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1、第33卷 第1期Vol133No11FORGING&STAMPING TECHNOLOGY2008年2月Feb.2008新型开关磁阻伺服压力机传动系统设计赵婷婷1,贾明全2,姜则东3(11 山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博255012;21 山东科汇电气股份有限公司,山东 淄博255087;31 荣成东源锻压机械有限公司,山东 烟台264300)摘要:介绍了新型开关磁阻伺服压力机传动系统的设计方法。在总结曲柄压力机传动系统进展的基础上,提出了用开关磁阻伺服电机驱动曲柄压力机的新型设计理念,利用开关磁阻的全速降功能,用传动系统转动惯量释放的能量替代飞轮能量,取消了飞轮和离合器,建立了开关磁
2、阻伺服压力机传动系统及其能量的设计原理与设计方法,推导出系统能量的计算公式。针对J21-200型伺服压力机,进行了系统转动惯量、电机压力行程做功能量、压力机有效能量、额定工作能量和起停时间的设计计算。结果表明,这种压力机具有结构简单、价格经济、数控伺服、节能和可靠性高等优势,将成为机械压力机的发展方向。关键词:压力机;伺服;开关磁阻;曲柄;数控中图分类号:TG31515 文献标识码:B 文章编号:100023940(2008)0120112204Design for drive system of new servo crank presses with switched reluctance
3、ZHAO Ting2ting1,JIA Ming2quan2,JIANG Ze2dong3(11School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255012,China;21Kehui ElectricCorporation,Zibo 255087,China;31Dongyuan Forging and Stamping Presses Corporation,Yantai 264300,China)Abstract:Drive system design of new servo crank p
4、resses with switched reluctance was introduced1Based on summari2zing the latest development of the drive system of crank presses,a new idea that crank presses were driven by switchedreluctance driver(SRD)with servo system was put forward1The flywheel energy was replaced with the energy re2leased by
5、drive system rotation inertia by using the SRD full falling speed1Flywheel and clutch were cancelled1The de2sign principle and method of drive and energy systems were set up for servo crank presses with switched reluctance1The formulas of the system energy were inferred1In view of J212200 servo pres
6、s,the design calculations were carriedon the system rotation inertia,SRD acting energy in the pressure stroke,the useful energy,the rating work energy andthe start and stop time1The conclusion is that the crank presses with switched reluctance have the advantage of simplestructure,low price,numerica
