【正文】 研發(fā)生產的開關磁阻伺服 系統(tǒng)，在壓力機領域獲得廣泛應用?！保ㄕ浴吨腥A人民共和國國家發(fā)展和改革委員會 中華人民共和國科學技術部 國家環(huán)境保護總局 公告 2021 年 第65 號 》）采用節(jié)能的開關磁阻電機替代高耗能的傳統(tǒng)電機成為企業(yè)節(jié)能的發(fā)展方向。它由開關磁阻電動機、功率變換器及控制器組成。 高轉差率電動機的效率低于 GB186132021《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，從 2021 年 9 月 1 日起被強制淘汰，選用高能效的電動機成為壓力機換代升級的首要目標。 1 伺服曲柄壓力機設計計算 目錄 0 引言 1 伺服曲柄壓力機技術參數 2 伺服曲柄壓力機原理與性能設計分析 3 伺服曲柄壓力機工藝曲線設計分析 4 伺服曲柄壓力機負載曲線設計分析 5 伺服曲柄壓力機電機功率設計分析 6 伺服曲柄壓力機傳動機構設計 7 伺服曲柄壓力機工作機構設計 2 0 引言 金屬的鍛壓加工大量采用曲柄壓力機，也稱為沖床，據不完全統(tǒng)計，我國在用的曲柄壓力機沖床數量高達數百萬臺。目前，鍛壓生產所用曲柄壓力機由高轉差率的電動機驅動，由剛性離合器和摩 擦離合器控制，存在安全性差、能耗高、故障率高的缺陷。 “開關磁阻電機系統(tǒng)是一種機電一體化節(jié)能型調速電機系統(tǒng)。同傳統(tǒng)的直流及交流電機調速系統(tǒng)比較，具有以下優(yōu)點：電機結構堅固、制造成本低；效率高，不僅在額定輸出狀態(tài)下，而且在寬廣的調速范圍內也能保持高效率運行；一般系統(tǒng)效率達 80%以上；啟動轉矩 大、啟動電流??；制動性能好，能實現再生制動，節(jié)約電能效果顯著；系統(tǒng)調控性能好，四象限控制靈活；具有無刷結構，適合于在高粉塵、高速、易燃易爆等惡劣環(huán)境下運行；可以在各行各業(yè)應用。 目前，國外的伺服壓力機技術采用永磁伺服技術，抗沖擊性能不好，可靠性低、成本高，沒有形成對傳統(tǒng)壓力機的全面替代。在山東理工大學趙婷婷教授的技術支持下，開關磁阻伺服 壓力機分別在青島益友鍛壓機械有限公司 、揚力集團 等單位進行了 研制 ， 各噸位系列的開關磁阻伺服壓力機相繼誕生， 并開始投入批量生產。 淄博市能源監(jiān)測部門的監(jiān)測，給出了開關磁阻伺服螺旋壓力機比摩擦式螺旋壓力機節(jié)能 %的結果（引自《淄博市能 源監(jiān)測中心檢測報告》編號 J1010138），由此，當地政府頒布文件，用節(jié)能數控壓力機強制淘汰摩擦壓力機（引自淄經信節(jié)字[2021]77 號）。開關磁阻伺服壓力機 是具有感知、決策、執(zhí)行功能的 智能鍛壓 裝備。 4 1 伺服曲柄壓力機技術參數 250 噸伺服曲柄壓力機技術參數 公稱壓力 gF / kN： 2500 公稱壓力行程 gS / mm： 13 滑塊行程 S / mm： 315 行程次數（額定值） gn / spm： 20 行程次數調速范圍 n/ spm： 10— 40 5 2 伺服曲柄壓力 機原理與性能設計分析 伺服曲柄壓力機原理與分析 伺服壓力機由開關磁阻伺服電機驅動，與傳統(tǒng)機械壓力機結構不同之處是沒有飛輪、離合器、氣動制動器及其控制系統(tǒng)。 結構件的連接關系為：伺服電機輸出軸鍵固連小帶輪，小帶輪通過 V 帶傳動連接大帶輪，大帶輪鍵固連傳動軸的一端，傳動軸通過軸承連接機身，傳動軸的另一端鍵固連小齒輪，小齒輪與大齒輪相互齒輪傳動，大齒輪鍵 固連接曲柄軸的一端，曲柄軸通過軸承連接機身，曲柄軸的中部通過軸承連接連桿的大端，連桿的另一端滑動連接滑塊 . 圖 21 伺服曲柄壓力機原理圖 開關磁阻伺服電機 角位移傳感器 制動器 皮帶傳動 傳動軸 齒輪傳動 曲軸 連桿 滑塊 傳感器 1機身 1模具 1液壓缸 1電機控制器 工作原理： 壓力機起動時，開關磁阻伺服電機以大起動轉矩由零速加速旋轉，通過減速傳動帶動 曲柄連桿滑塊 運動，電機在起動 加速過程提供的能量儲存于系統(tǒng)轉動慣量，其能量為 221eeJ?