开关磁阻电动螺旋压力机及其节能数控的研究（可编辑）

开关磁阻电动螺旋压力机及其节能数控的研究（可编辑） 开关磁阻电动螺旋压力机及其节能数控的研究 分类号:TG315.6 单 位代码:10433 级: 学 密 号:Y0701038 山东理工大学 硕士学位论文 开关磁阻电动螺旋压力机及其 节能数控研究 Study on electric screw presses driven by switched reluctance motor and NC saving energy 研 究 生: 王 浩 指 导 教 师: 赵 婷 婷 副教授 申请学位门类级别: 工 学 硕 士 学科、专业名称: 材料加工工程 研 究 方 向: 材料成型模具与设备 论 文 完 成 日 期 : 2010 年 4 月 20 日 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明的材料。 确的说明并 表示了谢意。 研究生签名: 时间: 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送 允许论文被查阅和借阅;学校可以用不同方式在不交论文的复印件和磁盘， 同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ) 研究生签名: 时间: 年 月 日 导师签名: 时间: 年 月 日 山东理工大学硕士学位论文 摘 要 摘 要 螺旋压力机是重要的材料成形设备，广泛应用于金属和非金属材料成型的 各种压力加工工艺中。现在使用的机型有摩擦、液压、离合器和电动式等几种， 最为普遍应用的机型是摩擦螺旋压力机，存在的问题是摩擦传动、耗其中， 能 高、人力操作、力能不准确、制件精度差。 本论文对开关磁阻数控伺服系统驱动的螺旋压力机进行研究，初步建立了 开关磁阻数控电动螺旋压力机的理论与技术体系，提出了刚性传动结构设计方 法，用UG 对整机进行了参数化三维建模，并进行了设计分析。根据开关磁阻 数控系统频繁正反驱动螺旋工作机构的特性，提出滑块运动的数学模型;分 别 用ADAMS 和Matlab/Simulink对设备进行运动学仿真分析，通过对仿真结果分 析，提出了开关磁阻电机运动控制策略，编写了运动控制系统仿真程序;提出 编写了动力系统CAD 了开关磁阻电动螺旋压力机的动力能量系统设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ， 设计程序。利用所研发的开关磁阻电动螺旋压力机，在实际生产条件下，进行 了与摩擦压力机的对比试验。 论文研究结果表明:本论文所提出的开关磁阻电动螺旋压力机结构设计方 法解决了电机轴断裂问题。所提出的能量系统设计方案保证了开关磁阻电动螺 旋压力机精确打击能量和打击力。根据对设备运动学仿真分析，确定了开关磁 阻电机运动控制策略，实现设备运动与打击能量柔性精确数控。通过能耗对 比 试验分析，得出开关磁阻电动螺旋压力机相比摩擦螺旋压力机节能70% 。 开关 磁阻电动螺旋压力机解决了螺旋压力机长期以来存在的技术难题，对于成形 设 备的发展具有重要意义。 关键词:压力机，螺旋，开关磁阻，数控，节能 I 山东理工大学硕士学位论文 Abstract Abstract Screw press is one of the molding equipment widely used in manufacture and applied in many kinds of press process in molding of metal and nonmetal materials. Machine types currently in use are friction, hydraulic , clutch and electric screw presses. The most common type in use is the friction press, problem are high energy consumption, manual operations, force and energy can be inaccurate, parts accuracy difference . Screw presses which driven by switch reluctance servo system was studied in this paper, the structure designe method of switch reluctance servo screw press was put forward. The structure of the equipment was designed with 3D software and the rigid transmission parts design and analysis was carried out. Also the calculation model of slide was proposed; with ADAMS and Matlab/Simulink the motion simulation of the prototype was studied, by the simulation result the strategy of precise control the SRM was decided, According to the strategy of control the SRM, energy system design scheme and moment of inertia calculation method was proposed. The switch reluctance servo screw press dynamic system CAD design system and switch reluctance NC servo screw press dynamic control system simulation system was compile. With the equipment developmented, contrast verification with friction screw press was carried out in practical production conditions. The results of this paper are indicated as follows: The method of structure designe of the equipment proposed in this paper solved and the fracture of motor shaft. The energy system design scheme proposed ensures the accurate blow energy