第2章 数控压力机伺服电动机的选型及压力测试新方法
数控压力机是目前锻压行业的先进机型，由于其运动控制是由数控系统完成的，所以运动位置精确，其精度可以达到0.001mm，这对于提高锻件精度有极大意义，特别是对于冷挤压成形的锻件，由于拉伸长度可以精确控制，可以使特殊材料的可塑性得到充分发挥，从而开辟塑性成形加工的一个新领域。
对于压力机而言，除了位置必须精确控制外，要求压力机本身能够发出足够的工作压力。通常的曲柄压力机是由普通电动机驱动的，而数控压力机由伺服电动机驱动，其工作压力由伺服电动机工作转矩产生，伺服电动机的转矩特性与普通电动机不同，因此伺服电动机的正确选型是保证数控压力机获得所需公称压力的关键。
2.1 伺服电动机选型的原则和计算
目前，伺服电动机生产厂家一般都会提供伺服电动机的相关工作参数。其工作参数包括额定功率、额定转矩、最大转矩、额定转速、最大转速、额定电流和最大电流。
伺服电动机的工作特性与普通电动机的工作特性区别是：伺服电动机在从零速到额定速度的整个区间都可以连续输出额定转矩。这使得伺服电动机在低速区间也具有额定转矩的工作特性，这一工作特性特别适合于工作速度不高的压力机。伺服电动机还有一个参数是最大转矩，最大转矩一般是额定转矩的3倍。伺服电动机可以在最大转矩下运行，但运行时间极短，一般在3s以内，因此，最大转矩是一个很重要的参数。对于冲压机械而言，其最大工作压力时间极短，可以利用其最大转矩的特性工作。由于伺服电动机成本昂贵，不同功率的伺服电动机价格相差巨大，所以正确选择伺服电动机的额定转矩和最大转矩极其重要。图2-1所示为伺服电动机的速度-转矩特性曲线。
图2-1 伺服电动机的速度-转矩特性曲线
伺服电动机选型计算以做功相等为原则。压力机的机械传动结构一般是伺服电动机→减速机→丝杠→滑块。所以，滑块以“额定工作压力”移动一个“螺距”所做的功应该等于伺服电动机以“额定转矩”带动减速机所做的功。
PL=2πRFi
式中 T——电动机转矩（N·m）；
F——电动机工作扭力（N）；
R——电动机轴半径（m）；
P——压力机公称压力（kN）；
L——丝杠螺距（mm）；
i——减速比。
由于
T=RF
2πTi=PL
则
假设压力机公称压力P=1000kN，i=12，L=20mm，则
即在以上机械参数下，再考虑机械效率，需要伺服电动机的额定转矩大于265N·m。
1.三菱HA-LFS-37A14伺服电动机的参数
以三菱HA-LFS-37A14伺服电动机为例，其额定转矩T=353N·m，最大转矩Tmax=883N·m，额定转速n=1000r/min，最大转速nmax=1200r/min，允许瞬间转速n瞬间=1380r/min。
设减速比i=12，丝杆螺距L=20mm，则额定压力P为
P=（353×2×3.14×12/20）kN=1330kN
最大压力Pmax为
Pmax=（883×2×3.14×12/20）kN=3320kN
额定速度v为
v=（1000×20/12）m/min=1.67m/min
最大速度vmax为
vmax=（1200×20/12）m/min=2m/min
允许瞬间转速v瞬间为
v瞬间=（1380×20/12）m/min=2.3m/min
2.三菱HA-LFS-50K1M4伺服电动机的参数
以三菱HA-LFS-50K1M4伺服电动机为例，其额定转矩T=318N·m；最大转矩Tmax=796 N·m；额定转速n=1500r/min，最大转速nmax=2000r/min，允许瞬间转速n瞬间=2300r/min。
设减速比i=12，丝杆螺距L=20mm，则额定压力P为
P=（318×2×3.14×12/20）kN=1200kN
最大压力Pmax为
Pmax=（796×2×3.14×12/20）kN=3000kN
额定速度v为
v=（1500×20/12）m/min=2.5m/min
最大速度vmax为
vmax=（2000×20/12）m/min=3.33m/min
允许瞬间转速v瞬间为
v瞬间=（2300×20/12）m/min=3.8m/min
以上两种伺服电动机都适合配置在公称压力为1200kN的压力机和公称压力为3000kN的冲压机上，但额定转速不同。
由于伺服电动机与普通电动机一样也是在额定转速下具有最好的工作状态，所以在选择减速比时，最好使滑块的正常工作速度等于伺服电动机的额定工作速度。当然必须首先考虑满足压力机公称压力的要求，经过综合平衡选择减速比。
2.2 压力机工作压力的测定
生产厂家在装机完成后，需要对压力机的公称压力进行测定，除了用液压压力表进行测定外，还可以通过伺服驱动器输出的转矩值进行间接测定。在进行压力机的过载保护时，也可以取用转矩的模拟电压信号进行控制。作者利用伺服驱动器输出的转矩值进行过工作压力的测定，可以认为这是测定压力的一种新方法。
在伺服放大器上显示的内容可以是输出转矩值即“额定转矩值”的百分数。直接读取该数字即可以获得转矩值。
