（机械工程专业论文）电伺服折弯机关键技术研究.pdf

曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 摘要 我国自九六年度以来，对数控折弯机的需求量就已很大，一般数控折弯机滑块 多采用双缸驱动结构，电液伺服同步比较常见，液压传动由于其较多的优越性，因 此双油缸结构的液压板料折弯机被广泛使用，电液伺服的数控板料折弯机在国外已 占到市场份额的绝大多数，老式的机械传动折弯机已被市场淘汰。但在上、下料时， 油泵一直在工作，浪费能源；油压系统不漏油是暂时的，漏油是永远的，更何况液 压系统需要进行换油，这些难免造成环境污染。随着数字控制技术的飞速发展和伺 服电机技术的日益完善，以及一些用户对板材表面质量要求较高，对液压传动的折 弯机的油液渗漏情况比较敏感，机械伺服折弯机在这些行业得到了运用和发展。因 此，国外市场出现了机械伺服折弯机，国内用户对此种机型的需求也逐渐加大，同 时亦可以利用国内低的制造成本优势，将产品打入国际市场，一方面增加产销规模， 另一方面出口创汇。伺服驱动技术的出现对数控板料折弯机的板材加工是一次革命， 本课题的研究将促进板材加工技术的进步。目前，国内有实力的钣金企业纷纷从国 外进口伺服驱动折弯机，而实力较弱的企业往往由于经济实力因素而不能如愿。本 课题所从事的伺服驱动的研究，凭借其优越的性价比，可以促进伺服驱动折弯机的 大面积普及，大幅提高下游企业的竞争能力和产品升级：可以逐步替代进口产品， 为国家节约大量外汇。因而，本课题研究具有深远的经济意义和社会意义。 本文首先介绍了本课题研究的背景和重要意义、以及伺服驱动折弯机在国内、 国外发展情况；网时对电伺服驱动折弯机和电液伺服折弯枫作了比较研究，列出它 们各自的优缺点；对滑块进行了有限元分析：对同步控制、闭环控制进行了分析研 究；p l c 在电伺服机床功能控制中的应用；数控机床工作台与导轨部件对进给爬行 的影嫡；数控机床伺服系统中检测器件的常见故障与维修；对电伺服折弯机的控制 原理进行了一定的分析。 本文所研制的电伺服折弯机，已处于样机研制阶段，还需要迸一步的进行样机 性能的测试和用户的试验使用，许多地方还有待进一步完善和提高。 关键字：电伺服、折弯机、数控、机床、结构 2 扬少1 4 大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e19 9 6i no u rc o u n t r y , t h ed e m a n df o rc n c p r e s sb r a k ei sv e r yb i g ，t h er a m f o rt h e c o m m o nc n cp r e s sb r a k ea d o p t st h ed o u b l e - c y l i n d e rd r i v es t r u c t u r e ，e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v os y n c h r o n i z e di sv e r yc o m m o n ，h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd u et oi t sm o r en u m b e ro f a d v a n t a g e s ，s ot h es t r u c t u r eo fd o u b l e c y l i n d e rf o rh y d r a u l i cs h e e tm e t a lp r e s sb r a k eh a s b e e nw i d e l yu s e d ，c n cp r e s sb r a k ew i t he l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oo c c u p i e da l la b s o l u t e m a j o r i t yo fm a r k e ts h a r e ，t h eo l d f a s h i o n e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o no f t h ep r e s sb r a k eh a s b e e ne l i m i n a t e db yt h em a r k e t h o w e v e r w h e nl o a da n du n l o a dt h em a t e r i a l ，t h eo i lp u m p a l w a y sr u n n i n g ，a n di tw i l lw a s t eo fe n e r g y ；h y d r a u l i co i ls y s t e mw h i c hw i t h o u