and blow force. Through the simulation the strategy of precise control the SRM was decided, Flexible accurate numerical control the motion and blow energy was realized. By the energy consumption contrast test, the result indicates that the new equipment can save energy by 70%. Solved the technical problems existed in traditional equipment, the result is important to the development for the forming equipments. Key words: press, screw, switch reluctance, NC, energy saving II 山东理工大学硕士学位论文 目 录 目 录 摘 要 ...............................................................................................................I ABSTRACT ....................................................................................................... II 目 录 ........................................................................................................... II 第一章 绪 论 .................................................................................................. 1 1.1 课题来源、背景及研究意 义 .................................................................... 1 1.2 国内外研究及应用现 状............................................................................ 2 1.3 本课题的主要研究内容和方 .............................................................. 3 法 .. 1.4 本章小 结 .................................................................................................. 4 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力 机 ......................................................... 5 2.1 开关磁阻伺服电机及其控制系 统.............................................................. 5 2.1.1 开关磁阻电机结构及其系统构 成 ........................................................ 5 2.1.2 开关磁阻电机工作原 理 .................................................................. ..... 6 2.1.3 开关磁阻电机伺服控制系 统 ............................................................... 7 2.1.4 开关磁阻电机四象限运行方 法 ........................................................... 8 2.2 螺旋压力 机 ............................................................................................... 9 2.2.1 摩擦压力 机 ...................................................................................... 10 2.2.2 液压螺旋压力 机 ............................................................................... 11 2.2.3 离合器式螺旋压力 机 ....................................................................... 11 2.2.4 电动螺旋压力 机 ............................................................................... 12 2.3 开关磁阻电动螺旋压力机的需求分 析 .................................................... 14 2.4 本章小 结 ................................................................................................. 14 第三章 开关磁阻电动螺旋压力机结构及其参数化建 模 ............................... 15 3.1 开关磁阻电动螺旋压力机的结构及设 计 ................................................ 15 3.1.1 开关磁阻电动螺旋压力机结 构 ......................................................... 15 3.1.2 开关磁阻电动螺旋压力机工作原 理 .................................................. 16 3.2 开关磁阻电机刚性传动的设计与分 析 ................................................... 17 3.2.1 等强度原 则 ....................................................................................... 