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2.2 伺服机械压力机传动系统的特点

2.2.1 伺服机械压力机传动系统的结构特点

伺服机械压力机的传动系统如图2-6所示,与传统压力机相比,其传动系统的主要特点如下:

1.用交流伺服电动机取代了异步感应电动机

交流永磁同步伺服电动机具有以下特点:

1)转子与定子的磁场同步旋转,转轴上装有数码盘检测转角,在电动机内形成闭环控制。可以实现精确的转角和速度控制。根据需要,还可以实现转矩控制。

2)转子靠永磁体产生磁场,无须励磁,电动机发热少,效率高。

3)可以通过计算机控制系统将电枢电流分解,实现矢量控制和直接转矩控制,大大提高了控制效果。

图2-6 伺服机械压力机的传动系统

4)电动机可以频繁起停或正、反转,且起动转矩大。

5)有较大的过载系数。

6)电动机可实现较长时间的堵转,仍有一定的转矩输出,因而可实现机械压力机的保压工况。

7)可以进行电磁制动,制动能量可回收。

2.简化了传动链 去掉了飞轮 离合器 制动器

这不但简化了机构,缩小了设备体积和自重,而且减少了能耗,提高了效率,减少了故障率,提高了设备的可靠性。

3.可安装位移和压力的检测装置

可以对滑块的行程、速度和压力进行闭环控制。因而设备运行参数可以实时控制和采集上传,可控性大大提高。

2.2.2 伺服机械压力机驱动-传动系统的性能要求

如前所述,尽管伺服机械压力机的工作原理与传统机械压力机是相同的,但在传动和控制原理上又存在较大的区别,因而在传动系统的设计上存在一些特殊的要求。

1.大的机械利益

传统机械压力机的传动系统中有飞轮,电动机容量的选择按照工作周期的平均能耗即可。由于伺服机械压力机取消了飞轮,靠电动机的瞬时转矩克服工作中的负载,选择电动机的准则是 电动机的瞬时转矩需能克服最大工作负载 ,选择电动机的最主要技术指标是额定转矩。

对于压力机的整个驱动-传动系统而言,输入为电动机的转矩 T m (N·m)和转速 ω m (rad/s),输出为滑块的压力 P (N)和速度 v (mm/s),系统的机械利益(Mechanical Advantage)为 A [N/(N·m)]

整个驱动-传动系统由减速机构和工作机构组成,设工作机构的输入转矩为 T w ,减速机构的减速比为 i ,不考虑摩擦损失,工作机构的机械利益为 A w

由于压力机常采用曲柄-滑块机构或其他非线性机构作为工作机构,其机械利益并非一个常数,而是曲柄转角 α 的函数,即

根据能量守恒定律,在不计摩擦损失的情况下,当工作机构的输入功率不变时,输出功率亦不变,即

式中 ω w ——工作机构输入转速。

综合式(2-9)和式(2-12),可得

从式(2-13)可以看出,当工作机构输入转速 ω w 不变时, 滑块速度 υ 与工作机构的机械利益 A w 成反比 ,滑块速度越低,则工作机构的机械利益越大,反之亦然。由于工作机构的机械利益与滑块速度间这一内在联系,在机构优化设计时,可以减少优化目标,在机械利益和滑块速度中,二者取一即可。

需要指出的是,在工作行程内若能获得较低而比较平稳的滑块速度,意味着工作机构在工作行程具有大而平稳的机械利益。若公称压力行程不变,较低的滑块速度将使公称压力角变大。这将影响曲柄的受力状态,在传动系统的强度校核时需要充分注意。

由于传动链中存在摩擦等无用损耗,在压力机一类重载装备中,这类损耗不容忽视。设工作机构效率为 η w ,忽略摩擦时工作机构输出压力为 P 0

伺服机械压力机驱动电动机的容量较常规机械压力机更大,但这并不意味着伺服机械压力机的能耗更大。因为在常规机械压力机工作时,电动机始终处于满负载状态:冲压时,在电动机和飞轮的共同作用下,滑块进行冲压工作;在非冲压期间,电动机耗能用于使飞轮恢复速度。由于传动链长,损耗大,且待机时间电动机亦需要运转。而伺服机械压力机工作时,其实际能耗由电动机的输出转矩和转速决定,在克服尖峰负载时,功率很大;而其他时间,则功率很小。而且传动链短,效率高,在待机时电动机可以完全停止工作。总体而言,伺服机械压力机实际耗能更低,一般情况下,较传统机械压力机节电30%以上。

感应电动机的最主要的参数是额定功率和额定转速,功率越大,转速越低,则价格越贵;而伺服电动机的最主要的参数是驱动转矩,其价格主要由转矩决定,额定输出转矩越大,则容量越大,价格越高。当然还受额定转速的影响,转速越低,价格越高。伺服机械压力机需要比常规机械压力机更大容量的伺服电动机和相应的驱动控制器,因而提高了压力机的造价,这是造成目前伺服机械压力机价格高昂的一个主要原因。降低电动机容量,是降低伺服机械压力机成本的一个重要措施。降低电动机容量,必须提高整个传动系统的机械利益。由式(2-10)可以看出,从传动系统设计的角度来看,降低电动机容量有两个途径:一是提高减速机构传动比 i ,但它由电动机转速和工作频率决定,提高的空间有限;二是提高工作机构在工作行程的机械利益 A w α ),也可以大幅减少电动机容量,降低造价。对于伺服机械压力机而言,使 工作机构在工作行程内具有尽可能大的机械利益和适宜的速度曲线 是最重要的设计要求 。因此,这也是本章重点分析的内容。

2.适当的工作频率

设压力机的额定工作频率为 n n (次/min),减速机构总传动比为 i ,电动机转速为 n m (r/min)

传动比过小,要求电动机转矩很大,转速很低,这将提高电动机和驱动单元的造价,尤其是对大吨位压力机而言,难以实现。传动比过大,将使传动链过长,不仅降低了传动效率,而且传动机构的间隙加大亦会影响设备性能。高性能行星减速机具有较大的传动比,为开发大吨位伺服机械压力机提供了支持。

3.工作行程速度低而稳定

如前所述,工作行程速度低有利于降低成形阻力,保证成形工件质量。除此之外,在输入功率不变的条件下,还可以获得更大的机械利益,有利于减少输入转矩,降低电动机容量。平稳的速度,有利于减少振动,使成形过程平稳。

工作行程速度大小可以用公称压力行程内滑块的平均速度 v -表示

而工作行程速度的平稳性则可以用公称压力行程内滑块速度的均方差或标准差 D v (Standard Deviation)(mm/s)或均方差系数 d v (%)表示

4.快速空行程

空行程(包括空程向下接近工件和回程)速度高,有利于提高工作效率。但需注意,过大的速度变化将导致大的加速度,不利于压力机的稳定运行。

5.在上 下死点范围内滑块行程应当为曲柄转角的单调增函数

这可以保证在工作过程中,在上、下死点范围内滑块运动方向保持不变,避免在滑块前进或回程过程中出现倒退抖动现象。

6.尽可能低的惯量

与普通机械压力机不同,伺服机械压力机的电动机在运行过程中会进行频繁调速或制动,若运动系统惯量太大,不仅降低了系统调速的灵敏性,而且增加了系统调速的能耗。通过传动部件优化设计或改用轻质材料制作运动部件可以实现降低系统的运动惯量。 KX6hKUyBtfvS34BwWJhhclJszc7LIIl/JwTe9XTZxzf73SBSj56hrScXHuNSYCYs

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