一种大型伺服压力机主传动系统参数标定优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于伺服压力机应用技术领域，涉及一种伺服压力机主传动系统参数标定 优化方法，尤其适用于主传动转动惯量较大、系统较为复杂的大型伺服压力机主传动系统 参数标定。
【背景技术】
[0002] 伺服压力机采用伺服电机作为驱动源，滑块运动曲线柔性可控，可根据零件冲压 成形工艺的要求，优化设计滑块最佳运动曲线，达到既能提高零件冲压成形质量又能提高 冲压生产节拍的目的，在冲压领域具有广泛的应用前景。
[0003] 在优化设计滑块运动曲线时，必须要校核伺服电机的动态限和热极限，即伺服压 力机采用优化设计的滑块运动曲线运行时，确保伺服电机实际运行转矩和热极限值均低于 许用值，否则会导致伺服电机无法正常工作或降低使用寿命，这就要求伺服电机的转矩理 论计算值与实际运行值误差较小，并留有一定的安全裕度才能保证伺服电机能够长期稳定 工作。尤其对于主传动转动惯量较大、系统较为复杂的大型伺服压力机，伺服电机安全校核 的准确性直接影响其使用寿命。伺服电机的动态限和热极限校核涉及主传动系统中旋转部 件的转动惯量和质量、直线运动部件的质量、传动系统的机械效率以及平衡缸平衡系数等 参数，上述这些参数，在伺服压力机机械结构设计时已有给定值，但受部件加工余量和实际 运行工况的影响，使得这些参数的理论给定值与实际值有较大的偏差，进而影响伺服电机 安全校核的准确性。在传统方法中，主传动系统参数的取值主要依赖于工程师现场调试经 验，而且需要通过不断修改和试错，才能获得较为满意的系统参数值，参数调整时间长且精 度不高，难以给伺服电机安全校核提供精确的系统参数值。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种大型伺服压力机主传动系 统参数标定优化方法，解决主传动系统参数的取值主要依赖工程师的现场调试经验，精度 不高，难以得到精确的主传动系统参数的问题。通过对主传动系统参数进行现场标定，获得 实际运行工况下这些参数的精确值，进而提高伺服电机安全校核的准确性。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种大型伺服压力机主传动系统参 数标定优化方法，包括以下步骤：
[0006] A、确定主传动系统待标定参数
[0007] 大型伺服压力机主传动系统包括伺服电机、联轴器、减速系统、偏心轮、执行机构、 滑块、平衡缸以及其他辅助部件，伺服电机通过联轴器和减速系统驱动偏心轮做旋转运动， 然后通过执行机构将偏心轮的旋转运动转化为执行机构末端的直线运动，进而带动滑块做 往复直线运动，其中执行机构采用曲柄连杆机构、六连杆机构、肘杆机构或八连杆机构；在 伺服压力机运行过程中，伺服电机提供的转矩主要消耗在以下几个方面：
[0008] A1、驱动伺服电机转子、联轴器加减速所需的转矩，其值与转子、联轴器转动惯量 和伺服电机旋转加速度相关；
[0009] A2、驱动减速系统、偏心轮旋转部件加减速所需的转矩，其值与减速系统、偏心轮 的转动惯量和偏心轮旋转加速度相关；
[0010] A3、在平衡缸力的作用下，驱动滑块直线加减速所需的转矩，其值与平衡缸力、滑 块和其他辅助部件质量、滑块速度、滑块加速度以及偏心轮转速相关；所述的其他辅助部件 包括上模具、装模高度调整装置和执行机构的部分连杆；
[0011] A4、克服零件冲压成形力所需的转矩，其值与零件冲压成形力、偏心轮转速和滑块 速度相关；
