（机械制造及其自动化专业论文）数控转塔冲床伺服电机主传动的研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 本文分析了数控转塔冲床上伺服电机驱魂的主传动相比以往主传动结构具有 的诸多优势，研究了符合数控冲床发展趋势的伺服主传动系统。通过对主传动系统 多杆增力机构合理的选型和设计，着重对主传动机构的运动学进行了深入研究，分 析了多杆机构各主要部分的运动规律，并通过计算选择了合适的伺服电机。在此基 础上，采用s o l i d w o r k s 和动力学分析软件a d a m s 对主传动系统进行了实体建模与 动态仿真，并以曲柄扭矩最小为优化目标对主传动系统进行了优化，获得了主传动 系统多杆机构最优的尺寸结构。本文最后对试制的伺服电机主传动式数控转塔冲床 进行了实际冲压精度分析和主传动系统的性能分析，验证了本文所设计的主传动系 统符合预期性能目标。 关键词：主传动，伺服电机，数控冲床，a d a m s ，多杆机构 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e dm a n ya d v a n t a g e so ft h es e r v om o t o r - d r i v e nm a i nd r i v eo ft h e c n ct u r r e t p u n c hw h i c hp e r f o r m sm u c hb e t t e rt h a n t h ec o n v e n t i o n a lm a i nd r i v e n s t r u c t u r e s i ts t u d i e dt h es e r v om o t o r d r i v e nm a i nd r i v es y s t e mw h i c hc o n f o r m st ot h e c n cp u n c ht r e n do fd e v e l o p m e n t b yr e a s o n a b l em u l t i b a rf o r c ei n c r e a s i n gm e c h a n i s m a d o p t i n ga n dd e s i g n ，i td e e p l yr e s e a r c h e dt h em a i nd r i v e ns t r u c t u r ek i n e m a t i c sa n dt h e m o t i o nl a wo fe a c hr e l a t e dc o m p o n e n ta sw e l la st h es e r v em o t o rt y p es e l e c t i o n b a s e d o nt h e s er e s e a r c h e s ，i tu s e ds o l i d w o r k sa n dd y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r ea d a m st od o t h ee n t i t ym o d e l i n ga n dt h ed y n a m i ca n a l y s i st ot h em a i nd r i v e ns y s t e ma n do p t i m i z e dt h e m a i nd r i v e ns y s t e mb ym i n i m u mt h ec r a n kt o r q u e b yd o i n gt h i si to b t a i n e dt h em a i n d r i v e ns y s t e mm o s ts u p e r i o rs i z es t r u c t u r e f i n a l l y , i ta n a l y z e dt h ep u n c hp r e c i s i o na n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h em a i nd r i v es y s t e md e v e l o p e da n dc o n f i r m e dt h a tt h em a i nd r i v e s y s t e mw ed e s i g n e dh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dr e s e a r c hp e r f o r m a n c ea i m c h e ns o n g ( m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f f a nx i a o l i a n g k e yw o r d s ：m a i nd r i v e ，s e r v o m o t o r , c n cp u n c h ，a d a m s ，m u l t i b a r m e c h a n i s m 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 本文分析了数控转塔冲床上伺服电机驱魂的主传动相比以往主传动结构具有 的诸多优势，研究了符合数控冲床发展趋势的伺服主传动系统。