濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PAGE24-1前言1.1課題背景與意義數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床（NumericalControlTurretPunchPress）集機(jī)、電、液、氣于一體化，是一種用來對鈑金成型或分離的數(shù)控加工設(shè)備，其具有轉(zhuǎn)塔模具庫，可實(shí)現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)換模，所以稱為轉(zhuǎn)塔沖床。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)是提供沖頭沖壓板材的動力源，主傳動部分的沖壓頻率直接影響著數(shù)控沖床的生產(chǎn)頻率，因此，主傳動部分的發(fā)展?fàn)顩r決定著數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展?fàn)顩r，也一直是生產(chǎn)廠家和用戶關(guān)注的焦點(diǎn)問題。目前，國內(nèi)沖床設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的沖床主要采用機(jī)械式主傳動和液壓式主傳動。機(jī)械式主傳動系統(tǒng)的原理是使用普通電機(jī)來驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來完成沖壓過程，這類形式的數(shù)控沖床沖壓行程固定，沖壓速度也無法得到提高，另外耗電量和沖擊噪音都比較大，因此很多廠家和用戶都已經(jīng)不在使用這類沖床。液壓式的主傳動系統(tǒng)的原理是使用液壓泵來提供動力驅(qū)動沖頭完成沖壓過程，這類沖床雖然彌補(bǔ)了機(jī)械式主傳動沖床的一些不足，但是也有著它自身的缺點(diǎn)，比如對環(huán)境溫度要求較高、耗電量大等。然而，新興的伺服電機(jī)驅(qū)動式主傳動既具有機(jī)械式主傳動結(jié)構(gòu)可靠的特點(diǎn)，也兼?zhèn)淞艘簤菏街鱾鲃拥闹T多特性，擁有無法比擬的優(yōu)越性，這一傳動方式目前僅掌握在國外少數(shù)生產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的廠家手中。因此，本課題緊跟國外最新技術(shù)，研究伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，對于提高國內(nèi)數(shù)控沖床的市場競爭力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1.2數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前，國際上對伺服主傳動機(jī)構(gòu)的研究主要有兩種：一種是由伺服電動機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使多桿機(jī)構(gòu)推動滑塊完成沖壓工作；另一種是由伺服電動機(jī)帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，使多桿機(jī)構(gòu)推動滑塊實(shí)現(xiàn)沖壓過程。具體來說，國內(nèi)與國外在這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展差距很大。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀上世紀(jì)八十年代國內(nèi)研制出第一臺數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，采用的是機(jī)械式主傳動技術(shù)，即普通電機(jī)通過帶傳動驅(qū)動飛輪，再由飛輪通過離合器驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)沖壓運(yùn)動。上世紀(jì)九十年代末，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)首次將液壓技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上，采用液壓式主傳動實(shí)現(xiàn)沖壓，研制出了第一臺液壓數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。進(jìn)入二十一世紀(jì)，由于國外對新型的沖壓方式展開了一系列的研究，國內(nèi)相關(guān)人士和數(shù)控沖床生產(chǎn)廠商也紛紛開始關(guān)注伺服主傳動的研究。如今，此項(xiàng)研究在國內(nèi)仍然只是停留在對國外設(shè)備的改造上，并沒有實(shí)質(zhì)性的研究進(jìn)展[1]。相對于國外來說，國內(nèi)數(shù)控沖床生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品研制過程中，缺乏對關(guān)鍵系統(tǒng)和機(jī)械零部件的系統(tǒng)分析和量化計算，因此雖然可以實(shí)現(xiàn)某些功能，但整機(jī)質(zhì)量以及系統(tǒng)綜合性能缺乏優(yōu)化。同時缺乏對產(chǎn)品的設(shè)計方法的系統(tǒng)研究，一些產(chǎn)品的研制只是應(yīng)付市場或是某種設(shè)備改造，特別是在產(chǎn)品的虛擬設(shè)計制造技術(shù)、控制技術(shù)、專業(yè)計算方法等方面落后，致使產(chǎn)品的創(chuàng)新和原創(chuàng)能力相比國外比較缺乏。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在國際數(shù)控鍛壓設(shè)備制造領(lǐng)域，目前主要有代表性的制造商有日本AMADA公司、日本Muratec公司、芬蘭FINN—POWER、比利時LVD、德國Trumpf等。