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1、大型伺服压力机控制系统设计,近年来，由于大功率伺服电机的研究开发成功，由大功率伺服电机驱动的新型机械设备也相应出现，如世界著名的KOMATSU、AIDA、AMADA、AMINO、TOYO等公司，先后推出了采用该技术的伺服压力机、伺服折弯机、伺服注塑机等设备。在此期间，机械压力机的传动结构发生了很大变化，最大的创新点在于伺服电机取代了传统的主驱动电机、飞轮、离合器和制动器，国内外的研究学者和压力机制造公司在直接驱动方式上做了不少的探索。lO多年前，在美、日、欧等工业发达国家就已经兴起了交流伺服电动机直接驱动压力机的研究与开发。,日本会田(AIDA)公司采用了自己开发的伺服马达和CNC控制系统推出
2、了NSlD型的伺服压力机。其产品NSI3000(D)的具体参数为：公称力3000kN，公称力行程6mm，正常模式下滑块行程长度400mm和滑块行程次数30次分。 日本天田(AMADA) 通过将伺服电动机与曲轴构造巧妙结合，实现灵活的行程动作及在加工区域可以进行精确动作控制的数字伺服直接驱动装置。并于2007年推出电动伺服压力机“SDEW2025”和“SDEW3025”。公称压力分别为2000kN和3000kN。具备“振子”、“整形”、“重复”等7种运动模式。根据加工对象选择运动模式，可进行高精度、稳定的加。此外，可增加用于在总公司与工厂间交换程序及各种数据的网络功能，还准备了收集生产数据的“运
3、转管理软件”，可以管理运动方式、模具、工件、外围装置、图像之类的数据。,日本AIDA和日本FANUC公司共同开发了一种高效率生产小型冲压件的伺服电机的压力成型机，这种成型设备可用于生产多种引线的引线框、手表机芯的精密齿轮、精密汽车零件等小型精密品。日本小松公司90年初试制了数字化机械驱动的数控回转头压力机，其传动原理为伺服电机加精密螺旋。2003年，小松公司又开发出新型伺服压力机，利用2台伺服电机通过皮带减速，带动滚珠丝杆运动，再通过肘杆机构带动滑块上下运动。该公司先后推出了H1F、H2F、H2W和HCP系列复合型伺服压力机。其产品H2W200H的具体参数为：公称力2000kN，滑块行程长度1
4、50mm，滑块行程次数85次分，滑块调节量120mm。,德国舒勒(Schuler)股份公司最新研制开发了新一代压力机，该机采用了适合于大批量或多品种生产的伺服驱动系统，大大提高了冲压设备的生产效率和灵活性。推出了2500kN、3150kN、4000kN、5000kN和6300kN公称力的新一代系列冲压设备，都配备了被称之为“PSE”的部件，而且所有的冲压设备都采用了集成化的模块，按照模块化结构制造，因此，Schuler股份公司可以为用户提供性能更强大的板材冲压设备。产品TSD2250的具体参数为：公称力2500kN，滑块行程长度60250mm和滑块行程次数370次分。,美国协易(SEYI)公司
5、推出了门型单轴(SDl系列)和门型双轴(SD2系列)伺服压力机，该系列产品具有高扭矩能力，系统中内建100组模具记忆。其产品SD2-400H的具体参数为：公称力4000kN，公称力行程7mm，滑块行程长度200mm，滑块行程次数40次分。 在现有伺服压力机产品方面，还有山田公司的Svo5型与Mga-24型伺服压力机，纲野公司的ServoLink型伺服压力机，以及台湾金丰公司的CMI型伺服压力机。,由于国外技术商业保密的原因，国外产品资料中对交流伺服压力机的机构特性及控制方式介绍很少，特别是不转让大功率交流伺服电动机的技术，国内伺服压力机的研究工作落后国外十多年。但最近几年，国内伺服压力机的研究
