【導讀】HEYuPeng1?,ZHAOShengDun2,ZOUJun2&ZHANGZhiYuan2

　　

【正文】 果表明后者的方案能比伺服電機使用更低的功率，因此這種方案能使得制造和使用成本低得多。后一個方案提出了一個可行的途徑在實際工程中來使用混合機械壓力。 機械壓力，混合機制，差動輪系，調速 引言 目前有許多關于機械壓力的混合機制的研究報道，并且已經(jīng)成為一個熱門的研究話題?；旌蟿恿C制是一種有 2 個自由度的機制（也稱為差速機制），當兩個獨立的運動同時輸入時，輸出的運動能夠滿足一些運動要求，這些要求通過機械的運動組成來獲得的。混合動力機制也可稱為可控機制，或者稱作混合機器。研究機械壓力機的混合機械的目的是使用大功率常規(guī)電機利用飛輪來完成工件的沖壓；并使用低功率的伺服電機來調整滑塊速度。應用在機械壓力中的混合機制的優(yōu)勢在于它不僅可以比伺服壓力機降低更多的制造成本，而且還有一個靈活的工作速度滑塊。所以混合動力 機械壓力機在機制上的工作引起了許多研究者的興趣；并且這些研究主要集中在多桿混合機械中。杜和郭已經(jīng)全面討論了七桿的機械壓力機的混合機制，包括組成連桿機構的可行條件，滑塊機構的動力分析，和兩臺電機之間轉矩和功率的分配以及它們之間的優(yōu)化設計?；诙囗検降能壽E規(guī)劃也需要調查，且計算機模擬表明結果的確吸引人。此外，孟也調查了七桿機構的運動學分析，基于最低功率的伺服電機的優(yōu)化設計已經(jīng)完成，然后孟建議混合機制是機械壓力機的研究方向。 Tokuz 首次提出了混合機構并且使用差動齒輪系分析了合成速度。他的實驗證實了他的理論的可 行性。 調速幅度和差速比的概念在他們的作品中沒有提到，并且兩電機的速度變化和功率之間的關系也沒有清楚的給出。但是這些概念對混合動力機械選擇兩個電機的功率、決定傳統(tǒng)電機和伺服電機之間的工作負載分配非常重要而且是絕對必要的。在參考文獻 [13]中他們使用連桿機構來實施機械壓力機的混合輸入。這種方法相當復雜，因為連桿機構每根連桿的長度和位置的改變會對機械壓力機的滑塊運動產(chǎn)生影響。所以一些主要的問題在混合機械的課程研究中常常被忽略， 而且研究結果不總是和實際工程條件相符合。差動齒輪系有兩個自由度，并且任意兩軸之間的傳 動比是一個常數(shù)。為了簡化機械模型并使得問題更加透明，在這篇文章中差速齒輪系常作為傳動機構來研究機械壓力機的混合問題。這篇文章討論了兩電機調速幅度和功率之間的關系，兩電機之間的工作負載分配，并且提出了傳統(tǒng)電機和伺服電機同時工作、分開工作的兩種驅動方案。隨著 200 噸的機械壓力機作為工程背景，機械壓力機的混合動力驅動系統(tǒng)已設計出來，并且在機械壓力機中的兩種驅動方案的可行性也已得到了分析。 混合型機械的主要原則 帶有差動齒輪系的混合機械壓力機的工作準則在圖 1中得到了說明。系統(tǒng)由傳統(tǒng)電機（也叫作恒定速度的 AC 機器 ），伺服電機，減速器 1，減速器 2，差動輪系和曲柄滑塊機構組成。差動輪系的輸出軸由曲柄滑塊機構的曲柄軸連接而成。兩根輸入軸中的一根軸通過減速器 1 和傳統(tǒng)電機相連；另外一根輸入軸通過減速器 2 和伺服電機相連。因此曲柄軸的運動完全由傳統(tǒng)電機和伺服電機的運動來控制。減速器 1和減速器 2以串行方式安裝在兩個電機和差速齒輪系單元之間目的是為了承擔所有傳動系統(tǒng)的一部分減速任務，因為太大的差動齒輪系傳動比會使得傳動效率下降。傳統(tǒng)電機的角速度是一個常數(shù)，所以它的價格更便宜。伺服電機的角速度是可調的，所以它的價格昂貴?；旌蟿恿C構系 統(tǒng)中的輸出軸的恒定轉速由大功率的傳統(tǒng)電機提供；而伺服電機提供可調的速度。因此，用這種方式，不僅使得機械壓力機的曲柄軸的輸出運動靈活可變，而且還避免使用大功率的伺服電機。