关于伺服机械压力机传动方案的研究

刘建坤 刘春枝

（济南二机床集团有限公司，山东 济南250022）

伺服电机瞬时扭矩可为伺服机械压力机提供压制力，依靠“力”进行传动系统设计，伺服电机的扭矩、容量通过伺服电机过载倍数确定。使用大容量的伺服电机的无飞轮传动系统虽然可获得大吨位，但却将使用成本大大增加了，不利于伺服机械压力机在更多领域推广运用。为此，深化设计伺服机械压力机，针对转动方案进行深化研究非常有必要。

1 伺服机械压力机无飞轮传动方案

驱动机构、传动机构及工作机构是实现伺服机械压力机冲压功能的部件组成。结合伺服机械压力机传统系统的功能，可以对相关方案进行优化分析，了解这些方案的特征。方案具体包含以下几种：

1.1 1A-2D 方案。直线电机对滑块直接驱动，使其做直线运动，这是该方案下功能实现的主要方式。特点是“零传动”，即没有曲柄连杆、无齿轮，也不依靠多连杆、肘杆等增力机构，使结构更为轻便、简单，有着更为精准的定位，在加工上也更加方便，使生产效率进一步提高。但同时也有不足，体现在生产中应用成本仍很高，有着过低的直线电机功率，伺服机械压力机公称相对不高，难以满足一些大型压力机应用需求。仅能够应用在微小型压力机上。

1.2 1A-2B/2C-3B-4A 方案。这一方案中，驱动方式与普通单点的机械压力机传动机构有很多相同的地方，比如，均由交流伺服电机经一级齿轮减速来驱动，是一种直接驱动方式。但仍存在一些差异，比如，这一防范没使用制动器、飞轮等，缩小了齿轮，成本相对更低。但也存在不足，即缺乏增力结构支持，减速比不足等。为此，公称力的选择需要重点把握，不能过大，一般控制在2500kN 以内为宜。

1.3 1A-2B/2C-3B-4A/4B-5B 方案。该方案下的传动有着一定复杂性，不仅是因为要借助肘杆机构增力，还要进行二级减速，伺服电机通过同步带轮、齿轮两级减速，曲柄连杆则会发生移动。这样一来，伺服电动机容量大幅度降低，可以看作方案1A-2B/2C-3B-4A 的改进。因为采用增力机构肘杆，使得压力机的运动特性增强，这是因为肘杆有以下特性：（1）低速运动特性可在滑块下死点附近实现，进而将金属材料最大拉伸速度限制需求满足。（2）可实现“快- 慢- 更快”的成形工艺运动要求，是由于滑块上下不对称的速度曲线及一定的急回特性而实现的[1]。（3）通过明显增力，可控制伺服电机容量，可有效控制成本。该方案发展前景非常良好。

1.4 1A-2B-3B-3B-4A-5A 方案。此方案下，经一级齿轮减速后的单台伺服电机驱动，运用了双边传动的小齿轮，并且这些小齿轮会相互啮合，为两大齿轮源源不断传输动力，大齿轮异向回转得以实现，两个曲柄、肘杆均由大齿轮分别驱动，在共同驱动下使滑块有效运动。在单台电机驱动的双点压力机中，该方案的运用最为适合。

1.5 1A-2B/2C-3A-4B 方案。经同步带轮减速以后的两台交流伺服电机，由转动变为移动，直接的驱动方式基本与电动螺旋压力机相同。但是该方案暴露出以下几点明显问题：运行过程中电机换向过于频繁；要随时精准同步控制；承载能力不高。但是此由多台电机共同驱动，可以分担单台电机驱动压力，并降低成本，可以广泛运用到吨位较小的伺服机械压力机中。

1.6 1A-2B-3A-4B-5A 方案。该方案与1A-2B/2C-3A-4B方案相似的地方有很多。滚动螺旋副后与肘杆机构进行了串联是该方案的一个显著特征， 并且该方案也具备1A-2B/2C-3B-4A/4B-5B 方案的一些优势，但同样存在1A-2B/2C-3A-4B 方案的缺点。较大公称的双点伺服机械压力机中应用较多。

1.7 1A-2B-3A-4B-5A 方案。该方案应用的伺服电机有两台，可对同一涡轮驱动，进而改变螺旋副变涡轮转动状态，变为以上上滑块移动为主，驱动方式也变为了依靠对称肘机构增力对下滑块上下移动。这种方案单位吨位电机容量不高，这与应用了两台伺服电机驱动有关，并且对称肘杆增力也发挥了一定作用[2]。方案仍存在一些问题，比如，成本问题、重载丝杠设计、使用寿命问题等；因为有较长的传动链，使得制造变得非常复杂；上下滑块行程不匹配，上滑块行程更大，这样就会将丝杠的长度增加，并使冲压频率大幅度降低。

