伺服壓力機伺服主驅(qū)動系統(tǒng)

劉林峰

伺服壓力機采用伺服電機驅(qū)動，壓力機根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定適合的行程長度和速度；可超低速運行；模具振動小，提高模具使用壽命；取消傳統(tǒng)機械壓力機的離合器、制動器部件，降低運行成本。伺服壓力機具有復(fù)合性、高效性、高精度、高柔性、低噪環(huán)保性、節(jié)能及易于維護(hù)等特點，提高設(shè)備的自動化、智能化水平，改善壓力機的工作特性，是新一代沖壓成形設(shè)備的發(fā)展方向。

1 伺服壓力機傳動機構(gòu)

伺服壓力機由本體傳動機構(gòu)及伺服驅(qū)動電機組成（見圖1）。

圖1 主驅(qū)動電機與機械機構(gòu)圖

2 伺服壓力機沖壓解決方案

伺服壓力機同時具備機械壓力機和液壓機的優(yōu)點，克服其各自的缺點，所以：

①機械結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的沖壓頻次。

②通過凸輪曲線規(guī)劃優(yōu)化滑塊運動，提高柔性化，減小對機械部件、模具的沖擊。

③取消機械離合器，節(jié)能降噪。

④操作模式人性化，易于調(diào)試和更換模具。

（1） 伺服壓力機運行規(guī)劃

新型伺服壓力機采用一臺或多臺大扭矩同步伺服電機取代傳統(tǒng)壓機中的電機和飛輪、離合器等部件。

傳統(tǒng)機械壓力機的工作周期分為滑塊空載下降、負(fù)載工作、滑塊空載返回、上死點停止等4 個階段（見圖2）。

圖2 壓力機運行曲線

而伺服壓力機利用大功率伺服控制器控制伺服電機的轉(zhuǎn)速、位置和扭矩輸出，從而控制滑塊的運動曲線，以較低速完成沖壓動作，以較高速度下降、回程提高效率（節(jié)拍），而且可以根據(jù)不同的模具要求靈活修改滑塊的運動曲線達(dá)到高的靈活性和柔性化，提高沖壓件的品質(zhì)。

（2） 伺服壓力機控制方案的技術(shù)要點

①驅(qū)動電機選擇。

②能量管理系統(tǒng)。

③多電機的同步控制。

④滑塊運動曲線的自動生成和手動修改。

其中，驅(qū)動電機的選擇和能量管理系統(tǒng)是伺服壓力機所特有的。

3 伺服主傳動系統(tǒng)研究

3.1 主傳動伺服電機的選擇

伺服壓力機需要根據(jù)機械設(shè)計運動部件的轉(zhuǎn)動慣量、減速比，邊界條件包括滑塊允許最大速度、最大沖壓速度、最大加速度，最小沖壓速度、工作能等，選出一個優(yōu)化的電機及實際減速比，然后根據(jù)不同的模具做出優(yōu)化曲線。初步確定主電機型號后，需要做全面驗算以確定系統(tǒng)負(fù)荷是否滿足工藝要求。

通過計算可以確定機械機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量、滑塊運行曲線（見圖3） 及公稱力工作能曲線（見圖4）。本文以某伺服壓力機為例，初選2 臺1FW4 伺服電機，主要工藝參數(shù)：

圖3 行程與角度之間對應(yīng)關(guān)系

圖4 額定壓力工作能圖

式中：t—力矩施加時間（s）；E—動能（J）；A—做功（J）。

筆者將壓力機邊界限定條件、機械固有數(shù)據(jù)代入公式，得到伺服電機最大工藝能力曲線（見圖5），滑塊位置、速度及加速度曲線（見圖6、圖7），得到電機平均扭矩為8 522.3 Nm 速度為428.5 rpm（見圖8），電機總平均功率約300 kW（見圖9、圖10）。最大制動角14.186 8°，對應(yīng)開始角度230.708 3°，對應(yīng)時間0.259 s（見圖11）。由計算結(jié)果可知初選電機型號及數(shù)量滿足工藝要求。

圖5 電機工作能力曲線

圖6 滑塊轉(zhuǎn)速和加速度曲線

圖7 滑塊線轉(zhuǎn)速和加速度曲線

圖8 單臺電機出力曲線及轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖10 單臺電機轉(zhuǎn)矩曲線

圖11 壓力機制動角

3.2 能量管理

（1） 能量管理需求的原因和實現(xiàn)方法

普通壓力機的工作特點是在沖壓過程中需要一個尖峰的能量，而伺服壓力機的滑塊除了在沖壓時需要尖峰能量之外，在加速和減速中也有尖峰能量（如圖9、圖12）：負(fù)載工作區(qū)需要能量沖壓成形；在空載下行、返回區(qū)加速時需要能量，減速時釋放能量；在勻速平穩(wěn)空載運行區(qū)只需克服壓力機運動部件的摩擦等機械損耗。如果直接接入電網(wǎng)，最大容量需要2 400 kW，而平均能量約300 kW，電網(wǎng)容量不能充分利用，造成浪費，且尖峰負(fù)荷沖擊會影響其它用電負(fù)載。因此，大型的伺服壓力機必須考慮平抑電網(wǎng)尖峰的問題。

圖9 電機功率曲線

圖12 伺服壓力機運行周期速度曲線

伺服壓力機能量管理就是提供需要的尖峰能量，同時平滑電網(wǎng)能量尖峰，降低電網(wǎng)容量需求，避免對電網(wǎng)造成不良影響。其控制方法就是通過建立一個能量儲存系統(tǒng)在主傳動系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行能量交換，使得對電網(wǎng)的供電要求和傳統(tǒng)的壓力機一樣或更小一些。