7、l servo control,saving energy and higher reliability1This kind of machine is estimated tobe the development direction of mechanical presses1Keywords:press;servo;switched reluctance;crank;numerical control收稿日期:2007205225;修订日期:2007210230作者简介:赵婷婷(1962-),女,硕士,副教授电子信箱:zhaott sdut1edu1cn1 引言目前国内外广泛应用的机械压力
8、机多是由曲柄连杆滑块作为工作执行机构,压力机做功所需能量圆钢、角钢等尺寸明显增加,实现了产品的高效率和低能耗。QA35Y230液压联合冲剪机采用单片机控制,实现了单次、连续、微动等冲压及剪切的自动化操作与控制,并具有自动计数及预置等功能,有效提高了机器性能,简化了操作。参考文献:1 刘庆印,白人朴.我国锻压设备产业竞争力分析J.锻压技术,2005,30(5):1012106.2 董林福,赵艳春.液压与气压传动 M.北京:化学工业出版社.2006.1632267.3 阳林,孙友松.数控压力机新型液压驱动系统J.锻压技术,2005,30(3):60263.4 方世杰,耀光.机械优化设计 M.北京:
9、机械工业出版社.2003.3212.5 蔡学熙.现代机械设计方法实用手册 M.北京:化学工业出版社.2004.2962284.6 李中年.控制电器及应用 M.北京:清华大学出版社,2006.1782181.7 鲁远栋.PLC机电控制系统应用技术 M.北京:电子工业出版社,2006.2182221.折算到电机轴侧的近似值为Ae=12Je(w2e1-w2e2)=Je2m。因传统电机受额定滑差率的影响,不均匀系数(速降)很小,转动惯量Je很大,起动制动时间长,需要离合器;低速锻冲急回功能需要多杆机构来实现。在调速需求方面,自动化连线的调速机型采用直流调速或交流变频调速,但直流调速存在换向问题,交流调
10、速的缺点是起动与过载转矩小,调速与转矩控制复杂,调速性能不理想。另一方面,压力机因功率大,无功能耗很大。由于压力机的工作负荷一般在设计值的60%左右,使其处于“大马拉小车”工作状态;压力机承受的是短期高峰负荷,在一个完整的工作周期内只在较短的时间内承受工作载荷,而较长的时间内是空程运转;一般电机空载功率因数为012013,所以现有压力机耗能很大。因驱动功率大,飞轮惯性大,很难达到压力机数字化控制的目的。在锻压行业数字化、可控化1需求下,交流伺服被用于数控压力机2,但大功率交流伺服控制方式复杂、价格昂贵,很难推广。随着新技术的发展,一种新型动力系统 开关磁阻驱动系统(SwitchedReluct
11、ance Driver,SRD)应运而生,其集成了现代电机技术、电力电子、微电子、检测技术与计算机技术、自动化控制与信息处理技术和软件技术,是适合大功率数控伺服系统的机电一体化产品。开关磁阻系统在机械驱动,尤其是电动螺旋压力机上的应用已获得非常好的效果326。本文利用开关磁阻伺服动力系统,对开关磁阻伺服压力机进行了设计研究,以求有效地解决现有压力机存在的问题。2 传动系统设计原理与方法211 设计原理开关磁阻伺服压力机利用开关磁阻伺服电机的全速降功能,使不均匀系数由012左右上升到近似1,使Je大大减小,可以不用飞轮和离合器,电机轴设置制动器。J212200型伺服压力机的整机结构为:开关磁阻数
12、控电机+二级齿轮传动+曲柄连杆滑块(图1)。因转动惯量大大减小,没有离合器,电机与滑块刚性连接。由s=R(1-cos)+4(1-cos 2)和v=Rsin+2sin 2 和=i0、=ei0可知,滑块的运动输出s、v随输入端电机角位移信号和转速e的变化而变化。开关磁阻伺服系统以电机角图1 开关磁阻数控伺服压力机整机结构Fig11Entire structure of NC servo crankpress with switched reluctance位移、转速e、电流作为反馈,实时检测与控制量,使压力机实现随动数控伺服功能。212 压力机技术参数设计J212200型开关磁阻伺服压力机技术参数
13、设计值如下:公称压力Fg为2000 kN,公称压力行程Sg为6 mm,滑块行程长度S为180 mm,行程次数额定值ng为80次 min-1,单击时行程次数额定值n0为20次min-1,压力机效率为0129,电机功率Ne为37 kW,电机额定转速ne为750 rmin-1,电机调速范围为03000 rmin-1,电机效率e为0182(最低速)0192(较高速),电机功率因数为0198,额定速度下制动时间tsg 012 s。213 系统转动惯量Je设计计算把压力机运动部分转动惯量折算到电机轴侧的计算公式为:Je=J0+J1+J2/i21+J3/i20(1)式中,Je为电机轴侧折算转动惯量(kgm2
