【導(dǎo)讀】HEYuPeng1?,ZHAOShengDun2,ZOUJun2&ZHANGZhiYuan2

　　

【正文】 果表明后者的方案能比伺服電機(jī)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(gè)方案提出了一個(gè)可行的途徑在實(shí)際工程中來(lái)使用混合機(jī)械壓力。 機(jī)械壓力，混合機(jī)制，差動(dòng)輪系，調(diào)速 引言 目前有許多關(guān)于機(jī)械壓力的混合機(jī)制的研究報(bào)道，并且已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)的研究話題?；旌蟿?dòng)力機(jī)制是一種有 2 個(gè)自由度的機(jī)制（也稱(chēng)為差速機(jī)制），當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)同時(shí)輸入時(shí)，輸出的運(yùn)動(dòng)能夠滿足一些運(yùn)動(dòng)要求，這些要求通過(guò)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)組成來(lái)獲得的?；旌蟿?dòng)力機(jī)制也可稱(chēng)為可控機(jī)制，或者稱(chēng)作混合機(jī)器。研究機(jī)械壓力機(jī)的混合機(jī)械的目的是使用大功率常規(guī)電機(jī)利用飛輪來(lái)完成工件的沖壓；并使用低功率的伺服電機(jī)來(lái)調(diào)整滑塊速度。應(yīng)用在機(jī)械壓力中的混合機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于它不僅可以比伺服壓力機(jī)降低更多的制造成本，而且還有一個(gè)靈活的工作速度滑塊。所以混合動(dòng)力 機(jī)械壓力機(jī)在機(jī)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(jī)械中。杜和郭已經(jīng)全面討論了七桿的機(jī)械壓力機(jī)的混合機(jī)制，包括組成連桿機(jī)構(gòu)的可行條件，滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析，和兩臺(tái)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩和功率的分配以及它們之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诙囗?xiàng)式的軌跡規(guī)劃也需要調(diào)查，且計(jì)算機(jī)模擬表明結(jié)果的確吸引人。此外，孟也調(diào)查了七桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，基于最低功率的伺服電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，然后孟建議混合機(jī)制是機(jī)械壓力機(jī)的研究方向。 Tokuz 首次提出了混合機(jī)構(gòu)并且使用差動(dòng)齒輪系分析了合成速度。他的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的理論的可 行性。 調(diào)速幅度和差速比的概念在他們的作品中沒(méi)有提到，并且兩電機(jī)的速度變化和功率之間的關(guān)系也沒(méi)有清楚的給出。但是這些概念對(duì)混合動(dòng)力機(jī)械選擇兩個(gè)電機(jī)的功率、決定傳統(tǒng)電機(jī)和伺服電機(jī)之間的工作負(fù)載分配非常重要而且是絕對(duì)必要的。在參考文獻(xiàn) [13]中他們使用連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)施機(jī)械壓力機(jī)的混合輸入。這種方法相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)檫B桿機(jī)構(gòu)每根連桿的長(zhǎng)度和位置的改變會(huì)對(duì)機(jī)械壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。所以一些主要的問(wèn)題在混合機(jī)械的課程研究中常常被忽略， 而且研究結(jié)果不總是和實(shí)際工程條件相符合。差動(dòng)齒輪系有兩個(gè)自由度，并且任意兩軸之間的傳 動(dòng)比是一個(gè)常數(shù)。為了簡(jiǎn)化機(jī)械模型并使得問(wèn)題更加透明，在這篇文章中差速齒輪系常作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)研究機(jī)械壓力機(jī)的混合問(wèn)題。這篇文章討論了兩電機(jī)調(diào)速幅度和功率之間的關(guān)系，兩電機(jī)之間的工作負(fù)載分配，并且提出了傳統(tǒng)電機(jī)和伺服電機(jī)同時(shí)工作、分開(kāi)工作的兩種驅(qū)動(dòng)方案。