因此它既可以節(jié)約機器制造代價又可以節(jié)約機器運轉成本。 圖 1 差速齒輪系的混合機構工作準則 機械壓力機滑塊的速度特征 機械壓力機的運轉體現(xiàn)了周期性的變化規(guī)律。機械壓力機的滑塊在理想的工作條件下的位置和速度變化如圖 2所示?；瑝K以很大的速度（稱作快速進給階段）從頂部死角中心移到工作起點。當機械壓力機的滑塊接近工作起點時，它的速度會從高速變成 低速，然后以低速（稱作低速進給階段）沖壓工件。低速的滑塊是為了避免對模具產(chǎn)生重大的影響，有益于塑料工件的成型。在滑塊完成沖壓工件并達到工件死角中心的底部時，滑塊會以高速返回并最終停在死角中心的頂部（稱作快速返回階段）。因此，機械壓力機的滑塊的移動速度可以分為三種情況：快速下降速度 V1，緩慢工作速度 V2，和快速返回速度 V3。速度 V1和 V3應該盡可能一樣快，速度 V2 應該緩慢、靈活，目的是為了確保機械壓力機每分鐘的工作次數(shù)并能滿足不同技術的要求。事實上機械壓力機在到達死角中心的底部之前僅以一個很短的行程工作，而在 其他行程中對工件來說是不工作的。 混合機械的術語和方程 所有軸的角速度的關系 如圖 1所示在差動齒輪輪系中有三個外部軸。為了方便的表達三個軸之間的關系，和常規(guī)電機連接的軸叫軸 1，和伺服電機連接的軸叫軸 2，和曲軸連接的軸叫軸 0。三根軸的角速度分別為 n1,n2 和 n3。三根軸的力矩分別為 M1， M2和M0。因為在差動齒輪系中有兩個自由度，僅第三根軸是固定的，由此確定了其它兩根軸的傳動比。所以這三根軸的傳動比和角速度的關系需要表達出上標和下標的特點。 圖 2 滑塊的理想核心位置 常規(guī)電機對輸出 運動的影響 當伺服電機停止運動時， n2=0，只有常規(guī)電機的角速度 影響輸出的角速度 n0。 伺服電機輸出運動的影響 當常規(guī)電機停止時， n1=0,僅有伺服電機的角速度影響輸出角速度 n0。 當 n10 代表軸 0的角速度，并且 i20 代表從軸 2到軸 0 的總的驅動旋轉，當軸 1（伺服電機的軸）修理時它包括差速齒輪和減速器 2。 常規(guī)電機和伺服電機對輸出運動的影響 當常規(guī)電機和伺服電機同時以經(jīng)過差速齒輪系的組成來運行時，輸出速度可以表達。當 K 是伺服電機的實際角速度和特殊角速度之比時，數(shù)值相對的在 1左右或 +1，包括 是伺服電機的特殊角速度。 調速振幅和差速比 調速振幅 為了正確的描述混合機械的差速齒輪系的變化速度，需要引入調速振幅的概念。如圖 1 所示，調速振幅是最大和最小的絕對值之比。在混合機械的差速齒輪中，調速振幅等于運行一個單獨伺服電機的軸 0 輸出速度和運行一個單獨常規(guī)電機的軸 0 輸出速度之比。 在混合機械的差速齒輪中，調速振幅是最基本和最重要的技術參數(shù)。它不僅決定兩個輸出軸的速度匹配關系，還決定了伺服電機和常規(guī)電機安裝能力的匹配關系。 差速齒輪速度比 差速齒輪速度比通常用來表達在差速 齒輪系中的調速技術體現(xiàn)。它是差速齒輪系統(tǒng)中的一項重要技術參數(shù)。差速齒輪比等于調速振幅的倒數(shù)值。 根據(jù)角速度和扭矩成反比，相同的載荷可以由常規(guī)電機和伺服電機來驅動這一事實，一個代表兩個電機的功率的方程可以被推倒出來。 P是常規(guī)電機的功率， P=M1n1. P2 是伺服電機的功率， P2=M2n2. 工作載荷功率分配 假設機械壓力機的工作載荷功率是 P0，常規(guī)電機，伺服電機和工作載荷之間的功率關系可以表達如下。 圖 3調速振幅的物理感應 從（ 9）到（ 11），常規(guī)電機和伺服電機之間的輸出功率由 K 值決定，它等于伺服電機的角速度的變化之比。因此當輸出角速度在不同的工作區(qū)域運行時，兩個電機載荷之比也不同。 