[0012] A5、克服主传动系统中摩擦力所需的转矩，其值与主传动系统的机械效率相关；
[0013] 伺服电机旋转加速度、偏心轮转速和旋转加速度、滑块速度和加速度均属于运动 学参数，是根据冲压工艺要求设定的，由人为输入和通过相关计算推导出；除冲压成形力参 数以外的伺服电机转子和联轴器的转动惯量、减速系统和偏心轮的转动惯量、平衡缸力、滑 块和其他辅助部件的质量、主传动系统的机械效率均属于主传动系统的固有参数，当伺服 压力机的机械结构确定后，这些参数即为定值；根据主传动系统中运动部件的联接方式和 运动方式，将主传动系统中固有的机械特性参数进行模块化分类，分别为伺服电机转子和 联轴器总转动惯量J m，减速系统和偏心轮旋转部件折算到偏心轮轴上的总转动惯量上，滑 块及其他辅助部件的总质量ms，平衡缸力与滑块重力的比值即平衡系数Φ以及主传动系统 的机械效率η，上述5个参数即为需要标定的主传动系统参数；
[0014] B、建立伺服电机运行转矩理论计算模型
[0015] 分别计算主传动系统中各运动部件在工作状态时所需的伺服电机转矩，计算步骤 如下：
[0016] Β1、伺服电机驱动自身转子及其联轴器加减速所需的转矩，计算表达式为
[0017]
【主权项】
1. 一种大型伺服压力机主传动系统参数标定优化方法，其特征在于：包括以下步骤： A、确定主传动系统待标定参数 大型伺服压力机主传动系统包括伺服电机、联轴器、减速系统、偏心轮、执行机构、滑 块、平衡缸以及其他辅助部件，伺服电机通过联轴器和减速系统驱动偏心轮做旋转运动，然 后通过执行机构将偏心轮的旋转运动转化为执行机构末端的直线运动，进而带动滑块做往 复直线运动，其中执行机构采用曲柄连杆机构、六连杆机构、肘杆机构或八连杆机构；在伺 服压力机运行过程中，伺服电机提供的转矩主要消耗在以下几个方面： A1、驱动伺服电机转子、联轴器加减速所需的转矩，其值与转子、联轴器转动惯量和伺 服电机旋转加速度相关； A2、驱动减速系统、偏心轮旋转部件加减速所需的转矩，其值与减速系统、偏心轮的转 动惯量和偏心轮旋转加速度相关； A3、在平衡缸力的作用下，驱动滑块直线加减速所需的转矩，其值与平衡缸力、滑块和 其他辅助部件质量、滑块速度、滑块加速度以及偏心轮转速相关；所述的其他辅助部件包括 上模具、装模高度调整装置和执行机构的部分连杆； A4、克服零件冲压成形力所需的转矩，其值与零件冲压成形力、偏心轮转速和滑块速度 相关； A5、克服主传动系统中摩擦力所需的转矩，其值与主传动系统的机械效率相关； 伺服电机旋转加速度、偏心轮转速和旋转加速度、滑块速度和加速度均属于运动学参 数，是根据冲压工艺要求设定的，由人为输入和通过相关计算推导出；除冲压成形力参数以 外的伺服电机转子和联轴器的转动惯量、减速系统和偏心轮的转动惯量、平衡缸力、滑块和 其他辅助部件的质量、主传动系统的机械效率均属于主传动系统的固有参数，当伺服压力 机的机械结构确定后，这些参数即为定值；根据主传动系统中运动部件的联接方式和运动 方式，将主传动系统中固有的机械特性参数进行模块化分类，分别为伺服电机转子和联轴 器总转动惯量J m，减速系统和偏心轮旋转部件折算到偏心轮轴上的总转动惯量1，滑块及 其他辅助部件的总质量叫，平衡缸力与滑块重力的比值即平衡系数Φ以及主传动系统的机 械效率η，上述5个参数即为需要标定的主传动系统参数； Β、建立伺服电机运行转矩理论计算模型 分别计算主传动系统中各运动部件在工作状态时所需的伺服电机转矩，计算步骤如 下： Β1、伺服电机驱动自身转子及其联轴器加减速所需的转矩，计算表达式为
