利用差动轮系实现机械压力机混合输入的研究
何予鹏 赵升吨 邹 军 张志远
采用差动轮系作为传动机构对机械压力机的混合输入的问题进行了研究。提出了“调速幅度”或“差速比”是混合输入的重要参数，它不仅决定了速度调节的大小，而且决定了伺服电机功率和常规电机功率的功率之间的比值。对差动轮系中各轴的传动比、两电机的功率计算、工作负载功率的分配等公式进行了推导。 提出了机械压力机实现混合输入可以采用伺服电机和常规电机同时拖动，与伺服电机和常规电机分别拖动两种驱动方案。计算结果表明，采用伺服电机和常规电机分别拖动方案，可以采用较小功率的伺服电机满足机械压力机的工作要求，并能使得设备的制造成本和使用成本较低。因此该拖动方案为机械压力机混合输入在工程实际中应用提出了一条可行之路。
机械压力机 混合输入 差动轮系 调速
1.简介
目前关于机械压力机的混合输入方面的研究论文有很多，已经成为当前研究的一个热点问题。所谓的混合输入就是利用一个具有两个自由度的机构(称为差速机构)，同时输入两个独立的运动,经过差速机构对这两个运动的合成,最后得到满足一定要求的输出。能够实现混合输入的机构也称为可控机构[1]。在机械压力机上应用混合输入的目的就是用功率较大的常规电动机去带动飞轮完成机械压力机的对外工作做功，用功率较小的伺服电机去完成滑块的速度调节[1,2]。这种混合输入机械压力机不仅具有柔性的工作速度，而且比单纯用伺服电机控制的机械压力机具有更低的价格。因此引起了海内外众多的工作者对其进行研究，这些研究主要集中在以连杆机构作为差速机构上。文献[1,3]对具有两个自由度的七杆机构的混合输入机械压力机做了比较全面的论述，从机构组成的可行性分析、滑块的运动分析、电机的扭矩和功率分配到优化设计；并且采用多项式插值方法对两个电机的运动规律进行求解，经过计算机仿真，证明这种混合输入机械压力机计算结果是令人满意的。文献[3]也对具有两个自由度的七杆机构的混合输入的机械压力机做了运动分析，并且以伺服电机功率为最小进行了优化设计， 指出了混合输入是机械压力机的一个研究方向。文献[4]首次提出“混合输入”概念，作者利用差动轮系实现了常规电机和伺服电机的运动合成，并且通过实验证明这种混合输入是可行的。
以上这几位研究者在混合输入研究中都没有明确给出“调速幅度”的概念， 也没有给出常规电机功率、伺服电机功率分别与速度变化的定量关系[5~8]。这些参数对混合输入中电机功率的选择以及在工作中电机承受负载的情况都是非常重要的也是不可缺少的。文献[1~3]都是利用七连杆机构作为差速机构来实现混合输入的。用连杆机构实现混合输入研究起来比较复杂, 因为在连杆机构中每一个杆件的长度和位置的变化对机械压力机的滑块的运动都产生影响，这样在研究中容易使一些次要问题掩盖主要问题，使研究结果失真[9~11]。差动轮系具有两个自由度，并且任意两个齿轮之间的传动比是一个定值。为了简化研究的力学模型，使研究的主要问题更加突出， 本文采用差动轮系作为传动机构来对机械压力机的混合输入进行研究。本文重点研究了混合输入中各轴的转速关系；“调度幅度”或“差速比”的概念以及它与两个电机功率的关系；输出轴运行在不同工作区和工作负载在两个电机之间的分配；提出混合输入两种拖动方案，并且以200ｔ机械压力机为工程背景，设计出了该机械压力机的传动系统，分析了这两种拖动方案在机械压力机中应用的可能性。
2.混合输入的工作原理
利用差动轮系实现机械压力机混合输入的工作原理如图1。该系统由常规电机(一般指输出速度为常数的交流电机)、伺服电机、减速器Ⅰ、减速器Ⅱ、差动轮系和曲柄滑块机构组成。差动轮系的输出轴与曲柄滑块机构的曲轴相连接；差动轮系的两个输入轴分别通过减速器Ⅰ和减速器Ⅱ与伺服电机和常规电机相连。因此，曲柄滑块机构的曲轴的运动就完全由伺服电机和常规电机的运动来控制。在差动轮系前串联减速器Ⅰ和减速器Ⅱ，主要是因为为了承担一部分减速任务，差动轮系的传动比取值太大，会造成传动效率的降低。常规电机的速度为常数，价格比较便宜；伺服电机的速度可以调节，但是价格昂贵。混合输入选用功率较大的常规电机为机械压力机提供一个恒定速度输出，选用功率较小的伺服电机为机械压力机提供速度调节。这样不仅使得机械压力机的输出速度为柔性，而且又避免了选用大功率的伺服电机，使得制造成本和使用成本大大降低。
图1 差动轮系混合输入原理
3.机械压力机滑块工作速度的特点
机械压力机对外做功滑块的速度呈周期性规律变化[12]。滑块在一个理想循环工作过程中，位移、速度的变化如图2。滑块从上死点出发，为了保证每分钟具有较高的行程次数，以较高的速度向下运动。当滑块接近工作点时，滑块的速度降低，并且以较低的速度锻冲工件。这主要是为了避免模具在接触时产生较大的冲击，以及保证工件在变形时有较高的成形质量。当滑块完成锻冲工件，到达下死点后，然后以较高的速度向上运动，到达上死点停止。因此，机械压力机的工作速度可以划分为3个速度：快速下行速度
，工作速度
，快速返回速度
，其中
和
速度应该尽量的高；为了满足不同的加工工件的工艺要求，工作速度
应该是柔性可调的。实际上机械压力机对外做功只是在很小的一段工作行程内完成，在其它过程中滑块不对工件做功。
4.混合输入有关公式和术语
4.1各轴的转速关系