輸出軸以一個基本的速度運行 當伺服電機的輸出角速度等于 0 時，也就是， K=0， P2=0，從（ 9）中可以得到。這就是常規(guī)電機所承受的載荷功率。 輸出軸在增速區(qū)域運行 伺服電機在正方向運行， 0K1,P1 和 P2都是正值，所以常規(guī)電機和伺服電機都承受一部分工作載荷。因此常規(guī)電機承受 %—— 100%的工作載荷，伺服電機僅承受 0—— %的工作載荷。調速和差速比的數(shù)值決定了兩個電機之間的工作載荷 分配。 輸出軸在增速區(qū)域運行。 在增速區(qū)域，伺服電機在負方向運行， K 值變化在 0—— 1 之間。根據(jù)方程（ 9）和（ 10）， P1 是負值。伺服電機的負值說明伺服電機的功率已經(jīng)是工作阻力。因此常規(guī)電機不僅為工作載荷做功，還為伺服電機的功率做功。因此當輸出角速度在減速區(qū)域，常規(guī)電機比其他領域消耗更多的能量。輸出速度的減小是以消耗伺服電機的輸入功率來衡量的。為了節(jié)約能量，輸出角速度應當避免或者減少在減速區(qū)域運行。 混合機械壓力機的兩種驅動方案 根據(jù)方程（ 3），混合機械的輸出角速度和常規(guī)電機，伺服電機角速度和 的減少值相等。如圖 1所示，差速齒輪系的輸出角速度和機械壓力機的曲柄軸有聯(lián)系， 所以這兩個軸有相同的角速度。當常規(guī)電機或伺服電機驅動時，或同時驅動它們時，機械壓力機的曲柄滑塊可以獲得差動角速度。因此，混合機械壓力機有兩種建議方案：（ i）常規(guī)電機和伺服電機同時驅動；（ ii）常規(guī)電機和伺服電機分開驅動。 常規(guī)電機和伺服電機同時驅動 這種方案表明機械壓力機曲柄軸的角速度由常規(guī)電機的角速度作為基本速度和伺服電機的角速度作為調速組成（圖 3） .角速度和功率可由方程（ 1） ——（ 18）來計算。 常規(guī)電機和伺 服電機分開驅動 這種方案表明在混合輸入過程中只驅動一臺電動機，同時另一個電機制動，即當曲柄軸在不同的運行階段，常規(guī)電機和伺服電機是分開運行的；因此可以獲得不同的輸出角速度。靈活的低速運行，當常規(guī)電機制動，伺服電機運行時 ,n1=0。 因為 1K+1,所以曲柄軸的輸出角速度是可以調節(jié)的而且能設計出來，且能獲得一個很小的輸出角速度 n10。因此在這個過程中輸出角速度是很小的而且還很靈活。當伺服電機止動時常規(guī)電機運行， n2=0，從方程（ 5）中我們可以得到。曲柄軸有兩個旋轉方向；因此它很靈活。 圖 4 兩種輸出角速 度的物理感應比較 因為驅動旋轉比 i10 和 i20 相互依賴，常規(guī)電機的運行和伺服運行也是相互依賴的，兩個驅動比的數(shù)值可以設置不同的數(shù)值（一個很小，另一個很大）， 所以這兩個輸出角速度可以不同。所以運行可以滿足機械壓力機滑塊在不同時期的運行需要。這兩個輸出角速度的物理感應比較可以由圖 4 來說明。5 總結 根據(jù)機械壓力機的速度特征，差速齒輪系可以應用在混合壓力機的混合機械中。通過以上的分析和計算，可以得到如下結論： （ 1） 調速振幅和差速比是混合機械的兩個重要參數(shù)。它們不僅是可調 速度和基本速度之比，也是伺服電機和常規(guī)電機的 功率之比。 （ 2） 由于常規(guī)電機和伺服電機同時驅動的這個方案，這兩種電機的功率可以設置成很大的數(shù)值，目的是為了滿足機械壓力機的速度需要。所以增加了制造成本和機械壓力機的運行代價，因此在實際應用中是無效的。 （ 3） 由于常規(guī)電機和伺服電機分開驅動的這個方案，伺服電機的功率可以設置成很小的數(shù)值，目的是為了滿足機械壓力機的要求。所以減少了制造成本和機械壓力機的運行成本。因此，這種方案在實際工業(yè)工程中屬于可行的方案。