陳 成，朱燈林，徐 坤，梅志千

( 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

摘要: 為了滿足鈑金行業(yè)對(duì)壓力機(jī)性能越來(lái)越高的需求，結(jié)合機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)提出了一種機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)的技術(shù)方案。

首先設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案，即采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓回路，液壓回路帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件壓制。然后對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，并建立了 PID 控制模型。

最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)滑塊進(jìn)行位移和速度數(shù)據(jù)的采集和驗(yàn)證。結(jié)果表明，該傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)合理、實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞: 機(jī)械液壓混合傳動(dòng); 伺服壓力機(jī); 閉式回路; PID 控制中圖分類號(hào): TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095 －509X( 2019) 04 －0024 －06

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壓力機(jī)作為一種通用性機(jī)械，常用于沖壓和模鍛等生產(chǎn)工序^［1］。目前，具有優(yōu)良工藝性的伺服壓力機(jī)是壓力機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

相比于傳統(tǒng)壓力機(jī)，伺服壓力機(jī)加工工藝軌跡可控，能夠滿足較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性，加工精度和加工效率明顯提高^［2］。

伺服壓力機(jī)可以分為機(jī)械伺服壓力機(jī)、液壓伺服壓力機(jī)等。機(jī)械伺服壓力機(jī)具有運(yùn)行速度快、工作效率高、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在電機(jī)功率需求大、公稱力行程較小且調(diào)節(jié)相對(duì)困難等缺點(diǎn)^{［3 －5］}。

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液壓伺服壓力機(jī)具有工作承載壓力較大、運(yùn)行平穩(wěn)、過(guò)載保護(hù)、工作行程可以自由控制、調(diào)節(jié)范圍大、振動(dòng)較小等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)為體積較大需要單獨(dú)設(shè)置泵站、存在油液泄漏、維護(hù)工作量大、效率低、噪聲大^［6］。

許多學(xué)者在該領(lǐng)域內(nèi)取得了大量的理論成果。大量研究者在機(jī)械伺服壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上做了深入研究，對(duì)具備拉深階段低速及空載急回特性的多連桿機(jī)構(gòu)、肘桿機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，如文獻(xiàn)［7］提出了一種八連桿伺服壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

在壓力機(jī)的控制方面，文獻(xiàn)［8］、［9］提出將 PID 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等

應(yīng)用于伺服壓力機(jī)控制模型。

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針對(duì)目前伺服壓力機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大、電機(jī)功率要求高等問(wèn)題，本文結(jié)合機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)的特點(diǎn)，提出機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)的技術(shù)方案，即通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵，經(jīng)閉式液壓回路帶動(dòng)液壓馬達(dá)、減速機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。

機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)的方案設(shè)計(jì)機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 1 所示。系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)、電機(jī)控制器、液壓油泵、液壓元件、雙向液壓馬達(dá)、帶輪減速裝置、制動(dòng)器、位置傳感器、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等組成。

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在機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，液壓油泵和雙向液壓變量馬達(dá)之間組成閉式的液壓回路。

液壓馬達(dá)通過(guò)減速裝置，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑塊的運(yùn)動(dòng)，完成壓力機(jī)的作業(yè)任務(wù)。

在液壓油泵和液壓馬達(dá)之間的回路中設(shè)置三位四通換向閥?？刂破骺刂迫凰耐〒Q向閥進(jìn)行換向，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)和急停，從而改變了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，液壓馬達(dá)處于停止?fàn)顟B(tài)［10 －11］。

液壓回路中采用 2 組流量傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)控回路中流量和壓力，并將數(shù)據(jù)反饋器，形成閉環(huán)控制。

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在液壓油泵和液壓馬達(dá)之間設(shè)有溢流閥，保證液壓回路安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

針對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的油液泄漏和損耗等情況，可用專門(mén)設(shè)置的蓄能器對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)充［12］。

機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)控制模型設(shè)計(jì)機(jī)械液壓混合伺服系統(tǒng)速度環(huán)的動(dòng)力學(xué)模型如圖 2 所示。在系統(tǒng)中綜合考慮了伺服電機(jī)、液壓油泵、液壓馬達(dá)、減速裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等組成部分。

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圖中: u 為參考電壓，V; τ 為電機(jī)扭矩，N·m; J_m 為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N·m·s² /rad; B_m 為伺服電機(jī)阻尼系數(shù)，N·m·s/rad; ω_p 為電機(jī)與液壓泵角速度，rad/s; ω_m 為液壓馬達(dá)軸角速度，rad/s; ω_q 為曲柄的角速度，rad/s; B 為減速裝置減速比。

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