（2） 儲能方式選擇[1]

伺服壓力機的儲能方式一般有兩種：電容儲能和飛輪儲能。

①電容儲能（電能儲能）

采用模塊化大容量的電力電解電容等電容器組成電容柜來儲存能量，通過升高或降低電容器的電壓來儲存或釋放能量。電容儲能的特點為控制簡單，免維護(hù)。

電容儲能釋放能量計算公式：

式中：E—能量（J）；u1—初始電容電壓（v）；u2—放電后電容電壓（v）；C—電容容量（F）。

目前，對于800 t 及以下的伺服壓機，電容儲能方式性價比較高，大于800 t 的伺服壓機需要的電容柜數(shù)量大幅增加，成本及占地空間增大，所以一般不建議采用電容柜儲能方案。隨著電容器向低成本、超大容量方向發(fā)展（如太陽能儲能等），電容儲能應(yīng)是未來的發(fā)展方向。

②飛輪儲能（機械能儲能）

飛輪儲能即用一臺（或多臺） 電機驅(qū)動一個（或多個） 大轉(zhuǎn)動慣量飛輪（或直接采用大轉(zhuǎn)動慣量電機），通過控制電機的速度變化使之處于電動或發(fā)電狀態(tài)來完成飛輪機械能和電能的轉(zhuǎn)換。其特點是可提供能量大，易實現(xiàn)，但動態(tài)響應(yīng)稍慢。

飛輪能儲能釋放能量計算公式：

飛輪儲能控制要點在于協(xié)調(diào)主電機與飛輪電機的同步性，通過使主電機與飛輪電機的速度變化逆相來完成能量交換。因此要將主驅(qū)動電機與飛輪電機都設(shè)計在一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，以提高動態(tài)響應(yīng)時間。

飛輪儲能適用于大容量儲能系統(tǒng)，一般用于800 t 以上伺服壓力機。

③儲能系統(tǒng)實際應(yīng)用

我公司生產(chǎn)的大型伺服壓力機采用飛輪電機儲能方式。這種方式在突變能量釋放時會有延時，形成能量轉(zhuǎn)換死區(qū)，為此，在飛輪電機與主驅(qū)動電機的伺服驅(qū)動器直流母線連接的中間增設(shè)電容模塊以補充瞬時能量需求，從而提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度（見圖13）。

圖13 伺服儲能系統(tǒng)能量流動示意圖

通過合理分配電網(wǎng)側(cè)與儲能機構(gòu)的能量供需比例，由電網(wǎng)側(cè)輸入平均功率能量，由儲能系統(tǒng)提供超出部分的能量，使伺服壓力機主驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的性價比。

采用能量管理系統(tǒng)后，一條60 000 kN 的五序壓力機自動化沖壓線（第一臺為伺服壓力機） 及車間配套設(shè)施只需一臺1 600 kVA 動力變壓器供電即可滿足生產(chǎn)負(fù)荷需求。

3.3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)配置方案需求

伺服壓力機主驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要組成部分：

①伺服電機。

②伺服驅(qū)動器、運動控制器和控制軟件包。

③能量管理系統(tǒng)。

④手輪功能系統(tǒng)。

⑤HMI 人機界面。

（1） 伺服電機

由上述伺服壓力機的工作狀態(tài)可知，主驅(qū)動電機應(yīng)采用過載能力大，剛性驅(qū)動軸無扭轉(zhuǎn)間隙，無易磨損傳動件，慣性矩小，安裝方便，以及高效的高頻響應(yīng)伺服電機。

（2） 驅(qū)動控制器

伺服壓力機通過控制伺服電機的速度和扭矩來改變滑塊的運行曲線和出力來完成做功，故需要一個高動態(tài)性能和精度的，能夠?qū)?fù)雜工藝集成到驅(qū)動控制系統(tǒng)中的控制器，在控制一臺或多臺伺服電機的同步運行的基礎(chǔ)上，控制能量管理系統(tǒng)的運行，在生產(chǎn)中充分利用伺服壓力機的能力。在選擇通用型逆變器時，為提高驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)速度及降噪，需要提高功率元件的脈沖頻率，并相應(yīng)降低驅(qū)動裝置的容量。

（3） 手輪調(diào)整

手輪是伺服壓力機獨有系統(tǒng)，它可以使伺服壓力機準(zhǔn)確定位及精確完成步進(jìn)運動。由于伺服電機具有零速全扭矩輸出的特性，通過手輪控制伺服驅(qū)動來調(diào)整壓力機運行，便于在調(diào)試模具時得到所需的數(shù)據(jù)，減少調(diào)試時間，提高生產(chǎn)效率。

（4） HMI 人機界面硬件

HMI 人機界面能夠?qū)崟r反映所需的參數(shù)和曲線。與傳統(tǒng)壓力機相比，伺服壓力機能夠以CAM曲線運行，此外，伺服壓力機還擁有示教功能，實現(xiàn)這些新功能需要在HMI 和手輪輔助下設(shè)置，修改和保存參數(shù)。

4 結(jié) 語

用本文介紹的方法計算選型的伺服壓力機已經(jīng)投入實際應(yīng)用，證明能夠滿足工藝要求，主驅(qū)動電機功率及轉(zhuǎn)矩的利用效率，以及儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的峰值的平抑均取得預(yù)期效果。