近十年技術(shù)發(fā)展的特征同樣表現(xiàn)在高精度、高速度和高度集成幾個方面，同時加工設(shè)備中的一些動力驅(qū)動和控制技術(shù)不斷創(chuàng)新，由早期機(jī)械傳動、液壓伺服傳動向全私服發(fā)展，設(shè)備的控制能力得到加強(qiáng)的同時，加工速度成倍提升。上世紀(jì)末，已有一些廠商研制出全伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床（與傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)塔沖床相比X、Y、T和C軸均為伺服電機(jī)驅(qū)動外，其主傳動也是伺服電機(jī)驅(qū)動）。日本AMADA公司推出的全伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床采用了其自主研發(fā)的主傳動形式，其中的伺服電機(jī)是將標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與減速器結(jié)合特制而成，采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)沖壓過程。這種主傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、高速沖壓等優(yōu)點(diǎn)，但由于其自制的伺服電機(jī)性能還十分不穩(wěn)定，其整機(jī)性能有待進(jìn)一步提高。1.3課題研究主要內(nèi)容本文參照村田MOTORUM2048UT數(shù)控伺服電機(jī)驅(qū)動式多工位沖床的技術(shù)要求，對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行設(shè)計，主要完成以下幾項(xiàng)工作：主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。分析比較各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定結(jié)構(gòu)形式；對肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，確定桿件的長度，選擇合適的伺服電機(jī)，利用MatLab軟件繪制出關(guān)系曲線圖；主傳動系統(tǒng)控制電路的設(shè)計。1.4本章小結(jié)本章介紹了課題的背景及選題意義，總結(jié)了目前國內(nèi)外在研究數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床方面的現(xiàn)狀，最后給出了課題研究的主要內(nèi)容。2數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)選型2.1數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)介紹作為金屬板材加工關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，至今已有將近六十年的應(yīng)用和發(fā)展，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的關(guān)鍵核心技術(shù)之一的主傳動系統(tǒng)也在不斷地被一步一步的改進(jìn)，以適應(yīng)現(xiàn)在加工理念的需要。至今為止，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主傳動系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)形式：機(jī)械式主傳動系統(tǒng)、液壓式主傳動系統(tǒng)和伺服電機(jī)式主傳動系統(tǒng)。下面分別介紹一下。2.1.1機(jī)械式主傳動系統(tǒng)機(jī)械式主傳動系統(tǒng)是應(yīng)用在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上最早的主傳動系統(tǒng)，最初的機(jī)械式主傳動系統(tǒng)部件普通電機(jī)、飛輪、離合器與制動器、曲軸、連桿和滑塊等組成，如圖2-1所示[2]。圖2-1機(jī)械式主傳動系統(tǒng)原理圖這種主傳動的工作過程是普通電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)過一系列的減速機(jī)構(gòu)傳遞到曲柄軸上，然后經(jīng)過連桿和滑塊相連接，連桿將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成滑塊的直線運(yùn)動，滑塊垂直上下運(yùn)動，將模具的沖頭壓入金屬板料中，完成沖壓動作。沖頭在向下運(yùn)動時，離合器閉合，飛輪儲存的能量通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)傳遞到?jīng)_頭上；當(dāng)沖壓結(jié)束，沖頭向上運(yùn)動時，離合器脫開，解除了飛輪對曲軸連桿的扭矩傳遞作用，與此同時，制動器開始制動，使曲軸轉(zhuǎn)動至上死點(diǎn)時停止運(yùn)動。機(jī)械式驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品價格低，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是，這類沖床的缺點(diǎn)也是顯而易見的。首先，機(jī)械式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床必須等飛輪轉(zhuǎn)過一圈，才進(jìn)行一次沖壓，沖壓行程是固定的，所以沖壓速度沒法提高。其次，由于沖頭的行程沒法控制，進(jìn)行成型沖壓時不易控制。另外，這類沖床還具有耗電量大、沖壓噪音大等缺點(diǎn)。2.1.2液壓式主傳動系統(tǒng)液壓式主傳動系統(tǒng)最早被應(yīng)用在數(shù)控沖床上是上個世紀(jì)九十年代，到目前為止仍然是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上的主流配置。