18 3.2.2 刚性连接打击瞬时电机轴负载扭 矩 .................................................. 18 II 山东理工大学硕士学位论文 目 录 3.2.3 计算实 例 ........................................................................................... 19 3.2.4 摩擦安全联接装 置 ............................................................................ 19 3.3 开关磁阻电动螺旋压力机参数化建 模 ................................................... 21 3.3.1 开关磁阻电动螺旋压力机主要技术参 数 .......................................... 21 3.3.2 开关磁阻电动螺旋压力机主要部件参数化建 模 ............................... 21 3.3.3 开关磁阻电动螺旋压力机装 配 ......................................................... 24 3.4 基于CAD 的转动惯量分 析....................................................................... 25 3.5 本章小 结 ................................................................................................ 26 第四章 开关磁阻电动螺旋压力机数控运动仿真分 析 .................................. 27 4.1 ADAMS运动仿 真 .................................................................................... 27 4.1.1 基于ADAMS 的设计流 程.................................................................. 27 4.1.2 ADAMS运动仿真方案设 计 ............................................................... 28 4.1.3 ADAMS运动仿真模型建 模 ............................................................... 30 4.1.4 ADAMS运动仿真分 析 ...................................................................... 33 4.2 Matlab/simulink运动仿 真 ........................................................................ 34 4.2.1 Matlab/simulink软件应 用 .................................................................. 34 4.2.2 Matlab/simulink运动仿真方案设 计 ................................................... 34 4.2.3 Matlab/simulink运动仿真模型建 模 ................................................... 36 4.2.4 Matlab/simulink运动仿真分 析 .......................................................... 37 4.3 运动仿真结果分 析 ................................................................................. 38 4.4 本章小 结 ................................................................................................ 38 第五章 开关磁阻电动螺旋压力机力能系统设计与分 析 ............................... 39 5.1 开关磁阻电动螺旋压力机动力系统程序设 计 ......................................... 39 5.1.1 程序设计原 理 .................................................................................... 39 5.1.2 程序设计方 法 .................................................................................... 40 5.1.3 程序计算实 例 .................................................................................... 42 5.1.4 程序计算实例结果分 析 ..................................................................... 43 5.2 开关磁阻电动螺旋压力机运动控制系统程序设 计 ................................. 43 5.2.1 程序设计原 理 .................................................................................... 43 5.2.2 程序设计方 法 .................................................................................... 44 5.2.3 程序计算实 例 .................................................................................... 45 5.2.4 程序计算实例结果分 析 .................................................................. ... 