14、);J0为电机转子转动惯量(kgm2);J1、J2、J3为第、传动轴转动惯量(kgm2);i0为总传动比,i0=i1i2;i1、i2为第一、二级传动比。J212200型伺服压力机第一级传动,电机轴至中间轴,齿轮模数m1=10,传动比i1=49/18;第二级传动,中间轴至曲轴,齿轮模数m2=14,传动比i2=66/19;总传动比i0=i1i2=91456。第I传动轴(电机轴)转动惯量(含制动器、联轴器)J1=110 kgm2;第II传动轴转动惯量J2=6 kgm2;第III传动轴转动惯量J3=80 kgm2。37 kW开关磁阻电机转子转动惯量J0=018 kgm2,折算到电机轴侧的转动惯量Je=
15、315 kgm2。3 能量系统设计原理与方法311 能量设计计算压力机能量与功率额定值的设计计算公式为:311第1期赵婷婷等:新型开关磁阻伺服压力机传动系统设计Ag=A0/(2)A0=01315FgSg(3)Ng=Agtg=ngAg60(4)式中,Fg为公称压力(N);Sg为公称压力行程(mm);A0为压力机有效能量额定值(J);Ag为压力机工作能量(包括工件变形功、摩擦消耗、弹性变形消耗等)额定值(J);ng为行程次数额定值(次 min-1);tg为压力机一工作周期的时间额定值(s);Ng为压力机所需功率额定值(W);为压力机效率。J212200型压力机能量与功率额定值为:A0=01315F
16、gSg=3780 J,Ag=A0/=13034 J13 kJ,Ng=ngAg60=17333 W。选用开关磁阻电机功率Ne=37 kW,因开关磁阻电机功率因数高、效率高,其输出能量与输入能量近似相等。在额定点正常工作时,消耗功率近似等于Ng,而不是Ne。选用Ne较大值是考虑满足紧急制动时间的要求。传动系统提供能量的计算公式:Af=12Je(2e1-2e2)=12Jene1302-ne2302(5)式中,e1、e2为电机速降前、后的角速度(s-1);ne1、ne2为电机速降前、后的转速(rmin-1);Af为系统转动惯量提供的能量(J)。对于开关磁阻调速系统,当处于额定转速以上时,电机处于恒功率
17、状态,转速数控调节。若不考虑电机压力行程做功,取ne1=ne+100=850 rmin-1,则电机速降到ne2=100 rmin-1时,系统转动惯量释放的能量为:Af=12Jene1302-ne2302=13660J若考虑电机压力行程做功,由公称压力角g推出电机做功比例系数k,其做功时间和能量计算公式为:Ae=Nete(6)te=ktg=k60ng(7)k=g2(8)式中,Ae为压力行程电机做功能量额定值(J);te为电机做功时间额定值(s);k为电机做功比例系数;g为公称压力角(rad)。将公式(7)、(8)代入公式(6)得到:Ae=30gngNe(9)公式(5)、(9)合并得到压力机额定工
18、作能量设计值的计算公式:Agd=Ae+Af=30gngNe+12Jene1302-ne2302(10)对于J212200型压力机,g=9,取ne1=ne+30=780 rmin-1,则电机速降到ne2=100 rmin-1时,压力机工作能量为Agd=13014 J。因此,开关磁阻伺服压力机电机速度稍加提高,则系统提供能量大于压力机额定工作能量。因压力行程时间极短,电机做功能量只占额定工作能量的10%左右。由于伺服压力机可根据加工工件的工艺调节能量,正常使用时,可把ne1=750 rmin-1作为额定转速。312 起停时间设计计算因开关磁阻四象限功能一致,由Me=Jededt得出电机起停时间为:
19、ts=JeeMe=Je2eNe=Jene302Ne(11)式中,Je为 系 统 折 算 到 电 机 侧 的 转 动 惯 量(kgm2);e为电机角速度(s-1);ne为转速(rmin-1);Me为电机转矩(Nm);Ne为电机功率(W);ts为起停时间(s)。对于J212200型伺服压力机,正常起停时间为ts=0158 s。能量要求较高时,起停时间为ts=0163 s。快速起动时,开关磁阻电机提供转矩Me为3倍额定转矩;快速制动时,提供功率达额定值的3倍,公式(11)变为:ts=Jene3023Ne(12)则J212200伺服压力机上电机对整个系统的快速制动时间为ts=0119 s。若再考虑制动
