雙點伺服壓力機主傳動系統設計與分析

項余建，湯世松，許 楠，張 杰，吳連紅（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

雙點伺服壓力機主傳動系統設計與分析

項余建，湯世松，許 楠，張 杰，吳連紅
（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

通過比較常見的傳動系統結構，重點分析多桿機構的三種類型--三角肘桿式、雙曲柄式和四點六桿式，最終設計了雙點伺服壓力機的雙曲柄主傳動系統。利用遺傳算法，優化設計桿系參數，分析滑塊位移、速度、加速度以及大齒輪所需轉矩曲線。

雙點伺服壓力機；三角肘桿；雙曲柄；四點六桿；遺傳算法

在分析研究雙點伺服壓力機現有國內外先進技術基礎上，結合國內市場對伺服壓力機消費需求，以及公司現有技術和制造裝備工藝條件，在完成單點伺服壓力機樣機基礎上，進行雙點伺服壓力機樣機的開發。通過樣機總體方案設計、詳細結構設計、同步控制系統開發、樣機試制及調試等開發設計過程，最終完成雙點伺服壓力機樣機的開發任務，其主要技術性能達到當前國際先進水平。

1 主傳動系統方案設計

1.1 雙點伺服壓力機常見的傳動系統結構

自伺服壓力機問世以來，國內外壓力機制造商推出了各種不同形式的壓力機傳動系統。現將常見傳動結構形式介紹如下。

1.1.1 滾珠絲桿傳動形式

如日本小松1997年推出的第一臺雙點伺服壓力機HCP3000，即采用滾珠絲桿傳動結構，兩只伺服電機通過一對同步帶輪減速后由滾珠絲桿直接驅動壓力機滑塊實現上下移動，如圖1所示。

滾珠絲桿控制傳動精度高，在滑塊整個行程中伺服電機所傳遞的壓力和速度大小不變，可用于大行程沖壓成形工藝。其不足為：由于傳動系統沒有增力作用，要求伺服電機功率大；重載滾珠絲桿價格高，承載能力有限；工作時電機需頻繁換向。

圖1HCP3000傳動系統結構

1.1.2 多連桿傳動結構形式

多連桿傳動結構具有較大的增力作用，可獲得較低的工作區內位移速度和較高的急回特性，因而在壓力機上應用較多。如小松H2F200伺服壓力機肘桿式傳動系統（圖2）、會田四點六桿傳動結構（圖3）、YAMADA高速壓力機傳動結構（圖4）等。

圖2 小松H2F200傳動結構

1.1.3 曲柄連桿直驅式傳動結構

國外許多壓力機制造商依靠具有自主知識產權的低速大轉矩伺服電機，對壓力機曲柄連桿傳動系統進行直接驅動，其特點為：傳動環節少，綜合間隙小，傳動精度高，如圖5所示。

圖3 會田四點多連桿結構

圖4YAMADA高速壓力機傳動結構

圖5 小松H2W200伺服壓力機傳動結構

1.1.4 復合式傳動結構

不同壓力機傳動系統結構具有各自特點，因而不少壓力機公司綜合不同傳動系統結構特點，開發了復合式傳動系統結構，如：日本小松將滾珠絲桿與肘桿機構進行綜合，推出H2F300壓力機傳動系統結構，如圖6所示；日本網野推出經蝸輪蝸桿減速的滾珠絲桿+雙肘桿傳動系統結構，如圖7所示。

1.2 主傳動系統方案的選擇

伺服壓力機沒有普通壓力機的飛輪和離合器，是依靠伺服電機的瞬時扭矩提供壓制力的，因而需要比普通壓力機電機功率大得多的伺服電機，這將帶來伺服壓力機成本的提高。如何減小伺服電機的功率需求，降低制造成本，滿足國內市場消費需求，是本項目設計首先需要考慮的問題。

圖6 小松H2F300壓力機傳動結構

圖7 日本網野多電機雙肘桿式傳動結構

為提高伺服壓力機噸位與伺服電機容量比值，降低制造成本，通常有兩條較為成熟的途徑：一是以多臺小功率伺服電機進行串聯或并聯同步驅動，以滿足大噸位壓力機功率消耗需求。就目前伺服電機市場兩臺小功率伺服電機價格大大低于一臺同等功率的大伺服電機價格；二是采用多桿增力機構，達到以小功率伺服電機實現大噸位壓制力的目的。

目前，壓力機常用的多桿機構有如下三種類型。

圖8 三角肘桿式多桿機構

1.2.1 三角肘桿式多桿機構

三角肘桿式多桿機構如圖8所示，其特點：①在滑塊下死點附近有較好的低速特性；②具有較好的急回特性；③增力作用明顯。不足：①結構稍顯復雜，增加制造難度；②傳動結構確定后行程調整不易。

