趙升噸，張宗元，張貴成，2，張 超，陳 超，賈 先

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司，廣東 順德 528000）

0 引言

回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)作為一種自動(dòng)化程度很高的金屬板材沖壓及成形加工設(shè)備，至今已有近五十年的應(yīng)用和發(fā)展。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車、軍工、航空航天等多個(gè)重要工業(yè)領(lǐng)域?；剞D(zhuǎn)頭壓力機(jī)主要由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、床身、送料機(jī)構(gòu)及模具庫等組成。作為沖壓動(dòng)力源的主傳動(dòng)系統(tǒng)，一直是數(shù)控沖床技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一，經(jīng)歷了幾個(gè)階段的變化和發(fā)展。近年來，隨著電機(jī)調(diào)速和伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以及直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)床技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)，具有沖壓速度高、節(jié)能、低噪聲、無液壓油、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而且伺服電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)良，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)具有較高效率，可以在較小的電流下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)、高效率和高輸出的性能指標(biāo)。目前采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)已成為國(guó)外著名廠商的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)，并相繼開發(fā)出擁有各自專利技術(shù)的產(chǎn)品，如日本AMADA公司、MURATEC公司、芬蘭FINN-POWER公司、德國(guó)TRUMPF公司均已推出伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床且性能上達(dá)到了新的高度。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于伺服壓力機(jī)的研究也日趨廣泛和深入，如濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司研制的SPE系列數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床。廣東工業(yè)大學(xué)孫友松教授等對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行了深入研究，天津大學(xué)孟彩芳教授也研究了交流伺服混合輸入式機(jī)械壓力機(jī)。

西安交通大學(xué)和廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司以高端高速精密板材沖壓加工中心的研發(fā)為目標(biāo)，對(duì)大功率交流伺服驅(qū)動(dòng)高端高速精密板材沖壓加工中心的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究，采用自主研發(fā)的開關(guān)磁通永磁電機(jī)取代普通的伺服電機(jī)，為開發(fā)高速?zèng)_壓大功率交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，建立高端高速精密板材沖壓集成技術(shù)設(shè)計(jì)、控制方法和制造工藝，制定其設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

1 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

以電機(jī)為基礎(chǔ)的伺服控制技術(shù)是壓力機(jī)交流伺服直驅(qū)傳動(dòng)方式的關(guān)鍵技術(shù)，其動(dòng)態(tài)性能、力學(xué)性能影響著整個(gè)傳動(dòng)方式的性能，一般來說伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的電動(dòng)機(jī)，需要具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)特性好、具有良好的控制性能特別是速度控制、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)。

以電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的電氣傳動(dòng)技術(shù)誕生于19世紀(jì)初，電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型可分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。直到上世紀(jì)50年代，高性能可調(diào)速傳動(dòng)均采用直流電動(dòng)機(jī)，并廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上，70年代更是直流伺服電機(jī)應(yīng)用最為廣泛的時(shí)代。但直流調(diào)速由于采用機(jī)械換向存在著諸多不可避免的缺陷，如換向器壽命低、換向火花、造價(jià)高等問題。

隨著電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，并表現(xiàn)出卓越的性能。交流伺服電機(jī)的控制精度是普通步進(jìn)電機(jī)控制精度的600倍，同時(shí)交流伺服電機(jī)低頻特性好、過載能力強(qiáng)，采用閉環(huán)控制，控制性能更為可靠，而且交流伺服電機(jī)加速性能好，從靜止加速到額定速度一般僅需幾ms，適用于快速啟停的場(chǎng)合。近年來，隨著大功率交流伺服電機(jī)、電力電子器件以及交流伺服控制技術(shù)的突破，以及微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性價(jià)比的日益提高，交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為數(shù)控機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)中的主導(dǎo)產(chǎn)品。

交流伺服系統(tǒng)主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服控制技術(shù)是發(fā)展較為成熟的一種伺服控制系統(tǒng)，具有體積小、性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，特別是其具有優(yōu)良的低速性能和很大的調(diào)速范圍，適應(yīng)了目前高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，以及高性能永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)控制技術(shù)的不斷完善，目前永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為交流伺服直驅(qū)壓力機(jī)中交流伺服系統(tǒng)的主流。