6、工作有了较快的进展，有多家单位进行了伺服压力机的研究开发工作。 浙江大学叶云岳自80年代末开始研究直线伺服电机驱动的锻压设备，成功地完成了直线电机驱动小型压力机的研制。现在己能小批生产5KN、10KN 315KN、60KN冲压机，更大吨位的压力机还在试制。 2007年，我国首台“混合驱动”伺服压力机由济南二机床集团研制成功，主驱动可以任意编程控制，压力机吨位达到1000吨。 2008年11月，上海交大与齐二机床集团有限公司联合研制成功200吨“H2S200型交流伺服压力机”，具有完全自主知识产权，将液压机的灵活性与机械压力机的高效率优点有机结合起来，可以适应不同的冲压工艺要求。,陆永辉、卢宗武
7、、张策等人分别采用了混合驱动机构，用伺服电机与常规电机混合驱动压力机。在这种方案中，常规电机用来传递主要动力，而伺服电机则通过调整五杆机构来控制滑块的位移，以此可以实现冲压工艺的调节。 目前国内在从事相关研究机构有，广东锻压集团、扬力集团、浙锻集团、徐锻集团、扬锻集团、清华大学、香港中文大学、南京航空航天大学、河海大学、华中科大、西安交大、南京理工大学、浙江大学、东南大学、广东工业大学等, 部分单位已经开发出初步样机。,Page 11,为了提高伺服机械压力机的吨位与电机容量的比值，开发出低成本大吨位的伺服机械压力机，国内外不少高校和企业正在以下3个方向进行研究:一是以增力功能为目标，对各种传动
8、机构进行串联式或并联式组合设计，以降低伺服电机所需的扭矩和容量，进而降低设备的成本，常用的传动机构有带轮副、齿轮副、蜗轮蜗杆副、丝杠螺母副、差动轮系、曲柄连杆、肘杆、多连杆等; 二是利用交流异步电机的低成本和大容量, 通过多自由度合成机构, 实现异步电机与伺服电机混合驱动, 以降低伺服电机的容量; 三是采用新型电力拖动系统, 如利用直线电机、开关磁阻电机驱动伺服机械压力机，以降低设备的成本。,伺服机械压力机的冲压功能是由功能部件实现的，其功能部件主要由驱动机构、传动机构和工作机构3 个子系统组成。表1 所示为国内外已经生产的伺服机械压力机的功能分解与功能实现策略。,该方案（图1）采用直线电机直
9、接驱动滑块做直线运动，无齿轮、同步带轮等减速机构，无曲柄连杆、螺旋副等运动形式转换机构，无肘杆、多连杆等增力机构， 实现所谓“零传动”， 具有结构简单、柔性加工、精确定位、高效生产、节能环保等优点。但由于受直线电机功率和成本的限制，伺服机械压力机的公称力很小，只有几十千牛， 一般用在微小型压力机上。 典型产品有：日本会田公司开发的LSF系列产品，最大公称力10kN；日本山田DOBBY公司开发的同类产品, 具有示教功能, 最大压力为24kN；浙江大学开发的5 100kN伺服压力机。,图1,图2,该方案（图2）中伺服电机经同步带轮、齿轮两级减速后,由曲柄连杆机构变转动为移动，再经肘杆机构增力，传动
10、较复杂，但由于有二级减速和肘杆增力机构， 因而降低了伺服电动机的容量。 典型产品：等长肘杆型，广东锻压机床厂有限公司开发的GDKS系列产品, 最大公称力6300kN；三角肘杆型，日本小松开发的H1F系列产品,最大公称力2000kN。,采用肘杆机构后使压力机具有更好的运动特性和动力特性，因为肘杆( 尤其是三角肘杆) 机构具有以下特点: （1）在滑块的下死点附近具有更好的低速运动特性，可以更好满足金属材料最大拉伸速度的限制要求。（2） 滑块上下行速度曲线不对称，且具有一定的急回特性，可以更好适应“ 快- 慢- 更快”的成形工艺运动要求，进而降低伺服驱动系统的加(减) 速要求。（3）具有更优的增力特
11、性，可以降低伺服电机的容量和成本。因而，该方案在单点压力机上具有良好的发展前景。,该方案(图3) 采用单台伺服电机驱动，经一级齿轮减速后，采用两个互相啮合的双边传动小齿轮，分别将运动和动力传递给两个大齿轮，实现大齿轮的异向回转，大齿轮再分别驱动两个曲柄、两个肘杆，进而共同驱动滑块运动。该方案适用于单台电机驱动的双点压力机，是方案2在双点压力机上的变种之一。 典型产品：日本AMINO公司开发的双点伺服压力机。,图3,该方案(图4)采用两台( 多台) 交流伺服电机或开关磁阻电机，分别经同步带轮减速后，再由滚动螺旋副后串联了肘杆机构，因而该方案也具有方案2的优点，该方案一般用于公称力较大的双点伺服机
