4000kn伺服压力机传动系统优化设计

4000kN伺服压力机传动系统优化设计

（江苏无线电厂有限公司，江苏 南京　210000）

赵鹏

摘

要： 伺服压力机是机械领域中常用的设备，研究其系统性能具有十分重要的意义，本文主要研究4000kN伺服压力传动机构的优化设计，

提高其工作性能。

关键词： 4000kN伺服压力机；传统系统；优化设计

引言

压力机是机械领域中常用的设备，压力机通过动力系统传动到执行器末端对零部件进行冲压从而获得相应的工艺要求。伺服压力机具有柔性、结构简单、控制过程相对简单等特点，在机械工程领域得到了广泛的使用。许多的压力机制造厂商和相关的研究人员通过开发不同的原型对伺服压力机进行研究，以提高传动系统的力学以及运动学的性能。

1. 伺服压力机的特点

根据压力机动力源的不同，可以分为液压式压力机、机械式压力机以及伺服式压力机。液压式压力机的工作行程相对较大，能够对大型的工件进行冲压。而机械式压力机的特点是，在工作节拍上效率较高，适合应用在批量化生产的场合。伺服压力机是液压式压力机及机械式压力机的替代品。它们已经被用来形成薄板和大块金属好几年了。伺服压力机相对于传统的机械式、液压式压力机最显著的特点在于，它没有飞轮、离合器和制动机制，通过伺服电机的压力应用它可以提供自由运动的概念。它可以满足高精度、高可靠性的工艺要求。并且它的速度参数可控制、力矩参数可控制的特点使它在高精度、高速度以及工艺质量要求较高的场景下应用广泛，例如汽车以及电子行业高精度零部件的加工制造。

2. 伺服压力机传动系统的分类

伺服压力机的动力源为伺服电机，根据与执行机构的连接方式的不同，可以分为直接驱动与间接驱动。直接驱动是将动力源直接连接到执行机构上，这样使得系统的传递效率较高，并且结构紧凑，但是不适合与大型的压力机上。间接驱动通过中间的传动机构来控制传动比，实现速度以及力矩的控制。目前在应用中较多的为间接式驱动的伺服压力机，该种类型的压力机在较大压力工艺下的应用中较为合理。伺服压力机传动系统的传动机构主要分为以下三类：

2.1 丝杠驱动

丝杠传动机构采用交流伺服电机作为动力源，伺服电机与丝杠进行连接。

通过伺服电机的正反转实现丝杠的上下往复运动，从而带动滑块上下往复运动。由于丝杠传动比以及最大工作负载的限制。这种驱动机构适合应用在工件吨位较小，工作节拍较低的场合。

2.2 肘杆机构驱动

肘杆机构采用伺服电机，滚珠丝杠以及肘杆机构来驱动滑块上下往复运动。它的特点在于位于下方的死点处的力较大，远离该点处的力较小。这种驱动机构适合于小行程，小吨位的应用场合。

2.3 多连杆驱动

多连杆机构采用伺服电机、减速器以及多连杆机构来驱动滑块上下往复运动。多连杆机构的由于在机构方面的优点使得滑块在运动中具有慢进快退的特点，并且在死点处的速度相对较低，力相对较大。由于机构单方向运动即可实现滑块的前进与后退，因此伺服电机可以单向转动，减少了停机时间提高了工作效率。这种机构比较适合于行程较大，工件吨位较大并且工作街拍较高的场合。

3. 传动系统优化设计原则

伺服压力机通过大功率的伺服电机来带动减速机以及通过传动机构带动滑块实现往复运动。它可以采用计算机控制系统对滑块的速度以及位置实现精确的控制。根据伺服压力机的工作特点，工作应用场景，在满足伺服电机的额定转速与额定扭矩的条件下，传统系统优化需要满足的设计原则有：– 8 –

（1） 在伺服压力机工作行程中，前进行程或者回程工作位移应具有较好的单调性。

（2） 在满足伺服压力机工作参数（工作设定压力与工作设定行程）的条件下，动力源伺服电机的应输出较小的扭矩。

在伺服压力机设计原则主要考虑到在实际的应用场景中，前进行程或者回程都是位移都是之间增加，或者逐渐减小的，即使出现停留时间也较短。另一方面，如果伺服压力机的系统设计比较优秀，那么在选用扭矩较小的伺服电机的情况下也能够输出较大的工作扭矩。这对于伺服压力机控制系统的成不控制上具有较大的优势。