20、器的作用,当速度与能量较高时,压力机制动时间也将小于012 s的设计要求。4 性能与特性与现有压力机比较,开关磁阻伺服压力机的突出特点为:(1)滑块运动数控伺服。输入端电机角速度e可数字无级调速、阶段变速,使随动的输出端滑块411锻 压 技 术 第33卷运动曲线可根据工艺要求进行数字设置,可以设计特殊的工作特性曲线,进行高难度、高精度加工,能够实现低速锻冲急回的变速功能。因电机本身能够寸动和慢速运行,不用再配置微调传动,调模试模极为方便。(2)生产率提高。可以根据工况和自动化连线的需要,在较大范围内数字设定滑块行程次数,其宽范围调速功能可以提高生产率。(3)智能数控。不同工艺、不同材料可调用计
21、算机存储的不同工作曲线,使压力机的加工性能、加工范围大大提高。工艺曲线、时间、产量、耗电量等数据可由微机智能存储和处理,易实现制造过程信息化管理的目标。(4)设备通用性提高。开关磁阻数控伺服压力机可依工艺调节,而满足不同工艺的需求,使同一台压力机工作在不同工况。(5)制件精度高,模具寿命高。锻压工件的速度可准确数控,使制件精度和模具寿命提高。(6)结构简化。伺服压力机没有了大飞轮、离合器等,结构简化。(7)成本低。开关磁阻系统只有交流伺服价格的十分之一,使压力机制造成本大幅度降低。(8)正常停机时,确保滑块停在上止点。位置传感器反馈位置信号,在停机前电机减速;当滑块处在上止点时,电机轴的制动启
22、动,确保滑块停在上止点。(9)安全性高。在电机制动和制动器作用下,滑块可以在任何位置紧急制动停止。(10)节能。因压力机在额定状态点以下工作,开关磁阻电机比其它电机耗能低;在低速时,节能更加明显。伺服压力机没有离合器结合能耗,滑块停止后,电机停转,也没有电机、飞轮空转,能耗显著降低。开关磁阻伺服压力机比传统压力机节能50%左右。(11)工作可靠性高。与其他电机系统相比,开关磁阻电机转子即无绕组也无永磁体,机械强度高。电机在三相输入电源缺相,欠功率运行或者闷车的情况下,不会烧毁电机和控制器。功率器件不会发生因控制错误导致短路而烧毁的现象,并且温升低。(12)开关磁阻电机在制动时变为发电机,可把电
23、力输回电网重新利用。5 结论目前的曲柄压力机存在难以数控的问题,调速驱动系统如直流电机调速或交流电机变频调速以及交流伺服电机本身存在一定的问题。开关磁阻伺服系统有效地改善了交直流电机驱动存在的缺陷。因开关磁阻电机速降比现有电机大很多,在Ae=Je2m中,增大,使转动惯量Je减小,起停时间也缩短,所以伺服压力机能够去掉飞轮、离合器,结构简化。经设计计算证明,开关磁阻伺服压力机能够满足压力机压力、能量、起停时间的设计要求。这种压力机能准确有效地通过数控伺服自动控制滑块的速度,可以满足慢速寸动、低速锻冲急回、紧急制动和不同工艺以及自动化生产连线调速的使用要求。同时,结构简单、价格经济、工作可靠性高、
24、节能高效。开关磁阻伺服压力机与现有压力机相比各方面优势明显。因此这种压力机将会取代现有曲柄压力机,成为机械压力机未来机型的发展方向。参考文献:1 中国锻压协会秘书处.中国锻压行业未来发展方略J.锻压技术,2003,28(1):122.2 孙友松,张宏超.金属板材加工设备发展新动向J.锻压技术,2004,29(4):124.3 赵婷婷,贾明全.开关磁阻调速式数控螺旋压力机J.锻压技术,2007,32(3):85288.4 赵婷婷,贾明全.开关磁阻调速数控通风机的方法J.矿山机械,2006,34(8):45246.5 赵婷婷,贾明全,丁慎言.空压机的恒压调速数控方法J.煤矿机械,2006,27(5
25、):8772879.6 赵婷婷,贾明全,丁慎言.开关磁阻调速电机驱动挤出机的方法J.工程塑料应用,2006,34(4):55257.(第十届全国塑性工程学术年会论文选登)锻压专利报道专利名称:新型冷锻成型机专利申请号:CN20052005591718 公开号:CN2772678申请日:2005103123 公开日:2006104119申请人:东莞洪梅全厚五金塑胶制品有限公司本实用新型提供了一种新型冷锻成型机,由冷锻冲模主滑块,冲模前后调整螺丝,固定螺帽,冲模座定位固定板锁紧螺丝,冲模固定螺丝及新型冲模座组成。其特征在于:冲模座为整体式结构,可同时安装数个冲模模具。冲模座通过冲模座固定螺丝与冲模座定位固定板连接,并通过冲模座定位固定板锁紧螺丝与冷锻冲模主滑块构成固定连接。上述的冷锻成型机是利用冲模座定位固定板和新型冲模座将冷锻成型机之数个冲模模具固定成一个整体,不需要调整相互间的距离,不需要复杂的操作程序。具有结构简单,操作方便,能有效提高生产效率,能消除不良品等优点。王元荪 报道511第1期赵婷婷等:新型开关磁阻伺服压力机传动系统设计
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