46 5.3 本章小 结 ................................................................................................. 46 III 山东理工大学硕士学位论文 目 录 第六章 开关磁阻电动螺旋压力机能耗实验研 究 .......................................... 48 6.1 能耗实验方 案......................................................................................... 48 6.1.1 摩擦螺旋压砖机能耗实 验 ................................................................. 48 6.1.2 开关磁阻数控电动螺旋压砖机能耗实 验 .......................................... 49 6.2 能耗对 比 ................................................................................................ 50 6.3 能耗实验结果与分 析 ............................................................................. 51 6.4 本章小 结 ................................................................................................ 51 第七章 结论与展 望 ....................................................................................... 52 7.1 结 论 ........................................................................................................ 52 7.2 展 望 ........................................................................................................ 53 参考文 献 .......................................................................................................... 54 在学期间公开发表论文情 况 ............................................................................ 59 致 谢 .............................................................................................................. 60 附 录 .............................................................................................................. 61 IV 山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 课题来源、背景及研究意义 本课题来源于山东省科技攻关项目 《大重型智能节能数控锻压机的研 制与 应用》(项目编号2007GG10004019 )的子课题。来自于山东科汇电力自动化 有限公司、青岛青锻锻压机械有限公司、青岛益友锻压机械有限公司、淄博桑 辽阳锻压机床股份有限公司、济南同达机械工程有限德机械设备有限公司、 公 司等单位的开关磁阻电机驱动螺旋压力机的研制和实际生产需求。 螺旋压力机是古老的、具有悠久发展历史的、广泛应用的成形设备之一。 在材料成型加工生产中占有十分重要的地位。在金属锻造成形方面，据中国锻 1 压协会提供的资料 [ ] ，螺旋压力机是我国应用最为广泛的模锻设备，占全部模 锻设备的37% ，超过蒸空模锻锤(31.4% )及热模锻压力机(3.4% )的总 和。 现有螺旋压力机为普通电机作动力，由摩擦传动、液压传动等方式驱动， 存在主要问题为人力操作、不能数字化控制力能、能耗大、效率低、电机起动 起动转矩小、发热严重、制件产品质量不稳定等缺陷。因此研究新电流大、 型 数控电动螺旋压力机成为迫切需要。 本课题将对开关磁阻电机驱动的电动螺旋压力机进行研究。 开关磁阻电动螺旋压力机的滑块运动特性可变，速度、力量可控，从而大 大提高压力机的性能、可靠性和智能化水平，降低能耗，减轻重量，大大提高 制件产品的质量及其一致性和稳定性，可适用于多种材料、多种工艺和多种变 形能量的加工需求，彻底消除液压螺旋压力机油液对环境的污染，克服摩擦 螺 旋压力机不能数控、效率低，离合器式螺旋压力机需液压回程，传统电动螺旋 压力机起动转矩小、电流大、发热严重等缺点;开关磁阻电动螺旋压力机相比 压力机节能70% ，解决了本领域长期以来难以解决的技术难题，具备摩擦 成形 设备数字化、信息化和智能化发展趋势所要求的性能，对压力机械和制造业自 动化与信息化的发展起重要作用，是螺旋压力机的革命性进展。 开关磁阻电动螺旋压力机的开发，对加快数字化重载机械驱动技术在我国 的应用步伐和提高我国成形设备制造技术水平，顺应成形设备发展的数字化、 信息化和智能化的潮流具有十分重大的意义。开关磁阻电动螺旋压力机显示出 了无法比拟的优越性, 将会成为世界锻压技术及装备发展的主要潮流。 1 山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1.2 国内外研究及应用现状 螺旋压力机经历了由摩擦螺旋压力机、液压螺旋压力机、电动螺旋压力机、 离合器螺旋压力机、变频螺旋压力机和交流伺服螺旋压力机的发展历程。 摩擦螺旋压力机靠摩擦盘传递动力，该类型压力机结构简单，成本低，至 今仍在广泛应用。目前国内外最大规格的同类设备为青岛青锻锻压机械有限公 [1,2] 司2009年开发研制的 100MN双盘摩擦压力机 。其存在的主要问题是靠摩擦 盘传递动力，摩擦损失大，效率低、仅为20%,25% ，打击力控制不准确，不 适于发展大吨位。 液压螺旋压力机是采用液压系统驱动的螺旋式压力机。按驱动方式液压螺 旋压力机可分为液压缸驱动(推缸式 )和液压马达驱动(副螺杆式)两种形式。 液压螺旋压力机在上世纪20年代就开始研制。1972年德国Hasenclever 公司制造 了世界最大的液压螺旋压力机，吨位则达到250000kN 。