数控电动螺旋压力机控制与检测技术研究

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1、华中科技大学博士学位论文摘要作为模锻设备，螺旋压力机同模锻锤和热模锻压力机等相比较，具有结构简单，使用维修方便，工艺应用范围宽等优点；而电动螺旋压力机与摩擦压力机、液压螺旋压力机等其它形式的螺旋压力机相比，具有运行时噪声更小，打击次数更高，并能准确控制其打击能量等特点，因而在汽车、高速铁路机车和航空航天等制造行业得到了广泛应用，是一种新型通用的模锻设备。本文围绕数控电动螺旋压力机控制和检测方面的若干关键技术问题展开研究，内容包括电动螺旋压力机的重载数字化电机驱动技术、专用数控系统、有效能量检测和打击力检测等方面。基于交流伺服系统的重载

2、数字化电机驱动技术是数控电动螺旋压力机实现的关键，本文研究了基于矢量控制的永磁交流同步电机驱动技术和基于直接转矩控制的交流异步电机驱动技术，并在J58K-315型数控电动螺旋压力机实验样机（全行程320mm，标称能量20kJ）上进行了大量实验。结果表明，在设定为全行程的情况下进行全能量（100%）打击，永磁交流伺服电机由零速加速至965r/min，实际打击能-1量达20.6kJ，以16min的频率连续打击，电机温升为58.6℃。；而交流异步电-1机由零速加速至980r/min，实际打击能量达21.2kJ，以16min的频率连续打击，电

3、机温升为52.2℃。两种驱动方案均实现了设计目标，电机启动电流均限制在额定电流的2倍以内，且温升稳定在允许范围内，有效解决了上述困扰电动螺旋压力机发展的难题。在两种驱动方案均满足设计要求的基础上，对两者在转矩响应能力、电机温升等重要方面进行了针对性的比较研究。实验结果表明：在同一台实验样机（J58K-315型）上，设定相同的加速行程（250mm）和驱动电流（87A），基于直接转矩控制技术的交流异步电机驱动系统以更短的时间（1.13s）加速到更大的转速（786r/min），略优于基于矢量控制技术的永磁交流同步电机驱动系统（1.19s，7

4、51r/min）；两者以-1相同的打击频率（12min）进行连续打击实验，前者电机的温升情况（42℃）也好于后者（50.6℃）；而且，直接转矩控制驱动系统无须电机轴端编码器进行电机轴位置和速度反馈，在强震动的电动螺旋压力机工作环境中，故障环节更少。电动螺旋压力机工况特殊且环境恶劣，需要研究高可靠的专用数控系统。本文根据开放式数控系统的设计思想，采用模块化的编程方法，开发了以可编程控制器为I华中科技大学博士学位论文核心、以触摸屏为人机界面的电动螺旋压力机专用数控系统，实现了打击能量的精确控制和滑块的准确回程，具有友好的人机交互界面和一定

5、的故障诊断能力。实际使用表明，该数控系统操作简单，自动化程度、可靠性和稳定性高，可扩展性强。电动螺旋压力机属于定能量的锻造设备，有效能量的检测是检验电动螺旋压力机设计和制造是否合格的关键。本文将铜柱镦粗法应用到电动螺旋压力机的有效能量检测中，参与制定了电动螺旋压力机铜柱镦粗的检测规范，给出了不同公称压力设备型号相应的检测标准，并进行了相应的镦粗试验。根据实验计算和分析，作者提出电动螺旋压力机在公称压力打击力下的打击效率超过85%，非常高效、节能。要保护压力机设备，防止超载运行的最佳方法是安装吨位指示器，实时监控每一次锻造的打击力。本文

6、研究并开发了一种采用双恒流源电桥电路的压力机用小型实用吨位指示器，并选用数字电位器实现桥路的自动调零和放大增益的数字化调整，测量稳定，成为J58K系列数控电动螺旋压力机的重要组成单元。作者所进行的以上研究和工作全部得到了实际应用和实践检验，所属项目“汽车零件精锻成形技术及关键装备的开发与应用”获2008年湖北省科技进步一等奖，“螺旋压力机飞轮打滑碟簧压紧及限位装置”获中国实用新型专利一项，J58K数控电动螺旋压力机数控系统软件V1.0和V2.0版本均获得了计算机软件著作版权。本文的研究成果全部应用于华中科技大学研发的J58K系列数控电

7、动螺旋压力机设备中，实现了公称压力从1600kN到25000kN系列数控电动螺旋压力机产品的商品化工作，并为国内重载电动螺旋压力机的开发研究提供了理论基础和实践经验。关键词：电动螺旋压力机重载数字化电机驱动直接转矩控制铜柱镦粗法吨位指示器自动化锻造II华中科技大学博士学位论文AbstractElectricscrewpressisanewlygeneralDie-forgingequipment,themostimportantadvantageofelectricscrewpressisexactenergycontrolwhich

8、ensureshighprocessreliabilityandrepeatability.Thistechnologyishighlysuitableforprecisiondieforgingandhasbeenwi