伺服曲柄压力机设计说明书

伺服曲柄压力机设计计算目录0引言1 伺服曲柄压力机技术参数2伺服曲柄压力机原理与性能设计分析3 伺服曲柄压力机工艺曲线设计分析4 伺服曲柄压力机负载曲线设计分析5 伺服曲柄压力机电机功率设计分析6 伺服曲柄压力机传动机构设计7 伺服曲柄压力机工作机构设计0 引言金属的锻压加工大量采用曲柄压力机，也称为冲床，据不完全统计，我国在用的曲柄压力机冲床数量高达数百万台。目前，锻压生产所用曲柄压力机由高转差率的电动机驱动，由刚性离合器和摩擦离合器控制，存在安全性差、能耗高、故障率高的缺陷。高转差率电动机的效率低于GB18613-2012中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级，从2012年9月1日起被强制淘汰，选用高能效的电动机成为压力机换代升级的首要目标。“开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系统。它由开关磁阻电动机、功率变换器及控制器组成。同传统的直流及交流电机调速系统比较，具有以下优点：电机结构坚固、制造成本低；效率高，不仅在额定输出状态下，而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运行；一般系统效率达80%以上；启动转矩大、启动电流小；制动性能好，能实现再生制动，节约电能效果显著；系统调控性能好，四象限控制灵活；具有无刷结构，适合于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行；可以在各行各业应用。”（摘自中华人民共和国国家发展和改革委员会 中华人民共和国科学技术部 国家环境保护总局 公告2005年 第65号）采用节能的开关磁阻电机替代高耗能的传统电机成为企业节能的发展方向。目前，国外的伺服压力机技术采用永磁伺服技术，抗冲击性能不好，可靠性低、成本高，没有形成对传统压力机的全面替代。1999年以来，由山东科汇电力自动化有限公司研发生产的开关磁阻伺服系统，在压力机领域获得广泛应用。在山东理工大学赵婷婷教授的技术支持下，开关磁阻伺服压力机分别在青岛益友锻压机械有限公司、扬力集团等单位进行了研制，各吨位系列的开关磁阻伺服压力机相继诞生，并开始投入批量生产。实际应用证明，与现有压力机比较，开关磁阻伺服压力机的优势明显、特点突出，特别是高效节能、智能数控自动化与高可靠性的独特优势，受到广大用户的积极响应，并获得一致好评。淄博市能源监测部门的监测，给出了开关磁阻伺服螺旋压力机比摩擦式螺旋压力机节能67.86%的结果（引自淄博市能源监测中心检测报告编号J1010138），由此，当地政府颁布文件，用节能数控压力机强制淘汰摩擦压力机（引自淄经信节字201177号）。电机能效新国标的强制执行与开关磁阻伺服电机技术的成熟，为传统压力机的升级换代以及冲压生产节能智能化带来发展机遇。开关磁阻伺服压力机是具有感知、决策、执行功能的智能锻压装备。智能锻压装备作为高端装备制造业的重点发展方向和信息化与工业化深度融合的重要体现，大力培育和发展智能锻压装备产业对于加快锻压业转型升级，提升生产效率、技术水平和产品质量，降低能源资源消耗，实现锻压生产过程的智能化和绿色化发展具有重要意义。1 伺服曲柄压力机技术参数250吨伺服曲柄压力机技术参数公称压力/ kN： 2500 公称压力行程/ mm： 13 滑块行程/ mm： 315 行程次数（额定值）/ spm： 20 行程次数调速范围n/ spm：10402伺服曲柄压力机原理与性能设计分析2.1 伺服曲柄压力机原理与分析伺服压力机由开关磁阻伺服电机驱动，与传统机械压力机结构不同之处是没有飞轮、离合器、气动制动器及其控制系统。结构组成为：开关磁阻伺服电机经过减速驱动曲柄连杆滑块运动；电机轴设置电磁制动器，电机轴与曲轴端设置位置传感器；制动器和位置传感器连接电机控制器（图2-1）。