通过对主传动系统 多杆增力机构合理的选型和设计，着重对主传动机构的运动学进行了深入研究，分 析了多杆机构各主要部分的运动规律，并通过计算选择了合适的伺服电机。在此基 础上，采用s o l i d w o r k s 和动力学分析软件a d a m s 对主传动系统进行了实体建模与 动态仿真，并以曲柄扭矩最小为优化目标对主传动系统进行了优化，获得了主传动 系统多杆机构最优的尺寸结构。本文最后对试制的伺服电机主传动式数控转塔冲床 进行了实际冲压精度分析和主传动系统的性能分析，验证了本文所设计的主传动系 统符合预期性能目标。 关键词：主传动，伺服电机，数控冲床，a d a m s ，多杆机构 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e dm a n ya d v a n t a g e so ft h es e r v om o t o r - d r i v e nm a i nd r i v eo ft h e c n ct u r r e t p u n c hw h i c hp e r f o r m sm u c hb e t t e rt h a n t h ec o n v e n t i o n a lm a i nd r i v e n s t r u c t u r e s i ts t u d i e dt h es e r v om o t o r d r i v e nm a i nd r i v es y s t e mw h i c hc o n f o r m st ot h e c n cp u n c ht r e n do fd e v e l o p m e n t b yr e a s o n a b l em u l t i b a rf o r c ei n c r e a s i n gm e c h a n i s m a d o p t i n ga n dd e s i g n ，i td e e p l yr e s e a r c h e dt h em a i nd r i v e ns t r u c t u r ek i n e m a t i c sa n dt h e m o t i o nl a wo fe a c hr e l a t e dc o m p o n e n ta sw e l la st h es e r v em o t o rt y p es e l e c t i o n b a s e d o nt h e s er e s e a r c h e s ，i tu s e ds o l i d w o r k sa n dd y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r ea d a m st od o t h ee n t i t ym o d e l i n ga n dt h ed y n a m i ca n a l y s i st ot h em a i nd r i v e ns y s t e ma n do p t i m i z e dt h e m a i nd r i v e ns y s t e mb ym i n i m u mt h ec r a n kt o r q u e b yd o i n gt h i si to b t a i n e dt h em a i n d r i v e ns y s t e mm o s ts u p e r i o rs i z es t r u c t u r e f i n a l l y , i ta n a l y z e dt h ep u n c hp r e c i s i o na n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h em a i nd r i v es y s t e md e v e l o p e da n dc o n f i r m e dt h a tt h em a i nd r i v e s y s t e mw ed e s i g n e dh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dr e s e a r c hp e r f o r m a n c ea i m c h e ns o n g ( m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f f a nx i a o l i a n g k e yw o r d s ：m a i nd r i v e ，s e r v o m o t o r , c n cp u n c h ，a d a m s ，m u l t i b a r m e c h a n i s m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数控转塔冲床伺服电机主传动的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：。