0 引言

　　在板料拉深成形過程中，壓邊力的作用是為了防止變形區(qū)金屬的起皺失穩(wěn)。壓邊力過小不足以抑止板坯的起皺，但其過大又會使傳力區(qū)的金屬超過承載能力而引起破壞。壓邊力是影響拉深過程的重要工藝參數(shù)，因而控制壓邊力是控制拉深成形過程的重要手段。

　　為適應新材料(如輕質(zhì)合金)、新工藝板材(如拼焊板)對成形工藝中壓邊力控制技術的要求，目前，此領域的主要研發(fā)方向為：① 控制過程精確化、智能化和柔性化；② 節(jié)能和環(huán)保；③ 工藝參數(shù)對成形過程影響規(guī)律的精確描述。

　　伺服驅(qū)動技術至今未能廣泛地用于成形制造領域，主要原因之一就是小功率的伺服電機不能滿足成形瞬間的大功率輸入需求。因此，如何解決伺服電機與執(zhí)行機構(gòu)之間功能的有效轉(zhuǎn)換，降低壓邊過程對電機功率的要求，成為壓邊力控制的關鍵問題之一。

　　為解決上述問題，本文采用復合伺服驅(qū)動壓邊力控制方法設計了六桿執(zhí)行機構(gòu)。理論分析和仿真結(jié)果表明，所設計的壓邊力控制系統(tǒng)可以滿足壓邊力控制的工藝要求。

1 復合伺服驅(qū)動壓邊力控制的方法及原理

　　根據(jù)拉深工藝對壓邊力的要求，文獻提出了以數(shù)控伺服電機作為驅(qū)動元件實現(xiàn)壓邊的方法。這種壓邊力控制方法可以使壓邊力按預先設定的壓邊力行程曲線變化，精確地實現(xiàn)拉深過程的壓邊力控制要求，對提高成形極限和保證成形制件的質(zhì)量具有積極意義。

　　壓邊過程是一個變速運動過程，需要慢速壓下，快速抬起，并要求在不同的壓邊瞬問產(chǎn)生不同的增力比。根據(jù)拉深工藝特點，在同時考慮系統(tǒng)剛度、功能轉(zhuǎn)換效率等前提下，以六桿機構(gòu)作為執(zhí)行機構(gòu)，采用該機構(gòu)與伺服電機驅(qū)動的復合化設計方案，可以滿足小功率的伺服電機產(chǎn)生大壓邊力的要求。在計算機控制下，由交流伺服電機驅(qū)動的滾珠絲杠螺母副將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，再由六桿機構(gòu)將輸入的直線運動轉(zhuǎn)換為輸出的變速直線運動，通過壓力傳感器形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　輸入滑塊(上滑塊)與螺母相連，輸出滑塊(下滑塊)與壓料板相連。合理設計桿系尺寸，可使壓邊裝置具有快速壓下、慢速加載及快速返回的工作特性，得到需要的輸入和輸出速度比，滿足壓邊過程產(chǎn)生較大壓邊力的工藝要求。

　　2.1 六桿機構(gòu)桿系尺寸設計

　　在壓邊最大行程130mm 變化范圍內(nèi)，以壓邊工藝需要的變速傳動比為目標，以機構(gòu)強度、剛度和桿系最大尺寸限制等為約束條件，利用優(yōu)化設計得到六桿結(jié)構(gòu)尺寸：L=93mm，LAB=93mm ，LBC=55m m ，LCD=116m m ，L=181mm，圖2中的Y 、Y 分別為輸入和輸出滑塊至點E的距離，

　　由式(1)和式(2)可得到該機構(gòu)對應的輸入與輸出位置關系曲線，在某段區(qū)間內(nèi)，當輸入Y1的變化量很大時，通過六桿執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)換到壓料板的輸出Y2的變化量很小，滿足壓料板和被壓板料之間在豎直方向的相對位移量很小的工作要求。

　　2.2 執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計

　　合伺服驅(qū)動壓邊裝置的結(jié)構(gòu)原理，伺服電機1經(jīng)聯(lián)軸器2、驅(qū)動絲杠3和螺母4做直線運動，由螺母帶動六桿執(zhí)行機構(gòu)5將運動和力傳遞給下滑板6，下滑板6通過連接桿7與模具的壓料板8相連，從而實現(xiàn)壓邊。

　　壓邊裝置擬安裝在HIF80數(shù)控伺服壓力機上。該裝置除應符合前述的壓邊力控制和拉深工藝要求之外，還應滿足結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高和易裝配等要求。此外，設計過程中要考慮總體外形尺寸，以便于其安裝在壓力機的下底孔內(nèi)。與其關聯(lián)的壓力機尺寸包括工作臺孔尺寸、工作臺與地面的距離和壓力機的最大開間距離等。根據(jù)圖5和上述要求設計的壓邊裝置具體結(jié)構(gòu)。

　　圖6中的交流伺服電機(圖中未給出)輸出軸通過聯(lián)軸器2帶動滾珠絲杠3和螺母4實現(xiàn)直線往復運動，與螺母相連的連接件5通過中桿11、上桿10和下桿12帶動下滑板14運動，下滑板14通過連接桿8連接壓料板7完成可控壓邊運動，其中機架9固定在伺服壓力機工作臺上，連接板13將電機架16與機架9固連在一起，電機安裝在電機架16上。在運動過程中由下桿12把動力和運動傳給下滑板14，下滑板14經(jīng)緩沖墊15，通過螺母和連接桿8連接壓料板7，實現(xiàn)壓邊運動。