tl e a k a g ei s t e m p o r a r y , a n do i ll e a ki sf o r e v e r ，q u i t ea p a r tf r o mc h a n g i n go i lf o rt h eh y d r a u l i cs y s t e m ， w h i c hw i l l i n e v i t a b l yr e s u l ti ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , f o l l o w i n gt h ed i g i t a l c o n t r o l t e c h n o l o g yw i t hr a p i dd e v e l o p m e n ta n dt h es e r v om o t o rt e c h n o l o g yi m p r o v i n g ，a n ds o m e c u s t o m e r sw i t hh i g h e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t sf o rt h es u r f a c eo ft h ep l a t e ，i ti ss e n s i t i v ef o r t h eo i ll e a k a g e ，t h e nt h em e c h a n i c a ls e r v op r e s sb r a k eh a sag o o da p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n ti nt h e s ei n d u s t r y t h u s ，t h ef o r e i g nm a r k e t sh a v ee m e r g e dt h es e r v om o t o r t y p ep r e s sb r a k ea n dt h ed e m a n df o rd o m e s t i cc u s t o m e r so fs u c hm o d e l si sg r a d u a l l y i n c r e a s e d ，a tt h es a m et i m e ，w ec a nm a k eu s eo fd o m e s t i cl o w - c o s ta d v a n t a g eo f m a n u f a c t u r i n gp r o d u c t si n t ot h ei n t e m a t i o n a lm a r k e t ，o nt h eo n eh a n d ，i n c r e a s ei ns c a l e p r o d u c t i o na n dm a r k e t i n g ，o nt h eo t h e rh a n d ，f o r e i g ne x c h a n g ee a r n e dt h r o u g he x p o r t s s e r v od r i v et e c h n o l o g yo fc n cs h e e tm e t a lp r o c e s s i n gi sar e v o l u t i o na n dt h es t u d yo ft h i s i s s u ew i l lc o n t r i b u t et os h e e tm e t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i c s t r e n g t ho fs h e e tm e t a lc o m p a n i e si m p o r t e dt h es e r v od r i v ep r e s sb r a k ef r o mf o r e i g n c o u n t r i e s ，b u tw e a k e re c o n o m i cs t r e n g t ho fe n t e r p r i s e sa sar e s u l to ff a c t o r st h a tc a nn o td o s o s u b j e c t sa r ee n g a g e di nt h es e r v o d r i v e nr e s e a r c h ，w i t hi t se x c e l l e n tv a l u ef o rm o n e y , p r o m o t i n gt h ep o p u l a r i z a t i o no fl a r g e a r e a ，as