液壓式主傳動系統(tǒng)與機(jī)械式主傳動系統(tǒng)相比，液壓站代替電機(jī)提供動力，用油缸取代曲軸連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓站和油缸之間用主液壓閥塊連接，通過專門的電子卡程序化控制整個系統(tǒng)的動作，同時對于沖頭位置、行程和速度的精確控制由連接于油缸活塞桿上的電子傳感器通過對沖頭的實(shí)時測量和反饋來實(shí)現(xiàn)。液壓式驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床通過液壓缸驅(qū)動沖頭，由電液伺服閥進(jìn)行沖壓控制，沖壓速度得到提升。由于液壓缸行程可控制，所以可以通過控制沖頭的行程來調(diào)節(jié)成型模具，很方便的進(jìn)行成型加工。雖然這類沖床被得到了廣泛的應(yīng)用，但是也還存在著許多不足之處，比如對環(huán)境要求高、耗電量大、占地面積大等。2.1.3伺服電機(jī)式主傳動系統(tǒng)由于上述兩類沖床存在著很多不足之處，所以各廠家有開發(fā)研究出了第三代數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床——伺服電機(jī)驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。這類機(jī)床的主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都是在傳統(tǒng)的機(jī)械式主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，目前主要有兩種：（1）伺服電機(jī)直接與曲軸相連，省去了傳統(tǒng)機(jī)械式主傳動系統(tǒng)中的飛輪及離合器與制動器，這樣可以獲得很高的沖壓頻率；（2）伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相連，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的減速增扭特性，可以降低伺服電機(jī)的負(fù)載扭矩，另外，曲柄旋轉(zhuǎn)一周，滑塊能夠上下運(yùn)動兩次，沖壓頻率更高。伺服電機(jī)驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床具有節(jié)省能源、噪音低、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣大設(shè)備用戶的認(rèn)可和接受，成為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床未來發(fā)展的新趨勢。2.2伺服電機(jī)驅(qū)動主傳動的結(jié)構(gòu)選型伺服電機(jī)主傳動的結(jié)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、肘桿式機(jī)構(gòu)和多桿式主傳動機(jī)構(gòu)三種。各機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。（a）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（a）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(b)肘桿機(jī)構(gòu)32141.曲柄2.連桿3.肘桿4.滑塊圖2.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和肘桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖2（a））是最早應(yīng)用于沖床的機(jī)械式主傳動，利用電機(jī)傳遞的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動連桿一起旋轉(zhuǎn)，而連桿則帶動著滑塊做上下往復(fù)運(yùn)動，達(dá)到了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的目的。這種機(jī)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是具有急回功能，而且結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，成本較低。但是該機(jī)構(gòu)在沖壓過程中上下模合模時滑塊的瞬時沖擊力較大，影響主機(jī)和模具的使用壽命。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中一旦連桿的參數(shù)確定，滑塊的行程、速度、加速度曲線也就跟隨確定，因此不適合用于具有復(fù)雜沖壓工藝要求的沖床上。肘桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2（b）所示，肘桿式機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是由不同形式的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，其曲柄半徑小、功率消耗低、工作行程大及回程速度高，在高頻率下能夠得到低而均勻的工藝速度。曲柄轉(zhuǎn)動一圈，滑塊上下往復(fù)運(yùn)動兩次，即完成兩次沖壓過程，比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作效率提高了一倍。肘桿機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是具有機(jī)械力放大作用，這樣可以降低電機(jī)的負(fù)載特性。相對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，肘桿機(jī)構(gòu)僅增加了兩個桿件，就大大改變了主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動特性和動力特性，結(jié)構(gòu)更緊湊，剛性也得到明顯提高。