，此能量（可由電機轉速數控值決定）大于等于額定工作能量 gE ，壓力行程時，電機全速降，釋放此能量，實施沖壓；位置傳感器給出 滑塊 上止點的位置，通過電機控制器傳給伺服電機。 開關磁阻伺服曲柄壓力機與傳統(tǒng)曲柄壓力機的原理比較： )(2121 22212 ??? ??? JJE ee （ 21） 伺服系統(tǒng)原理與分析 伺服系統(tǒng)有永磁伺服系統(tǒng)和無永磁伺服系統(tǒng)兩種。 開關磁阻伺服系統(tǒng)（ SRD）由電機（ SRM）及控制器兩大部分組成。轉子上既無繞組也無永磁體，定子的相繞組為集中繞組。以圖中三相 12/8 極定、轉子的相對位置作為起始位置，依次給 B→ C→ A相繞組通電，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉；反之，則電機會 順時針方向轉動。 當絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） S S2 導通時， A相繞組從直流電源 U吸收電能，而當S S2 關斷時，繞組電流經續(xù)流二極管 D D2 繼續(xù)流通，并回饋給電源 U。 轉子上固定有齒盤，定子上裝有檢測齒盤轉動的光電傳感器，轉子角位移以電脈沖信號的方式傳送給 SRD 控制器，由 SRD 控制器控制電機的工作運動。微處理器把輸入信息、反饋信息處理計算，結果傳給可編程邏輯器件， PLD 控制驅動單元和 IGBT 的導通與關斷，因定、轉子的兩凸極對齊位置下電感最大 maxL ，不對齊位置下電感最小 minL ，可通過控制電流的斬波值 i 、開通角 on? 和關斷角 off? ，來控制電機運行。具體數控方法如下： 7 電機定子相電流和轉子瞬時轉矩及其運動方程為： ?? ddLiM e 2)(21? （ 22） dtdJMM Le ??? （ 23） 式中 i 相電流 (A) ? 轉子角位移 eM 電機轉矩 (N m) J 電機轉子及工作運動部分的轉動慣量 （ kg若檢測電流值Hc ii ? ， IGBT S S2同時關 斷，迫使電流下降；若檢測電流 Lc ii ? ， IGBT 導通，電流又開始上升，以此實現對電流斬波值的限定。根據反饋的轉子位置信號，確定上止點和下止點的位置，并計算出轉速反饋值 n? ，根據 PID 算法使 1?n? 逼近 ? ，根據公式（ 5）計算電流斬波值 i ； PLD 根據位置編碼通過驅動電路控制 IGBT 的導通與關斷。在低轉速及非額定負載下高效率則更加明顯。 （ 3） 無過沖起動電流 開關磁阻伺服具有軟起動特性，電機起動過程沒有交流電機起動電流大于額定電流 5~7倍的現象，而是 起動電流平滑增加至所需的電流。 （ 4） 高起動轉矩，低起動電流 開關磁阻伺服起動轉矩達到額定轉矩的 150%時，起動電流僅為額定電流的 30%。電動機輸入缺相只會導致電動機輸出功率減小，或者有可能導致電動機無法起動。當負載恢復正常時，轉速恢復 到設定轉速。 （ 8） 可靠性高 開關磁阻伺服的轉子無繞組和鼠籠條，電機可高速運轉而不變形，機械強度和可靠性均 9 高于其它類設備。轉子無永磁體，可有較高的最大允許溫升。 與現有壓力 機比較，開關磁阻 伺服曲柄 壓力機的突出 優(yōu)勢 為： (1) 運動數控 曲柄壓力機滑塊速度 s in s in 22evRi? ???????????， 電機角速度 e? 的閉環(huán)數控 ， 使滑塊運動曲線可根據工藝要求進行數字設置 ， 可以設計特殊的工作特性曲線 ，進行高難度、高精度加工 ， 能夠實現低速鍛沖急回的變速功能。 (3) 能量數控 開關磁阻數控曲柄壓力機加壓能量可數控 ， 數控其速度 ， 即數控其能量。工藝曲線、時間、產量、耗電量等數據可由微機智能存儲和處理 ， 易實現制造過程信息化管理的目標。 （ 6） 可視化 加壓速度、壓力、壓制時間等工藝參數實時反饋并顯示。 (8) 模具壽命高 因壓制工件的能量和速度可準確數控 ， 使模具受沖擊速度減小，壽命提高。因滑塊能量數控，在噸位儀指示下，打擊力不會超載，無需過載保護裝置。 (12) 安全性高 在電機制動和制動器作用下 ， 滑塊可以在任何位置緊急制動停止。數控伺服壓力機沒有離合器結合能耗 ， 滑塊停止后 ， 電機停轉 ， 也沒有了電機、 10 皮帶輪空轉 ， 能耗顯著降低。 (14) 工作可靠性高 與其他電機系統(tǒng)相比 ， 開關磁阻電機轉子即無繞組也無永磁體 ，機械強度高；電機在三相輸入電源缺相或者欠功 率運行或者悶車的情況下 ， 不會燒毀電機和控制器；功率器件不會發(fā)生因控制錯誤導致短路而燒毀的現象 ， 并且溫升低。 （ 16） 可以保壓 在下止點壓緊工件時，滑塊可以短時間停留，實現液壓機的保壓功能。 （ 18） 使用方便 模具調試時，能夠以極慢的速度寸動下行，不會發(fā)生故障，不用配置微調傳動 ， 調模試模極為方便，需要外設調模試模液壓機，可以在導柱導套接觸后，試沖工件，不會發(fā)生悶車。 開關磁阻伺服曲柄壓力機即 保持了機械驅動的種種優(yōu)點，又改變了其工作特性不可調的缺點， 能極方便地改變滑塊的運動曲線，獲得不同的工件變形速度， 使機械驅動的成形裝備也具有了柔性化和智能化的特點，工作性能和工藝適應性大大提高， 保證了沖壓件的質量 ；同時，結構簡化，重量減輕，安裝、調試、使用方便，無離合器及其氣動系統(tǒng)，減少維修、降低能耗，可靠性提高，安全性提高，實現主運動的數字化信息化控制。 開關磁阻伺服 壓力機提升了成形加工產業(yè)的制件精度的整體水平，將使我國制造業(yè)水平進入了高技術低消耗的新階段。 曲柄滑塊運動分析 空載狀態(tài)下的運動分析如下 . 滑塊位移與曲柄轉角的關系 圖 31 曲柄連桿滑塊機構運動分析圖 圖 31 中： （ 1 ） O 點為曲柄的回轉中心； （ 2 ） A 點為連桿與曲柄的連接點； （ 3 ） B 點為連桿與滑塊的連接點， B 點的運動代表滑塊的運動（即分析時滑塊可看作點運動）； （ 4 ） OA 表示曲柄半徑 R； （ 5 ） AB 表示連桿長度 L； （ 6 ） ?為曲柄與鉛垂線的夾角，順時針為正方向； 12 （ 7 ） ?曲柄旋轉的 角速度，逆時針為正方向； （ 8 ） s代表滑塊距下死點的距離，向上為正； （ 9 ） ?代表滑塊作往復直線運動的速度，向下為正方向； （ 10） 曲軸在最高點為 0180 ，最低點為 0 度。 根據圖 32，滑塊位移 s 的數學表達式為 )c o sc o s( ?? LRLRs ???? （ 31） LR?? （ ? 連桿系數） 由三角函數公式可得： ?? 2sin1co s ?? 由圖 32 結構，可得： ???? s ins ins in ?? LR ???? 222 s i n1s i n1c o s ???? )]s i n11(1)c os1[( 22 ???? ?????? Rs 將 cosβ按泰勒公式展開，取前兩項得： ??? 22 sin211c os ?? 又 2 2c os1sin 2 ?? ??? ?????? ????? )2c os1(41)c os1( ???Rs （ 32） 假設，曲柄上止點為 0 度，下止點為 180 度。 滑塊速度與曲柄轉角的關系 13 根據運動學中位移和速度的微分方程 ??dtds 又因 速度正方向向下，可列以下速度公式 ?????? ??????????? ??????? 2s i n21s i n)()2( Rdtdsdtdddsdtdsdt sRdv 其中 ? =dtd? 令 ??? ?? ?????? ?? ???? 2s in2s inRv （ 34） （ 34）式中， ? 為曲柄的角速度， ? 為滑塊 速度，向下為正方向。不同的行程次數時，由于滑塊的速度 v，加速度 a 都與曲柄的角速度有關，在不同的行程次數下，滑塊的速度 v，加速度 a 是變化的。 3） ? 是曲柄滑塊的轉速，其大小是由伺服電機通過傳動機構按照一定的傳動比轉換過來參數（ 電? = i?曲? ， i 為傳動比），所以計算機控制伺服電動機的角速度可以直 接控制滑塊的運動。 曲柄滑塊運動工藝曲線設計計算 滑塊運動工藝曲線與曲柄轉角的關系 根據位移 s、速度 v、加速度 a 的公式， ?????? ????? )2c os1(41)c os1( ???Rs ?????? ?? ???? 2s in2s inRv ? ????? 2c o sc o s2 Ra ? 式中， R 為曲柄半徑， ??? ， 15 ? 為連桿系數， λ= ?為曲柄轉角。 位移 s/mm 1 0 2 30 3 6