隨著 200 噸的機(jī)械壓力機(jī)作為工程背景，機(jī)械壓力機(jī)的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已設(shè)計(jì)出來(lái)，并且在機(jī)械壓力機(jī)中的兩種驅(qū)動(dòng)方案的可行性也已得到了分析。 混合型機(jī)械的主要原則 帶有差動(dòng)齒輪系的混合機(jī)械壓力機(jī)的工作準(zhǔn)則在圖 1中得到了說(shuō)明。系統(tǒng)由傳統(tǒng)電機(jī)（也叫作恒定速度的 AC 機(jī)器 ），伺服電機(jī)，減速器 1，減速器 2，差動(dòng)輪系和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。差動(dòng)輪系的輸出軸由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄軸連接而成。兩根輸入軸中的一根軸通過(guò)減速器 1 和傳統(tǒng)電機(jī)相連；另外一根輸入軸通過(guò)減速器 2 和伺服電機(jī)相連。因此曲柄軸的運(yùn)動(dòng)完全由傳統(tǒng)電機(jī)和伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制。減速器 1和減速器 2以串行方式安裝在兩個(gè)電機(jī)和差速齒輪系單元之間目的是為了承擔(dān)所有傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分減速任務(wù)，因?yàn)樘蟮牟顒?dòng)齒輪系傳動(dòng)比會(huì)使得傳動(dòng)效率下降。傳統(tǒng)電機(jī)的角速度是一個(gè)常數(shù)，所以它的價(jià)格更便宜。伺服電機(jī)的角速度是可調(diào)的，所以它的價(jià)格昂貴?；旌蟿?dòng)力機(jī)構(gòu)系 統(tǒng)中的輸出軸的恒定轉(zhuǎn)速由大功率的傳統(tǒng)電機(jī)提供；而伺服電機(jī)提供可調(diào)的速度。因此，用這種方式，不僅使得機(jī)械壓力機(jī)的曲柄軸的輸出運(yùn)動(dòng)靈活可變，而且還避免使用大功率的伺服電機(jī)。因此它既可以節(jié)約機(jī)器制造代價(jià)又可以節(jié)約機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)成本。 圖 1 差速齒輪系的混合機(jī)構(gòu)工作準(zhǔn)則 機(jī)械壓力機(jī)滑塊的速度特征 機(jī)械壓力機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)體現(xiàn)了周期性的變化規(guī)律。機(jī)械壓力機(jī)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(chēng)作快速進(jìn)給階段）從頂部死角中心移到工作起點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械壓力機(jī)的滑塊接近工作起點(diǎn)時(shí)，它的速度會(huì)從高速變成 低速，然后以低速（稱(chēng)作低速進(jìn)給階段）沖壓工件。低速的滑塊是為了避免對(duì)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(dá)到工件死角中心的底部時(shí)，滑塊會(huì)以高速返回并最終停在死角中心的頂部（稱(chēng)作快速返回階段）。因此，機(jī)械壓力機(jī)的滑塊的移動(dòng)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(yīng)該盡可能一樣快，速度 V2 應(yīng)該緩慢、靈活，目的是為了確保機(jī)械壓力機(jī)每分鐘的工作次數(shù)并能滿足不同技術(shù)的要求。事實(shí)上機(jī)械壓力機(jī)在到達(dá)死角中心的底部之前僅以一個(gè)很短的行程工作，而在 其他行程中對(duì)工件來(lái)說(shuō)是不工作的。 混合機(jī)械的術(shù)語(yǔ)和方程 所有軸的角速度的關(guān)系 如圖 1所示在差動(dòng)齒輪輪系中有三個(gè)外部軸。為了方便的表達(dá)三個(gè)軸之間的關(guān)系，和常規(guī)電機(jī)連接的軸叫軸 1，和伺服電機(jī)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?yàn)樵诓顒?dòng)齒輪系中有兩個(gè)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(dòng)比。所以這三根軸的傳動(dòng)比和角速度的關(guān)系需要表達(dá)出上標(biāo)和下標(biāo)的特點(diǎn)。 