多桿機(jī)構(gòu)由多桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)按特定的組合關(guān)系構(gòu)成的，利用多桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線和急回特性，可使滑塊得到較為理想的壓力曲線，在一個行程中，滑塊可以從上死點(diǎn)快速下行到達(dá)工作區(qū)域，而在工作區(qū)域滑塊的速度行進(jìn)緩慢，滑塊處于下死點(diǎn)附近時，能較長時間內(nèi)處于幾乎停止行程的狀態(tài)，從而完成整個沖壓、拉伸工作行程。當(dāng)沖壓完成后，又能快速返回到上死點(diǎn)。綜上所述，本課題選用肘桿機(jī)構(gòu)作為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主傳動機(jī)構(gòu)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）在工作行程階段獲得符合沖壓工藝要求的速度，能保證沖壓工件的質(zhì)量；（2）提高了滑塊的空程和回程速度，從而提高了生產(chǎn)效率；（3）降低了模具與工件的接觸速度，利于提高模具壽命，減少了振動和沖擊，使機(jī)器工作平穩(wěn)、噪聲降低；（4）用較小的曲柄半徑可獲得較大的滑塊行程，并增大了公稱力行程量。991,23456781伺服電機(jī)2減速機(jī)構(gòu)3曲柄4連桿5過渡桿6中肘桿7上肘桿8下肘桿9滑塊圖3.主傳動系統(tǒng)的組成肘桿式伺服主傳動系統(tǒng)的組成如圖3所示。由伺服電機(jī)1通過減速機(jī)構(gòu)2驅(qū)動曲柄3轉(zhuǎn)動，由連桿4和過渡桿5將驅(qū)動力傳遞給肘桿機(jī)構(gòu)6，再借助于連桿7最終將動力傳遞給滑塊8。3主傳動系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計及伺服電機(jī)選型3.1前言本課題研究的伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)采用的曲柄肘桿式機(jī)構(gòu)原理圖如圖3-1所示。DDCBAO1O2EO1A—曲柄AB—連桿BC—過渡桿CD—中肘桿O2D—上肘桿DE—下肘桿圖3-1曲柄肘桿機(jī)構(gòu)原理圖3.2滑塊E的運(yùn)動學(xué)分析3.2.1滑塊B的位移SB與曲柄轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系BBRABLSBmaxO1R1αL1βBSB圖3-2曲柄O1A與滑塊B之間的運(yùn)動關(guān)系簡圖曲柄O1A與滑塊B的運(yùn)動關(guān)系簡圖如圖3-2所示，曲柄O1A由伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)锽的直線運(yùn)動。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角α=00時，滑塊B到達(dá)最右端BR處，此時，SB=0；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角α=1800時，滑塊B到達(dá)最左端BL處，此時，SB=SBmax；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角α為任意角度時，SB=O1BR-O1B。易得滑塊B的最大位移SBmax=2R1。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出：（3-1）而曲柄O1A轉(zhuǎn)角α與連桿AB的轉(zhuǎn)角β的關(guān)系可由正弦定理得到：（3-2）若令R1/L1=λ1，則（3-3）（3-4）聯(lián)立式（2-4）和式（2-1），并整理得：（3-5）利用余弦定理可以得到用滑塊B的位移SB表示曲柄轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系式：（3-6）3.2.2曲柄轉(zhuǎn)角α之間與上肘桿O2D的轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系CCRCLSCmaxSCEDCO2θλMR2L2圖3-3滑塊C的位移與上肘桿O2D之間的關(guān)系圖要想得到曲柄轉(zhuǎn)角α與上肘桿O2D的轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系，可以通過研究θ與滑塊C之間的關(guān)系得到，因?yàn)檫^渡桿BC兩端滑塊B和滑塊C的位移相等。由圖3-3可以得出以下關(guān)系：（1）當(dāng)上肘桿O2D的轉(zhuǎn)角θ為正向最大值時（逆時針方向?yàn)檎?，滑塊E位于上死點(diǎn)位置，此時滑塊C位于最右端CR處；（2）當(dāng)上肘桿O2D的轉(zhuǎn)角θ為0，滑塊E位于下死點(diǎn)位置；（3）當(dāng)上肘桿O2D的轉(zhuǎn)角θ為負(fù)向最大值時，滑塊E位于上死點(diǎn)位置，此時滑塊C位于最左端CL處。設(shè)θmax時，D位于DR處，則CRDR在水平方向的分量為：（3-7）CD的X軸分量和Y軸分量分別為：（3-8）(3-9)由于上肘桿O2D是左右對稱擺動的，所以有以下關(guān)系：（3-10）即（3-11）而（3-12）且整理可以得到θ與α的關(guān)系式：（3-13）3.2.3滑塊E位移與上肘桿O2D轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系SSESEmaxEBETEDO2R2θL2圖3-4滑塊E位移與上肘桿O2D轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系圖圖3-4所示為滑塊E位移與上肘桿O2D轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，與圖3-2的結(jié)構(gòu)關(guān)系相同，分析方法也相同，因此，可以得到下面的關(guān)系式：（3-14）式中λ2=R2/L23.2.4滑塊E的速度分析上一節(jié)推導(dǎo)出滑塊E的位移關(guān)系，對其求導(dǎo)可得出滑塊E的速度關(guān)系式：（3-15）式中ωθ為上肘桿O2D的角速度。