一種大型伺服壓力機主傳動系統參數標定優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于伺服壓力機應用技術領域，涉及一種伺服壓力機主傳動系統參數標定 優化方法，尤其適用于主傳動轉動慣量較大、系統較為復雜的大型伺服壓力機主傳動系統 參數標定。
【背景技術】
[0002] 伺服壓力機采用伺服電機作為驅動源，滑塊運動曲線柔性可控，可根據零件沖壓 成形工藝的要求，優化設計滑塊最佳運動曲線，達到既能提高零件沖壓成形質量又能提高 沖壓生產節拍的目的，在沖壓領域具有廣泛的應用前景。
[0003] 在優化設計滑塊運動曲線時，必須要校核伺服電機的動態限和熱極限，即伺服壓 力機采用優化設計的滑塊運動曲線運行時，確保伺服電機實際運行轉矩和熱極限值均低于 許用值，否則會導致伺服電機無法正常工作或降低使用壽命，這就要求伺服電機的轉矩理 論計算值與實際運行值誤差較小，并留有一定的安全裕度才能保證伺服電機能夠長期穩定 工作。尤其對于主傳動轉動慣量較大、系統較為復雜的大型伺服壓力機，伺服電機安全校核 的準確性直接影響其使用壽命。伺服電機的動態限和熱極限校核涉及主傳動系統中旋轉部 件的轉動慣量和質量、直線運動部件的質量、傳動系統的機械效率以及平衡缸平衡系數等 參數，上述這些參數，在伺服壓力機機械結構設計時已有給定值，但受部件加工余量和實際 運行工況的影響，使得這些參數的理論給定值與實際值有較大的偏差，進而影響伺服電機 安全校核的準確性。在傳統方法中，主傳動系統參數的取值主要依賴于工程師現場調試經 驗，而且需要通過不斷修改和試錯，才能獲得較為滿意的系統參數值，參數調整時間長且精 度不高，難以給伺服電機安全校核提供精確的系統參數值。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種大型伺服壓力機主傳動系 統參數標定優化方法，解決主傳動系統參數的取值主要依賴工程師的現場調試經驗，精度 不高，難以得到精確的主傳動系統參數的問題。通過對主傳動系統參數進行現場標定，獲得 實際運行工況下這些參數的精確值，進而提高伺服電機安全校核的準確性。
[0005] 為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種大型伺服壓力機主傳動系統參 數標定優化方法，包括以下步驟：
[0006] A、確定主傳動系統待標定參數
[0007] 大型伺服壓力機主傳動系統包括伺服電機、聯軸器、減速系統、偏心輪、執行機構、 滑塊、平衡缸以及其他輔助部件，伺服電機通過聯軸器和減速系統驅動偏心輪做旋轉運動， 然后通過執行機構將偏心輪的旋轉運動轉化為執行機構末端的直線運動，進而帶動滑塊做 往復直線運動，其中執行機構采用曲柄連桿機構、六連桿機構、肘桿機構或八連桿機構；在 伺服壓力機運行過程中，伺服電機提供的轉矩主要消耗在以下幾個方面：
[0008] A1、驅動伺服電機轉子、聯軸器加減速所需的轉矩，其值與轉子、聯軸器轉動慣量 和伺服電機旋轉加速度相關；
[0009] A2、驅動減速系統、偏心輪旋轉部件加減速所需的轉矩，其值與減速系統、偏心輪 的轉動慣量和偏心輪旋轉加速度相關；
[0010] A3、在平衡缸力的作用下，驅動滑塊直線加減速所需的轉矩，其值與平衡缸力、滑 塊和其他輔助部件質量、滑塊速度、滑塊加速度以及偏心輪轉速相關；所述的其他輔助部件 包括上模具、裝模高度調整裝置和執行機構的部分連桿；
[0011] A4、克服零件沖壓成形力所需的轉矩，其值與零件沖壓成形力、偏心輪轉速和滑塊 速度相關；