與此同時(shí)，新的調(diào)速控制系統(tǒng)不斷出現(xiàn)。開關(guān)磁阻電機(jī)和開關(guān)磁通電機(jī)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。相比較永磁同步電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)具有較高效率，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小，可以在較小的電流下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)等，可以實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)、高效率和高輸出的性能指標(biāo)。開關(guān)磁通電機(jī)作為一種全新結(jié)構(gòu)的電機(jī)逐漸受到重視并成為新的研究方向，是因?yàn)樵谛阅芎徒Y(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于開關(guān)磁通電機(jī)獨(dú)特的磁路結(jié)構(gòu)，定子采用集中繞組，端部尺寸短，繞組用銅量少，損耗小，其恒功率弱磁調(diào)速區(qū)在理論上可無限寬，具有很高的運(yùn)行效率和力能指標(biāo)，易于散熱，適合高速運(yùn)行以無刷交流運(yùn)行，目前已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，成為國(guó)際上最新的研究領(lǐng)域。

2 常見的幾種交流伺服直驅(qū)方式

2.1 直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式

壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，不管是采取曲柄滑塊、齒輪齒條、肘桿機(jī)構(gòu)等，都是將擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，將直線電機(jī)與壓力機(jī)滑塊直接相連，無齒輪、同步帶輪等減速機(jī)構(gòu)，無曲柄連桿、螺旋副等運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，無肘桿、多連桿等增力機(jī)構(gòu)，這就是所謂的“零傳動(dòng)”。這種工作機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精確、控制方便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但是由于直線電機(jī)的功率、扭矩以及成本限制，目前較少應(yīng)用于高速、大噸位的壓力機(jī)上。

2.2 伺服電機(jī)直接與曲柄相連式

伺服電機(jī)直接與曲柄相連方式是在傳統(tǒng)機(jī)械式主傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，將伺服電機(jī)直接與曲軸相連，省去飛輪及離合器、制動(dòng)器。這種方式是應(yīng)用較早的一種方式，如日本AMADA公司的EM系列雙伺服電機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)是將兩臺(tái)伺服電機(jī)分別連接于曲軸的兩端，既保證了電機(jī)對(duì)曲軸足夠的扭矩輸出，同時(shí)也可以獲得很高的沖壓頻率。

圖1是雙電機(jī)直驅(qū)式曲柄連桿主工作機(jī)構(gòu)示意圖，將兩臺(tái)伺服電機(jī)分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運(yùn)轉(zhuǎn)，保證了對(duì)曲軸足夠的扭矩輸出，同時(shí)可以獲得很高的沖壓頻率。主軸的偏心部分位于軸的中部，此處與連桿通過滑動(dòng)軸承連接。偏心部分兩側(cè)為支撐用滾子軸承，滾子軸承分別布置于主機(jī)箱和電機(jī)機(jī)箱中。主軸兩側(cè)與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過鋁制花鍵套相連，使得結(jié)構(gòu)緊湊。采用鋁制套有利于內(nèi)部磁場(chǎng)分布，也利于減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

伺服電機(jī)直接與曲柄相連方式最接近“近零傳動(dòng)”的傳動(dòng)方式，省去了飛輪及離合器、制動(dòng)器，沒有減速器、肘桿機(jī)構(gòu)等增力機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但是由于沒有增力機(jī)構(gòu)，對(duì)電機(jī)的扭矩要求比較高，一般應(yīng)用于低噸位的壓力機(jī)當(dāng)中。

