伺服压力机伺服主驱动系统

刘林峰

伺服压力机采用伺服电机驱动，压力机根据生产需要设定适合的行程长度和速度；可超低速运行；模具振动小，提高模具使用寿命；取消传统机械压力机的离合器、制动器部件，降低运行成本。伺服压力机具有复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪环保性、节能及易于维护等特点，提高设备的自动化、智能化水平，改善压力机的工作特性，是新一代冲压成形设备的发展方向。

1 伺服压力机传动机构

伺服压力机由本体传动机构及伺服驱动电机组成（见图1）。

图1 主驱动电机与机械机构图

2 伺服压力机冲压解决方案

伺服压力机同时具备机械压力机和液压机的优点，克服其各自的缺点，所以：

①机械结构简单，具有较高的冲压频次。

②通过凸轮曲线规划优化滑块运动，提高柔性化，减小对机械部件、模具的冲击。

③取消机械离合器，节能降噪。

④操作模式人性化，易于调试和更换模具。

（1） 伺服压力机运行规划

新型伺服压力机采用一台或多台大扭矩同步伺服电机取代传统压机中的电机和飞轮、离合器等部件。

传统机械压力机的工作周期分为滑块空载下降、负载工作、滑块空载返回、上死点停止等4 个阶段（见图2）。

图2 压力机运行曲线

而伺服压力机利用大功率伺服控制器控制伺服电机的转速、位置和扭矩输出，从而控制滑块的运动曲线，以较低速完成冲压动作，以较高速度下降、回程提高效率（节拍），而且可以根据不同的模具要求灵活修改滑块的运动曲线达到高的灵活性和柔性化，提高冲压件的品质。

（2） 伺服压力机控制方案的技术要点

①驱动电机选择。

②能量管理系统。

③多电机的同步控制。

④滑块运动曲线的自动生成和手动修改。

其中，驱动电机的选择和能量管理系统是伺服压力机所特有的。

3 伺服主传动系统研究

3.1 主传动伺服电机的选择

伺服压力机需要根据机械设计运动部件的转动惯量、减速比，边界条件包括滑块允许最大速度、最大冲压速度、最大加速度，最小冲压速度、工作能等，选出一个优化的电机及实际减速比，然后根据不同的模具做出优化曲线。初步确定主电机型号后，需要做全面验算以确定系统负荷是否满足工艺要求。

通过计算可以确定机械机构的转动惯量、滑块运行曲线（见图3） 及公称力工作能曲线（见图4）。本文以某伺服压力机为例，初选2 台1FW4 伺服电机，主要工艺参数：

图3 行程与角度之间对应关系

图4 额定压力工作能图

式中：t—力矩施加时间（s）；E—动能（J）；A—做功（J）。

笔者将压力机边界限定条件、机械固有数据代入公式，得到伺服电机最大工艺能力曲线（见图5），滑块位置、速度及加速度曲线（见图6、图7），得到电机平均扭矩为8 522.3 Nm 速度为428.5 rpm（见图8），电机总平均功率约300 kW（见图9、图10）。最大制动角14.186 8°，对应开始角度230.708 3°，对应时间0.259 s（见图11）。由计算结果可知初选电机型号及数量满足工艺要求。

图5 电机工作能力曲线

图6 滑块转速和加速度曲线

图7 滑块线转速和加速度曲线

图8 单台电机出力曲线及转矩特性曲线

图10 单台电机转矩曲线

图11 压力机制动角

3.2 能量管理

（1） 能量管理需求的原因和实现方法

普通压力机的工作特点是在冲压过程中需要一个尖峰的能量，而伺服压力机的滑块除了在冲压时需要尖峰能量之外，在加速和减速中也有尖峰能量（如图9、图12）：负载工作区需要能量冲压成形；在空载下行、返回区加速时需要能量，减速时释放能量；在匀速平稳空载运行区只需克服压力机运动部件的摩擦等机械损耗。如果直接接入电网，最大容量需要2 400 kW，而平均能量约300 kW，电网容量不能充分利用，造成浪费，且尖峰负荷冲击会影响其它用电负载。因此，大型的伺服压力机必须考虑平抑电网尖峰的问题。

图9 电机功率曲线

图12 伺服压力机运行周期速度曲线

伺服压力机能量管理就是提供需要的尖峰能量，同时平滑电网能量尖峰，降低电网容量需求，避免对电网造成不良影响。其控制方法就是通过建立一个能量储存系统在主传动系统内部进行能量交换，使得对电网的供电要求和传统的压力机一样或更小一些。

