畢設(shè)中文譯文

1、附錄2 中文譯文冗余驅(qū)動(dòng)的伺服機(jī)械壓力機(jī)的設(shè)計(jì)郭忠和高楓中國機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海交通大學(xué),上海200240，2008年12月16日收到；2009年5月25日修訂；2009年6月12日公認(rèn)并電子版出版摘要：伺服壓力機(jī)是一種新型的機(jī)械壓力機(jī)，由可編程的電機(jī)驅(qū)動(dòng)并提供優(yōu)越的低噪性能、高效率和高精度金屬成型操作性。與多連桿機(jī)械壓力機(jī)相似，伺服機(jī)械壓力機(jī)往往需要更大的噸位，而這可能是昂貴的，甚至可能不能用，如重型伺服電機(jī)。在本文中，首先對冗余驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)械壓力機(jī)提出使用兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸入軸的一個(gè)新概念，即一個(gè)輸入軸兩個(gè)伺服電機(jī)的模式在可用的伺服電機(jī)下有可能更大的壓力。然后沖壓工作機(jī)制設(shè)

2、計(jì)是詳細(xì)的。性能指標(biāo)的建立包括機(jī)械優(yōu)勢互惠和鏈接力的比率。一個(gè)有界可行解空間的構(gòu)造尺寸合成基于無量綱的鏈路長度和裝配條件。性能地圖集被描繪在有界解空間，導(dǎo)致沖壓機(jī)構(gòu)具有全局尋優(yōu)的可視化解決方案。最后，案例研究來說明視覺全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，一個(gè)正在我們實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的具有200T沖裁力的原型證明了新伺服機(jī)械壓力概念的功效。該研究對重型伺服機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展提供了一個(gè)可行的解決方案并發(fā)現(xiàn)其在其他類型的電傳動(dòng)重型設(shè)備的潛在應(yīng)用。關(guān)鍵詞：伺服機(jī)械壓力機(jī)，冗余驅(qū)動(dòng)，機(jī)械設(shè)計(jì)，視覺全局優(yōu)化，原型。1引言伺服機(jī)械壓力機(jī)由可編程電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這個(gè)新版本的機(jī)械壓力機(jī)可被編程以提供比傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)更好的低噪性能、更高的效

3、率和高精度金屬成型操作性，例如繪畫、沖裁、沖壓等等。一些壓力機(jī)制造商自從1990年初以來一直在開發(fā)一系列的伺服機(jī)械壓力機(jī)。Komatsu公司開發(fā)了沖壓力范圍從35噸到200噸的伺服壓力機(jī)。Amada集團(tuán)生產(chǎn)了所謂的數(shù)字式交流伺服壓力機(jī)具有45噸到300噸的能力。Amino公司開發(fā)的伺服壓力機(jī)沖壓力高達(dá)2500噸。CHIN FONG生產(chǎn)的伺服壓力機(jī)沖壓力在80噸到260噸之間。伺服壓力機(jī)的研究與發(fā)展不僅吸引了機(jī)床行業(yè)而且也吸引了世界各地的學(xué)術(shù)界。SHIVPURI和YOSSIFON等人開發(fā)了一種雙關(guān)節(jié)伺服30 噸沖裁力的機(jī)械壓力機(jī)。燕和陳建了一個(gè)曲柄滑塊式伺服沖壓機(jī)。提出了一種基于混合機(jī)的概念新型

4、的伺服機(jī)械壓力機(jī)的，形成了一種具有25噸能力的混合驅(qū)動(dòng)式伺服機(jī)械壓力機(jī)的原型。這種類型的伺服機(jī)械壓力機(jī)是由一個(gè)共同的電機(jī)和一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般來說，一個(gè)伺服機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展涉及到可編程致動(dòng)器技術(shù)，沖壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，連接和框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)通常用作可編程致動(dòng)器。聯(lián)動(dòng)裝置應(yīng)用于沖壓機(jī)構(gòu)。在組件和兩件中通過基于力之間的轉(zhuǎn)換和分配的強(qiáng)度和剛度標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了連接和框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)典的比例積分微分（PID）控制算法和可編程邏輯控制器（PLC）被引入到控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中?？偹苤匦退欧C(jī)械壓力機(jī)需要重型電機(jī)。重型電機(jī)額定功率和扭矩成倍增加成本，以及伺服電機(jī)的最大可用容量已被重載伺服電機(jī)

