复合伺服驱动压边力控制方法及执行机构设计

0 引言

　　在板料拉深成形过程中，压边力的作用是为了防止变形区金属的起皱失稳。压边力过小不足以抑止板坯的起皱，但其过大又会使传力区的金属超过承载能力而引起破坏。压边力是影响拉深过程的重要工艺参数，因而控制压边力是控制拉深成形过程的重要手段。

　　为适应新材料(如轻质合金)、新工艺板材(如拼焊板)对成形工艺中压边力控制技术的要求，目前，此领域的主要研发方向为：① 控制过程精确化、智能化和柔性化；② 节能和环保；③ 工艺参数对成形过程影响规律的精确描述。

　　伺服驱动技术至今未能广泛地用于成形制造领域，主要原因之一就是小功率的伺服电机不能满足成形瞬间的大功率输入需求。因此，如何解决伺服电机与执行机构之间功能的有效转换，降低压边过程对电机功率的要求，成为压边力控制的关键问题之一。

　　为解决上述问题，本文采用复合伺服驱动压边力控制方法设计了六杆执行机构。理论分析和仿真结果表明，所设计的压边力控制系统可以满足压边力控制的工艺要求。

1 复合伺服驱动压边力控制的方法及原理

　　根据拉深工艺对压边力的要求，文献提出了以数控伺服电机作为驱动元件实现压边的方法。这种压边力控制方法可以使压边力按预先设定的压边力行程曲线变化，精确地实现拉深过程的压边力控制要求，对提高成形极限和保证成形制件的质量具有积极意义。

　　压边过程是一个变速运动过程，需要慢速压下，快速抬起，并要求在不同的压边瞬问产生不同的增力比。根据拉深工艺特点，在同时考虑系统刚度、功能转换效率等前提下，以六杆机构作为执行机构，采用该机构与伺服电机驱动的复合化设计方案，可以满足小功率的伺服电机产生大压边力的要求。图1所示为复合伺服驱动压边力控制系统框图。在计算机控制下，由交流伺服电机驱动的滚珠丝杠螺母副将回转运动转化为直线运动，再由六杆机构将输入的直线运动转换为输出的变速直线运动，通过压力传感器形成闭环控制系统。

图1 复合伺服驱动压边力控制系统框图

　　图2为六杆机构简图。输入滑块(上滑块)与螺母相连，输出滑块(下滑块)与压料板相连。合理设计杆系尺寸，可使压边装置具有快速压下、慢速加载及快速返回的工作特性，得到需要的输入和输出速度比，满足压边过程产生较大压边力的工艺要求。

图2 六杆机构简图

　　2.1 六杆机构杆系尺寸设计

　　在压边最大行程130mm 变化范围内，以压边工艺需要的变速传动比为目标，以机构强度、刚度和杆系最大尺寸限制等为约束条件，利用优化设计得到六杆结构尺寸：L=93mm，L_AB=93mm ，L_BC=55m m ，L_CD=116m m ，L=181mm(图2)，图2中的Y 、Y 分别为输入和输出滑块至点E的距离，它们之间的关系可用参数方程的形式表示如下：

　　由式(1)和式(2)可得到该机构对应的输入与输出位置关系曲线，如图3所示。在某段区间内，当输入Y1的变化量很大时，通过六杆执行机构转换到压料板的输出Y2的变化量很小，满足压料板和被压板料之间在竖直方向的相对位移量很小的工作要求。

　　将式(1)、式(2)对参变量θ求导，可得

图4 六杆执行机构输入与输出速比曲线