(1) 式中，Tmi为单台伺服电机驱动自身转子和联轴器加减速在偏心轮转角Θ i下所需的转 矩；g为重力加速度；Jm为伺服电机转子和联轴器总转动惯量；a &为转角Θ i下偏心轮的旋 转加速度； B2、伺服电机驱动减速系统、偏心轮旋转部件加减速所需的转矩，计算表达式为
(2) 式中，1^为单台伺服电机驱动减速系统、偏心轮旋转部件加减速在偏心轮转角Θ J 所需的转矩；为减速系统和偏心轮等旋转部件折算到偏心轮轴上的总转动惯量；U为减 速系统的传动比；η为主传动系统的机械效率；κ为使用的伺服电机台数； Β3、伺服电机驱动滑块及其他辅助部件加减速所需的转矩，计算表达式为
式中，Tsi为单台伺服电机驱动滑块及其他辅助部件加减速在偏心轮转角Θ 所需的 转矩；ms为滑块及其他辅助部件的总质量；Vsi为滑块在偏心轮转角Θ i下的速度；a Si为滑 块在偏心轮转角Qi下的加速度；Φ为平衡系数；NiS偏心轮在转角Θ i下的旋转速度； B4、伺服电机克服零件冲压成形力所需的转矩，计算表达式为
式中，Twi为单台伺服电机克服零件冲压成形力在偏心轮转角Θ 所需的转矩；p Fi为 零件在偏心轮转角Θ i下的冲压成形力； 伺服压力机在冲压作业时，根据式（1)~（4)，单台伺服电机在偏心轮转角Qi下所需 的总转矩为 Tci= Tmi+Tei+Tsi+Twi (5) C、建立主传动系统参数标定模型 参数标定问题实际上是求取使理论计算值与实际值误差最小的参数值，是以二者误差 最小化为目标的优化设计问题，对于大型伺服压力机主传动系统参数标定问题，就是求取 使伺服电机转矩理论计算值与实际运行值误差最小的J m、Je、ms、Φ和Tl参数；具体实现步 骤如下： C1、由于式（4)中零件冲压成形力是未知值，故采用滑块打击液压拉伸垫的方式来模 拟零件冲压成形过程；在伺服压力机上，拉伸垫设定恒定顶出力和顶出位移； C2、根据拉伸垫顶出位移规划偏心轮转速曲线，所述的滑块运动曲线根据偏心轮转速 曲线和执行机构数学模型计算得出，伺服压力机采用该曲线运行并连续打击拉伸垫； C3、在滑块打击拉伸垫过程中，采集一个周期内单台伺服电机的实际运行转矩，记为 T' ei，i = l，2,……，M，M为转矩测量点数； C4、根据伺服压力机机械结构设计时给出的参考值，给定参数Jm、上、πι3、Φ和τι的边界 范围； C5、根据式（1)~（5)和偏心轮转速曲线得到伺服电机理论转矩，建立优化目标函数为
C6、采用复合形优化算法求解，使式（6)达到最小值，输出使得伺服电机转矩理论计算 值与实际运行值偏差最小的主传动系统参数。
【专利摘要】本发明公开了一种大型伺服压力机主传动系统参数标定优化方法，包括以下步骤：确定主传动系统待标定参数；建立伺服电机运行转矩理论计算模型；建立主传动系统参数标定模型。本发明通过将伺服压力机主传动系统中固有的机械特性参数进行模块化分类，确定影响伺服电机转矩的待标定参数，并建立伺服电机运行转矩理论计算模型，进而采用优化技术求解主传动系统参数标定模型，获得精确的主传动系统参数值，操作简单、方便，效率高，精度高，解决了现有技术中仅靠工程师现场调试经验难以获得精确的主传动系统参数的问题，提高了伺服电机安全校核的准确性，为伺服压力机能够长期稳定运行提供了可靠保障。
【IPC分类】G06F17-50, B30B15-00, B30B1-14
【公开号】CN104636540
【申请号】CN201410848992
【发明人】李建, 殷文齐, 宋清玉
【申请人】一重集团大连设计研究院有限公司, 中国第一重型机械股份公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月29日