u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt h el o w e rr e a c h e so f t h ec o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sa n dp r o d u c tu p g r a d e s ；i ta l s oc a l lb eg r a d u a l l yt o r e p l a c et h ei m p o r t e dp r o d u c t s ，t os a v eal a r g en u m b e ro ff o r e i g ne x c h a n g e t h u s ，t h i s r e s e a r c hh a sf a r - r e a c h i n ge c o n o m i ca n ds o c i a ls i g n i f i c a n c e f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，a sw e l la st h e s i t u a t i o nf o rs e r v o d r i v e np r e s sb r a k ei nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n t s ；a tt h e s a m et i m e ，c o m p a r et h ee l e c t r i cs e r v od r i v e sp r e s sb r a k ea n de l e c t r o h y d r a u l i cs e r v op r e s s b r a k e ，i tl i s t e di nt h e i rr e s p e c t i v et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；i th a sm a d et h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sf o rt h er a m ；i th a sd o n eas i m p l ea n a l y s i st ot h es y n c h r o n o u sc o n t r o la n d c l o s e d l o o pc o n t r o l ；t h ea p p l i c a t i o no fp l c i ne l e c t r i c a ls e r v om a c h i n e s ；t h ei m p a c to f f e e d i n gc r a w lf r o mt h ew o r k t a b l eo fn u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n ea n dt h eg u i d e ；t h e c o l t l m o nf a u l t sa n dm a i n t e n a n c ef o rd e t e c t i o np a r t si ns e r v os y s t e m ；s o m ea n a l y s i si nt h e c o n t r o lp r i n c i p l ef o re l e c t r i cs e r v op r e s sb r a k e i nt h i sp a p e r , e l e c t r i cs e r v op r e s sb r a k eh a sb e e nd e v e l o p e da tt h ep r o t o t y p es t a g e a n d a l s oi tn e e dt of u r t h e rt e s t i n ga n dp r o t o t y p ep e r f o r m a n c e ，m a n yp l a c e sh a v ey e tt ob e f u r t h e ri m p r o v e da n de n h a n c e d k e y w o r d ：e l e c t r i cs e f v op r e s sb r a k e c n cm a c h i n et o o l s t r u c t u r e 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冰敖 签字e l 期：2 , 0f ) 年j 月v e t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 导师签名： 斫铭 签字日期：f 。