国内华中科技大学与 湖北富升锻压机床有限公司共同研发了16000kN液压螺旋压力机，获我国锻压 机械第一个国家发明三等奖 [3] 。但该类型螺旋压力机存在能耗大、效率相对低， 可靠性差、故障率高，传动精度差、油液易泄漏造成环境污染，控制和机械 系 统复杂，维修成本较高等缺点。 离合器式螺旋压力机由电机驱动大惯量飞轮做定向旋转，通过离合器控制 滑块运动。国外米勒万家顿公司生产的离 合器式螺旋压力机最大吨位达 320000kN ，国内有北京机电研究所、青岛锻压机械公司等多家厂家生产，最 大吨位达63000kN 。山东大学开发了快卸压高能螺旋压力机。最新进展为青岛 益友锻压机械有限公司生产的J55 系列离合器式螺旋压力机 [4?11] 。该机型缺点 是需要离合器和液压提升系统，结构复杂，离合器摩擦片在运行中受油污、灰 尘影响，不能精确稳定重复地传递一个设定的能量和打击力。 电动螺旋压力机利用电机直接驱动，或通过齿轮、皮带带动飞轮旋转 [12?18] ， 无摩擦传动和液压传动机构。该类型螺旋压力机结构简单，传动链短，操作维 修方便。德国LASCO 、WEINGARTEN 公司将变频器技术用于电动螺旋压力机。 华中科技大学基于该技术，开发了CNC 电动螺旋压力机[19?23] 。 但因为由传统电机驱动，电机频繁起停，电负荷经常出现尖峰值，冲击电 流大，对电网冲击较大，功率因数较低，电机发热严重，温升很高，不能长时 间连续工作。整个工作过程需用风扇不停地通风强制冷却。其存在缺陷是电机 加速达不到预设能量所需的角速度导致变频螺旋压力机无法实现预设的能量 的打击，力能显示不准确。 上世纪90年代世界工业发达国家兴起了伺服压力机的研究。美国俄亥俄州 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪 论 立大学工程研究中心，美国的WIEDEMANN 和W.A.WHITNEY 公司、日本的 AIDA 和NISSHINBO 公司以及瑞士的RASKIN 公司等都对交流伺服压力机进行 部分高校也正在加强交流伺服驱动技术在成形设备上应用方面的研了研究。 究 工作，并且已取得了一定的成效。日本ENOMOTO 公司在不久前首次开发了交 流伺服电机驱动的螺旋压力机，并获得2001年日本第31届新机械技术奖 [24?39] 。 该机型存在的缺陷是交流伺服电机成本太高,设备价格异常昂贵, 而电机本身 存在控制方式复杂、易损、不容易维修等缺陷。 1.3 本课题的主要研究内容和方法 本课题对开关磁阻数控伺服系统驱动的螺旋压力机进行研究，主要目的是 建立开关磁阻数控电动螺旋压力机的理论与技术体系。将开关磁阻伺服驱动技 术与螺旋压力机相结合，开发开关磁阻数控电动螺旋压力机，克服现有摩擦螺 效率低，离合器式螺旋压力机需液压回程，传统电动螺旋压力机不能数控、 旋 压力机起动转矩小、电流大、发热严重的缺点，研制结构简单、成本低、效率 高，运动与打击能量可柔性精确数控的螺旋压力机。 把开关磁阻伺服驱动技术应用于螺旋压力机，研究基于开关磁阻伺服电机 驱动的螺旋压力机的节能及其数控问题。根据开关磁阻电动螺旋压力机控制系 统结构，进行设备整机参数化建模和运动学仿真分析，建立滑块运动模型， 为 开关磁阻电动螺旋压力机设计提供参考。具体研究内容及方法按章节安排如下 第一章介绍本课题的来源、背景及研究意义，介绍了国内外在相关领域的 研究状况及此领域的技术背景和最新进展情况，充分阐述本课题的研究意义。 第二章对开关磁阻伺服电机及其伺服系统和各类型螺旋压力机工作原理 和存在的问题进行分析，对开关磁阻电动螺旋压力机的动力需求进行分析。 第三章进行开关磁阻电动螺旋压力机刚性传动结构设计，对开关磁阻电动 螺旋压力机进行参数化三维建模，并对设备传动部分零件进行分析。 第四章根据开关磁阻数控系统驱动螺旋机构工作过程的特性，提出滑块运 动的数学模型;采用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS 建立设备虚拟样 机 模型，并进行运动学仿真分析，通过仿真结果分析设备运动特性;基于数学解 析法采用Matlab/Simulink对设备进行运动学仿真研究;把虚拟样机仿真结果和 k仿真结果进行对比验证，提出开关磁阻电机控制策略。 Matlab/Simulin 第五章对开关磁阻电动螺旋压力机动力系统和控制系统进行研究，根据开 关磁阻伺服驱动特性和控制策略，编写《开关磁阻电动螺旋压力机动力系统 CAD设计系统》和《开关磁阻电动螺旋压力机动力控制系统仿真系统》软件， 3 山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪 论 为开关磁阻电动螺旋压力机的设计与生产制造提供技术支持与设计依据。 第六章对开关磁阻电动螺旋压力机进行能耗实验研究，通过对相同吨 位的 开关磁阻电动螺旋压力机与摩擦压力机能耗对比试验分析，得出开关磁阻电动 螺旋压力机相比摩擦压力机节能70% 。 第七章在结论中综合阐述了本论文的主要研究成果，并对今后的研究 工作 进行了展望。 1.4 本章小结 本章介绍了本课题的来源、背景及研究意义，介绍了螺旋压力机在国内外 相关领域的研究状况，提出了本论文的主要研究内容和各章节内容安排。 4 山东理工大学硕士学位论文 第二 章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 开关磁阻电机(SRM )是近二、三十年逐渐发展起来的一种新型驱动装置， 具有数字化控制、可控参数多、效率高、起动电流小、起动转矩大、结构简单、 转子无绕组、完全由硅钢片叠成、坚固耐用等优点，可以实现压力机的高精度、 高效率以及高转矩输出的性能指标 。因此，开关磁阻电机特别适快响应、 合驱 动螺旋压力机。 2.1 开关磁阻伺服电机及其控制系统 开关磁阻驱动系统SRD (Switched Reluctance Drive )是集微电子技术、数 字技术、电力电子技术、检测技术及现代电磁理论设计和制造技术为一体的机 电一体化的高新技术产物。它具有结构简单、成本低、工作可靠、控制灵活、 运行效率高等诸多优点，由其构成的电机系统具有交、直流电机系统所没有的 [40?42] 优点 。 2.1.1 开关磁阻电机结构及其系统构成 开关磁阻驱动系统主要由开关磁阻电机(SRM )、功率变换器、控制器和 检测器四部分组成，如图2-1所示。 图 2-1 SRD 系统的基本构成 SR 电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，其结构和工作原理都与传 统电机有较大差别。以四相8/6极开关磁阻电机为例，实际结构如图2-2所示， -3所示。SR 电动机为双凸极结构，其定、转子均由普通硅钢原理图如图2 片叠 压而成。转子上既无绕组也无永磁体，定子齿极上绕有集中绕组，径向相对的 5 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 两个绕组可以串联或并联在一起，构成“一相”。 