复合伺服驱动压边力控制方法及执行机构设计

　　合伺服驱动压边装置的结构原理如图5所示，伺服电机1经联轴器2、驱动丝杠3和螺母4做直线运动，由螺母带动六杆执行机构5将运动和力传递给下滑板6，下滑板6通过连接杆7与模具的压料板8相连，从而实现压边。

图5 复合伺服驱动压边装置结构原理图

　　压边装置拟安装在HIF80数控伺服压力机上。该装置除应符合前述的压边力控制和拉深工艺要求之外，还应满足结构紧凑、刚度高和易装配等要求。此外，设计过程中要考虑总体外形尺寸，以便于其安装在压力机的下底孔内。与其关联的压力机尺寸包括工作台孔尺寸、工作台与地面的距离和压力机的最大开间距离等。根据图5和上述要求设计的压边装置具体结构如图6所示。

图6 复合伺服驱动压边装置结构

　　图6中的交流伺服电机(图中未给出)输出轴通过联轴器2带动滚珠丝杠3和螺母4实现直线往复运动，与螺母相连的连接件5通过中杆11、上杆10和下杆12带动下滑板14运动，下滑板14通过连接杆8连接压料板7完成可控压边运动，其中机架9固定在伺服压力机工作台上，连接板13将电机架16与机架9固连在一起，电机安装在电机架16上。在运动过程中由下杆12把动力和运动传给下滑板14，下滑板14经缓冲垫15，通过螺母和连接杆8连接压料板7，实现压边运动。

　　2.3 复合伺服驱动系统设计

　　复合伺服驱动压边装置利用交流伺服电机驱动机械传动机构，实现压边力的精确控制。为选择合适的电机，需要求出折算到电机轴上的负载转矩M、等效负载惯量和加速力矩等，其负载转矩的计算公式为

　　若压边装置产生的最大压边力为200kN，压边机构的最大行程为130mm，选用的滚珠丝杠直径为40.0mm，导程为8.0mm，型号为FFZD4OO8R-3-P3／500×350。机械传动系统的总效率为0.9。当压料板作用于板坯时，六杆机构的减速比大于25，由式(5)可求出负载转矩。交流伺服电机的额定功率选为1．8kw，额定转矩为11．5N·m，瞬间最大转矩为28．7N ·m，额定转速为1500r／min，最大转速为3000r／rain，转子转动惯量为31．7kg·cm 。此电机的外形尺寸较小，便于与压边执行机构一起安装在压力机的底孔内。

　　若直接利用伺服电机、联轴器和丝杠螺母带动压料板进行压边，按最大压边力200kN计算，忽略摩擦力与重力的影响，可得出电机额定转矩应大于283N·m，需要选择额定功率大于15kw的电机。采用复合传动方案可显著降低电机的功率要求。

　　2.4 复合伺服驱动压边装置仿真分析

　　随着计算机虚拟仿真技术的迅速发展，虚拟样机技术己成为现代设计方法之一。复合伺服驱动压边装置执行机构的研究是实现压边控制的基础，借助仿真分析软件，建立压边装置仿真模型，将压边装置视为一个多体系统，可完成其动力学建模与仿真分析。

　　先将三维建模环境下的模型文件数据转换成仿真软件图形接口支持的格式，导入仿真分析软件环境，生成仿真模型。然后添加相应的约束：丝杠与螺母为螺旋副，铰接副为旋转副，滑块与机架之间的约束为移动副，施加旋转驱动。对每个零件根据选定的材料添加质量信息，用弹簧代替缓冲垫(弹簧刚度为40kN／mm)。在考虑摩擦和间隙的情况下进行仿真，动、静摩擦因数分别取为0.05、0.08，旋转副间隙取0.02mm，移动副间隙取为0.035mm。设仿真时间为10s，步长为500步。

　　当压料板施加恒定的压边力于坯料时，伺服电机输出的转矩随着减速比的增大而减小，如图7所示。这从仿真角度验证了具有不均匀传动比的六杆机构的增力特性，为电机的选择提供了参考依据。

图7 恒压边力对应的伺服电机转矩输出曲线

　　图8所示为压边力、所需驱动转矩及位移与时间关系曲线。由上面分析可知，六杆机构的传动比若取i，当最大压边力不变时，忽略摩擦等因素的影响，所选电机的转矩只为原来的1／i。采用复合驱动方案，可大大降低所选电机的额定转矩和功率，减少电机和驱动模块成本；但其执行机构增加，传动环节增多，系统摩擦转矩增大，系统效率有所降低。

　　当压料板施加变压边力于坯料时(图8a)，仿真得到的电机输出转矩曲线如图8b所示，图8c所示为对应的输出滑块位移d与时间t的关系曲线。

图8 压边力、所需驱动转矩及位移与时间关系曲线 

　　仿真验证了所设计的压边装置可以实现变压边力的控制。与其他方法相比，复合伺服驱动控制方法可实现对拉深过程压边力的精确控制，具有所需驱动功率小、控制系统简单、结构紧凑等优点。

3 结论

　　(1)根据伺服电机驱动的压边力控制原理，采用复合化设计方法设计了压边装置。利用压边装置执行机构的变传动比特性，可使小功率电机产生大的压边力，满足拉深工艺的要求。

　　(2)采用虚拟样机技术对压边装置进行了仿真分析。对恒定压边力情况下伺服电机转矩的仿真，验证了该压边装置的增力特性。对变压边力情况下的系统仿真，验证了复合伺服驱动方法，可以使压边力按理想行程曲线变化，实现拉深过程中压边力的精确控制。