12、械压力机，但由于采用了螺旋副，该方案存在一些缺点。 该方案存在的问题有:（1） 重载滚珠丝杠价格高、承载能力有限。（2） 工作时电机需频繁换向。（3） 需要精确的同步控制。,图4,该方案( 图5)采用两台伺服电机，分别通过蜗杆驱动同一涡轮，进而通过重载丝杠螺旋副变涡轮的转动为上滑块的移动，然后利用对称肘杆机构增力后驱动下滑块上下移动。该方案由于采用两台伺服电机驱动、涡轮蜗杆减速、对称肘杆增力，因而单位吨位的电机容量较低。,图4,图5,该方案存在的问题是: （1）必须解决重载丝杠的设计、效率、寿命、制造和成本问题。（2）传动链较长，增加了制造的复杂性。（3）与下滑块的工作行程相比, 上滑块的行程
13、要大得多，从而增大了丝杠的长度，降低了冲压频率。 典型产品：广东锻压机床厂有限公司开发的STPS系列产品，最大公称力3000kN；日本AMINO公司开发的连杆式伺服机械压力机，最大吨位可达32000kN。,图4,图6,该机构采用单台伺服电机驱动，经螺杆螺母，再经三角肘杆式连杆机构，具有很好的载荷放大功能。应用于日本网野公司开发的大吨位连杆式伺服压力机中。,该方案（图7）中伺服电机通过行星齿轮减速器降低转速，提高输出扭矩，经联轴器驱动滚珠丝杠，丝杠转动时带动其上对称分布的螺母沿丝杠同时向中间精确移动，经螺母的移动使上连杆驱动连接平衡块向下移动，由于对称摆杆输入式增力机构作用，水平作用力将放大一定
14、倍数后转化为作用在连接平衡块上的垂直力，连接平衡块向下移动时带动下连杆，下连杆再驱动双肘杆机构，驱动滑块向下运动。成型完后，电机反转，可使滑块迅速向上运动回到上死点。,图7,1 上梁 2 行星齿轮减速器 3 上肘杆 4 连接平衡块 5 盘式永磁同步伺服电机 6 联轴器 7 第一螺母 8 螺杆 9 上连杆 10 第二螺母 11 下连杆 12 下肘杆 13 滑块,该传动系统，采用行星齿轮减速器、上梁和肘杆之间的对称摆杆增力机构、双肘杆增力机构等三级增力机构，能提供大的放大倍数，增力效果明显，有效增力行程大；单根左右旋丝杠水平放置，减小了压力机的高度，整体结构尺寸较小；滑块行程大，工作行程具有快速进
15、给，慢速成型的特点，空行程具有“急回特性”，工作效率高；采用对称结构，消除了偏载。,该方案采用复合驱动，由大功率电机和小功率伺服电机共同驱动，大功率电机提供冲压的能量，小功率伺服电机实现滑块位置和速度的调整。曲柄与机架通过转动副连接，大功率电机驱动曲柄旋转；小功率伺服电机通过丝杠驱动滑轨内的调节滑块；在曲柄和调节滑块的共同作用，三副构件以较复杂的轨迹运动，在此过程中，带动下连杆运动，最后驱动滑块上下运动，完成冲压过程。 该传动系统利用大功率普通电机和小功率伺服电机混合驱动，通过精确控制伺服电机的运动，实现对滑块的冲压速度和位置的控制和调节，解决了大功率伺服电机成本高，控制系统要求较高的难题，而
16、且三副构件的引入，使滑块的压力工作曲线能更为多样化，实现冲裁、落料、弯曲、成型及精压等工艺。,图8,1 机架 2 曲柄 3 连杆 4伺服电机 5 滚珠丝杠 6 滑轨内调整滑块 7 三副构件 8 下连杆 9 滑块,拓扑理论创新设计方法针对现有机构，用机构简图表示，解除机 架约束，将机构简图转化为运动链，并生 成异构运动链，将这些异构运动链转化为 机构简图，从而实现机构的创新设计。基于发散思维，在机构自由度运动副数目 已知的情况下，根据拓扑理论，得出各种 机构异构体，再把这些机构转化为机构简 图。图9为拓扑理论构型设计流程图。,图9,压力机传动机构在特定化运动链图谱时的设计要求必须有一根固定杆作为
