数控伺服压力机混合驱动传动控制系统的结构设计与分析

2023-03-05

1 轮系混合驱动压力机的工作原理

轮系混合驱动压力机的工作原理是由定速的常规交流电机、调速的伺服电机、减速器Ⅰ、减速器Ⅱ、差动轮系和曲柄滑块机构等主要元件组成。差动轮系的输入分别为与减速器Ⅰ和减速器Ⅱ相连的常规电机和伺服电机的输出, 差动轮系的输出轴与曲柄滑块机构的曲轴相连接。通过差动轮系将常规电机和伺服电机提供的动力源进行混合, 压力机滑块的运动由伺服电机和常规电机的合成运动来控制, 其中功率较大的常规电机为压力机提供一个恒定的速度输入, 功率较小的伺服电机用于滑块的速度调节。这样, 可解决当前大吨位伺服压力机所存在的伺服电机成本问题。

2 轮系混合驱动差动轮系的结构特点

在混合驱动中所采用的差动轮系是具有两个自由度的周转轮系, 属于平面轮系机构。差动轮系具有一般周转轮系的特点, 能实现大功率传动、承载能力强、结构紧凑、传动比大、传动效率高;能够实现运动的合成与分解, 能够将两个转动输入, 按一定关系合成为一个新的转动输出;也可将一个转动输入, 按一定关系分配给两个转动输出。因此, 差动轮系在许多领域得到应用, 包括交通运输、农用机械、冶金机械、机械加工设备, 军工产品, 儿童玩具等。本文所采用差动轮系为NGW型机构 (N为内啮合副, W为外啮合副, G为同时与两个中心轮相啮合公共齿轮副) , 它由太阳轮Za、内齿轮Zb、行星轮Zc以及系杆H组成。其工作原理为:常规电机的动力由内齿轮Zb输入, 伺服电机的动力由太阳轮Za输入, 经合成后由系杆H输出。NGW型差动轮系有3个相同的行星齿轮Zc均布在中心太阳轮Za的周围, 以共同分担外部载荷, 齿面所承受的载荷较小, 齿轮可采用较小模数;差动轮系采用对称分流的传动结构, 作用于中心轮和转臂轴承中的作用力相互平衡, 有利于提高传动效率;3个对称的行星轮均匀分布在中心轮周围, 也使行星轮的惯性力平衡, 此外同时参与啮合的齿数多, 使该轮系传动平稳, 抗冲击振动能力强, 工作可靠。

3 轮系混合驱动传动控制系统的结构设计

本文仍以80t机械压力机为背景进行轮系混合伺服驱动传动系统的结构设计, 其作业次数为60次/min, 滑块行程为140mm, 公称压力行程为5mm。

3.1 调速幅度的选择

压力机对外做功的滑块速度是呈周期性变化的。若在一个周期内所需的滑块工作曲线如图1所示, 滑块从上死点出发, 开始以较高的运动速度向下运动;当滑块接近工作位置时, 将以所要求的冲压工艺速度相对工件运动, 以满足工件的加工质量要求;当滑块完成冲压过程到达下死点时, 又以较高的运动速度作回程运动直至上死点, 完成一个冲压周期的作业。

对于混合驱动系统, 选取合适的调速幅度十分重要。调速幅度m取值愈大, 一个周期中的滑块运动速度差愈大, 这对压力机冲压工艺较为有利。如图2所示, 随着调速幅度m的增大, 最高与最低速度的速度差随之增大, 下死点附近处的滑块工作速度就会越小。

随着调速幅度m的增大, 所需的伺服电机功率和常规电机功率均随之增加, 这将加大压力机的制造成本。因此, 调速幅度的选取需要权衡与机床成本间的关系。本文选取调速幅度为m=0.3, 即差速比R=10/3。根据压力机60次/min冲压频率要求, 取差动轮系输出轴基准转速为50r/min, 按照所选取的m=0.3调速幅度, 计算得到轮系混合驱动压力机滑块工作范围为35r/min~65r/min, 即最低转速为35r/min, 最高转速为65r/min。

3.2 轮系混合驱动传动系统参数的确定

(1) 电机功率的确定。

在进行电机功率设计时, 先按通常机械压力机设计原则初步确定常规电机功率为7.5kw, 然后按所设定的调速比计算伺服电机功率为2kw。由于伺服电机的减速运动实际上是一种阻力运动, 需要常规电机克服这种阻力为冲压过程做功, 因而常规电机实际所需功率按式 (4~21) 调整为9.5kw。

(2) 各级传动比的确定。

常规电机1的输出运动经皮带轮r1、r2以及齿轮z6、z5两级减速, 传送给差动轮系内齿轮Zb;伺服电机2的输出运动经过齿轮z1、z2以及齿轮z3、z4两级齿轮的减速, 传送给差动轮系的太阳轮Za。差动轮系的输出轴与曲柄滑块机构3相连, 从而将两个驱动源的混合运动传送给压力机滑块, 实现所需的冲压运动。可见, 滑块的运动完全取决于常规电机和伺服电机输出运动的混合, 通过改变伺服电机转速, 便可得到不同的冲压曲线, 以适应不同的冲压加工工艺要求。

4 轮系混合驱动传动系统三维实体模型的设计

本文所设计的轮系混合驱动传动系统实体模型, 它是以80t机械压力机机械结构为基础, 包括常速电机驱动装置、伺服电机驱动装置 (调速机构) 、差动轮系、杆系机构和执行机构五部分组成。差动轮系实现是轮系混合驱动伺服压力机结构设计的关键。为此, 本文设计的差动轮系如图3所示, 包括内齿轮、中心轮、行星轮以及输出系杆 (曲轴) 等。为了提高差动轮系的承载能力, 采用3个行星轮均匀分布结构, 合理利用内啮合齿轮传动空间, 同时可使行星轮公转产生的惯性力以及各行星轮齿廓啮合处的径向分力得以平衡, 大大改善了差动轮系的受力状况, 可实现大功率传动。机身是压力机的重要基础部件, 承受压力机的全部工作载荷, 其承载能力及其动态性能将直接影响产品精度及模具的使用寿命。

通过对轮系混合驱动传动系统性能分析和三维结构设计, 可以看出轮系混合驱动有如下的特点。

(1) 该轮系混合驱动伺服压力机具有较好的“可控性”, 可通过较小功率伺服电机的转速调节, 便可得到不同工艺要求的压力曲线。 (2) 常规电机驱动装置基本沿用传统曲柄压力机结构, 与传统曲柄压力机的兼容性较好, 研制周期短, 开发速度快。 (3) 通过差动轮系进行运动混合, 传动比一定, 系统易于设计。 (4) 但其结构较为复杂, 制造装配困难;另随调速幅度的增加, 伺服电机和常规电机的功率消耗均随之加大。尽管如此, 轮系混合驱动系统为压力机增添了一种驱动结构形式, 在目前调速幅度不大的大功率冲压工况下, 还不失为一种可行的数控压力机混合驱动结构, 可大大降低数控压力机制造成本。

摘要：混合驱动的另一类结构形式为轮系混合驱动结构, 它借助于差动轮系将两种不同的动力源进行混合, 可用较小功率的伺服电机达到对大吨位压力机进行调速的目的。本文在阐述轮系混合驱动系统工作原理基础上, 进行了两个驱动源功率分配方法研究, 设计了轮系混合驱动系统的机械结构, 构建了系统的三维数据模型。

关键词：数控伺服压力机,混合驱动,结构,传统控制系统