一年f 月纠e l 签字日期：矿，。年厂月衫日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 6 扬州大学硕士学位论文 第一章概述 一、课题背景和意义 板料折弯机是钣金加工业中最常用的机械之一，它利用折弯模具将金属板料压 制成一定的几何形状，广泛应用于机械、电子、电器、日用五金、船舶和航空等行 业，近年来随着社会的发展，各行业对折弯机的需要量在不断上升，对折弯机的精 度和功能要求也越来越高，既要有较高的生产率，又要有高质量的精度；既要求机 床的结构简单，又要有强大的自动化加工功能，以减轻工人的劳动强度。为此，大 力发展数控折弯机是行业发展的迫切需要。 自上世纪九十年代以来，我国就开始此时数控折弯机的的开发和研究。目前， 国内市场所提供的数控折弯机多为双缸驱动的电液伺服结构。由于液压驱动的数控 折弯机有较多的优越性，因而电液伺服的数控板料折弯机在国内外市场有绝大多数 的份额，传统的机械折弯机已逐渐被市场淘汰。然而，电液伺服数控板料折弯机， 在上、下料时油泵一直在工作，造成能源的浪费；液压折弯机油压系统不漏油是暂 时的，漏油是永远的，更何况液压系统需要周期性地进行液压油的更换，这必然造 成环境的污染和资源的浪费。 随着数字控制技术的飞速发展和电子伺服技术的日益完善，人们对板材加工设 备提出了更高的要求，对液压传动的数控折弯机的油液渗漏情况更为敏感，对电子 伺服折弯机需求越来越迫切。为此，国内外学者和有关企业开始从事电子伺服折弯 机的开发和研究，现已在国外市场推出了不同形式的电伺服数控折弯机。 金融危机爆发以来，国际机床市场不断下滑，国内数控机床市场也受到了相当 大的影响，产销量大幅下降。虽然数据显示2 0 0 9 年上半年已经止住下滑趋势，略微 回升，但研究应对策略依旧是当务之急。为此走访了行业相关人士，了解机床市场 的发展情况，并对当下伺服机床市场有了更清晰的认识一竞争激烈，国内机床市场 需求结构变化明显。 数控机床是国内数控机床行业发展的起步产品，发展时间比较长，生产企业 对此类机床的技术掌握情况和生产能力也都比较成熟。作为比较复杂的产品，很多 企业都不能生产，而且国内拥有大量的市场空间，从去年金融危机以后的总体情况 来看，国内数控机床生产企业的生产能力明显不够。最近中国机床工具工业协会的 调研结果中得到的企业生产状况显示，主要生产伺服数控机床的企业受到的冲击比 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 7 较大，尤其是一些产品档次比较低、产量比较大的企业受到的冲击更大，甚至出现 部分企业限产的现象。造成这种情况出现的主要原因还是因为市场需求在减少，部 分产品出口转内销，进一步加剧了国内市场竞争。而对于产品档次比较高的企业来 说，受到的冲击就不是很明显，特别是高精尖的高档数控机床依旧是供不应求，特 别是伺服数控机床，而且国内用户对此种机型的需求也逐渐加大，同时亦可以利用 国内低的制造成本优势，将产品打入国际市场，一方面增加产销规模，另一方面出 口创汇。 因此，在这样的市场环境下，我们提出机械伺服折弯机的研究课题，符合了市 场发展的要求，响应了国家发展精密数控机床的战略方针，提升我国的数控机床的 自主创新的能力，同时也是公司长远发展的需要，为亚威后3 5 年的发展战略奠定 了技术基础。 二、国内外数控折弯机的技术发展现状 我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发 展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机 床有1 5 0 0 多种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。领域 之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床已进入快速发展的 时期。与国外数控折弯机技术发展相类似，近年来我国的数控折弯机也得到快速的 发展。自进入2 l 世纪以来，我国数控折弯机每年以两位数的速度在增长，迎来了我 国数控折弯机快速发展的阶段。在新兴经济体的带动下，2 0 0 9 年国际机床市场有望 增长6 一1 0 ，仍将保持较快增速，这为中国数控机床工业的发展创造了良好的外 部条件。 目前我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建设经济强国转 变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等 一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机 床的巨大需求。据毕马威会计事务所分析，中国已经超过德国，成为世界第一大机 床市场，数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床市场巨大，预计2 0 1 0 年数控机床消费仍将超过6 0 亿美元，台数将超过1 0 万台。