3.3主傳動系統(tǒng)中曲柄肘桿機(jī)構(gòu)各桿件的長度確定在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)中，首先考慮的是滑塊E的最大行程。本課題將依據(jù)村田MOTORUM2048UT數(shù)控伺服電機(jī)驅(qū)動式多工位沖床的主要技術(shù)規(guī)格進(jìn)行設(shè)計，其規(guī)格要求如表3-1所示：表3-1MOTORUM2048UT技術(shù)規(guī)格沖壓能力200KN最大加工板厚6.35mmX軸行程2550mmY軸行程1360mm加工板材夾鉗不移動1250mm×2500mm夾鉗一次移動1250mm×5000mm喉深1340mm最大加工重量150KG沖壓速度連沖模式355hpm（25mm間隔8.3mm沖程）刻印模式900hpm（0.5mm間隔1.4mm沖程）工位數(shù)54工位（自動旋轉(zhuǎn)工位2）44工位（自動旋轉(zhuǎn)工位4）沖壓方式AC伺服（第三代結(jié)構(gòu)）電壓380V50HZ根據(jù)表3-1中數(shù)據(jù)和本章3.2節(jié)確定的各桿件的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，確定各桿件的尺寸如下：R1=40mm，L1=300mm，M=400mm，R2=120mm，L2=480mm，進(jìn)一步可以得到以下數(shù)據(jù)：θmax=19.200，SEmax=8.3mm。3.4主傳動系統(tǒng)伺服電機(jī)的選擇在選擇伺服電機(jī)時，遵循電機(jī)功率最小的原則。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動在工作過程中主要能量是用來完成沖壓過程，即克服板材變形所做的功。板材變形功A可用下式近似求解：（3-16）式中：A——板材變形功（單位：J）；F——沖床公稱力（單位：N）；h0——沖壓板材厚（單位：m）本課題設(shè)計的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的沖壓公稱力F=200KN，最大加工板材厚度h0=6.35mm，所以板材變形功A為：一次沖壓過程所需的總能量為：（3-17）在已知的條件下，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床最高沖孔頻次為n=900hpm，則曲柄的工作周期為：（3-18）沖床完成一次沖壓過程，伺服電機(jī)所需的平均功率為：（3-19）考慮到伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時的安全因素，在選擇伺服電機(jī)時，乘以一個安全系數(shù)K（取值范圍1.2~1.6），則伺服電機(jī)的功率為：P=1.2Pca~1.6Pca=12.96~17.28（KW）。因此，本課題選用南京埃斯頓自動控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EMB型伺服電機(jī)，其型號為EMB-1EDSA11，額定功率為15KW，額定轉(zhuǎn)矩為95.5NM。3.4數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)工作模式伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床具有高速加工、連沖加工、靜音加工、成型加工等多種加工模式（如圖3-5所示）。[3]圖3-5數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)不同工作模式曲線圖接下來將討論一下連沖加工模式下的沖床。3.4.1運(yùn)動學(xué)分析前面章節(jié)已經(jīng)分析了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，并確定了各桿件的尺寸，因此，將數(shù)據(jù)代入將得到本課題設(shè)計的沖床的關(guān)系式：（3-20）（3-21）（3-22）通過整理上面三個式子就可以得到滑塊E的位移與曲柄轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系，利用MatLab軟件的繪圖功能得到兩者之間的關(guān)系曲線圖如圖3-6—圖3-8所示。圖3-6曲柄O1A轉(zhuǎn)角α與滑塊B的位移SB關(guān)系曲線圖圖3-7滑塊B位移SB上肘桿O2D轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系曲線圖圖3-8滑塊E位移SE與上肘桿O2D轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系曲線圖數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在應(yīng)用中如果知道了連沖加工模式中滑塊的位移-時間關(guān)系，同樣也可以得到電機(jī)與滑塊E位移的關(guān)系。3.4.2動力學(xué)分析曲柄肘桿機(jī)構(gòu)各桿件的受力分析如圖3-9所示。FF反沖壓FDEDCBFCDFBCFABFAAO1FO2DO2圖3-9曲柄肘桿機(jī)構(gòu)受力分析圖4數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1主傳動控制系統(tǒng)介紹運(yùn)動控制就是通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)對運(yùn)動部件的位置、速度進(jìn)行實(shí)時的管理，是運(yùn)動部件按照給定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的動作。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動控制系統(tǒng)典型構(gòu)成由上位機(jī)、運(yùn)動控制器、伺服放大器、電機(jī)、反饋元件、執(zhí)行原件等幾部分組成，如圖4-1所示。