17、机架必须有一与固定杆相连接的回转副作为压力机的输入滑移副所附随的连杆必须为二副杆,满足特定化六连杆压力机的传动机构可以由四连杆与滑块连杆组连接而成，主要有两种结构，如图10。特定化的八连杆压力机可由六连杆与滑块连杆组连接，非同构六连杆有斯蒂芬森和瓦特两种，如图11。,图10,图11,图12,依次固定连杆为机架，与固定架运动副作为回转副，除去同构的机构和不满足要求的类型，图12为斯蒂芬森 演化的构型，图13为瓦特演化构型。,图13,伺服压力机控制系统应具有的特点和实现的功能：(1)系统必须具有功能强大的微处理器，以满足实时性要求。同时系统能够供 给用户一个良好的人机界面。(2)系统能够支持人机界
18、面交互和能够支持网络或串行通讯。(3)系统必须具有性能优良的运动控制部分。运动控制部分必须要设计成熟，运行稳定，功能强大同时必须要反应迅速，具有高速控制能力及良好的控制精度。(4)运动控制部分能够实现对异常情况的处理包括急停信号处理、警告信号处理，或对多种运动结果及异常情况产生的中断处理，实现实时控制。 具体的功能要包括：恒速转动、加载三类加工曲线、减速停止、急停、复位、修改压力机参数、修改控制参数、设置上死点位置、调整DAC零点位置、记录运行数据(角度，角速度，DAC值)、实时反馈运行参数、修改缓冲长度等。,伺服压力机控制系统应具有的特点和实现的功能：(1)系统必须具有功能强大的微处理器，以
19、满足实时性要求。同时系统能够供 给用户一个良好的人机界面。(2)系统能够支持人机界面交互和能够支持网络或串行通讯。(3)系统必须具有性能优良的运动控制部分。运动控制部分必须要设计成熟，运行稳定，功能强大同时必须要反应迅速，具有高速控制能力及良好的控制精度。(4)运动控制部分能够实现对异常情况的处理包括急停信号处理、警告信号处理，或对多种运动结果及异常情况产生的中断处理，实现实时控制。 具体的功能要包括：恒速转动、加载三类加工曲线、减速停止、急停、复位、修改压力机参数、修改控制参数、设置上死点位置、调整DAC零点位置、记录运行数据(角度，角速度，DAC值)、实时反馈运行参数、修改缓冲长度等。,运
20、动控制系统或电动机控制系统的实现方法主要有以下几种：1)以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统；2)利用专用芯片实现的运动控制系统。3)用FPGA，CPLD等可编程逻辑器件实现的运动控制系统。4)以微控制器为核心的运动控制系统。 模拟电路的方式时间长了容易老化，升级几乎不可能，专用芯片的方式算法固定，无法升级，不适用于高精度高性能的场合，使用逻辑可编程器件是硬件上的算法，但对于复杂的功能和算法，比如实现多条加工工艺曲线这样的复杂功能，门电路的个数要求会很多，价格会非常高。微控制器的方法算法升级容易，灵活，价格降低的速度很快，更适合运动控制，也是运动控制发展的趋势。,目前国内外伺服控制系统采用的
21、微控制器有多种，主要有81 6位单片机、数字信号处理器DSP和ARM这三大类型。采用8/16位单片机，控制系统设计制作简单，硬件开发周期短，但数据处理能力不强。DSP具有数据处理能力强、速度快等特点，但DSP芯片专用性比较强，通用性比较弱。 ARM微处理器资源丰富，具有很强的通用性和丰富的接口，以其高速度、高性能低价格、低功耗等优点而广泛应用于各个领域。ARM可以利用自身资源不必增加过多的外围围器件就可以实现控制所要求的功能，同时使得伺服运动控制卡的结构尺寸可以做的很小。另外，利用ARM处理器设计的嵌入式系统还具有非常好的移植性，这是其他类型处理器所不具备的特点。,项目简介： 徐州锻压机床厂集