5、技術(shù)發(fā)展的制約。伺服機(jī)械壓力機(jī)噸位的增加，所需的重型伺服電動(dòng)機(jī)可能是非常昂貴的，甚至可能沒有提供。如圖1（a）所示，本人研制的一種新概念的伺服機(jī)械壓力機(jī)。這個(gè)機(jī)器采用兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相同的輸入軸從而帶動(dòng)一個(gè)優(yōu)化的沖壓機(jī)構(gòu)。這種冗余驅(qū)動(dòng)方案提供重型驅(qū)動(dòng)相對于可用單獨(dú)伺服電機(jī)在一個(gè)相對較低的成本或可用的更高的功率的一個(gè)可能的解決方案。為了驗(yàn)證新的概念，我們實(shí)驗(yàn)室和成熟的壓力機(jī)制造商正在開發(fā)200噸沖裁力的伺服壓力機(jī)原型。如圖1（b）所以，機(jī)器高5米多，寬2米。這臺(tái)原型正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)控制和沖壓工藝規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)研究。在以下章節(jié)中，首先介紹冗余驅(qū)動(dòng)方案。然后與雙關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)沖壓機(jī)構(gòu)的研究基于性能圖譜法

6、產(chǎn)生視覺全局優(yōu)化的解決方案。仿真與案例研究來說明新概念的效率。（a）伺服機(jī)械壓力機(jī)（b）沖壓機(jī)構(gòu)的原理圖圖 1 伺服機(jī)械壓力機(jī)的新設(shè)計(jì)概念2 冗余驅(qū)動(dòng)方案伺服機(jī)械壓力機(jī)可分為單點(diǎn)式和兩點(diǎn)式其中一點(diǎn)是指在柱塞一點(diǎn)連接一對機(jī)制。通常一對機(jī)制有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)一點(diǎn)一電機(jī)模式。建立更大的重型伺服機(jī)械壓力機(jī)有兩個(gè)選擇。一個(gè)是使用兩個(gè)大伺服電機(jī)的兩點(diǎn)類型其兩個(gè)電機(jī)同步通過避免偏置和柱塞的干擾保證。另外一個(gè)是使用一個(gè)大伺服電機(jī)的一點(diǎn)類型其偏置和柱塞干擾僅僅跟制造和裝備精度有關(guān)。這兩種方案都取決于重型伺服電機(jī)的發(fā)展技術(shù)。然而，重型伺服電機(jī)是非常昂貴而且很難發(fā)展的。如今，伺服電機(jī)的容量達(dá)200千瓦，只有少數(shù)廠

7、家可以生產(chǎn)。使用兩個(gè)200KW的伺服電機(jī)，Amino公司開發(fā)了世界上最大伺服機(jī)械壓力機(jī)其沖裁力高達(dá)2500噸。在中國，現(xiàn)在最大只能制造75KW的伺服電機(jī)。所謂的冗余驅(qū)動(dòng)被應(yīng)用在我們的研究中，該方案采用兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)輸入軸，從而產(chǎn)生更大的容量。如圖1所示，這兩個(gè)伺服電機(jī)，命名為M，通過一個(gè)二自由度（DOF）結(jié)合螺旋機(jī)構(gòu)形成一個(gè)冗余驅(qū)動(dòng)模塊。該結(jié)構(gòu)是這樣設(shè)計(jì)的，這兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)之間的輕微差異使柱塞可以自由移動(dòng)。為了產(chǎn)生高精確的沖壓操作，主/從控制方式也應(yīng)用在伺服壓力機(jī)的控制器設(shè)計(jì)中，一個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，而另外一個(gè)的運(yùn)動(dòng)為從運(yùn)動(dòng)。通過這種方式,附加自由度的冗余驅(qū)動(dòng)模塊是用來避免柱

8、塞的偏置和兩個(gè)伺服電機(jī)的干擾，因?yàn)橹?從控制產(chǎn)生兩自由度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)以確保高精度的沖壓操作。因此，該兩個(gè)電機(jī)的新方案可以提供更高的容量，或者比一點(diǎn)一電機(jī)方案成本更低。3 沖壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)沖壓機(jī)構(gòu)是機(jī)械壓力機(jī)最重要部分之一。一個(gè)沖壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題是，如何以更好的性能，如從伺服電機(jī)降低轉(zhuǎn)矩要求和減少操作周期來優(yōu)化機(jī)制。SHIVPURI和YOSSIFON生產(chǎn)了一個(gè)雙關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)的壓力機(jī)，通過使用動(dòng)態(tài)仿真和枚舉搜索程序在沖壓期間獲得恒定的有事來優(yōu)化設(shè)計(jì)。Hwang考慮導(dǎo)向最大法向力利用廣義拉格朗日乘子法形成目標(biāo)函數(shù)，平均機(jī)械優(yōu)勢，繪制速度方差，等等。3.1 沖壓機(jī)構(gòu)的配置如圖1所示，本文開發(fā)的伺服機(jī)械壓力機(jī)