专家指出，中高档数控 机床的比例会大幅增加，经济型数控机床的比例不会有太大变化，而非数控的普通 机床的需求将会大幅度减少。 8 扬州大学硕士学位论文 国家计委投资研究所预测：十五”期间，我国固定资产总投资额将达到2 2 万亿 元，年平均增长幅度为3 7 。按以往固定资产投资与机械市场消费之间的互动关系 推断，“十五”期间，我国机械市场所孕育的商机高达3 2 0 _ - 4 0 0 亿元。交通方面，“十 五”期间仅西部铁路开发就将投入1 0 0 0 亿元，未来1 0 年西部交通则将投资7 0 0 0 8 0 0 0 亿元，车轮车床、2 m 大型锯床、螺旋焊管扩径机械等专用设备大有用武之地； 水利工程未来5 年将投资5 3 0 0 亿元，环保一期投资1 8 8 8 亿元，二期投资2 6 0 0 亿元， 相应机械设备需求巨大；3 0 0 家机械厂商将进行技改，求购数控机床数量十分可观。 2 0 0 4 年，国内有模具厂约1 7 万家，年产值约5 3 0 亿元，所需的机械偏向于高精度、 高效率、高速化铣削设备、虚拟轴机床、复合力h - r ：机及慢走丝线切割机等。 自2 0 0 2 年起，我国连续5 年成为世界机床消费第一大市场。2 0 0 5 和2 0 0 6 年我 国机床产值已位于全球第三位。我国现已成为世界机床的一个生产大国，但与国际 机床技术水平相比，我国机床行业还“大而不强 。 当前，国家大力鼓励企业自主创新，努力创造自己的品牌，使目前的制造大国 转变成为创新大国。为此，近年来我国机床行业的科技成果层出不穷，开发成果显 著，高技术产品不断推出，例如：五轴联动数控机床、多功能复合机床等高性能数 控机床等高技术产品初具规模，产品的数控化率逐年提高。 目前，国内机床行业性质有国有企业、民营企业和三资企业三种不同类型，这 三种类型企业已成三足鼎立的局面，行业结构得到优化。为了提高企业的市场竞争 力，我国机床优势企业通过兼并、收购和重组力争做大做强。近年来，特别通过收 购外资企业，引进国外先进技术，使国内企业的机床技术水平提高到一个新的高度。 从机床出国订单情况来看，目前德国机床的需求较为旺盛，日本和韩国的订单 也在不断增加，中国国内主要机床生产厂订单也十分饱满，良好的订单状况为机床 工业的发展和增长提供了有力的保障。 据有关统计资料表明，2 0 0 7 年1 1 0 月我国机床工业总产值同比增长2 6 2 ， 利润同比增长3 7 ，行业景气度继续维持高位运行。我国数控机床的长期发展前景 被看好，机床数控化有较大的发展空间。国家及地方对机床行业实施大力扶持政策， 使产业不断升级，机床技术水平和数控化率在不断提高。随着国家提倡大力发展数 控机床，近年来我国数控机床增长明显快于普通机床，预计今后3 年我国数控机床 的产量增长将超过普通机床产量2 0 以上。机床进口替代明显，替代空间巨大，且 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 9 具有可持续性。汽车、船舶、工程机械、航空航天等行业的快速发展对我国机床行 业提供了巨大的市场需求。有关专家认为国内的机床消费将保持每年1 5 以上快速 增长，而数控机床将保持3 0 左右的增长速度速。 国内各主要机床制造企业市场竞争能力不断提升，订单饱满，这为行业的增长 奠定基础。此外，机床行业是其它机械行业的上游，其它行业的景气度正在对当前 机床行业产生正向影响，机床行业的景气度在不断攀升。 但是，由于机床行业技术壁垒高，行业盛宴主要由原有优势企业进行分享，在 这种形势下某企业要杀出重围，必须走有自身特色的发展道路，以企业为主体、市 场为导向，加快创建产学研相结合的技术创新新体系。 首先，要形成机床行业的技术创新体系。根据高档数控机床的发展需要，在机 床行业有计划的建立面向汽车行业的自动化装备，组建大型精密复合冲压成形机床、 特种加工机床、高档数控机床以及数控系统功能部件等国家级工程研究中心和国家 级实验室，巩固和发展国家级企业技术开发中心，分别承担数控精密机床、成形机 床、小型数控机床、数控齿轮机床、电加工机床、加工中心、柔性制造单元、柔性 制造生产线、数控重型机床、数控刀具、数字化量仪、数控系统等功能部件的技术 和产品开发任务。 其次，实施“需求导向、主机牵引、重点突破、面上推进 的技术路线。高档 数控机床新产品的开发立项要以市场用户的实际需求为依据，共性和关键技术攻关 和功能部件的开发要以主机发展为牵引，以满足主机需要为根本目的。努力实现我 国数控机床的高速化、智能化、复合化和环保绿色化，提高机床整机的可靠性和产 业化水平。 技术创新要以数控机床和功能部件的骨干企业为主体，实现产学研有机结合， 探索技术消化创新、集成创新和原始创新的新路子。掌握当代数控关键技术，发展 品种，提高自主开发能力，提高国产数控系统和关键功能部件的配套能力，特别是 要提高在国产中、高档数控机床的配套能力。 要以重点工程为依托，加速国产高档数控机床的推广。