22、团有限公司与东南大学合作项目“DP型高精度伺服电机驱动数控压力机”，使用电机直接驱动曲柄滑块，公称压力800KN。 压力机的控制系统采用PC+DSP的模式，PC机负责各种命令的输入、运行过程和结果的显示，而DSP对压力机进行实时控制。这种模式的特点就是充分利用了PC的优点，省去了各种接口驱动的编写，而DSP的实时性充分弥补了PC机的非实时性。主要设计任务： 首先设计了运动控制卡的硬件结构，包括微处理器CPU的选择，与工控机的通讯接口设计，旋转变压器信号的处理转换电路设计，模拟量输出设计及其调理电路，光电隔离设计等，其次设计了运动控制卡相应的底层软件，其中包含软件的结构，与上位机的通讯协议和压力
23、机控制算法设计三大部分。,DSP芯片简介： 微处理器选择的是TI的C2000系列中的电机专控DSP，型号TMS320F2812，主频150MHz时钟频率，每秒钟可以执行15亿次指令(150MIPS)，并且片上外设丰富，能够满足大部分应用需要。拥有128K16位Flash，两个事件管理器，16通道12位ADC，串行外设接口(SPI)，两个串行通讯接口(UART)，增强型局域网络控制器(eCAN)，多通道缓冲串口(McBSP)等等。,项目简介： 项目与DSP方案为同一项目。系统硬件平台采用基于PCI04总线的模块化设计方案，主要由四模块构成：运动控制卡、主控制卡、显示卡和输入输出卡。运动控制卡负责
24、伺服电机的运动控制，通过旋转变压器获取曲柄角度与转速，输出模拟电压信号控制伺服电机，实时性极强。主控制卡负责系统操作、系统监控、人机界面显示、网络通讯等工作，是整个数控系统的控制中心。由于主板上不提供LCD控制器，为获得良好的人机界面，采用独立的显示卡，可支持不同规格的LCD作为显示终端。输入输出卡则负责系统输入输出信号的处理与传送。各个模块通过PCI04总线相互连接。采用PCI04组成方式的特点是系统标准程度高，开放性好，可根据系统要求加入另外的PCI04板卡，系统柔性较大。,ARM芯片简介： 根据不同的运行要求，运动控制卡选用PHILIPS公司工业级单片徽处理器LPC2292芯片，主控制卡
25、选用LPC2220芯片，LPC2220没有片内FLASH，需要外扩2MB Flash存储器。 ARM7TDMI(-s)处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。ARM7TDMI(-S)处理器使用流水线来提高处理器指令流的速度，能提供09MIPsMHz的指令执行速度。它使用了冯诺依曼结构，指令和数据共用一条32位总线。数据可以是8位字节、16位半字或者32位字。,ARM7与ARM9之比较： ARM9的时钟频率比ARM7更高、内部资源更丰富，采用哈佛结构区分了数据总线和指令总线, ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线,5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每
26、一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1822倍，速度得到很大的提高。 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。 ARM7所经常使用的COS-II嵌入式系统，它只包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程间的通信与同步等基本功能，而没有IO管理、文件系统、网络等额外的模块。 ARM9可以使用LINUX和WINCE等系统，系统功能完善、可移植性强。由于复杂项目必然要有良好的人机交互界面，这就对嵌入式系统提出了更高的要求，而采用LINUX等系统可方便的解决这类问题，并且为后续的界面开发提供了方便。,机械部件及传感器 定制传动机构及执行机构、伺服电机、电机驱动器、旋转变压器、光栅传感器、压力传感器等。控制部件 采用核心板（ARM9）加扩展板形成控制器、触摸屏等。,