[0012] A5、克服主傳動系統中摩擦力所需的轉矩，其值與主傳動系統的機械效率相關；
[0013] 伺服電機旋轉加速度、偏心輪轉速和旋轉加速度、滑塊速度和加速度均屬于運動 學參數，是根據沖壓工藝要求設定的，由人為輸入和通過相關計算推導出；除沖壓成形力參 數以外的伺服電機轉子和聯軸器的轉動慣量、減速系統和偏心輪的轉動慣量、平衡缸力、滑 塊和其他輔助部件的質量、主傳動系統的機械效率均屬于主傳動系統的固有參數，當伺服 壓力機的機械結構確定后，這些參數即為定值；根據主傳動系統中運動部件的聯接方式和 運動方式，將主傳動系統中固有的機械特性參數進行模塊化分類，分別為伺服電機轉子和 聯軸器總轉動慣量J m，減速系統和偏心輪旋轉部件折算到偏心輪軸上的總轉動慣量上，滑 塊及其他輔助部件的總質量ms，平衡缸力與滑塊重力的比值即平衡系數Φ以及主傳動系統 的機械效率η，上述5個參數即為需要標定的主傳動系統參數；
[0014] B、建立伺服電機運行轉矩理論計算模型
[0015] 分別計算主傳動系統中各運動部件在工作狀態時所需的伺服電機轉矩，計算步驟 如下：
[0016] Β1、伺服電機驅動自身轉子及其聯軸器加減速所需的轉矩，計算表達式為
[0017]
【主權項】
1. 一種大型伺服壓力機主傳動系統參數標定優化方法，其特征在于：包括以下步驟： A、確定主傳動系統待標定參數 大型伺服壓力機主傳動系統包括伺服電機、聯軸器、減速系統、偏心輪、執行機構、滑 塊、平衡缸以及其他輔助部件，伺服電機通過聯軸器和減速系統驅動偏心輪做旋轉運動，然 后通過執行機構將偏心輪的旋轉運動轉化為執行機構末端的直線運動，進而帶動滑塊做往 復直線運動，其中執行機構采用曲柄連桿機構、六連桿機構、肘桿機構或八連桿機構；在伺 服壓力機運行過程中，伺服電機提供的轉矩主要消耗在以下幾個方面： A1、驅動伺服電機轉子、聯軸器加減速所需的轉矩，其值與轉子、聯軸器轉動慣量和伺 服電機旋轉加速度相關； A2、驅動減速系統、偏心輪旋轉部件加減速所需的轉矩，其值與減速系統、偏心輪的轉 動慣量和偏心輪旋轉加速度相關； A3、在平衡缸力的作用下，驅動滑塊直線加減速所需的轉矩，其值與平衡缸力、滑塊和 其他輔助部件質量、滑塊速度、滑塊加速度以及偏心輪轉速相關；所述的其他輔助部件包括 上模具、裝模高度調整裝置和執行機構的部分連桿； A4、克服零件沖壓成形力所需的轉矩，其值與零件沖壓成形力、偏心輪轉速和滑塊速度 相關； A5、克服主傳動系統中摩擦力所需的轉矩，其值與主傳動系統的機械效率相關； 伺服電機旋轉加速度、偏心輪轉速和旋轉加速度、滑塊速度和加速度均屬于運動學參 數，是根據沖壓工藝要求設定的，由人為輸入和通過相關計算推導出；除沖壓成形力參數以 外的伺服電機轉子和聯軸器的轉動慣量、減速系統和偏心輪的轉動慣量、平衡缸力、滑塊和 其他輔助部件的質量、主傳動系統的機械效率均屬于主傳動系統的固有參數，當伺服壓力 機的機械結構確定后，這些參數即為定值；根據主傳動系統中運動部件的聯接方式和運動 方式，將主傳動系統中固有的機械特性參數進行模塊化分類，分別為伺服電機轉子和聯軸 器總轉動慣量J m，減速系統和偏心輪旋轉部件折算到偏心輪軸上的總轉動慣量1，滑塊及 其他輔助部件的總質量叫，平衡缸力與滑塊重力的比值即平衡系數Φ以及主傳動系統的機 械效率η，上述5個參數即為需要標定的主傳動系統參數； Β、建立伺服電機運行轉矩理論計算模型 分別計算主傳動系統中各運動部件在工作狀態時所需的伺服電機轉矩，計算步驟如 下： Β1、伺服電機驅動自身轉子及其聯軸器加減速所需的轉矩，計算表達式為