针对一些重大数控装备 项目，通过“产、学、研、用 的合作、自行研制以及联合引进消化吸收创新等运 作方式，以国家主导的政府采购等政策为导向，大力鼓励定购和使用国产首台( 套) 高档数控机床。 1 0 扬州大学硕士学位论文 当前，首先要抓好以实施“高档数控机床应用示范工程 为突破口，加快高档 数控机床品种开发和产业化步伐，力争每年有一批代表性的国产高档数控机床项目， 使之成为应用于国防军工等重要制造领域的典范，从而促进高档数控机床新品种的 开发并带动国产高档数控机床产品批量地进入国防军工等重要制造领域，改变高档 数控机床需大量进口的局面。 三、电子伺服与电液伺服数控折弯机特征比较 3 。1 液压数控板料折弯机 液压数控板料折弯机是采用全闭环电液伺服控制技术，滑块位置信号由两侧光 栅尺反馈给数控系统，再由数控系统控制比例伺服阀的开口大小，调节油缸进油量 的多少，从而控制滑块( y 1 、y 2 数控轴) 同步运行，始终保持对工作台的平行状态。 数控系统根据折弯机板料的工艺状态，自动控制工作台的挠度补偿量，以达到工件 全长角度均匀一致的效果。 对于折弯工件的不同角度、宽度，在液压数控折弯机上一般只是控制滑块行程 和后挡料位置，以及压力、速度等，这些参数都可以用数控系统参数进行控制。在 液压数控折弯机上使用简单模具在一系列连续折弯后得到复杂的工件和型材。 3 。2 电伺服驱动折弯机 数控系统根据板材的长度和厚度、机床外型、模具等数据，自动计算出滑块的 行程。在接到滑块向下运行的信号后，数控系统通过i o v 模拟量通道向伺服电机 发出运行的指令，模拟量的大小控制伺服电机运行速度的快慢。速度的稳定性通过 速度环控制，原理是伺服驱动器接收到数控系统的指令后，驱动电机转动，电机转 动的状态经由与电机直接联接的编码器转换成方波信号，并反馈给伺服驱动器，与 速度指令比较，用其差值修正电机的速度，从而稳定电机的运行速度。 伺服电机的运转驱动与之相连的蜗杆转动，蜗杆的转动驱动蜗轮的转动；蜗轮 与滚珠丝杆副的螺母固定在一起，且螺母在垂直方向的位置被限制，因而蜗轮的转 动被转换成滚珠丝杆上下方向的垂直运动；滚珠丝杆与滑块联成一体，滚珠丝杆的 垂直运动就是滑块的运动。滑块向下运动时，通过光栅尺的测量，能准确地知道滑 块的当前位置，光栅尺把滑块的当前位置反馈给数控系统，数控系统根据滑块当前 的位置，决定滑块运行姿态快下、慢下、保压、回程和停止等，构成位置环。 来满足折弯工艺要求。 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 伺服电机驱动的数控折弯机，用伺服电机代替了液压伺服系统，用蜗轮蜗杆传 动箱代替了滑块两侧的油缸。伺服电机响应频率远高于伺服阀，可以提高折弯精度； 滑块不运动时，伺服电机停止，节约了能源；伺服电机的调速比可达到1 0 0 0 以上， 可以满足折弯机的任意速度要求。蜗轮蜗杆传动克服了液压传动的缺点，无油清洁， 保护环境。 伺服电机的运行特性可以充分地满足折弯机的工艺要求，最大限度地利用伺服 电机的功率，快下高速时负载轻，则应用恒功率区，在慢下低速( 折弯) 时，负载 大，则应用恒扭矩区。 3 3 优缺点比较 电伺服折弯机的优点是： 调整简单 操作者只需在操作面板上进行编程，就能完成机器的人工调整工作，降低了对 操作人员的技术熟练程度的要求。 折弯精度高 数控折弯机的各种工艺参数是在进行了大量试验的基础上得出的，对提高精度 的措施作了充分的考虑，因而复杂零件的折弯精度是普通折弯机难以达到的。 提高生产率 可以在一次操作中完成所有折弯，上下料和堆垛时问显著减少。 减轻劳动强度 消除了工序问半成品的多次搬运，减少了对机床的人工调整。 节省中间堆放地 工件可一次加工结束，减少了半成品的堆放场地。 电伺服折弯机保持了以上数控折弯机优点外，还具有以下优点： 节能 滑块运动时电机转动，滑块不运动时电机停止。 环保 液压系统存在漏油和换油等问题，给环境造成污染。 运行速度稳定 速度的误差率可以控制在o 1 以内。 1 2 扬州人学硕士学位论文 调速比宽 理论上讲，可以实现折弯机任意速度的组合，而不受油缸结构的限制。 响应频率快 运行平滑，加减速响应快，定位精度高。 四、本课题研究的意义、主要研究内容及论文结构安排 数控机床一直是国家重点支持和推广应用的高新技术。近几年来，政府提出了 振兴制造业发展战略，并在我国中长期发展规划中又将伺服驱动技术作为数控机床 的关键支撑技术，这对我国数控机床的发展和应用带来新的机遇，也必将给机床制 造业带来新的商机。 电子伺服控制技术的出现是数控板料折弯机的又一次革命，本课题的研究将促 进板材加工技术的进步。目前，国内有实力的钣金加工企业纷纷从国外进口电子伺 服数控折弯机，而实力较弱的企业往往由于经济实力原因而不能如愿。本课题所从 事的数控折弯机电子伺服驱动技术的研究，并最终将_ 丌发一台电伺服数控折弯机样 机，凭借其优越的性价比，可促进我国电伺服数控折弯机的普及，大幅度提高下游 企业的产品市场竞争力，可逐步替代进口产品，为国家节约大量外汇。