机械液压混合伺服压力机的方案设计与研究(一)

机械液压混合伺服压力机的方案设计与研究(一)

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机械液压混合伺服压力机的方案设计与研究(一)

2022-02-18

陈 成,朱灯林,徐 坤,梅志千

( 河海大学机电工程学院,江苏 常州 213022)

摘要: 为了满足钣金行业对压力机性能越来越高的需求,结合机械压力机和液压机的优点提出了一种机械液压混合伺服压力机的技术方案。

首先设计传动方案,即采用伺服电机驱动液压回路,液压回路带动曲柄滑块机构实现工件压制。然后对传动系统进行分析,推导出传递函数,并建立了 PID 控制模型。

最后通过实验台对滑块进行位移和速度数据的采集和验证。结果表明,该传动方案设计合理、实验装置运行稳定可靠,为机械液压混合伺服压力机的进一步研发提供了参考。

关键词: 机械液压混合传动; 伺服压力机; 闭式回路; PID 控制中图分类号: TP23 文献标识码: A 文章编号: 2095 -509X( 2019) 04 -0024 -06


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压力机作为一种通用性机械,常用于冲压和模锻等生产工序[1]。目前,具有优良工艺性的伺服压力机是压力机发展的主流趋势。

相比于传统压力机,伺服压力机加工工艺轨迹可控,能够满足较为复杂的运动特性,加工精度和加工效率明显提高[2]

伺服压力机可以分为机械伺服压力机、液压伺服压力机等。机械伺服压力机具有运行速度快、工作效率高、体积较小等优点,但也存在电机功率需求大、公称力行程较小且调节相对困难等缺点[3 -5]

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液压伺服具有工作承载压力较大、运行平稳、过载保护、工作行程可以自由控制、调节范围大、振动较小等优点,其主要缺点为体积较大需要单独设置泵站、存在油液泄漏、维护工作量大、效率低、噪声大[6]

许多学者在该领域内取得了大量的理论成果。大量研究者在机械伺服压力机运动机构设计上做了深入研究,对具备拉深阶段低速及空载急回特性的多连杆机构、肘杆机构等进行了优化和创新,如文献[7]提出了一种八连杆伺服压力机传动机构。

在压力机的控制方面,文献[8]、[9]提出将 PID 算法、神经网络算法等

应用于伺服压力机控制模型。

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针对目前伺服压力机机构复杂、设计难度大、电机功率要求高等问题,本文结合机械压力机和液压机的特点,提出机械液压混合伺服压力机的技术方案,即通过伺服电机驱动液压油泵,经闭式液压回路带动液压马达、减速机构、曲柄滑块机构进行工作。

机械液压混合伺服压力机的方案设计机械液压混合伺服压力机传动系统如图 1 所示。系统主要由运动控制器、伺服电机、电机控制器、液压油泵、液压元件、双向液压马达、带轮减速装置、制动器、位置传感器、曲柄滑块机构等组成。

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在机械液压混合伺服压力机的传动系统中,运动控制器通过伺服驱动器控制伺服电机,伺服电机带动液压油泵,液压油泵和双向液压变量马达之间组成闭式的液压回路。

液压马达通过减速装置,带动曲柄滑块机构实现滑块的运动,完成压力机的作业任务。

在液压油泵和液压马达之间的回路中设置三位四通换向阀。控制器控制三位四通换向阀进行换向,实现液压马达的正反转和急停,从而改变了曲柄滑块机构的转动方向。

当换向阀处于中位时,液压马达处于停止状态[10 -11]。

液压回路中采用 2 组流量传感器和压力传感器,用于监控回路中流量和压力,并将数据反馈器,形成闭环控制。

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在液压油泵和液压马达之间设有溢流阀,保证液压回路安全运转。

针对运转过程中存在的油液泄漏和损耗等情况,可用专门设置的蓄能器对液压系统进行实时补充[12]。

机械液压混合伺服压力机控制模型设计机械液压混合伺服系统速度环的动力学模型如图 2 所示。在系统中综合考虑了伺服电机、液压油泵、液压马达、减速装置、曲柄连杆机构等组成部分。

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图中: u 为参考电压,V; τ 为电机扭矩,N·m; Jm 为伺服电机转动惯量,N·m·s2 /rad; Bm 为伺服电机阻尼系数,N·m·s/rad; ωp 为电机与液压泵角速度,rad/s; ωm 为液压马达轴角速度,rad/s; ωq 为曲柄的角速度,rad/s; B 为减速装置减速比。

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