1.2.2 雙曲柄多桿機構

雙曲柄多桿機構如圖9所示，其特點為：①結構簡潔緊湊，裝配工藝性好；②雙曲柄機構與曲柄連桿機構相互獨立，便于行程調整；③在下死點附近有較好的低速性能，有一定急回特性，增力作用明顯。

1.2.3 四點六桿多桿機構

圖9 雙曲柄多桿機構

四點六桿多桿機構如圖10所示，其特點為：可獲工作區內均速滑塊位移曲線，有急回特性，適合于大行程拉伸成形工藝。

圖10 四點六桿雙點多桿傳動結構

分析比較現有幾種成熟的傳動系統結構與特點，結合所開發伺服壓力機目標任務，雙點伺服壓力機確定選用雙曲柄傳動系統結構，兩個施力點分別由各自的雙曲柄機構和伺服電機獨立驅動。

2 主傳動系統結構參數和性能特征

2.1 傳動系統結構

雙點伺服壓力機傳動系統結構如圖11所示，由伺服電機、齒輪軸、傳動齒輪、雙曲柄機構、曲軸、連桿等組成。勻速轉動的兩只伺服電機，分別通過一對齒輪將運動和動力傳遞給齒輪軸；再由齒輪軸上的小齒輪驅動雙曲柄機構的大齒輪繞自身的固定軸轉動；由雙曲柄機構將大齒輪的均速旋轉運動轉換為與其偏心的曲軸非均速轉動；最終由曲柄連桿副將曲軸的旋轉運動轉換為滑塊的上下直線位移運動。

2.2 傳動系統結構參數

2.2.1 傳動比

如圖12所示，在伺服壓力機傳動系統的齒輪傳動鏈中，Z1=26，Z2=50，Z3=14，Z4=91。其第一級傳動比為i1=z2/z1=50/26=1.9230，第二級傳動比為i2=z4/z3=91/ 14=6.5，總傳動比i=i1·i2=1.9230×6.5=12.5。

圖12 傳動系統結構參數

所選用伺服電機的額定轉速為500rpm，則所設計壓力機行程次數為：

500/12.5=40.0（SPM）

2.2.2 優化的桿系參數

以桿長L1、L2、L3、L4以及L1桿與曲柄的相對相位角Ф為設計變量，即{x1,x2,x3,x4,x5}，以公稱力行程處雙曲柄機構大齒輪上轉矩最小為目標函數，設置種群數為120，交叉概率為0.9，變異概率為0.5，應用遺傳算法經100次迭代，獲得優化的桿系參數為：

L1=290，L2=376，L3=449，L4=175，Ф=350

2.2.3 傳動系統性能特征

如圖13a為滑塊相對于雙曲柄機構大齒輪轉角的位移曲線，在滑塊下降行程轉角為200°，返回行程為160°。

如圖13b為滑塊相對于雙曲柄機構大齒輪轉角的速度曲線，滑塊下降行程最大速度為53m/min，返回行程最大速度為43m/min。

如圖13c為滑塊相對于雙曲柄機構大齒輪轉角的加速度曲線，最大加速度6.4m/s2，距上死點13°。

如圖13d為作用在大齒輪上轉矩曲線，公稱力行程處轉矩為27780Nm。

圖13 傳動系統特征曲線

3 結論

雙曲柄伺服壓力機主傳動系統是整個壓力機的重要組成部分，是實現滑塊快速空程、低速沖壓和快速回程功能的基礎。本文通過分析比較常用的主傳動結構的優缺點，最終設計了雙點伺服壓力機的雙曲柄主傳動系統。利用遺傳算法優化設計了雙曲柄桿系參數，分析曲線顯示，本雙點伺服壓力機具有低速急回和增力的特性，達到預期目的。

[1]范宏才.現代鍛壓機械[M].北京：機械工業出版社，1994.

[2]趙升噸，何予鵬，等.雙曲柄串聯低速急回機構及其遺傳算法優化[J].西安交通大學學報，2005，（9）：913-916.

[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] 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.

[5]何德譽.曲柄壓力機[M].北京：機械工業出版社,1981.

[6]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.

[7] 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.

[8]項余建,湯世松，仲太生，等.精密型伺服壓力機下死點精度控制技術的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2016，51（1）：54-57.

Design and analysis of main drive system for double-point servo press

XIANG Yujian,TANG Shisong,XU Nan,ZHANG Jie,WU Lianhong
（Yangli Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

By comparison with common transmission structures,the three modes of multi-rod mechanism have been mainly analyzed in the text,including triangle toggle mode,double crank mode and four-point&sixrod mode.Finally,the double crank main drive system has been designed to the double-point servo press. By use of genetic algorithm,the parameters of the rod system have been optimized.The slider displacement, velocity,acceleration and torque curve required by the gear have been analyzed.

Double point servo press;Triangle toggle;Double crank;Four-point&six-bar;Genetic algorithm

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.004

1672-0121（2017）02-0015-04

2016-12-26；

2017-02-20

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