4. 传动系统的优化设计

a）小松式肘杆机构；图1　传动机构

b） 曲柄连杆机构

如图1所示a）为小松式肘杆机构，b）为曲柄连杆机构。在a）中曲柄为R，其他连杆表示为l1，l2，l3，l4，l5。在图b）中曲柄为R，连杆为l。在4000kN的压力机设计中设计要求为：设定压力：4000kN，滑块行程：200mm，滑块的行程频率为1/2hz，对于曲柄连杆机构所设计的参数为：滑块运动的行程为200mm，连杆的长度为960mm，曲柄的长度为120mm。因此，可以得到连杆的长度系数为0.125，在到达工程行程时，作用在曲柄上的扭矩为83200NM。以上为传统的曲柄连杆机构的设计参数及系统驱动扭矩。下面为小松式肘杆机构的设计参数以及相应的驱动扭矩。

曲柄R连杆表1l　小松式肘杆机构系统参数1连杆l2连杆l3连杆l4连杆l5扭矩T参数111531031023023072545480参数2

120220370

220

22073322075

如表格1所示，小松式肘杆机构通过不同的参数组合设计能够输出不同的扭矩，与传统的曲柄连杆机构相比，在输出扭矩上的性能更好，在第一组的参数组合中输出扭矩为45480，相比于传统曲柄连杆机构83200扭矩下降了45%，比如在第二组的参数搭配中，输出扭矩为22075，相比于传统曲柄连杆机构83200扭矩下降了73%，通过数据可以发现小松式肘杆机构在扭矩性能上比传统的曲柄连杆机构更加优秀。因此，小松式肘杆机构能够满足大吨位、长行程以及高节拍的零部件加工应用场合。

结论

本文主要介绍了伺服压力机传动系统相关的研究，主要从伺服

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工作研究·刍议激光补偿在数控机床龙门控制中的应用doi:10.16648/j.cnki.1005-2917.2020.01.043

刍议激光补偿在数控机床龙门控制中的应用

（南京高速齿轮制造有限公司，江苏 南京　210000）

周小庆

摘

关键词： 激光补偿；数控机床；龙门控制

要： 近几年随着我国经济水平的不断提升，产品加工需求量也在不断上涨，大型复杂构建的生产数量不断增多，为了满足生产需求，越来

越多的产品加工企业开始采用桥式机床。桥式机床的行程范围更大，加工的工件尺寸更大。西门子系统桥世纪创的双轴同步采用的是龙门轴控制方式，这种控制方式采用轮齿条啮合，该结构具有较大的强度、刚度、动态性能也相对较好。

1. 桥式激光补偿原理

在测量机床普通单坐标线性轴的定位误差时，可以使用激光干涉仪，其干涉镜和反射镜一个是固定的一个是移动的，测量结束后得到的补偿值可以用于单轴补偿。然而，桥世纪创的龙门轴的单轴相对独立，但可以进行同步运动，如果对单独的单轴进行激光补偿，并不能确保定位的精确度，所以需要对龙门轴的坐标轴进行独立补偿数据的测量。受到条件的限制，用户可用的激光测量系统只有一个，可以将其在龙门轴横梁中部架设，用于测量补偿，采用这种方式并不能获得准确的补偿值，无法进行螺距补偿，测量数据仍旧只有一组。即使同时将这个数据输入到两个坐标之中，虽然定位精度会有一定的改善，但差异问题仍旧存在。所以，为了确保补偿的有效性，可以采取以下措施：

首先，对龙门轴进行校零，校零应该在机床坐标系的初始位置进行，结束后以该位置为起点进行激光检测，同时确保龙门轴垂直度准确，静止于该位置时，各轴的功率波动不超过5%；其次，不能使用单一的激光检测系统，要选择两套系统对两个轴分别进行检测补偿。补偿结束后，还要对电流、功率状态进行二次检查，避免机械间隙、误差对电流、功率的影响。受到实际条件的限制，可用的激光检测系统只有一台，针对这种情况，可以采用多次误差补偿的方式。在测试的过程中，一定要确保起始位置的准确性和垂直度的准确性，检查无误之后再进行激光检测，补偿结束后，还要对轴的电流、功率状态进行再次检查，全面确保补偿的准确性和有效性。