　　2.3 復合伺服驅(qū)動系統(tǒng)設計

　　復合伺服驅(qū)動壓邊裝置利用交流伺服電機驅(qū)動機械傳動機構(gòu)，實現(xiàn)壓邊力的精確控制。為選擇合適的電機，需要求出折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩M、等效負載慣量和加速力矩等

　　若壓邊裝置產(chǎn)生的最大壓邊力為200kN，壓邊機構(gòu)的最大行程為130mm，選用的滾珠絲杠直徑為40.0mm，導程為8.0mm，型號為FFZD4OO8R-3-P3／500×350。機械傳動系統(tǒng)的總效率為0.9。當壓料板作用于板坯時，六桿機構(gòu)的減速比大于25，由式(5)可求出負載轉(zhuǎn)矩。交流伺服電機的額定功率選為1．8kw，額定轉(zhuǎn)矩為11．5N·m，瞬間最大轉(zhuǎn)矩為28．7N ·m，額定轉(zhuǎn)速為1500r／min，最大轉(zhuǎn)速為3000r／rain，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為31．7kg·cm 。此電機的外形尺寸較小，便于與壓邊執(zhí)行機構(gòu)一起安裝在壓力機的底孔內(nèi)。

　　若直接利用伺服電機、聯(lián)軸器和絲杠螺母帶動壓料板進行壓邊，按最大壓邊力200kN計算，忽略摩擦力與重力的影響，可得出電機額定轉(zhuǎn)矩應大于283N·m，需要選擇額定功率大于15kw的電機。采用復合傳動方案可顯著降低電機的功率要求。

　　2.4 復合伺服驅(qū)動壓邊裝置仿真分析

　　隨著計算機虛擬仿真技術的迅速發(fā)展，虛擬樣機技術己成為現(xiàn)代設計方法之一。復合伺服驅(qū)動壓邊裝置執(zhí)行機構(gòu)的研究是實現(xiàn)壓邊控制的基礎，借助仿真分析軟件，建立壓邊裝置仿真模型，將壓邊裝置視為一個多體系統(tǒng)，可完成其動力學建模與仿真分析。

　　先將三維建模環(huán)境下的模型文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成仿真軟件圖形接口支持的格式，導入仿真分析軟件環(huán)境，生成仿真模型。然后添加相應的約束：絲杠與螺母為螺旋副，鉸接副為旋轉(zhuǎn)副，滑塊與機架之間的約束為移動副，施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。對每個零件根據(jù)選定的材料添加質(zhì)量信息，用彈簧代替緩沖墊(彈簧剛度為40kN／mm)。在考慮摩擦和間隙的情況下進行仿真，動、靜摩擦因數(shù)分別取為0.05、0.08，旋轉(zhuǎn)副間隙取0.02mm，移動副間隙取為0.035mm。設仿真時間為10s，步長為500步。

　　當壓料板施加恒定的壓邊力于坯料時，伺服電機輸出的轉(zhuǎn)矩隨著減速比的增大而減小，如圖7所示。這從仿真角度驗證了具有不均勻傳動比的六桿機構(gòu)的增力特性，為電機的選擇提供了參考依據(jù)。

　　圖8所示為壓邊力、所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及位移與時間關系曲線。由上面分析可知，六桿機構(gòu)的傳動比若取i，當最大壓邊力不變時，忽略摩擦等因素的影響，所選電機的轉(zhuǎn)矩只為原來的1／i。采用復合驅(qū)動方案，可大大降低所選電機的額定轉(zhuǎn)矩和功率，減少電機和驅(qū)動模塊成本；但其執(zhí)行機構(gòu)增加，傳動環(huán)節(jié)增多，系統(tǒng)摩擦轉(zhuǎn)矩增大，系統(tǒng)效率有所降低。

　　當壓料板施加變壓邊力于坯料時，仿真得到的電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線對應的輸出滑塊位移d與時間t的關系曲線。

　　仿真驗證了所設計的壓邊裝置可以實現(xiàn)變壓邊力的控制。與其他方法相比，復合伺服驅(qū)動控制方法可實現(xiàn)對拉深過程壓邊力的精確控制，具有所需驅(qū)動功率小、控制系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

3 結(jié)論

　　(1)根據(jù)伺服電機驅(qū)動的壓邊力控制原理，采用復合化設計方法設計了壓邊裝置。利用壓邊裝置執(zhí)行機構(gòu)的變傳動比特性，可使小功率電機產(chǎn)生大的壓邊力，滿足拉深工藝的要求。

　　(2)采用虛擬樣機技術對壓邊裝置進行了仿真分析。對恒定壓邊力情況下伺服電機轉(zhuǎn)矩的仿真，驗證了該壓邊裝置的增力特性。對變壓邊力情況下的系統(tǒng)仿真，驗證了復合伺服驅(qū)動方法，可以使壓邊力按理想行程曲線變化，實現(xiàn)拉深過程中壓邊力的精確控制。