行改善。应当充分采用特殊的制造工艺，让螺旋副内部能够具备可以实现高效润滑的流道。

4 传统系统及优化

一般情况下，采用的伺服电机多为直流与交流伺服电机，本文则将最新研究成果开关磁阻伺服电机引入伺服压力机，进行优化处理。

在电机起动后，伺服压力机通过驱动滑块进行运动。假设电机的额定转矩是Me，起动转矩的安全过载倍数是Ke，那么电机的恒转矩则是Ke·Me，并且该电机将由停止状态（恒转矩为0）开始不断加速旋转。

滑块在接触到工件之前将不断的积蓄工作所需要的能量以便完成将要进行的打击工作。假设电机所提供的能量值是Ee，运动部分需要的能量是Eg，机械的传动效率是η，电机起动形成的加速转角是，那么应当保证Ee=η··Ke·Me≥Eg。

开关磁阻伺服电机被起动后，其加速过程所提供的能量被储存在系统的转动惯量当中。假设开关磁阻伺服电机轴侧的总转动惯量是Jeg，打击时电机的角速度是，那么应当有：Ee=η··Ke·Me=1/2·Jeg·。

根据全速降释放能量公式：Ee=1/2·Jeg·≥Eg。可以得出开关磁阻伺服电机轴侧的总转动惯量额定值Jeg应当是：Jeg=2·Eg/。

假设电机转子的转动惯量是J0，主动轮的转动惯量是J1，传动轴的转动惯量是J2，工作轴的转动惯量是J3，总的传动比是i，那么开关磁阻伺服电机轴侧总转动惯量的设计值Je应当是：Je=J0+J1+J2/i2+J3/i2。

經以上分析可以看到，伺服压力机在起动的时候，其开关磁阻伺服电机的恒转矩将从0开始不断加速旋转。结合压力机机械结构和传动效率进行考虑，在开关磁阻伺服电机轴侧有：η·Ke·Me=Je·d2α/dt。可以计算出角速度ω=η·Ke·Me·t/Je，角位移α=η·Ke·Me·t2/（2·Je）。由此可以得到开关磁阻伺服电机从起动到加速至额定转速所需的时间ts=·Je/（η·Ke·Me），加速转角=Je·/（2·η·Ke·Me）。若Je与Jeg相等，那么和也相等。

假设开关磁阻伺服电机轴侧制动器制的动力矩是Mp，系统制动所需要的时间是tp，电机的角速度是，那么电机轴侧在进行制动的时候有：Me+Mp=Je·dω/dt。制动器形成的制动力矩大小Mp=Je·/tp-Me。

根据以上分析设计的压力机参数见表2。

目前，本文设计的伺服压力机已经投入了实际应用。事实证明，此种伺服压力机不仅具有简单的结构，而且其性能可靠，经济性突出。

5 结语

我国伺服压力机关键技术已取得很大的进步，但伺服压力机研发水平还有待提升。只有不断引入先进科学技术，充分借鉴国外研发经验，不断开拓创新，才能推动我国伺服压力机研制工作的发展，生产出性能更好、实用性更强的伺服压力机。

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