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1、附录 2 中文译文冗余驱动的伺服机械压力机的设计郭忠和高枫中国机械系统与振动国家重点实验室,上海交通大学,上海200240，2008 年 12 月 16 日收到；2009 年 5 月 25 日修订；2009 年 6 月 12 日公认并电 子版出版摘要：伺服压力机是一种新型的机械压力机，由可编程的电机驱动并提供优越的低噪性能、高效率和高精度金属成型操作性。与多连杆机械压力机相似，伺服机械压力机往往需要更大的吨位，而这可能是昂贵的，甚至可能不能用，如重型伺服电机。在本文中，首先对冗余驱动伺服机械压力机提出使用两个伺服电机驱动一个输入轴的一个新概念，即一个输入轴两个伺服电机的模式在可用的伺服电机下有
2、可能更大的压力。然后冲压工作机制设计是详细的。性能指标的建立包括机械优势互惠和链接力的比率。一个有界可行解空间的构造尺寸合成基于无量纲的链路长度和装配条件。性能地图集被描绘在有界解空间，导致冲压机构具有全局寻优的可视化解决方案。最后，案例研究来说明视觉全局优化设计方法，一个正在我们实验室开发的具有 200T 冲裁力的原型证明了新伺服机械压力概念的功效。该研究对重型伺服机械压力机的发展提供了一个可行的解决方案并发现其在其他类型的电传动重型设备的潜在应用。关键词：伺服机械压力机，冗余驱动，机械设计，视觉全局优化，原型。1 引言伺服机械压力机由可编程电动机驱动。这个新版本的机械压力机可被编程以提供比
3、传统的机械压力机更好的低噪性能、更高的效率和高精度金属成型操作性，例如绘画、冲裁、冲压等等。一些压力机制造商自从 1990 年初以来一直在开发一系列的伺服机械压力机。Komatsu 公司开发了冲压力范围从 35 吨到 200 吨的伺服压力机。Amada 集团生产了所谓的数字式交流伺服压力机具有45 吨到 300 吨的能力。Amino 公司开发的伺服压力机冲压力高达 2500 吨。CHIN FONG 生产的伺服压力机冲压力在 80 吨到 260 吨之间。伺服压力机的研究与发展不仅吸引了机床行业而且也吸引了世界各地的学术界。SHIVPURI 和 YOSSIFON 等人开发了一种双关节伺服 30 吨
4、冲裁力的机械压力机。燕和陈建了一个曲柄滑块式伺服冲压机。提出了一种基于混合机的概念新型的伺服机械压力机的，形成了一种具有 25 吨能力的混合驱动式伺服机械压力机的原型。这种类型的伺服机械压力机是由一个共同的电机和一个伺服电机驱动。一般来说，一个伺服机械压力机的发展涉及到可编程致动器技术，冲压机构设计，连接和框架结构设计和控制系统设计。目前的设计，伺服电机通常用作可编程致动器。联动装置应用于冲压机构。在组件和两件中通过基于力之间的转换和分配的强度和刚度标准验证了连接和框架结构。经典的比例积分微分（PID）控制算法和可编程逻辑控制器（PLC）被引入到控制系统的设计中。总所周知，重型伺服机械压力机需
5、要重型电机。重型电机额定功率和扭矩成倍增加成本，以及伺服电机的最大可用容量已被重载伺服电机技术发展的制约。伺服机械压力机吨位的增加，所需的重型伺服电动机可能是非常昂贵的，甚至可能没有提供。如图 1（a）所示，本人研制的一种新概念的伺服机械压力机。这个机器采用两个伺服电机驱动相同的输入轴从而带动一个优化的冲压机构。这种冗余驱动方案提供重型驱动相对于可用单独伺服电机在一个相对较低的成本或可用的更高的功率的一个可能的解决方案。为了验证新的概念，我们实验室和成熟的压力机制造商正在开发 200 吨冲裁力的伺服压力机原型。如图1（b）所以，机器高 5 米多，宽 2 米。这台原型正在进行动态性能、动态控制和
