论文摘要
模锻件在汽车、国防等工业领域应用日益广泛,各行业对模锻件的精度要求也越来越高,从而促使模锻工艺向精密成型方向发展。螺旋压力机凭借良好的力能特性被公认为是进行精密锻造的最佳模锻设备。依据驱动方式的不同,螺旋压力机分为摩擦、液压、离合器和电动螺旋压力机四种类型。其中电动螺旋压力机采用电动机直接驱动的传动方式,代替以往广泛采用的液压伺服和机械传动方式,具有传动链短、易于维护等优点。近年来,数控传动技术被引入到电动螺旋压力机系统中,新型的数控电动螺旋压力机应运而生。该类型电动螺旋压力机可以精确控制打击能量,方便可靠,在国外发展迅速,已逐步取代了其它类型的螺旋压力机,但在我国尚属空白,主要依靠国外进口。因此数控电动螺旋压力机的研究和开发对于打破国外在这一技术上的垄断具有重要意义。但目前数控电动螺旋压力机尚存在如下关键技术:（1）电机容量的选取。（2）有效的交流调速方法的确定。（3）负载条件下电机起动状态时的转矩输出能力和温升问题的解决。（4）控制系统方案的设计。（5）能量和回程位置的精确控制。为此,作者紧紧围绕上述数控电动螺旋压力机的关键技术,在吸取国外先进经验的基础上,进行了深入的理论和试验研究。作者首先详细分析了电动螺旋压力机的主要力能参数,结合性能指标引出了电机容量的选择依据。根据电动螺旋压力机的工作流程,进一步阐述了系统需解决的关键技术问题。电动螺旋压力机要求电动机在大惯量负载条件下、频繁起动时能够快速实现恒定的转矩输出,同时避免过高的起动电流,这取决于先进的交流调速方法的运用。为此,作者深入研究了矢量控制和直接转矩控制电机调速技术,并运用Matlab仿真比较了不同调速方式下电机起动转矩和起动电流的大小情况。仿真结果表明,矢量控制和直接转矩控制交流调速技术不但使电机起动电流大大减小,而且可保持较高的起动转矩。作者通过水力测功机试验装置来模拟电动螺旋压力机的实际工况并考察电机性能,试验过程中通过调节水的流量来改变外部负载大小,观测负载条件下异步电机和自制伺服电机的转矩过载能力和电机温升情况。试验证明,相比矢量控制技术,直接转矩控制技术可使电机起动电流更小,相同过载条件下温升更低。电动螺旋压力机的运行环境恶劣,因此作者采用西门子可编程控制器（S7-200或S7-300）作为核心处理器,运用直接转矩控制技术控制电机运转,以触摸屏作为人机界面,构建方便、可靠的控制系统:（1）系统采用高效率的齿轮传动方式,回程时利用电机本身的制动力减速停车,无须配备专门的液压回程系统。（2）为减少偏心载荷,使飞轮均匀受力,系统采用双电机驱动方式,相同规格的两台电动机相隔180度分别固定在机身顶部,驱动单元驱动两台电机同时正转或反转,针对电机同步问题,作者对不同的同步控制策略进行了分析对比,最终采用同一给定控制方式来实现双电机的同步,并通过PID控制器获得最佳性能。在完成控制系统的初步设计后,作者分别采用异步电机、伺服电机和变频电机作为驱动电机进行全能量打击测试。试验证明,三种类型电机在起动状态时,转矩输出能力相差不大,但持续运行相同时间后异步电机具有最低的电机温升,因而最终确定了采用ACS800变频器的双异步电机驱动方案;实验结果同时表明直接转矩控制技术实现了电机起动过程中总体上的恒转矩输出,在间歇工作条件下可控制电机以一定过载倍率运行,既充分发挥了电机的过载能力,又保证了电机温升的稳定,满足了数控电动螺旋压力机的性能要求。能量和位置的精确控制需要高性能的软件系统来保证。为此,作者将模块化的程序设计方法引入到数控电动螺旋压力机的软件系统中,各个功能模块相互独立,实现了软件系统的开放性和体系结构可复用性的目的。为精确控制打击能量,作者采用速度模式与转矩模式互相切换的方法,保证能量的稳定,能量相对误差可控制在2%以内,同时避免了因急剧正反转易引起的过流现象;为提高生产效率,要求加快滑块回程速度,但若速度过快,电机本身有限的制动力难以保证大惯量负载条件下滑块的准确停靠,极易发生冲顶现象,针对这一问题,作者采用了速度规划的方法并且在设置参数时完成,从而使可编程控制器在运行打击程序时避免执行过多的数学运算,最终保证回程位置误差在±2mm以内。上述成果应用于数控电动螺旋压力机系列产品的研制中,取得了良好效果。作者参与开发的2.5MN-16MN的数控电动螺旋压力机,成功解决了因电机频繁起动引起的转矩响应和发热严重的技术难题,能量和回程位置能够得到精确控制,填补了国内在中、小吨位电动螺旋压力机的空白。