圖 2 滑塊的理想核心位置 常規(guī)電機(jī)對(duì)輸出 運(yùn)動(dòng)的影響 當(dāng)伺服電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)， n2=0，只有常規(guī)電機(jī)的角速度 影響輸出的角速度 n0。 伺服電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的影響 當(dāng)常規(guī)電機(jī)停止時(shí)， n1=0,僅有伺服電機(jī)的角速度影響輸出角速度 n0。 當(dāng) n10 代表軸 0的角速度，并且 i20 代表從軸 2到軸 0 的總的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸 1（伺服電機(jī)的軸）修理時(shí)它包括差速齒輪和減速器 2。 常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)對(duì)輸出運(yùn)動(dòng)的影響 當(dāng)常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)同時(shí)以經(jīng)過(guò)差速齒輪系的組成來(lái)運(yùn)行時(shí)，輸出速度可以表達(dá)。當(dāng) K 是伺服電機(jī)的實(shí)際角速度和特殊角速度之比時(shí)，數(shù)值相對(duì)的在 1左右或 +1，包括 是伺服電機(jī)的特殊角速度。 調(diào)速振幅和差速比 調(diào)速振幅 為了正確的描述混合機(jī)械的差速齒輪系的變化速度，需要引入調(diào)速振幅的概念。如圖 1 所示，調(diào)速振幅是最大和最小的絕對(duì)值之比。在混合機(jī)械的差速齒輪中，調(diào)速振幅等于運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)伺服電機(jī)的軸 0 輸出速度和運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)常規(guī)電機(jī)的軸 0 輸出速度之比。 在混合機(jī)械的差速齒輪中，調(diào)速振幅是最基本和最重要的技術(shù)參數(shù)。它不僅決定兩個(gè)輸出軸的速度匹配關(guān)系，還決定了伺服電機(jī)和常規(guī)電機(jī)安裝能力的匹配關(guān)系。 差速齒輪速度比 差速齒輪速度比通常用來(lái)表達(dá)在差速 齒輪系中的調(diào)速技術(shù)體現(xiàn)。它是差速齒輪系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)。差速齒輪比等于調(diào)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(jī)和伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)這一事實(shí)，一個(gè)代表兩個(gè)電機(jī)的功率的方程可以被推倒出來(lái)。 P是常規(guī)電機(jī)的功率， P=M1n1. P2 是伺服電機(jī)的功率， P2=M2n2. 工作載荷功率分配 假設(shè)機(jī)械壓力機(jī)的工作載荷功率是 P0，常規(guī)電機(jī)，伺服電機(jī)和工作載荷之間的功率關(guān)系可以表達(dá)如下。 圖 3調(diào)速振幅的物理感應(yīng) 從（ 9）到（ 11），常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)之間的輸出功率由 K 值決定，它等于伺服電機(jī)的角速度的變化之比。因此當(dāng)輸出角速度在不同的工作區(qū)域運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)電機(jī)載荷之比也不同。 輸出軸以一個(gè)基本的速度運(yùn)行 當(dāng)伺服電機(jī)的輸出角速度等于 0 時(shí)，也就是， K=0， P2=0，從（ 9）中可以得到。這就是常規(guī)電機(jī)所承受的載荷功率。 輸出軸在增速區(qū)域運(yùn)行 伺服電機(jī)在正方向運(yùn)行， 0K1,P1 和 P2都是正值，所以常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)都承受一部分工作載荷。因此常規(guī)電機(jī)承受 %—— 100%的工作載荷，伺服電機(jī)僅承受 0—— %的工作載荷。調(diào)速和差速比的數(shù)值決定了兩個(gè)電機(jī)之間的工作載荷 分配。 輸出軸在增速區(qū)域運(yùn)行。 在增速區(qū)域，伺服電機(jī)在負(fù)方向運(yùn)行， K 值變化在 0—— 1 之間。根據(jù)方程（ 9）和（ 10）， P1 是負(fù)值。伺服電機(jī)的負(fù)值說(shuō)明伺服電機(jī)的功率已經(jīng)是工作阻力。因此常規(guī)電機(jī)不僅為工作載荷做功，還為伺服電機(jī)的功率做功。因此當(dāng)輸出角速度在減速區(qū)域，常規(guī)電機(jī)比其他領(lǐng)域消耗更多的能量。輸出速度的減小是以消耗伺服電機(jī)的輸入功率來(lái)衡量的。