2.3 伺服電機(jī)通過減速器與曲柄肘桿等機(jī)構(gòu)相連式

由于目前低速、大扭矩電機(jī)技術(shù)的限制，很多時(shí)候電機(jī)通過減速器連接曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或者電機(jī)通過絲杠螺母連接肘桿機(jī)構(gòu)，利用減速器或者肘桿機(jī)構(gòu)的增力特性降低對(duì)伺服電機(jī)負(fù)載扭矩的要求。如日本AMADA公司的AC單電機(jī)系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式是將單電機(jī)通過絲杠驅(qū)動(dòng)肘桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，但是利用肘桿機(jī)構(gòu)的增力特性和良好的運(yùn)動(dòng)特性，可降低伺服電機(jī)的負(fù)載扭矩；日本MURATEC公司的MOTORUM-2048LT型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是將伺服電機(jī)與曲柄肘桿機(jī)構(gòu)相連，曲柄肘桿機(jī)構(gòu)不僅有很好的增力特性，可降低伺服電機(jī)的負(fù)載扭矩，而且曲柄旋轉(zhuǎn)一周，可使滑塊上下運(yùn)動(dòng)兩次，從而能夠達(dá)到更高的沖壓頻率。圖2是MURATEC公司伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式主傳動(dòng)示意圖。

伺服電機(jī)通過減速器與曲柄肘桿等機(jī)構(gòu)相連式，能夠借助減速器和肘桿機(jī)構(gòu)的增力特性，降低對(duì)伺服電機(jī)負(fù)載扭矩的要求。而且可以利用肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性獲得較大的滑塊行程，實(shí)現(xiàn)很理想的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線，能夠擴(kuò)大壓力機(jī)的加工范圍，改善加工工藝性能。但是這類壓力機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，壓力機(jī)整體機(jī)構(gòu)較為龐大，適合在較大型噸位中應(yīng)用。

圖2 MURATEC公司伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式主傳動(dòng)示意圖

2.4 雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)

直驅(qū)式滾珠螺桿主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)直驅(qū)方式，并采用電主軸原理，將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子和絲杠的螺母固定連接，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)絲杠、滑塊的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了沖壓的工作要求。

圖3為雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)示意圖。上下螺母與絲杠采用反螺旋設(shè)計(jì)，上下螺母反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則絲杠正常往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上下螺母同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則絲杠不做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而是隨著螺母一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于滑塊的位移和螺母的轉(zhuǎn)角成正比，不存在下死點(diǎn)位置，能夠通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同工藝要求下對(duì)滑塊的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)特性設(shè)計(jì)。雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)簡(jiǎn)單，反饋系數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單可靠，可使用伺服電機(jī)控制策略的優(yōu)秀成果來改善沖壓機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是這種伺服驅(qū)動(dòng)方式需要不斷的正反轉(zhuǎn)，沖壓頻率不能太高。

圖3 雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)示意圖

3 交流直驅(qū)方式電機(jī)參數(shù)的選擇

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速

高速、高頻率沖壓對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求必須嚴(yán)格控制在電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)，電機(jī)的調(diào)速范圍需要滿足壓力機(jī)高速?zèng)_、步?jīng)_、壓型、靜音加工、模具校準(zhǔn)等沖壓工藝。為了提高壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和精度，目前對(duì)伺服電機(jī)的速度控制要求越來越高，特別是對(duì)于交流伺服電機(jī)連接曲柄肘桿機(jī)構(gòu)的壓力機(jī)，一般要求在低速時(shí)具有大扭矩，又能滿足高速?zèng)_壓的工藝條件，電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)效率會(huì)降低，而且發(fā)熱量會(huì)增大，冷卻條件也會(huì)降低，因此交流伺服直驅(qū)式壓力機(jī)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求以及調(diào)速范圍具有很高的要求。

3.2 最大扭矩

在正常狀態(tài)下，工作狀態(tài)的載荷扭矩不能超過電機(jī)額定扭矩的80%，特別是在低速大扭矩工作狀態(tài)下，電機(jī)是恒扭矩輸出。

式中：T0——電機(jī)額定扭矩；

Ts——工作狀態(tài)載荷扭矩。

式中：TL——電機(jī)軸上的負(fù)載扭矩，kg·cm；

F——滑塊的軸向運(yùn)動(dòng)力，kg；

h——傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；

Tc——轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的摩擦力矩。

雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)中電機(jī)的選擇主要考慮到滿足絲杠的驅(qū)動(dòng)扭矩。

