伺服曲柄压力机设计说明书3932.docx
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1、 伺服曲曲柄压力力机设计计计算目录0引言1 伺服服曲柄压压力机技技术参数数2伺服曲曲柄压力力机原理理与性能能设计分分析3 伺服服曲柄压压力机工工艺曲线线设计分分析4 伺服服曲柄压压力机负负载曲线线设计分分析5 伺服服曲柄压压力机电电机功率率设计分分析6 伺服服曲柄压压力机传传动机构构设计7 伺服服曲柄压压力机工工作机构构设计0 引言言金属的锻锻压加工工大量采采用曲柄柄压力机机，也称称为冲床床，据不不完全统统计，我我国在用用的曲柄柄压力机机冲床数数量高达达数百万万台。目目前，锻锻压生产产所用曲曲柄压力力机由高高转差率率的电动动机驱动动，由刚刚性离合合器和摩摩擦离合合器控制制，存在在安全性性差、能
2、能耗高、故障率率高的缺缺陷。高转差率率电动机机的效率率低于GGB1886133-20012中中小型三三相异步步电动机机能效限限定值及及能效等等级，从从20112年99月1日日起被强强制淘汰汰，选用用高能效效的电动动机成为为压力机机换代升升级的首首要目标标。“开关磁磁阻电机机系统是是一种机机电一体体化节能能型调速速电机系系统。它它由开关关磁阻电电动机、功率变变换器及及控制器器组成。同传统统的直流流及交流流电机调调速系统统比较，具具有以下下优点：电机结结构坚固固、制造造成本低低；效率率高，不不仅在额额定输出出状态下下，而且且在宽广广的调速速范围内内也能保保持高效效率运行行；一般般系统效效率达880
3、%以以上；启启动转矩矩大、启启动电流流小；制制动性能能好，能能实现再再生制动动，节约约电能效效果显著著；系统统调控性性能好，四四象限控控制灵活活；具有有无刷结结构，适适合于在在高粉尘尘、高速速、易燃燃易爆等等恶劣环环境下运运行；可可以在各各行各业业应用。”（摘自自中华华人民共共和国国国家发展展和改革革委员会会 中华华人民共共和国科科学技术术部 国国家环境境保护总总局 公公告20005年年第655号）采采用节能能的开关关磁阻电电机替代代高耗能能的传统统电机成成为企业业节能的的发展方方向。目前，国国外的伺伺服压力力机技术术采用永永磁伺服服技术，抗抗冲击性性能不好好，可靠靠性低、成本高高，没有有形成
4、对对传统压压力机的的全面替替代。19999年以来来，由山山东科汇汇电力自自动化有有限公司司研发生生产的开开关磁阻阻伺服系系统，在在压力机机领域获获得广泛泛应用。在山东东理工大大学赵婷婷婷教授授的技术术支持下下，开关关磁阻伺伺服压力力机分别别在青岛岛益友锻锻压机械械有限公公司、扬扬力集团团等单位位进行了了研制，各吨位位系列的的开关磁磁阻伺服服压力机机相继诞诞生，并并开始投投入批量量生产。实际应用用证明，与与现有压压力机比比较，开开关磁阻阻伺服压力力机的优优势明显显、特点点突出，特特别是高高效节能能、智能能数控自自动化与与高可靠靠性的独独特优势势，受到到广大用用户的积积极响应应，并获获得一致致好评
5、。淄博市能能源监测测部门的的监测，给给出了开开关磁阻阻伺服螺螺旋压力力机比摩摩擦式螺螺旋压力力机节能能67.86%的结果果（引自自淄博博市能源源监测中中心检测测报告编编号J1101001388），由由此，当当地政府府颁布文文件，用用节能数数控压力力机强制制淘汰摩摩擦压力力机（引引自淄经经信节字字2001177号号）。电机能效效新国标标的强制制执行与与开关磁磁阻伺服服电机技技术的成成熟，为为传统压压力机的的升级换换代以及及冲压生生产节能能智能化化带来发发展机遇遇。开关关磁阻伺伺服压力力机是具具有感知知、决策策、执行行功能的的智能锻锻压装备备。智能能锻压装装备作为为高端装装备制造造业的重重点发展展
