伺服压力机关键技术及伺服拉深工艺研究

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成形机械是制造业的重要装备之一,是汽车、电器机械、仪器仪表、国防工业等行业的最主要装备之一。伺服压力机以其高柔性、智能性、高效性、高精度和环保技能的优点,成为锻压机床未来的一个主要发展趋势。近年来国内对伺服压力机的研究与产品开发也日趋广泛与深入,并取得了不少突破。本文以伺服压力机关键技术为研究的主要方向,重点对拉深工艺曲线进行研究,对伺服拉深工艺曲线规划、伺服电机控制策略、编程伺服拉深等三个关键技术进行了研究和实验验证。目前,国内自主研发的伺服压力机主要存在工艺性能较差、伺服拉深较难控制等问题,为了解决上述不足,本文通过对伺服拉深曲线进行规划,对不锈钢14301筒形件和镀锌钢DX53D壳体件伺服拉深进行仿真分析与实验研究,开发伺服冲压拉深软件编程对拉深过程进行伺服控制,通过试验研究验证了伺服曲柄压力机伺服拉深工艺的有效性及合理性。本文研究内容和结论如下:(1)对伺服冲压设备的曲柄滑块机构与普通设备的多连杆机构性能进行了分析对比,对曲柄滑块机构进行了运动学和动力学分析,对控制部分的伺服驱动控制系统、交流永磁同步电机、伺服驱动硬件试验平台和电流控制试验进行了研究,得出伺服压力机的技术参数,使得由曲柄滑块构成的伺服压力机能够实现滑块低速可控、工作行程长等工作性能,使伺服压力机实现了变速冲压的成形工艺和提高了多种冲压工艺实施的可控性。(2)针对大功率低扭矩伺服电机的扭矩输出特性,研究了基于电流控制的控制策略,开发了伺服冲压工艺控制系统,实现了转速、转向的高效控制,极大提高了伺服冲压工艺的灵活性、准确性和可靠性。研究结果表明使用大功率低转速伺服电机驱动控制系统,充分发挥了永磁同步电机转速正反转的速度切换快,变速特性较好的特点,通过对电机转角和转速的控制,实现滑块精确定位和变速驱动,使得该伺服压力机可以满足工业冲压生产上的应用。(3)通过对拉深工艺分析和研究,结合伺服冲压技术,明确影响伺服拉深的关键因素,考虑变形速度和摩擦系数等因素,对伺服冲压拉深工艺曲线进行规划。针对影响伺服拉深质量的关键因素,确定了材料参数、拉深速度、曲线模式3个重要性能指标,结合分析曲线规划需要考虑的其他因素,建立了分段多项式数学模型,确定了伺服拉深工艺自由曲线模式,将冲压滑块的位移划分成3个区域,5个阶段;结合压力机的机械特性,材料的伺服拉深特性,曲线拟合方法和约束条件,得出关键节点的选取准则,根据选取准则规划了伺服拉深工艺曲线。基于3次多项式函数、3阶次的曲线插值拟合,对伺服拉深工艺自由曲线模式进行分析,规划出适合拉深加工的3种伺服拉深工艺曲线(类余弦、阶梯、阶梯振荡),为伺服压力机冲压工艺应用和研发软件编程生产加工提供了理论依据。(4)基于数值模拟对筒形件、汽车壳体件的成形质量进行了研究,使用偏置余弦曲线、类余弦曲线、阶梯曲线和阶梯振荡曲线进行了拉深模拟,并对其中典型的阶梯振荡曲线的关键节点进行了求解和具体算例的详解;对成形极限图、应力应变和厚度减薄率进行分析对比,选出该适合类工件的拉深工艺曲线,并做了进一步的优化、仿真试验,得出最优的拉深工艺曲线,为后续的拉深工艺研究做准备。(5)以控制拉深成形质量和提高工艺编程参数化为目的,以.NET为平台,运用Visual Studio工具对伺服冲压拉深软件进行开发,建立上位机软件和伺服驱动软件的软件结构,实现了伺服冲压拉深软件的运动控制、参数设置、手动、仿真加工等功能。根据1100KN伺服曲柄压力机的工艺曲线规划,在软件上能实现对伺服冲压模式的冲压参数修改等自定义功能,通过工艺编程,实现不同曲线的运动控制,为后续拉深加工工艺提供了比较合理的拉深工艺曲线。(6)根据加工产品设计制造了拉深模具,在伺服冲压设备上进行了拉深筒形零件和壳体零件的试验,对伺服压力机工艺曲线规划、伺服驱动控制策略、编程伺服拉深等三个关键技术进行实际验证。对于复杂成形的产品,规划的自由曲线模式能够在伺服和编程的条件下实现较为科学的拉深效果。通过对拉深件产品质量的分析,从厚度和形状方面来看,伺服拉深工艺曲线要比余弦拉深工艺曲线拉深效果更好。试验验证了所制备的伺服压力机系统的合理性和稳定性,伺服拉深软件拉深工艺曲线编程功能的快捷性,通过伺服拉深工艺曲线的编程加工,拉深成形性能得到了一定的改善,拉深成形质量得到了提高,为伺服压力机冲压关键技术和设备在实际生产中推广应用奠定了坚实的基础。
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