（2） 储能方式选择[1]

伺服压力机的储能方式一般有两种：电容储能和飞轮储能。

①电容储能（电能储能）

采用模块化大容量的电力电解电容等电容器组成电容柜来储存能量，通过升高或降低电容器的电压来储存或释放能量。电容储能的特点为控制简单，免维护。

电容储能释放能量计算公式：

式中：E—能量（J）；u1—初始电容电压（v）；u2—放电后电容电压（v）；C—电容容量（F）。

目前，对于800 t 及以下的伺服压机，电容储能方式性价比较高，大于800 t 的伺服压机需要的电容柜数量大幅增加，成本及占地空间增大，所以一般不建议采用电容柜储能方案。随着电容器向低成本、超大容量方向发展（如太阳能储能等），电容储能应是未来的发展方向。

②飞轮储能（机械能储能）

飞轮储能即用一台（或多台） 电机驱动一个（或多个） 大转动惯量飞轮（或直接采用大转动惯量电机），通过控制电机的速度变化使之处于电动或发电状态来完成飞轮机械能和电能的转换。其特点是可提供能量大，易实现，但动态响应稍慢。

飞轮能储能释放能量计算公式：

飞轮储能控制要点在于协调主电机与飞轮电机的同步性，通过使主电机与飞轮电机的速度变化逆相来完成能量交换。因此要将主驱动电机与飞轮电机都设计在一个伺服驱动系统中，以提高动态响应时间。

飞轮储能适用于大容量储能系统，一般用于800 t 以上伺服压力机。

③储能系统实际应用

我公司生产的大型伺服压力机采用飞轮电机储能方式。这种方式在突变能量释放时会有延时，形成能量转换死区，为此，在飞轮电机与主驱动电机的伺服驱动器直流母线连接的中间增设电容模块以补充瞬时能量需求，从而提高系统动态响应速度（见图13）。

图13 伺服储能系统能量流动示意图

通过合理分配电网侧与储能机构的能量供需比例，由电网侧输入平均功率能量，由储能系统提供超出部分的能量，使伺服压力机主驱动系统具有较高的性价比。

采用能量管理系统后，一条60 000 kN 的五序压力机自动化冲压线（第一台为伺服压力机） 及车间配套设施只需一台1 600 kVA 动力变压器供电即可满足生产负荷需求。

3.3 伺服驱动系统配置方案需求

伺服压力机主驱动控制系统的主要组成部分：

①伺服电机。

②伺服驱动器、运动控制器和控制软件包。

③能量管理系统。

④手轮功能系统。

⑤HMI 人机界面。

（1） 伺服电机

由上述伺服压力机的工作状态可知，主驱动电机应采用过载能力大，刚性驱动轴无扭转间隙，无易磨损传动件，惯性矩小，安装方便，以及高效的高频响应伺服电机。

（2） 驱动控制器

伺服压力机通过控制伺服电机的速度和扭矩来改变滑块的运行曲线和出力来完成做功，故需要一个高动态性能和精度的，能够将复杂工艺集成到驱动控制系统中的控制器，在控制一台或多台伺服电机的同步运行的基础上，控制能量管理系统的运行，在生产中充分利用伺服压力机的能力。在选择通用型逆变器时，为提高驱动系统的响应速度及降噪，需要提高功率元件的脉冲频率，并相应降低驱动装置的容量。

（3） 手轮调整

手轮是伺服压力机独有系统，它可以使伺服压力机准确定位及精确完成步进运动。由于伺服电机具有零速全扭矩输出的特性，通过手轮控制伺服驱动来调整压力机运行，便于在调试模具时得到所需的数据，减少调试时间，提高生产效率。

（4） HMI 人机界面硬件

HMI 人机界面能够实时反映所需的参数和曲线。与传统压力机相比，伺服压力机能够以CAM曲线运行，此外，伺服压力机还拥有示教功能，实现这些新功能需要在HMI 和手轮辅助下设置，修改和保存参数。

4 结 语

用本文介绍的方法计算选型的伺服压力机已经投入实际应用，证明能够满足工艺要求，主驱动电机功率及转矩的利用效率，以及储能系统对电网的峰值的平抑均取得预期效果。