6、方向和和信息化化与工业业化深度度融合的的重要体体现，大大力培育育和发展展智能锻锻压装备备产业对对于加快快锻压业转转型升级级，提升升生产效效率、技技术水平平和产品品质量，降降低能源源资源消消耗，实实现锻压压生产过过程的智智能化和和绿色化化发展具具有重要要意义。1 伺服服曲柄压压力机技技术参数数250吨吨伺服曲曲柄压力力机技术术参数公称压力力/ kkN： 25500 公称压力力行程/ mmm： 113 滑块行程程/ mmm： 3155 行程次数数（额定定值）/ sppm： 200 行程次数数调速范范围n/ sppm：110402伺服曲曲柄压力力机原理理与性能能设计分分析2.1 伺服曲曲柄压力力机原
7、理理与分析析伺服压力力机由开开关磁阻阻伺服电电机驱动动，与传传统机械械压力机机结构不不同之处处是没有有飞轮、离合器器、气动动制动器器及其控控制系统统。结构构组成为为：开关关磁阻伺伺服电机机经过减减速驱动动曲柄连连杆滑块块运动；电机轴轴设置电电磁制动动器，电电机轴与与曲轴端端设置位位置传感感器；制制动器和和位置传传感器连连接电机机控制器器（图22-1）。结构件的的连接关关系为：伺服电电机输出出轴键固固连小带带轮，小小带轮通通过V带传动动连接大大带轮，大大带轮键键固连传传动轴的的一端，传传动轴通通过轴承承连接机机身，传传动轴的的另一端端键固连连小齿轮轮，小齿齿轮与大大齿轮相相互齿轮轮传动，大大齿轮
8、键键固连接接曲柄轴轴的一端端，曲柄柄轴通过过轴承连连接机身身，曲柄柄轴的中中部通过过轴承连连接连杆杆的大端端，连杆杆的另一一端滑动动连接滑滑块.图2-11 伺服服曲柄压压力机原原理图1、开关关磁阻伺伺服电机机 2、角位移移传感器器 33、制动动器 4、皮皮带传动动 5、传动轴轴 66、齿轮轮传动 7、曲曲轴 8、 连杆 9、滑滑块 110、传传感器 111、机机身 12、模具 13、液压缸缸 14、电机控控制器工作原理理：压力机起起动时，开开关磁阻阻伺服电电机以大大起动转转矩由零零速加速速旋转，通通过减速速传动带带动曲柄柄连杆滑滑块运动动，电机机在起动动加速过过程提供供的能量量储存于于系统转转
9、动惯量量，其能能量为，此此能量（可可由电机机转速数数控值决决定）大大于等于于额定工工作能量量，压力力行程时时，电机机全速降降，释放放此能量量，实施施冲压；位置传传感器给给出滑块块上止点点的位置置，通过过电机控控制器传传给伺服服电机。单击状状态下，当当滑块靠近近上止点点时，伺伺服电机机减速，制制动器实实施制动动，滑块块停在上上至点，完完成一个个工作循循环。开关磁阻阻伺服曲曲柄压力力机与传传统曲柄柄压力机机的原理理比较： （22-1）2.2 伺服系系统原理理与分析析伺服系统统有永磁磁伺服系系统和无无永磁伺伺服系统统两种。考虑到到压力机机的冲击击性负载载特性，主主运动采采用无永永磁体的的开关磁磁阻伺
10、服服系统驱驱动。，开关磁阻阻伺服系系统（SSRD）由由电机（SSRM）及及控制器器两大部部分组成成。其电电机定、转子由由冲有凸凸极和凹凹槽的硅硅钢冲片片叠压而而成。转转子上既既无绕组组也无永永磁体，定定子的相相绕组为为集中绕绕组。结结构设计计如图22-2所所示。以以图中三三相122/8极极定、转转子的相相对位置置作为起起始位置置，依次次给BCA相绕绕组通电电，转子子即会逆逆着励磁磁顺序以以逆时针针方向连连续旋转转；反之之，则电电机会顺顺时针方方向转动动。绕组组电流是是单向的的，有效效避免了了直通短短路。当绝缘栅栅双极晶晶体管（IIGBTT）S11、S22导通时时，A相相绕组从从直流电电源U吸吸