班! 盈刍 日期：塑! ! ：! ：f 口 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 沙岬i io 新签名进老良 日 期：丛舭 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题背景和现实意义 第一章引言 随着信息技术( i t ) 和制造技术( m t ) 的飞速发展，由自动控制技术、机械制 造技术、电子技术、软件技术、数字技术、精密测量技术和通信技术的集聚而形成 的现代数控机床的发展呈现出高速、高精度、高集成度的明显趋势。同时由于市场 的不断扩大，高速加工( h s m ) 逐渐成为现代市场激烈竞争的焦点，目前，新型高 速数控机床已成为世界各国机械制造领域中热门的研究方向。 当前，冲压机床已成为机械、电子、冶金、化工、汽车、军工、航空、航天等 重要工业领域不可缺少的制造装备。我国经济正在快速增长，对高精度、高效率的 数控冲床的需求也在不断增加。以占行业总销售额6 8 的汽车冲压件为例，其正以 每年2 5 的速度增长。但落后的国产设备和技术、尤其是自主知识产权设备和技术 的匮乏，已远远满足不了我国国民经济发展的需要，更难以应对日益激烈的国际竞 争。 数控冲床是一种用于钣金成型或分离的数控加工设备，目i ； 流行的承载模具的 方式为转盘模具库，可实现自动旋转换模，这种冲床称为数控转塔冲床。数控转塔 冲床的主传动系统是指实现冲压的传动机构( 即所谓的压力机) 目前国内冲床设备 制造厂家主要生产机械式主传动和液压式主传动两种形式的数控转塔冲床。机械式 主传动系统使用普通电机，通过飞轮带传动驱动曲柄滑块机构，并通过气动离合器 实现分离与结合，以完成冲压需要；液压式主传动系统使用液压站提供液压力以驱 动冲头实现冲压，冲压部件内置弹簧复位机构实现自动复位。 然而，以往的机械式主传动和液压式主传动方式已经暴露出了诸多的缺陷，限 制了整体机床的性能，已经不能完全满足用户对机床高速度、低耗能、低噪音以及 高效率的要求心1 ，钣金加工行业迫切需要研究出新型的主传动方式，而伺服电机驱 动多杆机构实现冲压的主传动形式( 伺服电机主传动) 具有以往传动方式无法比拟 的优越性，因此，这一传动方式的研究很快成为了当前业内关注的热门话题。 由于伺服电机主传动形式的数控转塔冲床在国际上也仅有为数不多的公司生 产或报道，它具备的节能、省电、低噪音、无油污、低运行成本等特点符合国际最 新发展的要求。与国外相比，国内针对伺服电机驱动多杆机构实现冲压的主传动形 式的研究还处于起步阶段。国内的制造企业只有紧紧跟踪国外同类产品的先进技术 水平，不断研发新产品、新技术，才能在市场竞争中立于不败之地。 基于以上原因，江苏某数控机床有限公司积极进行技术更新，加强自主品牌产 i 华北l u 力人学硕十学位论文 品的研发，本课题即是结合该公司创新项目的一部分内容所做的研究，课题的研究 对提高国内数控冲床的市场竞争力，形成完全国内自主丌发的新型国产设备都具有 一定的现实意义。 1 2 数控冲床的发展概况 数控转塔冲床问世【= l 来，经历了缓慢起步、趋于成熟、快速发展和日趋完善四 个阶段。在不同阶段，数控转塔冲床按结构特点可分为几代产品。第一代产品为机 械驱动，三轴控制，模位数通常在3 0 以下，辅助功能较少；第二代产品模位数大 为增加，并带二个旋转模位( 如图1 一1 ) ，四轴控制，辅助功能增多，开始出现液压 主传动的转塔冲床：第三代产品以液压驱动的四轴转塔冲床为主体，辅助功能更加 完善；第四代产品的标志是，出现了伺服电机直接驱动的结构形式”1 。 剀卜l 带两个旋转模的冲廉转塔 我们国家早期主要是从国外进口数控转塔冲床。数控转塔冲床的控制方式都为 气动或液压机械式主传动控制。2 0 世纪8 0 年代原机械工业部济南铸锻所肯先消化 吸收国外早期产品技术。自主丌发了j 9 2 k 系列数控转塔冲床，后来黑龙江锻压机 床有限公司及卜海二锻有限公司也相继引进英国及美国部分零件及产品。但最终形 成批量生产：的还是济南铸锻所丌发的j 9 2 k 系列冲床。另外，黑龙江锻j = l 乏机床有限 公司也与英幽进行合作牛产数控冲床。 “八f l ”期间，济南铸造锻压机械研究所成功研制了我田第台4 0 0 k n 数控 转塔冲昧，实现了锻雎机械”业零的突破，1 9 9 7 年成功研制出1r 幽第台液瓜武主 华北电力大学硕士学位论文 传动数控转塔冲床。“九五弦期间，国内有实力的企业普遍看好数控转塔冲床的市 场前景，投入大量人力财力进行研制与生产，使数控转塔冲床成为我国技术支持最 完备的数控锻压机床。“十五一期间，数控转塔冲床得到快速健康发展，第二代和 第三代产品成为国内主流产品，形成了以济南铸造锻压机械研究所、江苏金方圆数 控机床有限公司、湖北三环锻压机床有限公司、济南捷迈数控机械有限公司、江苏 扬力集团有限公司、江苏亚威机床有限公司等为代表的排头兵企业。 