9、基于一個(gè)對稱的雙關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)裝置。這個(gè)沖壓機(jī)構(gòu)有兩個(gè)移動(dòng)副和八個(gè)旋轉(zhuǎn)副以及五個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)。包括AB、BC、BD各自相連接的三個(gè)點(diǎn)R1、R2、R3和兩個(gè)轉(zhuǎn)配偏移點(diǎn)L和e。上訴的移動(dòng)副是冗余模塊驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)副，下面的移動(dòng)副是柱塞與框架活動(dòng)的被動(dòng)副。因此，柱塞的偏差取決于連接的制造和裝配精度，與兩個(gè)伺服電機(jī)的同步?jīng)]有關(guān)系。3.2裝配條件一般的沖壓機(jī)構(gòu)都是由兩個(gè)環(huán)組成的，上面的環(huán)包含連桿AB，BC、主動(dòng)滑塊C和框架，下面的環(huán)包括連桿AB，BD、柱塞滑塊和框架。根據(jù)沖壓機(jī)構(gòu)上面的環(huán)，基于三角不等式導(dǎo)出的裝配條件如下： R1+R2>L (1a) R1-R2<L （1b）根據(jù)現(xiàn)場裝配操作的要求，連

10、桿AB和BD首相組裝在重力線上，然后連桿BC在B點(diǎn)連接兩個(gè)連桿。此外，在給定的任何的沖壓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中，連桿BD應(yīng)該連接在B點(diǎn)與D點(diǎn)之間。因此，裝配偏置e設(shè)置為o，連桿BD和BD應(yīng)該滿足一下關(guān)系: R2L (2a) R3>R1 (2b)此外，連桿AB和BD形成的關(guān)節(jié)，預(yù)計(jì)不會(huì)改變沖壓操作過程中的折疊方向，以避免柱塞運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)靠近下死點(diǎn)（BDC），通過控制P點(diǎn)的輸入運(yùn)動(dòng)，這是可能的。3.3 模型性能指標(biāo)一般來說，一臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)涉及到幾個(gè)性能指標(biāo)。至于伺服機(jī)械壓力機(jī)，沖壓機(jī)構(gòu)從伺服電機(jī)減低扭矩應(yīng)具有很大的機(jī)械優(yōu)勢。因此，機(jī)械優(yōu)勢壓力機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。對于壓力機(jī)設(shè)計(jì)，噸位的預(yù)期是已知的。因

11、此，機(jī)械優(yōu)勢互惠是沖壓設(shè)計(jì)的一個(gè)性能指標(biāo)是很明確的，根據(jù)理論力學(xué)如下： ma=FinFout=sin2sin(3-1)sin3sin(2-1) (3)其中Fin和Fout分別是沖壓機(jī)構(gòu)的輸入和輸出力，1、2和3分別是AB,BC和BD與正面水平軸之間的角度。顯然，1、2和3是動(dòng)點(diǎn)P點(diǎn)的輸入運(yùn)動(dòng)函數(shù)。伺服壓力機(jī)盤的桿之間力的分布對于平等生命周期結(jié)構(gòu)是重要的。由于沖裁是來源于沖壓操作過程中工件的塑形變形，連桿之間分布的力可以按照連桿力于輸出力比率來測量如下： 1=sin(2-3)sin3sin(2-1) (4a) 2=sin(1-3)sin3sin(2-1) (4b) 3=1sin3 (4c)其中1

12、、2和2分別和連桿AB，BC和BD相關(guān)。3.4最佳尺寸性能圖集當(dāng)前對三維合成的方法集中于如何建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，這些模型的優(yōu)化方法解決，導(dǎo)致一個(gè)全局/局部優(yōu)化的解決方案，該解決方案依賴于給定的條件和或給定的多目標(biāo)設(shè)計(jì)問題的加權(quán)因子。加權(quán)因子的微小的變化可能導(dǎo)致解決方法顯著的變化，這是不良的。為了將目標(biāo)優(yōu)化更簡單，YANG,GAO和他們的同事提出了一種特殊的方法把無限維空間轉(zhuǎn)換到有限界解空間，其中性能圖集表示全局的性能指標(biāo)，這使得全局優(yōu)化的問題更直觀的通過檢查。3.41 有界解空間 本文所研究的伺服機(jī)械壓力機(jī)的沖壓機(jī)構(gòu)是一個(gè)由四個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)對稱雙關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)裝置，R1，R2，R3和L，正如上面討論