11、收电能能，而当当S1、S2关关断时，绕绕组电流流经续流流二极管管D1、D2继继续流通通，并回回馈给电电源U。因此，SSRD的的特点是是具有再再生作用用，系统统节电、效率高高。 转子上固固定有齿齿盘，定定子上装装有检测测齿盘转转动的光光电传感感器，转转子角位位移以电电脉冲信信号的方方式传送送给SRRD控制制器，由由SRDD控制器器控制电电机的工工作运动动。 SRD控控制器包包括嵌入入式微处处理器、PLDD可编程程逻辑器器件、IIGBTT驱动电电路、光光电隔离离、通信信接口、显示屏屏、键盘盘、电力力电子器器件及软软件（图图2-33）。微微处理器器把输入入信息、反馈信信息处理理计算，结结果传给给可编
12、程程逻辑器器件，PPLD控控制驱动动单元和和IGBBT的导导通与关关断，因因定、转转子的两两凸极对对齐位置置下电感感最大，不不对齐位位置下电电感最小小，可通通过控制制电流的的斩波值值、开通通角和关关断角，来来控制电电机运行行。图2-22 SRMM控制原原理图2.3 曲柄压压力机数数控方法法设计驱动压力力机的开开关磁阻阻伺服系系统工作作在用户户设定的的转速数数值。具具体数控控方法如如下：电机定子子相电流流和转子子瞬时转转矩及其其运动方方程为： （22-2） （2-3）式中 -相电电流(AA)-转子子角位移移-电机机转矩 (Nm)-时间间(s)为负载转转矩(NNm)-电机机转子及及工作运运动部分分
13、的转动动惯量（kkgm2）-相电电感(HH)-电机机角速度度(s-1)考虑电感感上升沿沿或下降降沿的斜斜率近似似为，则则电机的的转矩可可写为 （22-4） 在额定转转速以下下电机运运行在电电流斩波波状态，把把（2-3）、（2-4）式式合并，并并写成数数值的形形式，则则斩波电电流瞬时时值为： （22-5）由电流计计算值，给给定电流流上限幅幅值和下下限幅值值。若检检测电流流值，IIGBTT S11、S22同时关关断，迫迫使电流流下降；若检测测电流，IIGBTT导通，电电流又开开始上升升，以此此实现对对电流斩斩波值的的限定。图2-33 SSRD控控制器系系统框图图数控方法法由图33的控制制电路实实现
14、。根根据反馈馈的转子子位置信信号，确确定上止止点和下下止点的的位置，并并计算出出转速反反馈值，根根据PIID 算算法使逼逼近，根根据公式式（5）计计算电流流斩波值值；PLLD根据据位置编编码通过过驱动电电路控制制IGBBT的导导通与关关断。2.4 开关磁磁阻伺服服曲柄压压力机的的特性分分析开关磁阻阻伺服系系统与其其它系统统相比有有以下优优点：（1） 系统效率率高开关磁阻阻伺服在在其宽广广的调速速范围内内，整体体效率比比其它调调速系统统高出至至少100%。在在低转速速及非额额定负载载下高效效率则更更加明显显。（2） 调速范围围宽，低低速下可可长期运运转开关磁阻阻调速带带负荷长长期运转转的转速速范
15、围可可在零到到最高转转速内，电电机及控控制器的的温升低低于工作作在额定定负载时时的温升升。（3） 无过冲起起动电流流开关磁阻阻伺服具具有软起起动特性性，电机机起动过过程没有有交流电电机起动动电流大大于额定定电流557倍倍的现象象，而是是起动电电流平滑滑增加至至所需的的电流。设定的的电机起起动时间间越长，起起动电流流越小。（4） 高起动转转矩，低低起动电电流开关磁阻阻伺服起起动转矩矩达到额额定转矩矩的1550%时时，起动动电流仅仅为额定定电流的的30%。 （5） 三相输入入电源缺缺相或控控制器输输出缺相相不烧电电动机 开开关磁阻阻伺服若若三相输输入电源源缺相或或者欠功功率运行行或者停停转，不不会