济南捷迈数控机床有限公司和江苏金方圆数控机床有限公司，以其雄厚的技术 力量和丰富的制造经验，不断创新，始终是国内生产数控转塔冲床企业技术进步的 代表。而“十五 期间的技术引进和合作生产，成为企业迅速提高产品水平和生产 能力的有效途径。江苏亚威机床有限公司与日本n i s s h i n b o 公司合作生产，湖北三 环锻压机床有限公司引进美国s t r i p p i t 公司设计制造技术，是国内企业应用国外 技术的成功典范。江苏亚威机床有限公司生产的h i q - 3 0 4 8 型3 0 0 千牛数控转塔冲 床，其液压系统、数控系统和转盘等主要部件均来自日本n i s s h i n b o 公司。该机液 压系统可对行程、速度、压力编程控制，冲头下死点位置精度达o 0 1 毫米，并可 实现下死点保压；6 轴控制( x 、y 、z 、t 1 、t 2 、c ) ，上下转盘分别驱动；三只夹钳 位置均可编程设定、自动调节，以适应不同板料的需要；脱模自动检测装置对故障 自动检测并中断加工程序，以免机构损坏和出现废品；5 6 个工位，带2 个自动分度 工位；板料最大移动速度1 0 0 米分；最高冲程次数1 5 0 0 次分，最高冲孔频率3 5 0 次分( 步距2 5 4 毫米) 和7 5 0 次分( 步距l 毫米) 。第三代数控转塔冲床的共同 特点是，采用高性能伺服液压驱动的专用液压系统，使步冲次数和冲压稳定性大为 提高，步距为0 5 毫米时步冲频率可达6 0 0 一1 0 0 0 次分以上；智能型的夹钳机构， 最大限度地减小了冲裁死区；毛刷型工作台保证了对板料的有效支撑，并保护板料 在快速运动时表面不被划伤；工作台移动速度普遍提高，轴向速度达8 0 米分，合 成速度达1 2 0 米分以上；具有2 至4 个自动分度工位，将大直径模位设置在自动 分度工位上；开放型数控系统，用户界面友好、可扩展性强，配备高效自动编程软 件。 “十五 期间，济南铸造锻压机械研究所开发的无离合器数控转塔冲床，属于 创新产品。目前虽不是主流产品，却代表了产品发展的某种动向或潮流。应当指出， 虽然国内产品与国外同类产品的技术水平大体相当，但代表当今顶尖水平的仍是国 外著名公司开发的产品。 1 3 本课题及其相关领域的研究动向 当前，国际上对伺服主传动机构的研究主要有两种：一种是由伺服电动机带动 丝杠旋转，使多杆机构推动滑块完成冲压工作；另一种是由伺服电动机带动曲柄旋 华北电力人学硕士学位论文 转，使多杆机构推动滑块实现冲压过程。具体来说，国内与国外在这一领域的研究 进展差距很大。 1 3 1 国外相关领域的发展动向 在国际数控锻压设备制造领域，目前主要有代表性的制造商有日本a m a d a 公司、 日本m u r a t e c 公司、芬兰f i n n - - p o w e r 、比利时l v d 、德国t r u m p f 等。近十年技术 发展的特征同样表现在高精度、高速度和高度集成几个方面，原先单一的冲、剪或 切割加工设备，发展成为冲剪切复合型加工设备，并在信息流集成，上下料台和高 架自动化在线仓库a s r s 等物流集成控制方面进行配套，形成具有高效和高度柔性 的加工单元或集成制造系统。在制造系统功能增强的过程中，加工设备的各种功能 部件的研究和发展也非常迅猛。高速加工设备要求机械零部件以及设备整体的动态 特性满足高性能的要求，以往类比手段已不能胜任，取而代之的是基于虚拟设计制 造技术的c a d c a m c a e 技术应用。设备中的关键部位通过数字化设计技术进行静动 态分析，并在一定的边界条件下进行结构优化设计。与此同时，采用计算机集成技 术对系统的工艺综合和软件应用集成也取得了一系列理论和实际应用的进展。同 时，加工设备中的一些动力驱动和控制技术不断创新，由早期机械传动、液压伺服 传动向全伺服传动发展，设备的控制能力得到加强的同时，加工速度成倍提升。 上世纪末，已有一些厂商研制出全伺服电机驱动的数控转塔冲床( 与传统数控 转塔冲床相比x 、y 、t 和c 轴均为伺服电机驱动外，其主传动也是伺服电机驱动) 。 目前，此类数控转塔冲床还处于小批量试制和市场尝试推广阶段。 2 0 0 3 年，小松公司开发出一条伺服压力机生产线，并在2 0 0 4 年3 月北美的 m e t a l f o r m 上首次亮相，原理如图1 - 2 所示。此设计用两台伺服电机通过皮带减速， 带动滚珠丝杆运动，再通过肘杆机构带动滑块上下运动。 随后，同本a m a d a 公司推出的全伺服数控转塔冲床采用了其自主研发的主传动 形式，其中的伺服电机是将标准电机与减速器结合特制而成，采用双伺服电机驱动 曲柄摇杆机构以实现冲压过程。这种主传动具有结构简单、高速冲压等优点，但由 于其自制的伺服电机性能还不十分稳定，其整机性能有待进一步提高。 4 华北电力人学硕 。学位睡文 j 璺| 1 2 小松公司的h 2 f 般点何服主传动结构 32 国内相关领域的发展动向 上世纪八十年代国内研制出第一台数控转塔冲床，采用的是机械式主传动技 术，即普通电机通过带传动驱动飞轮再由飞轮通过离台器驱动曲柄连丰t 机构，实 现冲压运动。