因而，本课 题研究具有重要的经济意义和社会意义。 论文主要研究内容以及论文结构安排 本论文通过对伺服折弯机结构布局、传动系统、控制原理、p l c 程序、有限元 分析以及机床导孰爬行特性等关键技术进行研究，并对数控折弯规的检测、常见故 障的对策进行讨论，最终将完成一台新型电伺服数控折弯机样机的研制。 本论文具体研究内容安排如下： 第一章概述：介绍课题提出的背景及意义，介绍了电伺服折弯枧与传统的饲服 数控折弯机的区别，阐述电伺服数控折弯机国内外技术的发展和现状。 第二章电伺服数控折弯机的结构设计与分析：介绍了电伺服数控折弯机的分类 和结构原理；进行了电伺服数控折弯机结构设计，并机床的基础部件进行了有限元 分析，以保证一次设计的成功率。 第三章电伺服折弯机的控制技术研究：分别说明数控机床的几种控制方式，详 细的介绍了该机床的全闭环控制原理，控制软件的原理等；p l c 在电伺服机床功能 控制中的应用，介绍p l c 对数控机床的作用，研究p l c 在电伺服折弯机上的具体应 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 用；研究数控系统远程诊断技术、视觉控制技术、智能化控制等技术的应用。 第四章数控机床工作台与导轨部件对进给爬行的影响针对导轨的爬行问题 进行了详细的原因分析，并提出了解决的办法。 第五章研究工作的总结与展望 扬州走学硕士学位论文 二章电伺服驱动折弯机的结构设计与分析 目服数控折弯机的不同结构分析 i n n p o w e r 机械伺服折弯机 2 - 1f i n n p o w e r 机械伺服折弯机正面 伺服电机 2 2f i n n p o w e r 机械伺服折弯机后侧 4 n p o w e r 机械伺服折弯机通过一组皮带轮( 见图2 - 1 ) 可咀实现伺服 日矩放大的功能，即称之为省力装置，其结构非常先进，外形美观。 堕堂茎! 里! ! 些堑! 塑蒌垦塾查堡墨! 1 2 1 2 德国通快( t u m p f ) 机械伺服折弯机 _ t r u b e n d7 0 3 6 图2 3 德国通快机械伺服折弯机操作 该机床主要技术参数： 折弯力：3 6 0 心i 折弯长度：1 0 2 0r r 吼 滑块( y 轴) 快下速度：2 2 0 i m n 居 滑块( y 轴) 工作速度：2 5 m m $ 滑块( y 轴) 回程速度：2 2 0 t n l t l ，$ 后挡料( x 轴) 速度： 1 0 0 0 i 3 m s 后挡料( r 轴) 速度：3 3 0 i y l l “s 后挡料( z 轴) 速度： 1 0 0 0 n l l l l 岛 德国通快( t u m p f ) 机械伺服折弯机，其外观非常美观，精致，小巧而功能强 大，见图2 - 3 人机操作非常人性化，从上面的参数也可以看出各项参数指标非常高， 是电液伺服折弯机是不可比拟的，德国通快( t u m p f ) 机械伺服折弯机的技术水平 目前在国际上属于比较商端的，可以说是世界上最先进的。 ! !塑型盔兰堡主堂焦堡塞 213 日本小松( k o m a t a s u ) 机械伺服折弯机 图2 - 4 日本小松机械伺服折弯机 图2 - 5 日本小松机械伺服折弯机伺服电机 日本小松( k o m a t a s u ) 机械伺服折弯机结构比较经典，简单，伺服电机 通过带轮传动给滚珠丝杆，滚珠丝杆驱动滑块上下运动，其结构与本课题的结构方 案有一点点相似。 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 1 7 2 1 4 机械伺服折弯机的几种传动结构原理分析 由于进给伺服系统采用伺服电机作为动力驱动元件，有伺服系统可以实现进给 速度的自动无级调速，无须机械变速，所以，进给传动链大大缩短。对直线移动的 执行部件，伺服电机通常只经一对传动副( 齿轮、齿形同步皮带轮) 或直接于丝杠 ( 直线运动转换元件) 连接。缩短传动链极大的提高了传动精度和刚度。尽管如此， 为了保证迸给伺服系统的传动性能要求，在机械传动结构设计时，除选较高精度的 传动元件外，还必须在结构上减少和消除传动间隙。 一、电机与丝杠的连接结构 ( 1 ) 齿轮传动 齿轮传动的作用：改变运动方向、降速、增大扭矩、适应不同丝杠螺距和不同 脉冲当量的匹配。 齿轮传动有侧隙，造成反向运动死区，必须设法消除。 双齿轮错齿消隙结构： 对直齿轮：将一对齿轮中的大齿轮，分成两个齿轮，套装在一起，两个齿轮的 同侧单面上分别均布安装四个带凸耳的螺钉，用弹簧( 拉簧) 将两螺钉连接起来， 通过弹簧的拉力使两齿轮自然错歼，这样，两个大齿轮在传动时分别与小齿轮的齿 槽的两个侧面始终保持啮合，从而达到消除侧隙的目的。通过调整弹簧的拉力来满 足传动扭矩的要求。 对斜齿轮：将一个斜齿轮分成两个薄齿轮，在两个薄齿轮之间加垫片，改变垫 片的厚度，使两薄斜齿轮的螺旋线错位，分别与宽齿轮齿槽的两个侧面啮合，从而 消除侧隙。