(1) 式中，Tmi為單臺伺服電機驅動自身轉子和聯軸器加減速在偏心輪轉角Θ i下所需的轉 矩；g為重力加速度；Jm為伺服電機轉子和聯軸器總轉動慣量；a &為轉角Θ i下偏心輪的旋 轉加速度； B2、伺服電機驅動減速系統、偏心輪旋轉部件加減速所需的轉矩，計算表達式為
(2) 式中，1^為單臺伺服電機驅動減速系統、偏心輪旋轉部件加減速在偏心輪轉角Θ J 所需的轉矩；為減速系統和偏心輪等旋轉部件折算到偏心輪軸上的總轉動慣量；U為減 速系統的傳動比；η為主傳動系統的機械效率；κ為使用的伺服電機臺數； Β3、伺服電機驅動滑塊及其他輔助部件加減速所需的轉矩，計算表達式為
式中，Tsi為單臺伺服電機驅動滑塊及其他輔助部件加減速在偏心輪轉角Θ 所需的 轉矩；ms為滑塊及其他輔助部件的總質量；Vsi為滑塊在偏心輪轉角Θ i下的速度；a Si為滑 塊在偏心輪轉角Qi下的加速度；Φ為平衡系數；NiS偏心輪在轉角Θ i下的旋轉速度； B4、伺服電機克服零件沖壓成形力所需的轉矩，計算表達式為
式中，Twi為單臺伺服電機克服零件沖壓成形力在偏心輪轉角Θ 所需的轉矩；p Fi為 零件在偏心輪轉角Θ i下的沖壓成形力； 伺服壓力機在沖壓作業時，根據式（1)~（4)，單臺伺服電機在偏心輪轉角Qi下所需 的總轉矩為 Tci= Tmi+Tei+Tsi+Twi (5) C、建立主傳動系統參數標定模型 參數標定問題實際上是求取使理論計算值與實際值誤差最小的參數值，是以二者誤差 最小化為目標的優化設計問題，對于大型伺服壓力機主傳動系統參數標定問題，就是求取 使伺服電機轉矩理論計算值與實際運行值誤差最小的J m、Je、ms、Φ和Tl參數；具體實現步 驟如下： C1、由于式（4)中零件沖壓成形力是未知值，故采用滑塊打擊液壓拉伸墊的方式來模 擬零件沖壓成形過程；在伺服壓力機上，拉伸墊設定恒定頂出力和頂出位移； C2、根據拉伸墊頂出位移規劃偏心輪轉速曲線，所述的滑塊運動曲線根據偏心輪轉速 曲線和執行機構數學模型計算得出，伺服壓力機采用該曲線運行并連續打擊拉伸墊； C3、在滑塊打擊拉伸墊過程中，采集一個周期內單臺伺服電機的實際運行轉矩，記為 T' ei，i = l，2,……，M，M為轉矩測量點數； C4、根據伺服壓力機機械結構設計時給出的參考值，給定參數Jm、上、πι3、Φ和τι的邊界 范圍； C5、根據式（1)~（5)和偏心輪轉速曲線得到伺服電機理論轉矩，建立優化目標函數為
C6、采用復合形優化算法求解，使式（6)達到最小值，輸出使得伺服電機轉矩理論計算 值與實際運行值偏差最小的主傳動系統參數。
【專利摘要】本發明公開了一種大型伺服壓力機主傳動系統參數標定優化方法，包括以下步驟：確定主傳動系統待標定參數；建立伺服電機運行轉矩理論計算模型；建立主傳動系統參數標定模型。本發明通過將伺服壓力機主傳動系統中固有的機械特性參數進行模塊化分類，確定影響伺服電機轉矩的待標定參數，并建立伺服電機運行轉矩理論計算模型，進而采用優化技術求解主傳動系統參數標定模型，獲得精確的主傳動系統參數值，操作簡單、方便，效率高，精度高，解決了現有技術中僅靠工程師現場調試經驗難以獲得精確的主傳動系統參數的問題，提高了伺服電機安全校核的準確性，為伺服壓力機能夠長期穩定運行提供了可靠保障。
【IPC分類】G06F17-50, B30B15-00, B30B1-14
【公開號】CN104636540
【申請號】CN201410848992
【發明人】李建, 殷文齊, 宋清玉
【申請人】一重集團大連設計研究院有限公司, 中國第一重型機械股份公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月29日