图2-2 四相8/6极SR 电机定、转子结构图 图 2-3 四相 8/6 极 SR 电动机结构原理图 功率变换器是 SRD 系统能量传输的关键部分，是影响系统性能价格比的 主要因素，起控制绕组开通与关断的作用。由于 SR 电动机绕组电流是单向的， 使得功率变换器主电路不仅结构比较简单而且相绕组与主开关器件是串联的， 可以避免直通短路危险。SRD 系统的功率变换器主电路结构形式与供电电压、 电动机相数及开关器件的种类有关。 控制单元是 SRD 系统的核心部分，起作用是综合处理速度指令、速度反 馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件 的通断，实现对 SR 电动机运行状态的控制。 检测单元是由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息以决定 各相绕组的开通与关断，提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 43 [ ] 防止过电流 。 2.1.2 开关磁阻电机工作原理 开关磁阻电机运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小 的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力。而具有一定形状的铁心在移动到 6 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 44 最小磁阻位置时，必使自己的主轴线和磁场的轴线重合 [ ] 。以图 2-3 所示四相 8/6 结构 SRM 电机为例说明其工作原理。 图2-3 中定子8个凸极中，空间位置对称的两个极绕组联成一相，图中仅画 出其中A相绕组及其驱动电路，S1 、S2是电子开关，D1 、D2 是二极管，U 是直 流电源。电机转子无绕组，定子嵌有集中绕组，定子绕组可根据需要采用串 联、 并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子上装有位置传感器 来检测转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。 电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，当转子磁极在 相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极定子磁极中心线位置时， 中 心线时，相绕组电感最小。 以图2-3 中四相8/6极定、转子的相对位置作为起始位置，即A 相定、转子 极正好相对，切向磁拉力消失，转子处于平衡状态。此时断开A相开关S1 、S2 ， 合上B相开关，电动机内迅速建立起以Bb 为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、 定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。此时通过气隙的磁力线是弯曲的， 磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，转子将受到气隙中弯曲磁力 线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动15?，当定子和转 子极轴线重合时，转子己达到新的平衡位置。依此类推，定子绕组A-B-C-D三 相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距。因此，连续不断地按 A-B-C-D 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-D 的方 向不断移动, 转子沿逆时针方向不断旋转。如按D-C-B-A 的顺序给定各相绕组 轮流通电，则磁场沿着D-C-B-A 的方向转动，转子则沿着与之相反的方向顺时 [45?47] 针旋转 。 2.1.3 开关磁阻电机伺服控制系统 根据SR 电动机的控制原理可得到SRD控制系统原理图如图2-4所示，SRD 系统采用转速外环、电流内环的双闭环反馈伺服控制，ASR (转速调节器)根 * * 据转速误差信号(转速指令 Ω 与实际转速 Ω之差)给出转矩指令信号 T ，而 * 转矩指令可以直接作为电流指令 ;ARC (电流调节器)根据电流误差(电流 i * 指令 与实际电流 之差)来控制功率开关。 i i 控制模式选择框是SRD系统控制策略的总体现，它根据实时转速信号确定 控制模式。在低速运行时，固定开通角θ 和关断角θ ，采用CCC控制方式; on off 在高速运行时，采用APC控制方式。 7 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 图2-4 SRD 系统原理图 (1)电流斩波控制方案(CCC ) 由于SR 电机在起动和低速工作时，电机的转速比较小，相电流上升的比 较快，这时一般采用电流斩波控制来限定电流的峰值，并且选择固定的开通角 和关断角，一般为半个电感周期。电流斩波控制一般有两种方法:一种方法是 限制电流的上限和固定关断时间;另一种方法就是限制电流的上、下限。 (2 )角度位置控制方案(APC ) 角度位置控制就是控制主开关管的开通角 θ 、关断角θ ，从而改变主开关 1 2 管的通、断时间来控制相电流的波形，达到控制电机电磁转矩的目的。角度位 置控制方案适合电机高速运行的场合，主开关管的开通角θ 是主要控制量，θ 1 1 角小，则有效相电流就大，一定范围内可加大出力。 主开关管的关断角 θ2 也必须控制，确保电流不要向 ?L ?θ 0 区 段多延续， 在具体系统中有一个优化参数范围。由于两个参数同时调节，使得控制比较 复 48 [ ] 杂，一般是优化固定关断角 θ ，调节开通角θ 。 2 1 2.1.4 开关磁阻电机四象限运行方法 如图2-5所示SRM 四象限运行区域，SRM 的转矩方向仅取决于绕组是 在电 感上升区通电，还是在电感下降区通电，而与电流的方向无关;要改变转速 的 方向，则只要改变相绕组通电顺序即可。可见，开关磁阻电机四象限运行的 实 现较为方便，并且能够可靠运行 [49,50] 。 (1)正反向电动运行 第?，?象限 图 2-6 示出电机正向电动时的 3 三路位置信号 P 与相电感 L 曲线的对应关 系。由图 2-6 可知，当电机正转且一路 P 信号发生负跳变时，L 最小，对应该 相定子齿与转子槽的对齐时刻;而当 P 信号发生正跳变时，L 最大，对应该相 定子齿与转子齿的对齐时刻。由此可知，正转时，在一路 P 信号为低电平时给 该相绕组通电，就能产生正向转矩。与正转相反，当电机反转且一路 P 信号发 8 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 生正跳变时，L 最小，对应该相定子齿与转子槽的对齐时刻;当 P 信号发生负 跳变时， L 最大，对应该相定子齿与转子齿的对齐时刻。