由于各方面的原因，一直到i ：世纪九十年代中后期才形成批量生产。 而机械主传动的冲压速度受制于离台器的结合次数的限制，因此，冲压速度只能在 3 0 0 次分。随着液压技术的飞速发展，上世纪九十年代术，国内首次将液压技术运 用到数控转塔冲床上，采用液压式主传动实现冲压，研制出了第一台液压数控转塔 冲床。 进入二十一世纪，由于田外对新型的冲压方式展= j | ：了一系列的研究，困内相关 人士和数控冲床生产j 商也纷纷丌始关注f _ 服主传动的研究。随后江苏扬力集团于 2 0 0 6 年研制出罔内首台采用伺服电机主传动方式的数控转塔冲床，f h 是由于其可控 性和可靠性均小成熟，冲压加工速度与国际上型号先进殴备相比存在明显差距， 因此至今没能推向h 场。如今，此项研究在国内仍然只是停剐j ! f 对国外设备的改造 上，并没有实质性的研究进展。 相对于国外来说，崮内数挖冲床生产家在产品研制过程中，缺乏对关键系统 和机械零部件的系统分析和量化计算，因此虽然可以实现某止匕功能，但整机质量以 及系统综合性能缺乏优化。i 州时缺乏对产品的设计疗法的系统研究，些产品的研 ；制只是麻付市场或足某种跬备改造特别是拒产品的虚拟殴计制造技术、控制技术、 擘业计算打法等厅呖萍后，致使产品的创新和原创能力干日比幽外比较缺乏。 华北电力人学硕十学位论文 1 3 3 伺服电机主传动理论方面的研究 由于长期以来对于伺服电机的重载驱动难题一直无法克服，人们不得不采用混 合输入等替代方案来补偿伺服电机扭矩不足的问题，在伺服电机驱动压力机理论方 面的研究领域里，也以混合驱动方面的理论研究为多。 上世纪9 0 年代初，英国的j o n e s 就结合传统机构和可控机构的特点，提出一 套界于二者之间的机械系统方案，这种机械同时具有两类机构的特点，因此他把之 称为“h y b r i dm a c h i n e ”，这奠定了混合驱动的思想。随后，t o k u z 和j o n e s 在此方 面进行了长期不懈的研究，完善了“h y b r i dm a c h i n e 思想晦。7 3 。 在研究中，t o k u z 和j o n e s 实施了两种方案并进行了对比，一种为全伺服控制 压力机，另一种为混合驱动伺服压力机。研究结果认为，全伺服驱动机构的柔性较 大可以满足多种运动轨迹，但弱点是伺服电机功率不足，而采用混合输入方案可以 弥补这一点，因此他们采用了混合驱动方案，用二自由度七连杆运动合成机构实现 了变速驱动。 天津大学的张策、孟彩芳、李辉等人沿袭了t o k u z 和j o n e s 的设计思想哺曲1 ，分 别采用了二自由度五连杆机构和二自由度九连杆机构设计了混合驱动压力机和精 压机，并对其进行了动力学建模和仿真分析。郭为忠、杜如虚等人也研究了基于混 合机构的金属成形可控压力机n 旷川，建立了两自由度平面七杆机构的运动学方程， 以及电机力矩和功率的分配公式，并进行了基于遗传算法的优化设计。 在伺服电机驱动连杆机构的研究中，t o k u z 首先建立了用无刷伺服电机驱动的 四杆轨迹系统模型，通过仿真分析发现伺服电机驱动的四杆机构可以减小连杆曲线 误差，并改善机构的运动学及动力学特性。 德国k a s s e l 大学的m n e u m a n n 和h h a h n 通过对单点曲柄压力机的研究n 引，建 立考虑滑块倾斜，机身变形，轴承摩擦，铰链间歇，元件阻尼等因素的二种动力学 模型，通过实验获取的参数值求得等效模型参数，并验证仿真的准确性，为合理简 化模型提供依据。 美国俄亥俄州大学机械制造工程中心s y o s s i f o n 和r s h i v p u r i 等人于1 9 9 3 年以伺服电机驱动双肘杆压力机为研究对象，研制了一种伺服驱动的双肘杆式压力 机陋。 1 4 课题研究的主要内容 对于数控转塔冲床上伺服电机驱动的主传动的研究，主要集中在主传动伺服电 机驱动的多杆增力机构的结构研究和性能分析，本文将展丌如下三方面工作： 6 华北电力人学硕十学位论文 1 主传动系统机构的设计和运动学分析 为了节约耗能，提高效率，在实现相同冲压公称力的前提下，主传动用伺服电 机的功率应当尽可能小，因此，需要对伺服电机驱动的多杆机构进行合理的设计和 优化。本文将根据主传动系统特性，进行多杆增力机构的选型与设计，着重对所设计 的多杆机构进行运动学分析，在此过程中优化结构尺寸，并分析主传动用伺服电机 的平均功率，选择合适的伺服电机。 2 对主传动机构进行动态仿真与优化设计 要得到既能实现既定冲压力又能减少能耗端输入的合理的主传动系统结构，需 要对所设计的机构进行优化。本文将利用s o l i d w o r k s 软件建立主传动系统多杆机 构的实体模型，并使用a d a m s 对其进行动态仿真，通过动态仿真分析，对结构进行 合理的优化，以得到最优的尺寸和性能。 3 对试制的伺服电机主传动式数控转塔冲床进行精度分析 对试制的伺服电机主传动式数控冲床进行冲压精度分析，以及主传动系统的性能分 析，验证设计的主传动系统是否符合预定目标，以便开展进一步的改良工作。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的来源、研究的意义以及数控冲床的发展概况，总结了国内外 相关领域的研究动向，并从理论角度阐述了伺服主传动系统研究的成果。