结构件的连接关系为：伺服电机输出轴键固连小带轮，小带轮通过V带传动连接大带轮，大带轮键固连传动轴的一端，传动轴通过轴承连接机身，传动轴的另一端键固连小齿轮，小齿轮与大齿轮相互齿轮传动，大齿轮键固连接曲柄轴的一端，曲柄轴通过轴承连接机身，曲柄轴的中部通过轴承连接连杆的大端，连杆的另一端滑动连接滑块.图2-1 伺服曲柄压力机原理图1、开关磁阻伺服电机 2、角位移传感器 3、制动器 4、皮带传动 5、传动轴 6、齿轮传动 7、曲轴 8、 连杆 9、滑块 10、传感器 11、机身 12、模具 13、液压缸 14、电机控制器工作原理：压力机起动时，开关磁阻伺服电机以大起动转矩由零速加速旋转，通过减速传动带动曲柄连杆滑块运动，电机在起动加速过程提供的能量储存于系统转动惯量，其能量为，此能量（可由电机转速数控值决定）大于等于额定工作能量，压力行程时，电机全速降，释放此能量，实施冲压；位置传感器给出滑块上止点的位置，通过电机控制器传给伺服电机。单击状态下，当滑块靠近上止点时，伺服电机减速，制动器实施制动，滑块停在上至点，完成一个工作循环。开关磁阻伺服曲柄压力机与传统曲柄压力机的原理比较： （2-1）2.2 伺服系统原理与分析伺服系统有永磁伺服系统和无永磁伺服系统两种。考虑到压力机的冲击性负载特性，主运动采用无永磁体的开关磁阻伺服系统驱动。，开关磁阻伺服系统（SRD）由电机（SRM）及控制器两大部分组成。其电机定、转子由冲有凸极和凹槽的硅钢冲片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，定子的相绕组为集中绕组。结构设计如图2-2所示。以图中三相12/8极定、转子的相对位置作为起始位置，依次给BCA相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，则电机会顺时针方向转动。绕组电流是单向的，有效避免了直通短路。当绝缘栅双极晶体管（IGBT）S1、S2导通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管D1、D2继续流通，并回馈给电源U。因此，SRD的特点是具有再生作用，系统节电、效率高。 转子上固定有齿盘，定子上装有检测齿盘转动的光电传感器，转子角位移以电脉冲信号的方式传送给SRD控制器，由SRD控制器控制电机的工作运动。 SRD控制器包括嵌入式微处理器、PLD可编程逻辑器件、IGBT驱动电路、光电隔离、通信接口、显示屏、键盘、电力电子器件及软件（图2-3）。微处理器把输入信息、反馈信息处理计算，结果传给可编程逻辑器件，PLD控制驱动单元和IGBT的导通与关断，因定、转子的两凸极对齐位置下电感最大，不对齐位置下电感最小，可通过控制电流的斩波值、开通角和关断角，来控制电机运行。图2-2 SRM控制原理图2.3 曲柄压力机数控方法设计驱动压力机的开关磁阻伺服系统工作在用户设定的转速数值。具体数控方法如下：电机定子相电流和转子瞬时转矩及其运动方程为： （2-2） （2-3）式中 -相电流(A) -转子角位移-电机转矩 (N·m)-时间(s)为负载转矩(N·m)-电机转子及工作运动部分的转动惯量（kg·m2）-相电感(H)-电机角速度(s-1)考虑电感上升沿或下降沿的斜率近似为，则电机的转矩可写为 （2-4） 在额定转速以下电机运行在电流斩波状态，把（2-3）、（2-4）式合并，并写成数值的形式，则斩波电流瞬时值为： （2-5）由电流计算值，给定电流上限幅值和下限幅值。若检测电流值，IGBT S1、S2同时关断，迫使电流下降；若检测电流，IGBT导通，电流又开始上升，以此实现对电流斩波值的限定。图2-3 SRD控制器系统框图数控方法由图3的控制电路实现。