為了節(jié)約能量，輸出角速度應(yīng)當(dāng)避免或者減少在減速區(qū)域運(yùn)行。 混合機(jī)械壓力機(jī)的兩種驅(qū)動(dòng)方案 根據(jù)方程（ 3），混合機(jī)械的輸出角速度和常規(guī)電機(jī)，伺服電機(jī)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(jī)械壓力機(jī)的曲柄軸有聯(lián)系， 所以這兩個(gè)軸有相同的角速度。當(dāng)常規(guī)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，或同時(shí)驅(qū)動(dòng)它們時(shí)，機(jī)械壓力機(jī)的曲柄滑塊可以獲得差動(dòng)角速度。因此，混合機(jī)械壓力機(jī)有兩種建議方案：（ i）常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)；（ ii）常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)分開(kāi)驅(qū)動(dòng)。 常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng) 這種方案表明機(jī)械壓力機(jī)曲柄軸的角速度由常規(guī)電機(jī)的角速度作為基本速度和伺服電機(jī)的角速度作為調(diào)速組成（圖 3） .角速度和功率可由方程（ 1） ——（ 18）來(lái)計(jì)算。 常規(guī)電機(jī)和伺 服電機(jī)分開(kāi)驅(qū)動(dòng) 這種方案表明在混合輸入過(guò)程中只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)另一個(gè)電機(jī)制動(dòng)，即當(dāng)曲柄軸在不同的運(yùn)行階段，常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)是分開(kāi)運(yùn)行的；因此可以獲得不同的輸出角速度。靈活的低速運(yùn)行，當(dāng)常規(guī)電機(jī)制動(dòng)，伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí) ,n1=0。 因?yàn)?1K+1,所以曲柄軸的輸出角速度是可以調(diào)節(jié)的而且能設(shè)計(jì)出來(lái)，且能獲得一個(gè)很小的輸出角速度 n10。因此在這個(gè)過(guò)程中輸出角速度是很小的而且還很靈活。當(dāng)伺服電機(jī)止動(dòng)時(shí)常規(guī)電機(jī)運(yùn)行， n2=0，從方程（ 5）中我們可以得到。曲柄軸有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向；因此它很靈活。 圖 4 兩種輸出角速 度的物理感應(yīng)比較 因?yàn)轵?qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)比 i10 和 i20 相互依賴(lài)，常規(guī)電機(jī)的運(yùn)行和伺服運(yùn)行也是相互依賴(lài)的，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)比的數(shù)值可以設(shè)置不同的數(shù)值（一個(gè)很小，另一個(gè)很大）， 所以這兩個(gè)輸出角速度可以不同。所以運(yùn)行可以滿足機(jī)械壓力機(jī)滑塊在不同時(shí)期的運(yùn)行需要。這兩個(gè)輸出角速度的物理感應(yīng)比較可以由圖 4 來(lái)說(shuō)明。5 總結(jié) 根據(jù)機(jī)械壓力機(jī)的速度特征，差速齒輪系可以應(yīng)用在混合壓力機(jī)的混合機(jī)械中。通過(guò)以上的分析和計(jì)算，可以得到如下結(jié)論： （ 1） 調(diào)速振幅和差速比是混合機(jī)械的兩個(gè)重要參數(shù)。它們不僅是可調(diào) 速度和基本速度之比，也是伺服電機(jī)和常規(guī)電機(jī)的 功率之比。 （ 2） 由于常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的這個(gè)方案，這兩種電機(jī)的功率可以設(shè)置成很大的數(shù)值，目的是為了滿足機(jī)械壓力機(jī)的速度需要。所以增加了制造成本和機(jī)械壓力機(jī)的運(yùn)行代價(jià)，因此在實(shí)際應(yīng)用中是無(wú)效的。 （ 3） 由于常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)分開(kāi)驅(qū)動(dòng)的這個(gè)方案，伺服電機(jī)的功率可以設(shè)置成很小的數(shù)值，目的是為了滿足機(jī)械壓力機(jī)的要求。所以減少了制造成本和機(jī)械壓力機(jī)的運(yùn)行成本。因此，這種方案在實(shí)際工業(yè)工程中屬于可行的方案。