对于三菱MR-J2S型的伺服驱动器，设定参数#17=0101，则模拟输出电压为电动机输出转矩，该模拟电压在伺服放大器的指定接口取出，不过要注意：最大转矩对应模拟输出电压8V；将模拟信号送入控制系统处理，控制系统使用的A-D转换模块是三菱FX-4AD，FX-4AD的转换率是10V转换为数字2000，则8V转换为数字1600。
2.2.1 测试对象的基本参数
以下是以 三菱HA-LFS-22K1M4伺服电动机装机后的实际工作状态进行的测试参数：
三菱HA-LFS-22K1M4的基本参数为：最大转矩Tmax=350N·m；额定转矩T=140N·m；最大转速nmax=2000r/min；允许瞬间转速n瞬间=2300r/min。
压力机的机械参数为：减速比i=12.6；丝杆螺距L=20mm，则其额定压力P为
P=（140×2×3.14×12.6/20）kN=554kN最大压力Pmax为
Pmax=（350×2×3.14×12.6/20）kN=1385kN
其额定转矩对应的模拟电压为：（140×8/350）V=3.2V，其额定转矩对应的数字量为：3.2×1600/8=640。
2.2.2 伺服电动机最大转矩测试
伺服电动机最大转矩测试的目的是为了验证选用的三菱HA-LFS-22K1M伺服电动机能否按技术规格输出最大转矩，即测试压力机可产生的最大压力。测试方法是用手轮移动压力机滑块压制弹性工作负载，直至伺服驱动器发出过载报警信号。伺服电动机最大转矩测试数据见表2-1。
表2-1 伺服电动机最大转矩测试数据
表2-1中，伺服驱动器LED显示转矩的数值是以额定转矩为标准的百分数；模拟电压转换数字是对伺服驱动器取出的表征转矩的模拟信号进行转换后的数值（这个数值是在控制系统内观察记录的）。
三菱HA-LFS-22K1M4伺服电动机的最大转矩Tmax=350N·m，额定转矩T=140N·m，则Tmax/T=350/140=2.5=250%。
从表2-1中的数据可以看出，输出转矩有5次达到270%，超过了技术规格的要求。在现场测试可以观察到，当最大转矩达到270%时，持续约30s后，伺服驱动器出现过载报警。除第一次测试数据外，其余数据表示在200%额定转矩内，伺服电动机都不出现过载报警，这相当于该电动机在200%额定转矩内都能正常工作。
200%额定转矩产生的工作压力P200为
P200=2πT200i/L=（2×3.14×140×200%×12.6/20）kN=1108kN
这组数据极其重要，它表明了伺服电动机能正常工作的范围。为压力机的公称压力、机械参数、伺服电动机选型提供了依据。
2.2.3 行程-转矩测试
行程-转矩测试的目的是为了获得压力机在弹性负载工作状态下缓慢运动时，行程与工作压力的关系。测试方法是用手轮方式缓慢移动滑块，测试滑块在不同行程时的转矩及过载报警点。行程-转矩测试数据见表2-2。“OV”表示已经发生过载报警。这一测试是为了获得伺服电动机在低速下对弹性负载的工作特性。
表2-2 行程-转矩测试数据
表2-2中的测试数据表明，压力机在挤压弹性负载工作状态下，在超过额定转矩160%后发生报警。其对应的工作压力P160为
P160=2πT160i/L=（2×3.14×140×160%×12.6/20）kN=886kN
表2-2中的测试数据还表明：工作转矩达到额定转矩的1.6倍且超过一定时间后会发生报警，所以对工作机械的过载百分比及过载时间要有所限制。
三菱伺服电动机一般的过载转矩是额定转矩的150%，过载时间是60s，所以过载百分比超过150%、过载时间超过60s就会发生报警。如果提高工作速度，使实际工作时间小于60s，就可以使工作转矩提高。
2.2.4 实际自动工作状态数据测试
模拟实际工作状态，在自动工作模式下以不同的速度运行设定的工作行程，从而来测试工作转矩。实际自动工作状态测试数据见表2-3。
表2-3 实际自动工作状态测试数据
从表2-3中的数据可以看出：在不同的速度下移动相同的距离，速度越慢，转矩越大。不过这可能是下列原因导致观察数据的不同：当运动速度快时，显示数字尚未出来，工作行程就结束了；当运动速度慢时，工作行程尚未结束，显示数字已经可以观察到。
从测试数据看，伺服电动机工作转矩在144%～235%范围内未出现报警，而自动工作状态是压力机正常工作状态，所以这组数据更有实际意义。测试数据表明：只要实际带负载工作时间在60s以内，伺服电动机就可以在200%额定转矩内工作。
综合以上三组测试数据，表明选用HA-LFS-22K1M4伺服电动机在正常工作时，可以按其额定转矩的200%计算工作压力。这样通过充分发挥伺服电动机的工作能力而使得压力机获得足够的公称压力，使工作机械具有最大的性价比。
通过伺服放大器直接测试伺服电动机的转矩从而测定工作机械的工作压力是一种简便、实用、可靠的方法，在工作现场不需要其他仪器设备即可实施。这种方法再配用伺服放大器输出模拟电压的测定及A-D转换，可以得出精确的转矩测定，是值得推荐的一种新方法。