精密型伺服壓力機下死點精度控制技術的研究

項余建，湯世松，仲太生，詹俊勇，羅素萍，魏曉輝

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

精密型伺服壓力機下死點精度控制技術的研究

項余建，湯世松，仲太生，詹俊勇，羅素萍，魏曉輝

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

下死點精度是伺服壓力機的關鍵性能指標之一。主要影響因素有壓力機整體剛度、加工裝配精度、工作環境以及沖壓模式等。本文在分析國內外研究現狀基礎上，提出了一種壓力機下死點精度實時檢測和自動調節控制方法。通過NC裝置、伺服調模電機、滑塊位移光柵尺以及溫度控制裝置，實現對壓力機下死點精度的自動調節，有效保證了壓力機下死點工作精度和精度穩定性。

伺服壓力機；下死點精度；線性光柵尺；NC裝置；自動調節；溫度控制裝置

下死點精度不但直接影響工件的成形精度，還決定模具的使用壽命，是伺服壓力機的一項關鍵性能指標。它體現了精密型伺服壓力機的制造能力和加工水平，并拓展了壓力機的使用領域。

目前，對伺服壓力機下死點精度國內外還未有統一的標準，表1為日本能率制作所（LEM）要求的高精密壓力機下死點精度[1]。

表1 高精密壓力機精度標準——日本能率制作所

下死點精度屬于壓力機的一種動態精度，隨壓力機工作環境和工作狀況而呈動態變化。如何保證在任意工況條件下壓力機下死點精度的穩定性，是提高壓力機性能和檔次的一項關鍵技術。本文側重介紹在從事伺服壓力機下死點精度控制研究中，所探索的一種下死點精度自動調節技術。

1 影響因素

壓力機下死點精度的主要影響因素包括壓力機整體剛度、加工裝配精度、工作環境及沖壓模式等。

1.1 壓力機整體剛度

壓力機整體剛度對下死點精度有較大影響。如拉伸成形加工，若壓力機承載部件的剛度不足，會使滑塊到不了所需下死點位置；若是沖裁加工，壓力機承載部件由于彈性變形所積蓄的能量將得到釋放，形成所謂“反向負載”，會使下死點向下偏移，其偏移量與壓力機剛度有關，剛度愈差偏移量愈大，剛度高則偏移量小。表2為我國現有壓力機和一些國外壓力機的角剛度統計值[6]。

表2 單點開式壓力機角剛度（kN/μrad）

1.2 加工裝配精度

壓力機核心功能部件的加工精度，例如機身體孔系位置精度、齒輪齒形精度、曲軸偏心長度、連桿和肘桿長度等，均會對滑塊下死點精度產生一定影響。還有許多功能部件及整機的裝配精度，如各桿系之間的運動間隙、平衡氣缸的壓力波動、調模裝置的液壓鎖緊狀態等。

1.3 工作環境

壓力機工作時，傳動部件各運動副之間產生大量摩擦熱，使各桿系、導柱導套、機身滑塊等壓力機部件因溫升而伸長，導致滑塊下死點位置漂移。由壓力機結構可知，隨連桿和導柱溫度的上升會使下死點位置下移，而機身的溫升將使下死點上移[2]，但由于各部件的溫升量、結構尺寸以及材料熱特性的不同，難以建立下死點溫度影響模型。圖1為機械壓力機隨開機時間而變化的壓力機下死點漂移曲線。

圖1 因溫升變化的壓力機下死點漂移曲線

1.4 沖壓模式

壓力機選擇不同的工作模式或者客戶根據沖壓工件定制模式，都會不同程度改變滑塊的運行速度和沖壓次數。壓力機運動部件作用有慣性力，其大小是與速度的平方成正例，其行程次數越高，慣性力越大，尤其高速壓力機其慣性力往往數倍于壓力機負載力。因而，隨著壓力機行程次數的改變以及上模重量的不同，即使是同一臺壓力機，對下死點的影響也不盡相同。

2 調節控制技術研究現狀

對于壓力機下死點精度的控制和調節，國內外眾多學者及壓力機制造商進行了大量研究，取得了富有成效的成果。

例如應對溫升，通過采用對潤滑油制冷或加熱等控制措施，以減小機械結構熱變形對下死點精度的影響；通過采用對稱傳動機構，使工作過程中的熱變形互相抵消。

再如應對慣性力，采用多連桿機構減小滑塊下死點附近加速度，采用輕質高強度材料以減輕滑塊的質量，將模高調節機構布置在上橫梁以減輕運動件質量，等等，從降輕運動部件質量以及減小運動加速度兩方面入手以降低運動系統的慣性力。

在下死點精度自動調節技術方面，國外公司近年來推出了可靠的案例，如日本小松公司H1F系列復合型AC伺服壓力機配置的下死點自動補償功能，如圖2所示。它利用位置檢測器、變頻驅動器和控制器之間的檢測和反饋再驅動，來實現下死點的自動補償，使實時、動態調節滑塊下死點高度成為可能[4]。

圖2 H1F系列復合型AC伺服沖壓機控制原理圖

圖3 一種高速肘桿壓力機下死點動態調整機構

圖3為國家知識產權局所公示的一款發明專利。由圖示可見，該專利為一高速壓力機多桿傳動系統（圖3a），通過圖示中H點高度方向的位置改變可實現滑塊下死點高度的調節。圖3b為位于H點的調節機構，通過伺服電機帶動偏心套旋轉，由偏心套驅動小滑塊以及與小滑塊固聯的兩個支撐桿同步進行上下運動，最終實現滑塊下死點的動態調節。