1.8 1B-（2A-3A-4B）+（2B-3B-4B）-3D-4A 方案。该方案比起其他方案有着显著不同，即使用了混合驱动方式，混合的对象为交流伺服电机驱动与普通交流异步电机驱动。异步电机是主要动力来源，通过带轮与齿轮可使使匀速转动速度减慢；起到运动调节作用的是伺服电机，减速通过两级齿轮实现。比起全伺服驱动，混合驱动中伺服电机有更小的容量，依靠两个原件间运动抵消实现滑块低速工作行程的运动，但滑块运动调节仅能在一定范围内进行。

1.9 1B-（2A-3A-3B-4A）+（2B-4B）-5C。该方案也采用到了混合驱动，经皮带轮与齿轮减速后，异步电机的匀速转动会对曲柄转动进行驱动；通过曲柄连杆对滑块移动驱动调节；两台电机的运动通过自由度合成机构合并，以更好的驱动滑块运动，并能极大降低伺服电机容量需求。但是该方案仍存在一些不足：（1）机构分析及设计难度增大，因为应用到了多输入、多自由度的机构。（2）控制系统的复杂性增大，因为需要智能化控制多自由度机电耦合系统。

2 各种传动类型伺服压力机典型产品

2.1 直接驱动型产品。日本公司开发的L-SF 系列产品，公称力较大，即10kN，且有100mm 的行程，还具备200 次·min-1的工作频率；国内浙江大学开发的5～100kN 同类型产品中，10kN规格的与普通机械压力机相比有更多优势，比节能就是其中最为显著的优势之一，更加轻便，降噪效果更显著等。

2.2 肘杆增力型。日本AMINO 公司的双点伺服压力机，传动方案为1A-2B-3B-3B-4A-5A，属于等偿肘杆型，三角肘杆型代表产品为日本KOMATSU 公司的HIF 系列产品，有着2000kN的最大公称。

2.3 混合驱动型。如今，虽然混合驱动型有着一定优势，但是应用仍不够普遍，很多混合型驱动尚处于实验阶段，没能在实际生产中运用，尤其是在伺服机械压力机上使用更是少之甚少。其中，应用最多的产品是杆系混合驱动伺服机械压力机，即使大吨位的电机被开发出来，但是功率仍达不到使用标准，与普通电机的功率相差甚远[3]。

3 伺服机械压力机传统系统发展趋势

3.1 混合驱动。混合伺服驱动技术将成为伺服机械压力机未来研究的一个热点。目前，全伺服驱动已经成为商品化伺服机械压力机主导驱动方式，这是因为二自由度耦合传动机构设计上更为复杂，很难对滑块进行调节。但同时优势也比较明显，比如，能够降低电机容量，节约成本等。

3.2 驱动源与传动机构。伺服驱动压力机的性能更高，但造价也高，对推广应用造成不便。采用新传动机构是解决这一问题的关键，而传动机构又存在一定复杂性，容易使制造成本增加。还可以对新型伺服驱动源进行开发，包括开关磁阻电机、变频电机等。

3.3 传动机构创新设计。伺服机械压力机比起传统的机械压力机，传动机构更为复杂，需要使用到肘杆、多连杆、差动轮系等。且对这些机构优化设计，即组合设计后，主要是为了将伺服电机的输出扭矩降低，进而降低伺服电机容量及成本，而不再是简单将滑块特殊曲线获得。但是，当前组合设计时效性不高，设计方法缺乏。为此，使用动力学分析软件、CAD 软件就显得非常必要。

3.4 传动机构刚性设计与位置控制。在设计中，通过组合方式将增力功能提升，但是刚性仍不足，不仅没有提升反而降低了很多，这就是伺服机械压力机在组合设计后暴露出的问题，在设计后，控制的内容也增多了，包括滑块运动速度、滑块位移等，同时还要考虑机身弹性变形、传动机构变化问题，因为这些都是关系到使用效果的问题。为此，在传动机构方案设计上，刚柔耦合动力分析是必不可少的。

总之，伺服机械压力机传动方案有很多，且不同方案均有一一定优势即不足，适应领域也不同。在机械系统日趋复杂下，需要进一步优化设计，解决刚柔耦合、机电耦合等问题，找出最优传动方案，使产品以最优成本得到广泛推广运用。