最后明确 了本课题研究的主要内容。 7 华北电力人学硕士学位论文 第二章伺服电机主传动系统的结构选型 2 1 伺服电机主传动数控冲床的性能介绍 伺服主传动系统采用伺服电机作为主传动的直接动力来源，其相对于以往机械 式、液压式主传动，具有以下创新点： ( 1 ) 系统打破了数控转塔冲床主传动是机械式或液压式地传统结构模式地束 缚，采用全数字化技术进行产品研发。 ( 2 ) 系统采用伺服电机作为冲床的直接动力源。 ( 3 ) 为使伺服电机的功率减少，降低制造成本而采用多杆增力结构，满足总冲 压力的要求。 ( 4 ) 由于是伺服电机的结构，机床使用过程中无需更换油料，不冲压不耗电， 电机旋转一周冲头两次冲压。 ( 5 ) 高速、高性能、高效、高度集成。 伺服主传动数控冲床的主要技术参数见下表所示： 表2 一l 伺服主传动数控冲床的技术参数 公称力 2 0 0 k n 最人加工板材尺寸 4 0 0 0x1 2 5 0 m m 最人加工厚度 6 5 m m 模位数 3 2 个 最大冲孔直径 8 8 9 m m 最高冲孔频次 1 0 0 0 h p m 最人送料速度8 0 m m i n 孔距精度0 i m m 空气压力0 5 5 m p a 机器总重量1 3 t 伺服电机 f a n u c1 8 p 系列 8 华北电力人学硕+ 学位论文 2 2 数控冲床主传动系统分类 2 2 1 机械式主传动系统 最初的机械式主传动系统部件由电机、飞轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和 滑块等组成，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 机械式主传动原理图 滑块垂直上下运动，将模具的冲头压入金属板料中。连杆连接曲轴和滑块，将 曲轴的旋转运动转变为滑块的直线运动。飞轮通过皮带与一直转动的电机相连，并 储存一定的能量。冲压时，离合器闭合，飞轮能量通过曲轴连杆机构传递到冲头上。 冲压结束时，离合器在冲头向上运动时脱开，从而解除飞轮对曲轴的扭矩传递，同 时制动器开始制动，使曲轴转动至上死点时停止。机械式主传动部件中，离合器与 制动器的性能很重要，直接影响到主传动部件的工作效率和使用寿命。 在上世纪六十年代，当数控技术被引入数控转塔冲床的控制时，使用一种气动 离合器与制动器，虽然其结构较为简单，但缺点是摩擦片损耗快，污染性强，性能 稳定性差，需要经常调整与维修，而且其工作频率较低，噪音大。直到八十年代， 9 华j 匕电力人学硕十学位论文 推出了液压离合器与制动器，它具有性能稳定、噪音低、污染小等优点，而且使用 寿命比气动离合器与制动器长得多，大大减少了停机时间，降低了维修费用。 222 液压式主传动系统 上世纪九十年代以来，液压式主传动部件被越来越多地采用，至今己成为数控 转塔冲床的主流配置。与机械式主传动相比，油缸取代了曲轴连杆等机械结构，液 压站系统( 如图2 - 2 所示) 提供动力，两者由主液压阀块连接通过专门的电子卡 程序化控制整个系统的动作，并由连接于油缸活塞杆上的电子传感器适时测量和反 馈，最终实现对冲头位置、行程及速度的精确控制。 图2 - 2 液f 1 、主传动中使h 的液压站系统 液压主传动的优点主要表现在以下几方而： ( 1 ) 可以根据板料厚度、冲孔类型以及送料速度和距离等因素，在程序中设定 适当的上死点位置，尽量减少冲头行程，并通过参数优化消除送料与冲压的问歇时 间，从而提高了冲压频率。 ( 2 ) 由于冲头在整个冲压循环中的速度可以参数化改变，通过降低冲头在接触 板料时的速度，减轻了冲击和振动，从而降低冲压噪音。 ( 3 ) 冲爪工艺性得到进一步扩展。不仅可以进行高速打标、快速冲孔，而且山 于冲头停止精度高、全行程均能发出最火冲压力，冈而适合于完成些如拉伸和滚 压等特殊成型。 日前，数控转塔冲床主传动聚用的液爪系统主要有两类； 华北电力人学顶士学忙论文 一是德国哈雷公司的专用于冲床的系列产品，其具有技术领先、规格齐全、性 能优良、低耗节能、便于维修等优点，在国内外均有较高的市场份额。 二是德国施耐德、力士乐公司的伺服阀控制液压冲孔系统，它具有响应速度快、 位置精度高等特点，但却存在能耗及发热量大、维修成本较高等不足。 2 23 伺服电机主传动系统 近年来，随着大扭矩伺服电机及驱动系统的改良与推广，伺服电机驱动式主传 动部件已被成功应用于日本a m a d a 、m u r a t e c 等公司的数控转塔冲床产品中。国内 厂商也在着手对该类产品的研制和推出。 图2 - 3 会田公司开发的大功率伺服电机 目前，伺服电机驱动主传动的结构形式主要有以下两种： ( 1 ) 在传统机械式主传动的基础上，将伺服电机直接与曲轴相连，省去e 轮及 离合器与制动器。开本a m a d a 公司的e m 2 5 1 0 n t 型数控转塔冲床，是将两台伺服电 机分别连接于曲轴的两端，控制其同步运转，保证了对曲轴足够的扭矩输出，同时 可以获得很高的冲压频率。而另外一种结构形式是伺服电机通过减速机再与曲轴相 连，这样可以适当降低伺服电机的额定扭矩，但最高冲且i 频率也被限制。 ( 2 ) 伺胀电机通过减速器与曲柄肘杆机构相连，泼结构虽然比较复杂，但其利 用曲柄肘杆机构特有的增力特性，可以降低伺服电机的负载扭矩，并且曲柄旋转一 周，滑块上下运动两次。这样能够达到更高的冲压频率。 f d 服电机驱动式 传动不仅保留了机械式主传动结构成熟可靠的优点而且 具备了液压e 忙动的诸多特性，其优点主要有： ( 1 ) 提高效率。f n j 服电机驱动式t 传动的 什块行群和速度能够仟意调整，可以 选择冲j e 所需的崴矩行程，同时殴定合适的速度，使其与送料同步从而有效地提 高牛j 。率。h 本a m a d a 公司的e m 2 5 1 0 nr 型数柠转塔冲眯，2 5 m m 步距f 最大冲扎次 华北电力人学硕士学位论文 数可达到5 0 0 次分钟，而压印时更高达1 8 0 0 次分钟，该指标达到了目前数控转 塔冲床的高端水平。 ( 2 ) 降低噪音。滑块冲压模具穿透板料时，会受冲压反力作用产生振动和冲击， 由此带来的噪音也会随滑块速度和冲压力的增加而增大。机械式主传动冲床通常通 过加强床身和提高吨位来减少噪音。而伺服电机驱动式主传动冲床却能够在行程的 每时每刻对滑块的速度进行控制和调节，因此可以在冲压中段控制冲头使其停顿， 并降低其进入板料时的速度，从而达到减少噪音的目的，通常降噪效果可达1 0 分 贝左右。另外，通过这种方式，在减少噪音的同时，还能减轻冲头进入板料时的冲 击，进而延长模具的使用寿命。 ( 3 ) 节省能源。传统的机械式主传动由电机带动飞轮旋转并积聚一定的能量， 工作过程中，飞轮能量冲压时消耗，并在返回上死点时重新积累。而对于伺服电机 驱动式主传动，能量无需存储，伺服电机也不需要一直旋转，仅在冲压时启动并提 供所需能量。另外，由于取消了飞轮及离合器与制动器，使结构简化，因此电能消 耗大大降低。上述两种数控转塔冲床，与各自传统机型相比，节能分别达到6 0 和 3 0 ，非常显著。 ( 4 ) 优化工艺。通过精确设定滑块停止位置尤其是下死点，能够提高成型模具 的加工精度。按照冲压工艺和模具类型，通过优化程序来控制滑块以适应各种冲压 模式，如压印、冲孔、成型等。以下列举出几种典型的工作模式： 高速冲。伺服电机间歇运转，根据板料厚度、冲孔大小，控制冲头以最短的 行程和最快的速度进行冲压。 步冲。伺服电机连续运转，按照一定的送料速度和步距，以合适的频率连续 冲压。 成型。精确设定冲头下死点位置及停止时间，使成型模保证材料充分的变形 与流动，提高其成型精度。 静音加工。通过程序控制冲头打击速度，采用两段式冲压，减少振动和噪音， 延长模具寿命。 模具校准。通过监测伺服电机的输出扭矩来检测上下模具的对中性。该模式 下，控制滑块缓缓下降至设定位置，并监测当冲头接触下模时伺服电机的扭矩，当 其超过平稳进入时的预设数值时，冲头会停止运动并报警。 目前机械式数控转塔冲床的销量证逐步萎缩，液压式数控转塔冲床在不断增加 并已占据主导地位，而伺服电机驱动式数控转塔冲床，也正在以其高效、节能、环 保等优势，受到广大设备用户的认可和接受，成为数控转塔冲床未来发展的新趋向。 l ， 华北电力人学硕十学位论文 2 3 伺服电机主传动结构的选型 2 3 1 现有构型的性能分析 在板料成型、薄板拉伸工艺中，最早应用于生产的机械式主传动机构均采用曲 柄滑块机构。在长期的使用过程中，特别是在薄板拉伸中，发现这类机构有以下缺 点：( 1 ) 滑块在拉伸过程中运行的速度、加速度较大，使得在拉伸成型过程中零件易 撕裂或起皱，产品合格率低；( 2 ) 上、下模合模的瞬时冲击力较大，造成主机和模 具的使用寿命降低；( 3 ) 负荷工作区域的行程较短，不适应深拉伸工艺的要求。 这类结构的缺陷极大地限制了饭金加工业的发展，使得生产成本居高不下，生 产效率低。为了满足高速发展的汽车、轻工业等薄板冲压成型工艺的需要，人们除 了在冲压模具结构、冲压钢板机械性能、润滑剂使用等方面进行不断改进提高之外， 在主传动系统的结构形式上也进行了大量改进和实践，研制出了多种形式的机械传 动压力机。 ( 1 ) 偏置式曲柄滑块式 按滑块与曲柄回转中心的位置关系可分为三种形式，如图2 4 所示，分为结点 正置式、结点正偏置和结点负偏置。 无论是正偏置还是负偏置，均将改变压力机的行程曲线。这种偏置式曲柄滑块 压力机主要用于板料的冲孔、落料、切边、整形、局部成型等，属于通用型压力机。 这种压力机结构简单，适用范围广，但仅能满足一般冲压工艺要求。 ( a ) 结点正置 ( b ) 结点正偏置( c ) 结点负偏置 图2 4 曲柄滑块机构三种类型 华北电力大学硕十学位论文 通常，曲柄连杆式压力机的行程曲线是一对称的近似余弦曲线，当连杆系数确 定以后，滑块的行程、速度、加速度曲线也就跟随确定了。若将连杆与滑块结点偏 置，则可改变滑块行程曲线，有利于在保持一定生产效率前提下改善工件的变形状 态。但这种机械偏置量受到机械结构的限制，此外结点偏置后对压力机的刚度、强 度和运动状态都将生产一定的影响，其偏置量不宜过大。因而，这种通过结点偏置 来改变压力机工作曲线范围有限，仍不能满足各种复杂冲压工艺要求。 ( 2 ) 肘杆式 肘杆机构也是在压力机中应用得比较早、比较多的机构。肘杆式压力机具有机 械力放大作用，机身结构紧凑、刚性强，其冲压力比相同尺寸的普通曲柄滑块式压 力机高的多，满负荷工作区域较长，工作效率高。