3 自動調節技術實施原理

在分析壓力機下死點精度影響因素以及對下死點精度控制技術研究現狀調研的基礎上，結合公司伺服壓力機開發項目，進行了對壓力機下死點精度自動調節技術的研究，并提出下死點自動調節的具體實施技術。

3.1 下死點精度自動調節機構

如圖4所示，伺服電機經蝸輪蝸桿減速后直接驅動調節螺桿轉動，通過改變調節螺桿與驅動桿的相對長度達到改變滑塊高度的目的，配合控制系統和相關的檢測模塊，可實現對下死點精度的自動調節。這樣，可將壓力機力和運動的傳遞機構、模高調節機構以及下死點精度調節機構的功能集為一體，具有結構簡潔、緊湊，制造成本低廉的特點。

3.2 自動調節控制原理

壓力機下死點精度自動調節控制原理如圖5所示。由圖可見，系統有兩支控制回路，一支為主伺服電機的主控回路，另一支為下死點精度自動調節回路。

圖4 下死點調節機構簡圖

在主控回路中，主伺服電機按照給定的滑塊位移指令，經伺服驅動器的位置調節和速度調節，驅動曲軸按給定的角度進行旋轉，進而經傳動機構驅動滑塊沿壓力機導軌上下移動。在主控回路中，附設于曲軸上的光電編碼器檢測曲軸的實際轉角并反饋，構成主驅動回路的全閉環控制。

下死點精度自動調節回路由NC裝置、伺服調模電機、滑塊位移光柵尺和溫度控制裝置組成。位移光柵尺實時掃描監測滑塊的實際位移，并經下死點判別模塊將滑塊下死點的實際位置 反饋給系統控制器；系統控制器中比較模塊將當前下死點實際位置與系統設定位移進行比較，計算下死點當前偏移量；將下死點當前偏移量與所設定的閾值進行比較，若超過閾值系統自動起動調模系統，以偏移量作為調節量將下死點調整到指令位置，從而達到下死點精度控制的目的。

3.3 自動調節技術的實施

精密伺服壓力機下死點精度必須控制在± 0.01mm以內。因此，對調模機構提出較高的制造精度要求，包括蝸輪/蝸桿副的制造精度、傳動間隙、調節螺桿/螺母副螺距誤差以及減速器的精度等級等。

在控制系統中依照圖5所示控制原理編制相應的軟件模塊，包括下死點讀取判別、比較模塊、啟動閾值模塊、溫度控制模塊等，圖6為軟件模塊流程圖。在模高調節時，要求設置新下死點位置，與原下死點位置差值作為調節量啟動調模電機。在下死點精度調節時，首先讀取滑塊位移傳感器數值并判別是否為下死點；為消除讀取誤差，連續讀取n個下死點數值并取平均；經與設定閾值比較后，將平均偏移值設定為調節量，啟動調模電機進行下死點精度調節。

圖5 下死點精度自動控制原理

圖6 軟件模塊流程圖

4 結論

利用壓力機調模機構，由NC裝置、伺服調模電機、滑塊位移光柵尺以及溫度控制裝置構成反饋控制回路，并配置以滑塊下死點讀取判別、實際值與理論值比較以及啟動閾值等軟件模塊，可實現在任何工況條件下對壓力機下死點精度進行實時監控和自動動態調節，保證了壓力機下死點的工作精度和精度穩定性，大大提高了沖壓件質量和模具的使用壽命。

[1]范宏才.現代鍛壓機械[M].北京：機械工業出版社，1994.

[2]鹿新建，柯尊芒.高速精密壓力機下死點精度研究[J].鍛壓技術，2010，（2）：87-92.

[3]李長河，畢曉偉，等.高速壓力機下死點動態精度穩定技術[J].新技術新工藝，1999，（2）：15-16.

[4]H1F小松復合型AC伺服沖壓機.小松產業機械（上海）有限公司.

[5]朱新武，聞開斌，任東杰.肘桿式伺服壓力機的運動分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（4）：29-32.

[6]柯尊芒，鹿新建.一種高速肘桿壓力機下死點動態調整機構[P].中國：201010515225.2，2010.

[7]何德譽.曲柄壓力機[M].北京：機械工業出版社，1981.

[8]莫健華，鄭加坤，古閑伸裕，等.伺服壓力機的發展現狀及其應用 [J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42（5）：19-22.

[9]葉春生，莫健華，樊自田，等.曲柄連桿伺服壓力機控制模型的研究及系統實現[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（5）：53-56.

Study on precision control technology of BDC for precision servo press

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

A real-time detection and automatic adjustment control method of BDC precision has been put forward to the press in the text on the basis of domestic&foreign research status analysis.The automatic adjustment of the BDC precision for press has been achieved by means of NC device,servo motor,sliding displacement grating scale and temperature control device.The working precision and precision stability of BDC in press have been ensured effectively.

BDC precision;Servo press;Linear grating scale;NC device;Automatic adjustment Temperature control device

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.014

1672-0121（2016）01-0054-04

2015－11－12；

2015－12－29

江蘇省科技重大專項資助項目（BE2013871）

項余建（1981-），男，工程師，從事伺服壓力機及自動化控制方向研究。E-mail：xiangjianyuaoz@163.com