隨著自動化行業(yè)的發(fā)展，伺服電缸的運用越來越廣泛。電缸的工作原理：是運用各種電機(jī)（如直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）來控制螺桿旋轉(zhuǎn)，通過螺旋機(jī)構(gòu)的螺母帶動滑臺像氣缸、液壓缸那樣做往復(fù)運動。電缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，不同于氣缸和液壓缸，電缸的行程和壓力均可以精確控制，尤其是位置精度能達(dá)到0. 01 mm，而且其傳動效率可達(dá)90%，一般的氣缸或者液壓缸只能達(dá)到50%左右。

本文以江淮5T18變速箱離合器殼體中襯套和空心定位銷精密壓裝工藝為研究對象，說明電缸在實際壓裝工藝中的重大作用。江淮5T18變速箱離合器殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示，壓現(xiàn)場如圖2所示。由于襯套和空心定位銷屬于薄壁零件，很容易壓壞或者壓不到位，所以用定位精度非常高的電缸進(jìn)行壓裝。然而壓裝精度的提高不僅取決于整臺設(shè)備的機(jī)械精度，而且

對電缸伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提出了很高的要求。電缸的速度和精度在很大程度上由伺服系統(tǒng)所決定，所以有必要從控制理論出發(fā)對電缸伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究，并建立其動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

2 電缸建模

本文采用的電缸是北京航天星云的DGSC-30系列，該型號的電缸精度高、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定可靠，且其結(jié)構(gòu)也是應(yīng)用非常普遍的，如圖3所示。

2.1伺服電缸機(jī)械傳動系統(tǒng)的建模

為了使數(shù)學(xué)模型更加接近于實際伺服電缸，根據(jù)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，將其細(xì)分為若干獨立部分，考慮每個部分的連接剛度，再根據(jù)動力學(xué)原理建模。根據(jù)合肥工業(yè)大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)工程型汽車變速箱裝配線項目的實際伺服電缸，它的機(jī)械部分包括行星齒輪減速器、絲杠和螺母，它的傳導(dǎo)是由伺服電機(jī)輸出一定的扭矩經(jīng)過行星齒輪減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母的往復(fù)直線運動輸出力和位移。

2.1.1 交流伺服電缸機(jī)械部分的傳遞函數(shù)

將整個機(jī)械系統(tǒng)抽象為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，設(shè)J、D、K分別為各軸及螺母負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量、等效黏性阻尼系數(shù)以及等效總剛度系數(shù)，則根據(jù)牛頓第二定律可得微分方程：

2.1.2伺服部分的建模以及各參數(shù)的整定

通過將伺服系統(tǒng)各個環(huán)即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)拆分對其進(jìn)行建模，每一個環(huán)節(jié)均有各自的調(diào)節(jié)器，由于位置環(huán)在伺服系統(tǒng)中起決定整個伺服系統(tǒng)的作用，故最后進(jìn)行整定，將這些環(huán)節(jié)整合形成整個伺服系統(tǒng)的控制回路。

(1)電流環(huán)建模：伺服系統(tǒng)加入電流環(huán)是因為電動機(jī)的力矩與電樞的電流是成正比的，控制電動機(jī)的電樞就等于控制了它的力矩；電流環(huán)包括霍爾元件傳感器、電流調(diào)節(jié)器、PWM和伺服電機(jī)的線圈電阻和電感，由于反饋通道需要有很高的精度，所以在反饋通道加入濾波器。電流環(huán)模型框圖如圖5所示。

(2)速度環(huán)建模：伺服系統(tǒng)的速度環(huán)由速度調(diào)節(jié)器、光電編碼、速度環(huán)濾波器、伺服電機(jī)組成，與電流環(huán)不同的是加入了速度調(diào)節(jié)器和光電編碼器、伺服電機(jī)部分。速度環(huán)模型框圖如圖7所示。

(3)位置環(huán)建模：伺服系統(tǒng)的位置環(huán)是評價一個伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的精度直接決定整個電缸的精度，故要待其他系統(tǒng)參數(shù)整定以后再對其單獨調(diào)節(jié)。

位置環(huán)的模型與速度環(huán)相似，只要在速度環(huán)前向通道串聯(lián)一個位置調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是一個比例的校正環(huán)節(jié)。伺服電機(jī)輸出的是轉(zhuǎn)速，經(jīng)過機(jī)械傳動系統(tǒng)后輸出位移，即將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為螺母的位移，位移量經(jīng)過編碼器將角度信息反饋給伺服驅(qū)動器。位置環(huán)模型框圖如圖9所示。

2.2參數(shù)的計算以及各環(huán)節(jié)的整定

本文的伺服電缸采用的伺服電機(jī)是臺達(dá)ECMA-07RS型伺服電機(jī)，其基本參數(shù)如下：額定電壓U=110 V，額定電流1=3.66 A，額定輸出功率P=O. 75 kW，額定扭矩為2. 39 N．m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，轉(zhuǎn)動慣量為1. 93×10-4kg.m2，電氣時間常數(shù)為5. 66 ms，扭矩常數(shù)Km=-0. 47 N．m/A，電樞電阻R為1.34Ω ，反向電動勢系數(shù)C，為0. 33 Vs/rad。

2.2.1 電流環(huán)的整定

工程上一般將電流環(huán)整定成一階無差系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

圖10為在Simulink中建立的電缸伺服系統(tǒng)位置環(huán)的動態(tài)模型，整定出其位置環(huán)的增益為0. 183，圖11為其階躍時域響應(yīng)。從階躍響應(yīng)曲線可以看出位置環(huán)的整定達(dá)到了一定的精度，而且整個系統(tǒng)是穩(wěn)定的，符合系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。