相对于曲柄滑块机构，应用肘杆 机构使之适合工艺要求方面有很大的范围，可以通过多种方案的比较，选择适合的 力能特性以及符合速度曲线的机构型式和参数，另外肘杆机构还具有简单可靠、易 于维护和传动效率高等特点。 ( a ) 肘杆式( b ) 双肘杆式( c ) 拉力肘杆式 图2 5 肘杆式机构二三种类型汜 滑块 位移 0 a 卅寸杆式b 双肘杆式c 拉力肘杆式 图2 - 6 肘杆机构滑块位移曲线 1 4 华北电力人学硕士学位论文 如图2 - 6 所示，在这三种肘杆式主传动机构形式中，肘杆式机构具有最大的滑 块行程，双肘杆式次之，而拉力肘杆式机构滑块的行程最小。 ( 3 ) 多杆式主传动结构 多杆式主传动结构是由多杆驱动机构按特定的组合关系构成的，利用多杆机构 的连杆曲线和急回特性，可使滑块得到较为理想的压力曲线乜2 啪3 。在一个行程中， 滑块可以从上死点快速下行到达工作区域，而在工作区域滑块的速度行进缓慢，滑 块处于下死点附近时，能较长时间内处于几乎停止行程的状态，从而完成整个冲压、 拉伸工作行程。当冲压完成后，又能快速返回到上死点。 从上述各主传动系统结构的分析比较可以看出：以偏置的曲柄连杆机构作为伺 服电机主传动系统，结构比较简单，通过调整连杆结点偏置值可改善工件的变形状 态；多连杆机构能够获得所需的保压时间和急回曲线，以满足不同的延伸冲压工艺 要求；而肘杆机构相对曲柄连杆机构只是增加了两个杆件，却大大改变了主传动系 统的运动特性和动力特性。然而，对于机械式主传动系统来说，一旦其结构确定后， 滑块的运动规律也就随之确定，机械结构不易改变，一种机械结构方案无法满足多 种运动规律要求，该类机床传动也可称之为所谓的刚性主传动系统。 2 3 2 伺服电机主传动系统机构选型 图2 - 7 主传动多杆机构备选方案 华北电力人学硕十学位论文 伺服电机驱动的主传动系统也有不同的机械结构形式，需要选择、设计合适的 机械结构，以使所设计的数控转塔冲床具有较强的承载能力，高的运行效率，平稳 的工作状态，结构调整方便。 伺服电机驱动的主传动系统设计要求如下： ( 1 ) 在冲床滑块工作行程阶段满足加工工艺要求的不同冲压工作速度，以保证 冲压加工质量。 ( 2 ) 具有尽可能高的滑块空程和回程速度，以提高冲压加工效率。 ( 3 ) 具有增力的作用，尽可能减小伺服电机功率，减小传动件结构尺寸。 ( 4 ) 应使伺服电机远离滑块，尽可能减轻机床冲压力对伺服电机冲击影响。 综合比较现有各种机械式主传动系统的性能特征可知，衄柄滑块机构具有急回 功能，肘杆机构具有冲压力放大作用。因而，伺服电机主传动系统应包括这两类典 型机构。曲柄滑块机构的设计主要是连杆系数的选择，而肘杆机构依照所用肘杆以 及连接方式的不同可以分为多种类型。肘杆类型的选择对压力机运动特性和动力特 性有很大的影响。常用的肘杆机构类型有以下几种心引： ( 1 ) 等长肘杆机构 等长肘杆机构的上、下肘杆等长，杆长短而粗，肘瓦镶在肘杆及滑块的凹面上， 通过肘轴进行力的传递，在肘轴作用面有较大的挤压力，工作时承受很大的比压。 该类肘杆机构结构紧凑，装配方便。但其接触面大，对机构的刚性有一定的负面影 响。 ( 2 ) 三角形连杆肘杆机构 所谓“三角形连杆”，是指与上、下肘杆连接的曲柄连杆为一个三角形。该机 构是通过四根肘轴将上、下肘杆、连杆及滑块连接在一起。工作时，四根肘轴都承 受很大的弯矩和剪力，故轴径较大，因而一般选用高强度优质合金钢。该结构肘瓦 为整休形式，装配时无需配研，故加工和维修比较方便。但结构受力较大，从而使 结构尺寸随之加大，其整机高度和重量都相应地有所增加。 ( 3 ) 不等长肘杆机构 这类肘杆机构的上、下肘杆不是等长的，上、下的肘瓦分别放在上肘杆及滑块 体上，并有压板压住，可有效地防止肘瓦因定位销被剪断而被搓出的现象，该类结 构可通过调节两肘杆的长度来实现力的放大比例。 在上述三类肘杆机构中，等长肘杆机构的滑块行程和工作行程都很小，有一定 的增力作用，可用于公称力不大，工作行程较小的主传动系统；三角形连杆肘杆机 1 6 华j 匕l 乜力人学硕十学位论文 构可增加滑块的行程，加大对力的放大作用，但也带来了机构尺寸大、刚性减弱的 缺陷：而不等长肘杆机构结构简单，刚性较高，又可获得较大的增力作用，适用于 一般主传动机构的使用。 综上所述，本课题选择不等长肘杆机构作为伺服主传动系统机械结构。 233 伺服电机主传动系统的组成 根据前面的主传动系统机构选型，确定了本课题研究的肘杆式伺服主传动系统 机构组成，如图2 8 所示，由伺服电机l 通过减速机构2 驱动曲柄3 转动，由连杆 4 和过渡杆5 将驱动力传递给肘杆机构6 ，再借助于连杆7 最终将动力传递到滑块8 。 这种肘杆式伺服主传动系统可借助于肘杆机构起到增力作用，又可通过伺服电机的 速度调节获得理想的压力工作曲线，同时通过肘杆和过渡杆吸收了压力机工作时冲 击能量，避免伺服电机受到冲击力影响。 伺服电机述帆构3 曲柄莲杆5 过睦杆6 肘杆# 瀚7 连# 8 滑块 图2 - 8 主传动系统的组成 234 肘杆式主传动结构的优点 使用不等长肘杆机构作为数控转塔冲床伺服主传动的机械结构，其同时兼具机 械式冲床结构简单、维护方便和液压武冲床冲速快、噪