式中：TL——電機(jī)總扭矩；

Tp——外部載荷所產(chǎn)生的扭矩；

TD——預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩；

Tj——加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩；

Tb——支撐軸承產(chǎn)生的摩擦力矩。

雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，電機(jī)不僅要提供足夠的扭矩來滿足足夠的沖壓力，還需要滿足伺服電機(jī)不斷的啟停、加速、減速所需要的足夠大的角加速度，來完成高速?zèng)_壓、靜音加工、連沖加工、壓型加工等多種工作模式的要求。針對(duì)不同工作需求，對(duì)絲杠的加速、減速、勻速各階段進(jìn)行計(jì)算，求得每個(gè)周期所需要的時(shí)間，進(jìn)一步校核電機(jī)扭矩是否滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)在也有直驅(qū)式曲柄肘桿機(jī)構(gòu)中交流伺服電機(jī)做頻繁正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中曲柄的擺動(dòng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的壓力機(jī)。

式中：Tf——摩擦阻力矩；

∑I——總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

e——角加速度；

w——角速度。

3.3 當(dāng)量負(fù)載慣量

負(fù)載慣量應(yīng)限制在電機(jī)慣量的2.5倍以內(nèi)，轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量一般用下式計(jì)算。

式中：JL——轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量，kg·cm；

Jk——各種旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

wk——各種旋轉(zhuǎn)件的角速度；

w——伺服電機(jī)的角速度；

mi——各種直線運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量；

Vi——各種直線運(yùn)動(dòng)部件的速度。

3.4 連續(xù)過載時(shí)間

電機(jī)的熱源很復(fù)雜，電機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間過載狀態(tài)下，會(huì)使電機(jī)的發(fā)熱量增大，一般的電機(jī)在運(yùn)行過程中都有過載保護(hù)。壓力機(jī)在工作過程中，會(huì)出現(xiàn)過載的情況，需要連續(xù)過載時(shí)間限制在電機(jī)規(guī)定的連續(xù)過載時(shí)間內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）交流伺服直驅(qū)壓力機(jī)在性能上具有許多優(yōu)越性，特別是柔性化、節(jié)能減噪、智能化和改善設(shè)備工作性能方面，具有劃時(shí)代的意義。目前交流伺服直驅(qū)壓力機(jī)越來越受到國(guó)內(nèi)外的重視，已成為新一代伺服壓力機(jī)的發(fā)展方向。

（2）直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式、伺服電機(jī)直接與曲柄相連式在某種程度上實(shí)現(xiàn)了“近零傳動(dòng)”，但是對(duì)伺服電機(jī)的性能要求較高。目前較多采用雙伺服電機(jī)直接與曲柄相連式，既保證了對(duì)曲軸足夠的扭矩輸出，同時(shí)可以獲得很高的沖壓頻率。

（3）伺服電機(jī)通過減速器與曲柄肘桿等機(jī)構(gòu)相連式是目前交流伺服直驅(qū)傳動(dòng)方式中較常采用的一種方式。這種方式能夠借助減速器和肘桿機(jī)構(gòu)的增力特性，降低對(duì)伺服電機(jī)負(fù)載扭矩的要求。而且可以利用肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性擴(kuò)大壓力機(jī)的加工范圍，改善加工工藝性能。但是這類壓力機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，壓力機(jī)整體機(jī)構(gòu)較為龐大。

（4）雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)在上述四種交流伺服直驅(qū)傳動(dòng)方式中較少被采用。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)簡(jiǎn)單，反饋系數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單可靠，可使用伺服電機(jī)控制策略的優(yōu)秀成果來改善沖壓機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是這種伺服驅(qū)動(dòng)方式需要不斷地正反轉(zhuǎn)，沖壓頻率不能太高。同時(shí)對(duì)絲杠的強(qiáng)度和精度要求比較高。

（5）交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、最大扭矩、當(dāng)量負(fù)載扭矩、連續(xù)過載時(shí)間等是選取交流伺服電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，同時(shí)建立了相應(yīng)的計(jì)算公式。

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