6、冲压工艺规划的实验研究。在以下章节中，首先介绍冗余驱动方案。然后与双关节联动冲压机构的研究基于性能图谱法产生视觉全局优化的解决方案。仿真与案例研究来说明新概念的效率。（a）伺服机械压力机（b）冲压机构的原理图图 1 伺服机械压力机的新设计概念2 冗余驱动方案伺服机械压力机可分为单点式和两点式其中一点是指在柱塞一点连接一对机制。通常一对机制有一个伺服电机驱动机一点一电机模式。建立更大的重型伺服机械压力机有两个选择。一个是使用两个大伺服电机的两点类型其两个电机同步通过避免偏置和柱塞的干扰保证。另外一个是使用一个大伺服电机的一点类型其偏置和柱塞干扰仅仅跟制造和装备精度有关。这两种方案都取决于重型伺服
7、电机的发展技术。然而，重型伺服电机是非常昂贵而且很难发展的。如今，伺服电机的容量达 200 千瓦，只有少数厂家可以生产。使用两个 200KW的伺服电机，Amino 公司开发了世界上最大伺服机械压力机其冲裁力高达 2500吨。在中国，现在最大只能制造 75KW 的伺服电机。所谓的冗余驱动被应用在我们的研究中，该方案采用两个伺服电机驱动的一个输入轴，从而产生更大的容量。如图 1 所示，这两个伺服电机，命名为 M，通过一个二自由度（DOF）结合螺旋机构形成一个冗余驱动模块。该结构是这样设计的，这两个伺服电机的运动之间的轻微差异使柱塞可以自由移动。为了产生高精确的冲压操作，主/从控制方式也应用在伺服压
8、力机的控制器设计中，一个伺服电机的运动为主运动，而另外一个的运动为从运动。通过这种方式,附加自由度的冗余驱动模块是用来避免柱塞的偏置和两个伺服电机的干扰，因为主/从控制产生两自由度协调运动的系统以确保高精度的冲压操作。因此，该两个电机的新方案可以提供更高的容量，或者比一点一电机方案成本更低。3 冲压机构设计冲压机构是机械压力机最重要部分之一。一个冲压机构设计的问题是，如何以更好的性能，如从伺服电机降低转矩要求和减少操作周期来优化机制。SHIVPURI 和 YOSSIFON 生产了一个双关节联动的压力机，通过使用动态仿真和枚举搜索程序在冲压期间获得恒定的有事来优化设计。Hwang 考虑导向最大法
9、向力利用广义拉格朗日乘子法形成目标函数，平均机械优势，绘制速度方差，等等。3.1 冲压机构的配置如图 1 所示，本文开发的伺服机械压力机基于一个对称的双关节联动装置。这个冲压机构有两个移动副和八个旋转副以及五个独立的设计参数。包括AB、BC、BD 各自相连接的三个点 R1、R2、R3和两个转配偏移点 L 和 e。上诉的移动副是冗余模块驱动的主动副，下面的移动副是柱塞与框架活动的被动副。因此，柱塞的偏差取决于连接的制造和装配精度，与两个伺服电机的同步没有关系。3.2 装配条件一般的冲压机构都是由两个环组成的，上面的环包含连杆 AB，BC、主动滑块 C 和框架，下面的环包括连杆 AB，BD、柱塞滑
10、块和框架。根据冲压机构上面的环，基于三角不等式导出的装配条件如下：(1a)1+ 2 （1b）|1- 2| 1此外，连杆 AB 和 BD 形成的关节，预计不会改变冲压操作过程中的折叠方向，以避免柱塞运动的波动靠近下死点（BDC），通过控制 P 点的输入运动，这是可能的。3.3 模型性能指标一般来说，一台机器设计涉及到几个性能指标。至于伺服机械压力机，冲压机构从伺服电机减低扭矩应具有很大的机械优势。因此，机械优势压力机设计的一个重要性能指标。对于压力机设计，吨位的预期是已知的。因此，机械优势互惠是冲压设计的一个性能指标是很明确的，根据理论力学如下：(3)=sin2sin(3- 1)sin3sin(
11、2- 1)其中和分别是冲压机构的输入和输出力，分别是 AB,BC1、2和3和 BD 与正面水平轴之间的角度。显然，是动点 P 点的输入运动函1、2和3数。伺服压力机盘的杆之间力的分布对于平等生命周期结构是重要的。由于冲裁是来源于冲压操作过程中工件的塑形变形，连杆之间分布的力可以按照连杆力于输出力比率来测量如下：(4a)1=sin (2- 3)sin 3sin (2- 1)(4b)2=sin (1- 3)sin 3sin (2- 1)(4c)3=1sin 3其中分别和连杆 AB，BC 和 BD 相关。1、2和23.4 最佳尺寸性能图集当前对三维合成的方法集中于如何建立优化设计模型，这些模型的优化