反饋元件反饋元件伺服驅(qū)動器上位計算機(jī)運(yùn)動控制器交流伺服電機(jī)應(yīng)用程序指令運(yùn)動指令負(fù)載圖4-1運(yùn)動控制系統(tǒng)典型構(gòu)成框圖近年來，伺服電機(jī)控制技術(shù)正向數(shù)字化、交流化和智能化三個方面發(fā)展，隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，伺服電機(jī)控制技術(shù)成為了機(jī)床控制系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、全閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)檢測反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動反饋控制回路，電動機(jī)按照數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運(yùn)動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器件；閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動放大器，進(jìn)給伺服電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和直線位移測量裝置組成，采用直流伺服電動機(jī)或交流伺服電動機(jī)作為驅(qū)動部件；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)相同，同樣采用伺服電動機(jī)作為驅(qū)動部件，可以采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用很廣[4]。伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)的性能相比其它控制系統(tǒng)具有很多明顯的優(yōu)勢，表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）低頻特性好。交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)在低速時不會出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，系統(tǒng)內(nèi)部還具有頻率解析功能，能夠檢測出機(jī)械部件的共振點(diǎn)，以便于系統(tǒng)的調(diào)整；（2）控制精度高。交流伺服電機(jī)的控制精度由安裝在電機(jī)后端的反饋元件保證，因此其精度可以達(dá)到很高；（3）過載能力強(qiáng)。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，一般伺服電機(jī)的瞬間最大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的2-5倍，能夠克服啟動瞬間或過載時的慣性力矩；（4）速度響應(yīng)快。交流伺服電機(jī)從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒的時間；（5）矩頻特性佳。交流伺服電機(jī)的力矩輸出為恒力矩輸出，在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)，都可以輸出額定轉(zhuǎn)矩。交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中各個組成部分分工明確，各自完成相應(yīng)的功能。運(yùn)動控制器用以生成軌跡點(diǎn)和閉合位置的反饋環(huán)，伺服驅(qū)動器的功能是將來自運(yùn)動控制器的控制信號轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號，伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源將運(yùn)動輸出，反饋元件（如旋轉(zhuǎn)編碼器）檢測執(zhí)行件的一些信號（如速度、位置等）反饋到運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)控制環(huán)的閉合。4.2運(yùn)動控制器目前，國內(nèi)運(yùn)動控制器依據(jù)核心部件的不同可以分為三類：單片機(jī)為核心的運(yùn)動控制器、專用芯片（ASIC）作為核心的運(yùn)動控制器、基于PC總線以DSP和FPGA為核心的運(yùn)動控制器?；赑C總線以DSP和FPGA為核心的運(yùn)動控制器具有開放式的結(jié)構(gòu)，采用閉環(huán)伺服控制，其特點(diǎn)是：（1）基于標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)和工業(yè)總線；（2）開放式的硬件結(jié)構(gòu)；（3）適用于多種操作系統(tǒng)；（4）充分利用PC機(jī)的資源。因此，該類運(yùn)動控制器目前被廣泛應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)中，其功能框圖如圖4-2所示。環(huán)型隊(duì)列環(huán)型隊(duì)列緩沖器運(yùn)動控制器標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)和工業(yè)總線驅(qū)動I/O控制邏輯控制指令緩沖直線/圓弧插補(bǔ),誤差補(bǔ)償閉環(huán)控制用戶界面參數(shù)設(shè)定編輯編譯PLC診斷通信機(jī)床面板控制馬達(dá)手脈可編程和擴(kuò)展的伺服電機(jī)控制接口圖4-2運(yùn)動控制器功能框圖4.3伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器也叫做伺服放大器，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其核心是數(shù)字信號處理器，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，是現(xiàn)代技術(shù)中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的核心體現(xiàn)。