由此可知，反转时， 在一路 P 信号为高电平时给该相绕组通电，就能产生反向转矩。 图2-5 SRM 四象限运行点 图2-6 正向运行时转子位置与绕组电感对应图 (2)正反向制动运行 第?，?象限 当电机正转时，若要制动，则需要反向的转矩。此时电机工作于第二象限， 即正向制动象限。由图 2-6 可知，正转时，只要在一路位置信号为高电平时给 该相绕组通电，即在该相电感下降区通电，即可产生反向转矩。SRM 在制动 时，运动电动势与电流方向相同，因此制动电流上升快，幅值大，制动转矩大， 这是 SRM 制动运行的特点。为了保护电机绕组，在制动运行时与起动斩波 一 样，加入了电流斩波控制。电机反转时，若要制动，则需要正向的转矩，此时 电机工作在第四象限，即反向制动象限，只要在一路位置信号低电平时给该相 绕组通电即可产生正向转矩。其余情况与正向制动情况一致。 螺旋压力机 2.2 螺旋压力机采用螺旋机构将飞轮的正反向回转运动转换为滑块上下往复 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 运动。基本部分由飞轮、螺杆、螺母、滑块和机身组成。通过摩擦、液压或电 机直接驱动等传动装置使飞轮加速转动以积蓄能量，同时通过螺杆、螺母推动 滑块向下运动。当滑块接触工件时，飞轮被迫减速至完全停止，储存的旋转动 能转变为冲击能，通过滑块打击工件，使之变形。现在使用的机型有摩擦式、 液压式、离合器式和电动等几种。 2.2.1 摩擦压力机 摩擦压力机利用摩擦盘摩擦力(接合力)产生的力矩在正、反两个或其中 一个行程中，向螺旋工作机构传递动能和电动机能量，按照传动方案的不同， 摩擦螺旋压力机又分为:双盘摩擦压力机、三盘摩擦压力机、双锥盘摩擦压力 机、离合器式螺旋压力机四种类型。 摩擦螺旋压力机的典型结构结构如图2-7所示，机身上横梁内装有铜螺母， 与螺杆配合，飞轮安装在螺杆的顶端，圆周上装有石棉铜或牛皮。螺杆下端通 过轴承或螺母与滑块连接。在机身两侧的支架上安装有横轴，两个摩擦盘安装 在横轴的两端，通过操纵机构可以使横轴带动摩擦盘左右移动。当左边的摩擦 盘接触飞轮时，右边的摩擦盘离开飞轮，飞轮转动通过螺旋副驱动滑块向下运 实现工作行程;反之，当右边的摩擦盘接触飞轮时，飞轮转动驱动滑块动， 向 上运动，实现反向回程 [51?53] 。 该机型存在的主要问题是靠摩擦盘传递动力，摩擦损失大，效率低，打击 力控制不准确，不适于发展大吨位。 图 2-7 摩擦压力机 10 山东理工大学硕士学位论文 第 二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 2.2.2 液压螺旋压力机 液压螺旋压力机采用液压系统驱动，典型结构如图2-8所示，液压缸位于 上横梁两侧的中间，缸内活塞杆的下端与滑块连接，当压力油进入液压缸的上 下腔排液，作用在活塞上的油压力通过活塞杆作用在滑块上。滑块向下腔， 运 动的同时，带动螺杆和飞轮向下运动，使运动部分在打击锻件之前积蓄足够的 能量。当压力油进入液压缸的下腔时，上腔排液，作用在活塞上的油压力通过 活塞杆作用在滑块上。滑块向上运动的同时，带动螺杆和飞轮向上回程。在活 塞到达上止点之前，通过制动系统使滑块停在预定位置。按驱动方式液压螺旋 [54,55] 压力机可分为液压缸驱动(推缸式)和液压马达驱动(副螺杆式)两种形式 。 该机型存在的缺点是能耗大、效率相对低，可靠性差、故障率高，传动精 度差、油液易泄漏造成环境污染，控制和机械系统复杂，维修成本较高等。 图2-8 JTLY 型液压螺旋压力机 2.2.3 离合器式螺旋压力机 离合器式螺旋压力机的结构如图2-9所示，由电机驱动大惯量飞轮做定向 旋转，飞轮上设有摩擦离合器和快速脱开装置，每一次工作行程都经液压缸给 离合器加压，使飞轮与螺杆接合，带动螺杆旋转，驱动滑块下行，滑块打击完 成后，快速脱开装置使其迅速脱开，由回程油缸将滑块提升到上限位置，完 成 一个工作循环。 该机型存在的缺点是需要离合器和液压提升系统，结构复杂，同时离合器 摩擦片在运行中受油污、灰尘影响，不能精确稳定重复地传递一个设定的能量 11 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 和打击力。 图 2-9 离合器式螺旋压力机 1-机身 2-开关磁阻电机 3-离合飞轮 4-离合器 5-摩擦盘 6-电动飞轮 7-螺杆 8-滑块 2.2.4 电动螺旋压力机 电动螺旋压力机按传动方式可分为电机直驱式电动螺旋压力机和经一 级 齿轮(皮带)传动的电动螺旋压力机两种形式。 电机直驱式电动螺旋压力机结构如图2-10所示，该类型螺旋压力机传动链 短，电机驱动飞轮旋转没有任何传动损失。所用的电动机是特制的，其定子壳 转子下端固定在飞轮上，飞轮与螺杆采用键连接安装在压力机机架的顶端， 并 通过推力轴承安装在机架上。电机起动时转子驱动压力机飞轮和螺杆做定轴旋 转，通过安装在滑块内的螺母将螺杆的螺旋运动转换为滑块的直线运动，使滑 块加速下行，主电机达到预先设置的打击能量所要求的转速时，电机断电，利 用飞轮储存的能量对工件做功，打击结束，飞轮能量完全释放。主电机反转， 滑块上行，当滑块到达设定的位置时制动，滑块停在上止点。 我国上世纪 80 年代由青岛青锻锻压机械有限公司与山东工业大学研制了 J58-160 型 1.6MN 电动直驱式电动螺旋压力机。 12 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 图 2-10 直驱式电动螺旋压力机 近年来, 采用变频技术的电动螺旋压力机开始研发与生产，目前华中科技 大学基于该技术开发了 CNC 变频电动螺旋压力机，其结构如图 2-11 所示。 图 2-11 J58K-250 变频螺旋压力机 交流伺服螺旋压力机采用交流伺服电机驱动。日本 ENOMOTO 公司开发 的交流伺服电动机驱动的螺旋压力机结构如图 2-12 所示。 图 2-12 交流伺服螺旋压力机 13 山东理工大学硕士学位论文 第二章 开关磁阻伺服系统和螺旋压力机 上述电动式螺旋压力机存在的缺陷是:电机长期处于频繁起停及正反转工 热十分严重，温升达 ，不能长时间连作状态，发 续工作。并且启动电流 120 C 过大，对电网造成巨大冲击。不能精确预设打击能量，并且力能误差大。交流 伺服电机成本太高, 使得设备异常昂贵，而电机本身存在控制方式复杂、易损、 不容易维修等缺陷。因此上述几种电动螺旋压力机均没有应用于实际生产，开 发新型实用型电动螺旋压力机成为当前迫切任务。 2.3 开关磁阻电动螺旋压力机的需求分析 根据螺旋压力机的工作过程，最优化设计即为去掉不必要的外设，采用电 机通过一级齿轮(皮带)传动驱动螺杆和滑块。由电机数字化控制螺旋和滑块 的运动，是螺旋压力机的最佳机型。 根据开关磁阻电机的工作原理和控制原理，开关磁阻电机特别适合于频繁 起停正反转及制动，适合螺旋压力机起动-加速-打击-反向起动-制动的工作状 态。