12、方法解决，导致一个全局/局部优化的解决方案，该解决方案依赖于给定的条件和或给定的多目标设计问题的加权因子。加权因子的微小的变化可能导致解决方法显著的变化，这是不良的。为了将目标优化更简单，YANG,GAO 和他们的同事提出了一种特殊的方法把无限维空间转换到有限界解空间，其中性能图集表示全局的性能指标，这使得全局优化的问题更直观的通过检查。3.41 有界解空间本文所研究的伺服机械压力机的冲压机构是一个由四个独立的设计参数对称双关节联动装置，R1，R2，R3和 L，正如上面讨论的。从理论上讲，连杆可以有自己的长度可达无穷大，使得解空间都无限。连杆长度可以被归一化到可以形成一个有限的解空间。, i
13、=1, 2, 3 (5a)=(5b) = =1+ 2+ 3+ 4其中 ri和 l 归一化，无量纲参数，R 是一个平均值。因此有，(6)1+ 2+ 3= 4 在上面讨论的装配条件的基础上，归一化参数应满足以下关系：r1 + r2 (7a) (7b)|1- 2| 1方程（6）和不等式（7）构建伺服机械压力机设计的有界解空间的数学模型。因此，可以从给定的 L 表示的模型，如图 2 所示的溶液中取出一个多边形解片多面体。在该图中，在阴影三角形区域 ABC 的可行的解决方案位于由 r2-r1=l,r2=l 和 r3=r1线包围。显然，；和0 1 2 2(4 + ) 3。伺服压力机设计的可行解空间的被所有
14、可能的设计限(4 2) 3 3 4 2制3.4.2 性能图集从方程（3）和（4）的性能地图集可以被绘制在有界的可行的解决方案片在给定的直线 l 以 r1，r2和 r3相对于图 3 中所示。在这里，性能指标的最大值显示例子。从图 3 可以很直观的看到性能指标与尺寸的变化趋势。例如，当 r2增加时连杆 AB 的负载力增加，机械优势减低。显然，性能图集显示了性能指标的全体分布，有助于全体优化的尺寸合成。性能图谱的想法是相当普遍的，可以扩展到其他性能指标。图 2 伺服压力机的有界解空间域图 3 伺服机械压力机可行解域的性能图谱性能图谱的想法是相当普遍的，可以扩展到其他性能指标。3.4.3 视觉三维合成
15、 在几个性能图集的帮助下，包含可行解决方案的区域可以直接决定以适应 几个设计目标。然后，一个可行的解决方案可以根据规定的优化准则从区域里 找出来。由此产生的解决方案可以进一步细化与数值优化算法保证了全局优化 的解决方案。4 案例研究4.1 给定设计的比较对于不同的伺服压力机的设计性能比较，本文介绍了一个众所周知的深拉工艺来确定性能指数，该机的主要性能参数如下假设：（1）最大滑块行程是200mm，（2）标称的移动值是 8mm，（3）往返行程数是 40r/min。图表 1 列出了五个例子。根据最大滑动平均长度 R 被设定行程 200 mm。在图 4 中显示，最大机械优势的倒数，标称容量为 8 毫米
16、的行程内的 5 箱以上的有界可行解空间。中间的三个情况下的尺寸点位于相同的解决方案区域。可以看出 L 减少，参数范围增大。从图 4 中的曲线，可以根据最大的机械优势倒数把五个设计分为 1,2,3,4 和 5。在何种程度上一个给定的设计接近全局优化可以很容易通过观察相应的性能地图集看出。在表 2 中列出最大的机械优势的倒数的五例。图 4 可行解设计4.2 原型发展基于上述讨论的，一个原型与 200 吨正在开发，如图 1 所示的（a）在一个国内的压力机机制造商配合，进一步的实验研究正在进行。5 结论(1) 伺服机械压力机的一个新概念的提出，使人们有可能开发一个大型伺服压力机使用较小的伺服电机是可用的。(2) 伺服机械压