目前大多數(shù)廠家都在生產(chǎn)伺服電機(jī)的同時配備伺服驅(qū)動器，因此，伺服驅(qū)動器在選擇時都是依據(jù)伺服電機(jī)而成套選擇的。伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器的接線圖如圖4-3所示。圖4-3伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器接線圖4.3本章小結(jié)本章對伺服電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并講解了運(yùn)動控制器和伺服放大器的工作原理以及伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器之間的接線圖。如果將一臺機(jī)床比作一個人，那么機(jī)械系統(tǒng)部分相當(dāng)于人的軀干的話，控制系統(tǒng)則是一臺機(jī)床的靈魂，因此，控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩者相輔相成的完成工作。5結(jié)論本文首先介紹了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床及其伺服電機(jī)驅(qū)動的主傳動系統(tǒng)，深入研究了曲柄肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系，并在確定了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動各桿件的基礎(chǔ)上分析了連沖加工模式下沖頭的位移、速度與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，并利用MatLab軟件繪制出了關(guān)系曲線圖。選擇伺服電機(jī)時，依據(jù)電機(jī)功率最小原則選擇了埃斯頓公司生產(chǎn)的功率為15KW的EMB型伺服電機(jī)。本課題的另一個重點(diǎn)是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)主要是由PC機(jī)、運(yùn)動控制器和伺服放大器完成的，在仔細(xì)研究了運(yùn)動控制器和伺服放大器的原理后，繪制了控制系統(tǒng)的接線圖。參考文獻(xiàn)[1]陳松.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床伺服電機(jī)主傳動的研究[D].華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要.2009:3-5[2]盧秋霞,董學(xué)仁,王洪蛟等.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動的發(fā)展[J].儀器儀表用戶,2007,14(6):127-129[3]鈴木芳浩.伺服電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床MOTORUM[J].電器制造,2007,2:86-87[4]劉西明,數(shù)控系統(tǒng)伺服電機(jī)控制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010,3:147[5]孫桓,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理[M],第7版.北京:高等教育出版社,2006.5:109-150[6]李郝林,方鍵.機(jī)床數(shù)控技術(shù)[M],第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.5:151-158[7]郭慶鼎,孫艷娜,劉惠嚴(yán).數(shù)控機(jī)床用直線式交流伺服電機(jī)及其控制策略[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù).2000(5):34~36,44.[8]唐喚清.數(shù)控機(jī)床直線進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)及其控制策略[J].湖南工程學(xué)院院報.2001,9(2).[9]劉振堂.國外數(shù)控沖床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].鍛壓機(jī)械.2002(1):7~9.[10]劉吉柱,郝雙暉,鄭偉峰,宋寶玉,郝明輝.交流伺服系統(tǒng)及其運(yùn)動控制[J].機(jī)床與液壓.2010,3.[11]魯呂龍.數(shù)控伺服壓力機(jī)混合驅(qū)動傳動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].電力與電氣工程.2009(56):83~84.[12]劉西明.數(shù)控系統(tǒng)伺服電機(jī)控制[J].工業(yè)技術(shù).2010(3).[13]劉振堂.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的新型機(jī)械主傳動系統(tǒng)[J].機(jī)械工人.2004(4).[14]陳松.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床伺服電機(jī)主傳動的研究.華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要[D].2009.[15]方喜峰,陸宇平,吳洪濤,馬闖,潘志華,潘殿生.肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動和動力學(xué)分析與設(shè)計優(yōu)化[J].機(jī)械與電子.2007(11):3~6.[16]李木國,劉于之,張群,王靜.電機(jī)伺服系統(tǒng)中的數(shù)字控制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn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