将开关磁阻电机应用于螺旋压力机无疑是螺旋压力机的革命性进展。 现在使用的摩擦螺旋压力机已被国家列入“淘汰落后生产能力、工艺和产 中。开关磁阻电动螺旋压力机是最佳替代机型，具有极大的市场品的目录” 需 求和应用前景。 2.4 本章小结 本章首先介绍了开关磁阻伺服电机及其控制系统，对开关磁阻伺服电机的 工作原理、传动系统和控制系统进行了阐述，指出现有摩擦螺旋压力机、液压 离合器式螺旋压力机和电动螺旋压力机存在的问题;最后对开螺旋压力机、 关 磁阻电动螺旋压力机的需求进行了分析，指出开关磁阻伺服电机具有驱动螺旋 压力机的优势，并分析了开关磁阻电机驱动螺旋压力机的可行性。 14 山东理工大学硕士学位论文 第三章 开关磁阻电动螺旋压力机结构及其参数化建模 第三章 开关磁阻电动螺旋压力机结构及其参数化建模 开关磁阻电动螺旋压力机是由新型电机所控制的新机型，需要进行结构设 计与分析，并需要用参数化 [56] 方式进行建模。 3.1 开关磁阻电动螺旋压力机的结构及设计 开关磁阻电动螺旋压力机是采用电动螺旋压力机结构，用开关磁阻伺服驱 动系统代替传统驱动系统开发的新型螺旋压力机。 3.1.1 开关磁阻电动螺旋压力机结构 开关磁阻数控电动螺旋压力机整机采用 电机-齿轮传动-螺杆和电机-皮带 传动-螺杆两种结构方式。结构如图3-1和3-2所示。 图 3-1 开关磁阻电动螺旋压力机结构图 1-机身 2-滑块 3-螺杆 4-螺杆套 5-大齿轮 6-制动器 7-小齿轮 8-开关磁阻电动机 9-螺母 10-顶出器 图3-1所示开关磁阻电动螺旋压力机，电机轴与小齿轮通过摩擦安全联接 装置连接，小齿轮与飞轮(大齿轮)啮合，螺杆顶端通过键与飞轮连接在一起， 并通过轴承安装在机身上，螺杆与螺母通过螺旋副连接，螺母固定安装在滑块 滑块与机身导轨配合，机身上安装有位移传感器以实时检测滑块位置和内， 速 15 山东理工大学硕士学位论文 第三章 开关磁阻电动螺旋压力机结构及其参数化建模 度。气动制动器安装在机身顶部，其摩擦片与飞轮上表面摩擦制动。在机身底 座内装有顶出器。 图 3-2 开关磁阻伺服螺旋压力机结构图 1-底座 2-立柱 3-开关磁阻电机 4-小皮带轮 5-大皮带轮 6-制动器 7-螺杆 8-螺杆套 9-铜螺母 10-上横梁 11-滑块 12-顶料杆 13-润滑泵 14-顶出器 图 3-2 所示开关磁阻电动螺旋压力机，电机轴通过键连接与小皮带轮刚性 连接，小皮带轮通过皮带传动与飞轮(大皮带轮)连接，铜螺母安装在螺母套 内，并与螺母套结合为一体，通过止推轴承安装在上横梁内，螺杆与滑块固接 在一起。 3.1.2 开关磁阻电动螺旋压力机工作原理 开关磁阻电动螺旋压力机利用开关磁阻 电机不断做正反向的换向转动，带 使滑块作上下运动。由于开关磁阻伺服电机中安装有角动飞轮和螺杆旋转， 位 移传感器，工控微计算机指令电动机控制器每隔一个步距角就会给开关磁阻伺 服电动机一个控制指令。在开始工作之前，用户根据加工产品的材料、工艺和 变形能量的要求，通过键盘输入和设定滑块打击速度，滑块行程和行程次数等 参数，工控微计算机按照程序计算出螺杆角位移各控制点所需要控制的参数如 电动机转角位移、电动机角速度和打击能量等。工控微计算机指令电机与螺杆 的角位移、角速度及起停和正反转、调速、寸动、单击、连击与制动动作，输 出所需要的运动和能量。 如图3-1所示开关磁阻电动螺旋压力机，当输入启动信号后，开关磁阻电 16 山东理工大学硕士学位论文 第三章 开关磁阻电动螺旋压力机结构及其参数化建模 机由静止加速起动，带动小齿轮、大齿轮和螺杆旋转，螺杆的旋转运动通过螺 旋副转化为滑块的直线运动，带动滑块加速下行，当电机达到预先设置的打击 能量所要求的转速时，电机停止加速，利用大齿轮储存的能量对工件作功，完 成工件的成型过程。飞轮释放能量后，通过改变相绕组的通电顺序的方式使开 关磁阻电机反转，驱动小齿轮、大齿轮和螺杆反转，带动滑块上行，当电机返 回一定转角后，电机进入制动状态，由电动机转为发电机，同时气动制动器辅 助制动，使大齿轮带动滑块回到预先设置的位置。通过不断改变相绕组的通电 顺序改变开关磁阻电机的正反转，实现滑块的往复运动和实行打击工序。由 于 回程加速阶段飞轮的能量可经电机反馈到电网，因而能耗降低。气动制动器仅 在滑块接近上死点时才工作，制动力矩小，摩擦片不易磨损，不需经常更换， 易于维护。该类型螺旋压力机结构特点是大齿轮和螺杆作固定轴旋转运动，螺 母在滑块内，随滑块一起做上下往复运动，该种传动类型滑块行程较小。 图3-2所示开关磁阻电动螺旋压力机，其工作原理与图3-1所示开关磁阻电 动螺旋压力机类似，不同之处是大皮带轮和螺母通过键连接，一起作固定轴旋 转运动，螺杆和滑块固连在一起做上下往复运动，滑块行程较大。 综合上述开关磁阻电动螺旋压力机的工作原理，其典型工作循环包括以下 几个过程: (1)滑块空程向下加速运动阶段。制动器松开，同时接通电机，电机从 最大扭矩加速飞轮，滑块从上止点加速下行，位移传感器实时检测滑块速度， 当滑块速度达到所需值时，电机断电。 (2)滑块匀速下行阶段。此阶段开关磁阻伺服电机断电，滑块在惯性及 重力作用下下行，直至接触工件表面。 (3)打击工件阶段。此阶段滑块继续下行打击工件，直至到达下止点。 滑块速度降为零，控制器发出回程信号。 (4)反向提升阶段，电机由静止反向起动，带动滑块由下止点向上运动。 (5)制动阶段。当滑块上行到一定高度时，电机转入能耗制动，接近上 止点时制动器动作刹车，使滑块停在上止点。 由于开关磁阻伺服系统具有可频繁起停及正反转，起动转矩大，起动电流 小等特点，将开关磁阻伺服驱动系统应用于螺旋压力机开发的开关磁阻电动螺 旋压力机，克服了传统螺旋压力机的缺点。 3.2 开关磁阻电机刚性传动的设计与分析 由于开关磁阻电动螺旋压力机没有离合器，设计者初次设计时易把电机与 17 山东理工大学硕士学位论文 第三章 开关磁阻电动螺旋压力机结构及其参数化建模 执行机构刚性连接，在压力机打击时,电机轴瞬时应力过载巨大，导致电机轴 发生断裂。因此对压力机与开关磁阻电机刚性传动的连接分析成为必要。 开关磁阻电动螺旋压力机刚性传动连接执行机构时，开关磁阻电机轴刚性 连接小齿轮,压力机过大的瞬时打击负载会导致按标准机座号设计的电机轴断 裂。解决这一问题有两种措施,一是遵循等强度原则设计,把电机轴放大一定倍 57 数;二是增设摩擦安全联结装置 [ ] 。 3.2.1 等强度原则 由电机驱动转矩公式: M P ω 30P πn (3-1 ) N N N N N 式中 M N ――开关磁阻电机额定转矩; P ――开关磁阻电机额定功率; N nN ――开关磁阻电机额定转速。 若开关磁阻电机可以承受瞬时冲击扭矩 M N 0 为额定转矩的 K SRD 倍。则 M K M (3-2 ) N 0 SRD N 式中 M N 0 ――开关磁阻电机瞬时冲击转矩; K SRD ――设计转矩倍数。 设刚性连接时,电机承受瞬时冲击扭矩为 M F ,则过载倍数为: K M M (3-3 ) F F N 式中 M F ――电机轴瞬时冲击扭矩;