2. 激光补偿在数控机床龙门控制中的具体应用

2.1 定位精度与龙门扭曲

桥式机床的运作效率较高、速度较快，在实际应用的过程中，器械零件之间会产生摩擦，长时间摩擦会带来一定的损耗，造成龙门双轴同步运行的过程中，横梁和线性轴的出制度存在差异，也就是出现扭曲问题。理论上，龙门轴同步运行后，其状态应该与自然状态是一样的，垂直度也应该保持在正常范围中，但如果两侧单轴运行的过程中出现了较大的电流、功率差异，为了确保单轴能够同步运行，机床会对龙门轴的运行状态进行自动调节，取消同步之后，机床进入自然状态后，垂直度会出现异常。在桥式机床中，确保龙门轴的垂直度十分重要，其可能对激光补偿过程中，龙门轴是否可以精确定位产生影响。如果采用两套激光检测设备进行测量补偿，则可以根据单轴测量的定位精度来对垂直度进行确定和分析，确保补偿后定位精度能够符合轴同步状态的需求，进而确保桥式机床的正常运作，并充分发挥龙门控制的作用。

2.2 检测机床龙门轴磨损状态

在桥式机床运行的过程中，即使只是出现轻微的磨损，也会对上接第8页压力机的特点，传动机构的分类以及，系统优化设计的原则方面展开研究。在系统参数优化上，对比了伺服传动机构中的曲柄连杆机构与小松式肘杆机构的性能，通过设计对比发现小松式肘杆机构的扭矩性能要明显优于传统的曲柄连杆机构，因此它可以应用与大吨位、长行程以及高节拍的应用场合中。

机械的正常运作产生影响，但此类磨损问题比较微小，无法采用肉眼分辨的方式，只能采用拆卸机械零件的方式进行检验。要将拆卸下来的零件送到专业的检验机构中，这种检验方式虽然比较准确，但效率较低，会浪费很多时间。不仅如此，在检查的过程中，如果没有采用恰当有效的保存方式，可能会造成零件的二次磨损，导致问题的加重。为了更加准确、快速的进行磨损零件检测，我国对相关的技术方法进行了深入的研究和测试，并取得了一定的研究成果。目前，可以利用外部检测器、传感器等设备进行检测，这种检测方式比较方便。除了此类检测方式，也可以利用数控系统中的检测体系进行检测，这种检测方式更加精准快速，可以节省许多时间、人力成本，也能避免二次磨损。

2.3 扭曲补偿原理和方法

在桥式机床应用的过程中，龙门轴磨损是一定会出现的情况，针对此类问题，除了根据桥式激光补偿原理进行补偿，也可以根据龙门轴电流、功率状态来分析和判断出现磨损的位置区域，针对异常区域中的单轴定位精度，可以采用相应的调整措施，确保定位精度。机床补偿后要确保垂直度在要求范围之中，这样才能使该解决方式发挥效用，可以适当降低单轴点定位精度，从而确保机床运行内应力得到有效的控制，这样可以保障产品加工的顺利实施和完成。在机床实际运行的过程中，为了确保生产效率和安全，需要进行定期检修。磨损状态是首要检测内容，如果已经出现磨损问题，可以采用激光补偿的方式进行处理，明确异常的存在区域，对磨损零件进行详细的分析，检测准确的补偿值，确保定位精度。合理处理从动轴的数据，对定位精度、运行状态进行指导和调整，确保其与运行要求相符，满足各项条件之后，机床才可以再次进行使用。

结语

综上所述，随着产品加工要求的不断提升，制造企业也要不断进行技术和设备的优化，确保产品质量、工艺可以满足施工要求。桥式机床具有很大的加工优势，是当前比较常用的一种加工机床。但在该机床应用的过程中，难免会出现磨损问题，为了减少磨损问题对机床应用的影响，可以采用激光补偿的调整方式。通过数据调整，延长机床的使用寿命。

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