13、的。從理論上講，連桿可以有自己的長度可達(dá)無窮大，使得解空間都無限。連桿長度可以被歸一化到可以形成一個(gè)有限的解空間。 ri=RiR , i =1, 2, 3 (5a) l=LR (5b)R=R1+R2+R3+L4 其中ri和l歸一化，無量綱參數(shù)，R是一個(gè)平均值。因此有， r1+r2+r3=4-l (6)在上面討論的裝配條件的基礎(chǔ)上，歸一化參數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系： r1 + r2 >L (7a) r1-r2<L (7b) r2l (7c) r3>r1 (7d)方程（6）和不等式（7）構(gòu)建伺服機(jī)械壓力機(jī)設(shè)計(jì)的有界解空間的數(shù)學(xué)模型。因此，可以從給定的L表示的模型，如圖2所示的溶液中取出一

14、個(gè)多邊形解片多面體。在該圖中，在陰影三角形區(qū)域ABC的可行的解決方案位于由r2-r1=l,r2=l和r3=r1線包圍。顯然，0<r12-l；lr24+l3和4-2l3r34-2l。伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)的可行解空間的被所有可能的設(shè)計(jì)限制3.4.2 性能圖集從方程（3）和（4）的性能地圖集可以被繪制在有界的可行的解決方案片在給定的直線l以r1，r2和r3相對于圖3中所示。在這里，性能指標(biāo)的最大值顯示例子。從圖3可以很直觀的看到性能指標(biāo)與尺寸的變化趨勢。例如，當(dāng)r2增加時(shí)連桿AB的負(fù)載力增加，機(jī)械優(yōu)勢減低。顯然，性能圖集顯示了性能指標(biāo)的全體分布，有助于全體優(yōu)化的尺寸合成。性能圖譜的想法是相當(dāng)普遍的，

15、可以擴(kuò)展到其他性能指標(biāo)。圖2 伺服壓力機(jī)的有界解空間域圖3 伺服機(jī)械壓力機(jī)可行解域的性能圖譜性能圖譜的想法是相當(dāng)普遍的，可以擴(kuò)展到其他性能指標(biāo)。3.4.3 視覺三維合成在幾個(gè)性能圖集的幫助下，包含可行解決方案的區(qū)域可以直接決定以適應(yīng)幾個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。然后，一個(gè)可行的解決方案可以根據(jù)規(guī)定的優(yōu)化準(zhǔn)則從區(qū)域里找出來。由此產(chǎn)生的解決方案可以進(jìn)一步細(xì)化與數(shù)值優(yōu)化算法保證了全局優(yōu)化的解決方案。4案例研究4.1 給定設(shè)計(jì)的比較對于不同的伺服壓力機(jī)的設(shè)計(jì)性能比較，本文介紹了一個(gè)眾所周知的深拉工藝來確定性能指數(shù)，該機(jī)的主要性能參數(shù)如下假設(shè)：（1）最大滑塊行程是200mm，（2）標(biāo)稱的移動(dòng)值是8mm，（3）往返行程數(shù)

16、是40r/min。圖表1列出了五個(gè)例子。根據(jù)最大滑動(dòng)平均長度R被設(shè)定行程200 mm。在圖4中顯示，最大機(jī)械優(yōu)勢的倒數(shù)，標(biāo)稱容量為8毫米的行程內(nèi)的5箱以上的有界可行解空間。中間的三個(gè)情況下的尺寸點(diǎn)位于相同的解決方案區(qū)域。可以看出L減少，參數(shù)范圍增大。從圖4中的曲線，可以根據(jù)最大的機(jī)械優(yōu)勢倒數(shù)把五個(gè)設(shè)計(jì)分為1,2,3,4和5。在何種程度上一個(gè)給定的設(shè)計(jì)接近全局優(yōu)化可以很容易通過觀察相應(yīng)的性能地圖集看出。在表2中列出最大的機(jī)械優(yōu)勢的倒數(shù)的五例。圖 4 可行解設(shè)計(jì)4.2 原型發(fā)展基于上述討論的，一個(gè)原型與200噸正在開發(fā)，如圖1所示的（a）在一個(gè)國內(nèi)的壓力機(jī)機(jī)制造商配合，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究正在進(jìn)行。5結(jié)論(1) 伺服機(jī)械壓力機(jī)的一個(gè)新概念的提出，使人們有可能開發(fā)一個(gè)大型伺服壓力機(jī)使用較小的伺服電機(jī)是可用的。(2) 伺服機(jī)械壓力機(jī)不同于多連桿壓力機(jī)，它包括可編程電機(jī)和特殊目標(biāo)的沖壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。(3) 傳動(dòng)機(jī)