根据反馈的转子位置信号，确定上止点和下止点的位置，并计算出转速反馈值，根据PID 算法使逼近，根据公式（5）计算电流斩波值；PLD根据位置编码通过驱动电路控制IGBT的导通与关断。2.4 开关磁阻伺服曲柄压力机的特性分析开关磁阻伺服系统与其它系统相比有以下优点：（1） 系统效率高开关磁阻伺服在其宽广的调速范围内，整体效率比其它调速系统高出至少10%。在低转速及非额定负载下高效率则更加明显。（2） 调速范围宽，低速下可长期运转开关磁阻调速带负荷长期运转的转速范围可在零到最高转速内，电机及控制器的温升低于工作在额定负载时的温升。（3） 无过冲起动电流开关磁阻伺服具有软起动特性，电机起动过程没有交流电机起动电流大于额定电流57倍的现象，而是起动电流平滑增加至所需的电流。设定的电机起动时间越长，起动电流越小。（4） 高起动转矩，低起动电流开关磁阻伺服起动转矩达到额定转矩的150%时，起动电流仅为额定电流的30%。 （5） 三相输入电源缺相或控制器输出缺相不烧电动机 开关磁阻伺服若三相输入电源缺相或者欠功率运行或者停转，不会烧毁电机和控制器。电动机输入缺相只会导致电动机输出功率减小，或者有可能导致电动机无法起动。（6） 过载能力强开关磁阻伺服过载能力强，当负载短时大于额定负载时，转速下降，保持最大输出功率，不出现过流现象。当负载恢复正常时，转速恢复到设定转速。（7） 功率器件控制错误不会引起短路开关磁阻伺服的上下桥臂功率器件和电机的绕组串联，不存在发生功率器件控制错误导致短路而烧毁的现象。（8） 可靠性高 开关磁阻伺服的转子无绕组和鼠笼条，电机可高速运转而不变形，机械强度和可靠性均高于其它类设备。定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却。转子无永磁体，可有较高的最大允许温升。（9） 功率因数高普通交流电机空载时功率因数为0.20.4，满载时为0.860.89；而开关磁阻伺服的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。与现有压力机比较，开关磁阻伺服曲柄压力机的突出优势为：(1) 运动数控 曲柄压力机滑块速度，电机角速度的闭环数控，使滑块运动曲线可根据工艺要求进行数字设置，可以设计特殊的工作特性曲线，进行高难度、高精度加工，能够实现低速锻冲急回的变速功能。(2) 生产率高 可以根据工况和自动化连线的需要，在较大范围内数字设定滑块行程次数，其宽范围调速功能，可以有效提高生产率，彻底解决了“不能用连续行程压延较大较深的零件”的难题。(3) 能量数控 开关磁阻数控曲柄压力机加压能量可数控，数控其速度，即数控其能量。(4) 智能数控 对不同工艺、不同材料可调用计算机存储的不同工作曲线，使压力机的加工性能、加工范围大大提高。工艺曲线、时间、产量、耗电量等数据可由微机智能存储和处理，易实现制造过程信息化管理的目标。（5）制件精度高 没有液压过载保护装置，不存在液体受压变形影响闭合高度，床身弹性变形误差小，压力重复精度高，制件精度高。（6）可视化 加压速度、压力、压制时间等工艺参数实时反馈并显示。(7) 通用性提高 现有压力机根据工艺不同而种类繁多，开关磁阻数控压力机可依工艺调节，而满足不同工艺的需求，使同一台压力机工作在不同工况。(8) 模具寿命高 因压制工件的能量和速度可准确数控，使模具受冲击速度减小，寿命提高。(9) 结构简化 曲柄压力机没有了大皮带轮、离合器、液压过载保护装置等，结构极大地得到简化。因滑块能量数控，在吨位仪指示下，打击力不会超载，无需过载保护装置。(11) 上止点位置可控 摆动工艺的上止点可以任意设定， 正常停机时，确保滑块停在上止点，编码器反馈位置信号，在停机前电机减速；当滑块处在上止点时，电机轴制动，确保滑块停在上止点。(12) 安全性高 在电机制动和制动器作用下，滑块可以在任何位置紧急制动停止。