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陳 成，朱燈林，徐 坤，梅志千

( 河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022)

摘要: 為了滿足鈑金行業對壓力機性能越來越高的需求，結合機械壓力機和液壓機的優點提出了一種機械液壓混合伺服壓力機的技術方案。

首先設計傳動方案，即采用伺服電機驅動液壓回路，液壓回路帶動曲柄滑塊機構實現工件壓制。然后對傳動系統進行分析，推導出傳遞函數，并建立了 PID 控制模型。

最后通過實驗臺對滑塊進行位移和速度數據的采集和驗證。結果表明，該傳動方案設計合理、實驗裝置運行穩定可靠，為機械液壓混合伺服壓力機的進一步研發提供了參考。

關鍵詞: 機械液壓混合傳動; 伺服壓力機; 閉式回路; PID 控制中圖分類號: TP23 文獻標識碼: A 文章編號: 2095 －509X( 2019) 04 －0024 －06

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壓力機作為一種通用性機械，常用于沖壓和模鍛等生產工序^［1］。目前，具有優良工藝性的伺服壓力機是壓力機發展的主流趨勢。

相比于傳統壓力機，伺服壓力機加工工藝軌跡可控，能夠滿足較為復雜的運動特性，加工精度和加工效率明顯提高^［2］。

伺服壓力機可以分為機械伺服壓力機、液壓伺服壓力機等。機械伺服壓力機具有運行速度快、工作效率高、體積較小等優點，但也存在電機功率需求大、公稱力行程較小且調節相對困難等缺點^{［3 －5］}。

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液壓伺服壓力機具有工作承載壓力較大、運行平穩、過載保護、工作行程可以自由控制、調節范圍大、振動較小等優點，其主要缺點為體積較大需要單獨設置泵站、存在油液泄漏、維護工作量大、效率低、噪聲大^［6］。

許多學者在該領域內取得了大量的理論成果。大量研究者在機械伺服壓力機運動機構設計上做了深入研究，對具備拉深階段低速及空載急回特性的多連桿機構、肘桿機構等進行了優化和創新，如文獻［7］提出了一種八連桿伺服壓力機傳動機構。

在壓力機的控制方面，文獻［8］、［9］提出將 PID 算法、神經網絡算法等

應用于伺服壓力機控制模型。

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針對目前伺服壓力機機構復雜、設計難度大、電機功率要求高等問題，本文結合機械壓力機和液壓機的特點，提出機械液壓混合伺服壓力機的技術方案，即通過伺服電機驅動液壓油泵，經閉式液壓回路帶動液壓馬達、減速機構、曲柄滑塊機構進行工作。

機械液壓混合伺服壓力機的方案設計機械液壓混合伺服壓力機傳動系統如圖 1 所示。系統主要由運動控制器、伺服電機、電機控制器、液壓油泵、液壓元件、雙向液壓馬達、帶輪減速裝置、制動器、位置傳感器、曲柄滑塊機構等組成。

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在機械液壓混合伺服壓力機的傳動系統中，運動控制器通過伺服驅動器控制伺服電機，伺服電機帶動液壓油泵，液壓油泵和雙向液壓變量馬達之間組成閉式的液壓回路。

液壓馬達通過減速裝置，帶動曲柄滑塊機構實現滑塊的運動，完成壓力機的作業任務。

在液壓油泵和液壓馬達之間的回路中設置三位四通換向閥。控制器控制三位四通換向閥進行換向，實現液壓馬達的正反轉和急停，從而改變了曲柄滑塊機構的轉動方向。

當換向閥處于中位時，液壓馬達處于停止狀態［10 －11］。

液壓回路中采用 2 組流量傳感器和壓力傳感器，用于監控回路中流量和壓力，并將數據反饋器，形成閉環控制。

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在液壓油泵和液壓馬達之間設有溢流閥，保證液壓回路安全運轉。

針對運轉過程中存在的油液泄漏和損耗等情況，可用專門設置的蓄能器對液壓系統進行實時補充［12］。

機械液壓混合伺服壓力機控制模型設計機械液壓混合伺服系統速度環的動力學模型如圖 2 所示。在系統中綜合考慮了伺服電機、液壓油泵、液壓馬達、減速裝置、曲柄連桿機構等組成部分。

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圖中: u 為參考電壓，V; τ 為電機扭矩，N·m; J_m 為伺服電機轉動慣量，N·m·s² /rad; B_m 為伺服電機阻尼系數，N·m·s/rad; ω_p 為電機與液壓泵角速度，rad/s; ω_m 為液壓馬達軸角速度，rad/s; ω_q 為曲柄的角速度，rad/s; B 為減速裝置減速比。

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