16、烧毁毁电机和和控制器器。电动动机输入入缺相只只会导致致电动机机输出功功率减小小，或者者有可能能导致电电动机无无法起动动。（6） 过载能能力强开关磁阻阻伺服过过载能力力强，当当负载短短时大于于额定负负载时，转转速下降降，保持持最大输输出功率率，不出出现过流流现象。当负载载恢复正正常时，转转速恢复复到设定定转速。（7） 功率器件件控制错错误不会会引起短短路开关磁阻阻伺服的的上下桥桥臂功率率器件和和电机的的绕组串串联，不不存在发发生功率率器件控控制错误误导致短短路而烧烧毁的现现象。（8） 可靠性高高 开开关磁阻阻伺服的的转子无无绕组和和鼠笼条条，电机机可高速速运转而而不变形形，机械械强度和和可靠性性
17、均高于于其它类类设备。定子线线圈嵌装装容易，端端部短而而牢固，热热耗大部部分在定定子，易易于冷却却。转子子无永磁磁体，可可有较高高的最大大允许温温升。（9） 功率因数数高普通交流流电机空空载时功功率因数数为0.200.4，满满载时为为0.88600.899；而开开关磁阻阻伺服的的功率因因数空载载时可达达0.9995，满满载时可可达0.98。与现有压压力机比比较，开开关磁阻阻伺服曲曲柄压力力机的突突出优势势为：(1) 运动数数控曲柄柄压力机机滑块速速度，电机角角速度的的闭环数数控，使滑块块运动曲曲线可根根据工艺艺要求进进行数字字设置，可以设设计特殊殊的工作作特性曲曲线，进行高高难度、高精度度加工
18、，能够实实现低速速锻冲急急回的变变速功能能。(2) 生产率率高 可以根根据工况况和自动动化连线线的需要要，在较大大范围内内数字设设定滑块块行程次次数，其宽范范围调速速功能，可以有有效提高高生产率率，彻底底解决了了“不能用用连续行行程压延延较大较较深的零零件”的难题题。(3) 能量数数控 开关磁磁阻数控控曲柄压压力机加加压能量量可数控控，数控其其速度，即数控控其能量量。(4) 智能数数控 对不同同工艺、不同材材料可调调用计算算机存储储的不同同工作曲曲线，使压力力机的加加工性能能、加工工范围大大大提高高。工艺艺曲线、时间、产量、耗电量量等数据据可由微微机智能能存储和和处理，易实现现制造过过程信息息
19、化管理理的目标标。（5）制制件精度度高 没有有液压过过载保护护装置，不不存在液液体受压压变形影影响闭合合高度，床床身弹性性变形误误差小，压压力重复复精度高高，制件件精度高高。（6）可可视化 加压压速度、压力、压制时时间等工工艺参数数实时反反馈并显显示。(7) 通用性性提高 现有有压力机机根据工工艺不同同而种类类繁多，开关磁磁阻数控控压力机机可依工工艺调节节，而满足足不同工工艺的需需求，使同一一台压力力机工作作在不同同工况。(8)模模具寿命命高 因压压制工件件的能量量和速度度可准确确数控，使模具具受冲击击速度减减小，寿寿命提高高。(9) 结构简简化 曲柄压压力机没没有了大大皮带轮轮、离合合器、液
20、液压过载载保护装装置等，结结构极大大地得到到简化。因滑块块能量数数控，在在吨位仪仪指示下下，打击击力不会会超载，无无需过载载保护装装置。(11) 上止止点位置置可控 摆摆动工艺艺的上止止点可以以任意设设定， 正常停停机时，确保滑滑块停在在上止点点，编码码器反馈馈位置信信号，在停机机前电机机减速；当滑块块处在上上止点时时，电机轴轴制动，确保滑滑块停在在上止点点。(12) 安全全性高 在电电机制动动和制动动器作用用下，滑块可可以在任任何位置置紧急制制动停止止。(13) 节能能 在在额定点点以下工工作，开开关磁阻阻电机比比其他电电机耗能能低；在低速速阶段，节能更更加明显显。数控控伺服压压力机没没有离
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