侧隙消除量与垫片增减量t 的关系。可由下式计算： a t = a c t g l 3 ( 2 ) 同步( 齿形) 带传动 同步带传动是由一根内圆周表面设有等间距齿的封闭胶带和相应的带轮所组 成的传动。传动时，同步带和带轮多齿啮合，具有齿轮传动，链传动和带传动的优 点。无相对滑动，传动平稳，均匀，无啮合间隙。由于胶带中间有金属骨架，弹性 伸长很小，具有较好的传动刚度。是一种好的无隙传动，所以，在伺服进给传动中 得到应用。 ( 3 ) 齿轮或带轮与轴的连接 l g 扬州火学硕十学纰论文 当齿轮或带轮与轴的连接时也需要消除传动间隙。 采用双键消除间隙：用紧定螺钉在键的侧面顶紧键。使键紧靠键槽，消除间隙， 两个键分别传动不同旋转方向。 采用锥环副连接：锥环副由一个带内锥的圆环和一个带外锥的圆环配对组成。 连接对，将若干( 般位2 ) 副锥环副安放在轴和轮孔之间，外锥环的孔与轴、内锥 环的外圆与轮孔小间隙配合。拧紧端盖螺钉，使端盖靠近轮的端面，端盖端面推动 内锥环，使内、外锥环相互挤压，这时，外锥环内孔缩小，抱紧轴，内锥环外径胀 大，胀紧孔，实现轴与轮的无链联结。 c 4 ) 联轴节 电机与丝杠直接联结时，使用联轴节。 套筒加锥销联结。弹性联轴节， 二、滚珠丝杠螺母副 ( 一) 滚珠的循环方式 外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离。制造工艺简单；径向尺寸大，刚 度低，易磨损，噪音大。 内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠接触。鲒构紧凑，刚性好定位可靠， 不易磨损，摩擦损失小。结构复杂，制造困难。 ( 二) 滚珠丝杠螺母副的预紧 滚珠丝杜螺母副必须预紧才能正常工作。预紧：消除滚珠与滚道的间隙，保 证传动精度；使滚珠与滚道有点接触变成微小面接触，提高传动刚度。常采用双螺 母，使两个螺母产生轴向位移，以消除间隙和施加预紧力。预紧常有三种结构： 1 螺纹消隙结构 个螺母外断为法兰，另以螺母外端为螺纹，上装两个圆螺母，两螺母以平键 与螺母座相鞋，限制螺母的转动。拧紧圆螺母，就能使两螺母在轴向产生位移，消 除闻隙和簏加预紧力。结构简单，调整方便；调整精度差。 2 垫片消隙结构 两螺母外端都为法兰结构，通过修磨挚片的厚度，使两螺母产生轴向位移， 消除间隙和施加预紧力。结构简单，刚性好，装拆方便i 调整麻烦。 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 1 9 、时耐 矿辅 i 】 l 一一 li 一 疆一 v 1 矗 l 7 泌【 孓 。丑t f 馋f r l 了矗 | l23 。 x 软 3 齿差调隙结构 两个螺母的外端制成圆柱外齿轮，其齿数差为一。两个内齿圈用螺钉和销钉固 定在螺母座上。预紧时，先取出内齿圈，使两个螺母分别在相同方向转过一个或几 个齿，这时，两螺母在轴向产生相应的位移，其消隙位移距离s 可用下式计算： 膨 s = 一 z l z 2 n 转过的齿数，t 丝杠导程。z 1 ，z 2 齿数。 ( 三) 丝杠的预拉伸 滚珠丝杠工作时会发热。发热使丝杠热膨胀，从而加大导程，影响传动和定位 精度。对要求很精密传动的丝杠，需要补偿热膨胀。丝杠预拉伸就使常用的补偿方 法。 在制造时，使丝杠螺纹部分的长度小于公称长度( 导程乘螺纹圈数) 一个预拉 伸量。预拉伸量略大于热膨胀量。装配时，通过一定拉伸结构，将丝杠拉长一个预 拉伸量，使丝杠螺纹部分到公称长度。工作时，热膨胀量抵消部分预拉伸量，丝杠 拉应力下降，但长度不变。从而保证螺距精度不受热膨胀的影响。 垫堑捌丕堂堡主堂垡堡墨 22 本课题电伺服数控折弯机总体结构设计 图2 6 整机结构示意图 图2 7p b e - 5 0 2 0 5 0 电伺服折弯机样机外形 23 、伺服电机式折弯机用蜗轮蜗杆传动机构 折弯机发展到现在其基本结构已趋于一致，液压传动由于其较多的优越性，因 曹光荣：电伺服折弯机关键技术研究 2 l 此双油缸结构的液压板料折弯机被广泛使用，电液伺服的数控板料折弯机在国外已 占到市场份额的绝大多数。但随着数字控制技术的飞速发展和伺服电机技术的日益 完善，及一些用户对板材表面质量要求较高，对液压传动的折弯机的油液的渗漏情 况比较敏感，电伺服折弯机在这些行业得到了运用和发展。本课题研究的是一种蜗 杆传动( 代替；油缸结构) 的新型机械伺服折弯机伺服电机式数控折弯机。 蜗杆传动的原理是：在滑块的两端开有两个方孔，在方孔内各安装有一个蜗轮 蜗杆传动箱，传动箱固定在机器两侧的立柱上。当伺服电机运行时，驱动与之相连 的蜗杆旋转，蜗杆的旋转驱动与之相耦合的蜗轮转动，蜗轮的转动带动与之相配合 的滚珠丝杆副的螺母转动，螺母在垂直方向的位置被固定，因而螺母的转动被转换 成滚珠丝杆的垂直方向的直线运动。折弯机滑块与滚珠丝杆连接在一起，两只电机 同时动作，因而实现滑块的上、下运动，见图2 6 、图2 8 。 滑块两端的位置同步由电机编码器、光栅尺和数控系统组成的闭环控制系统保 证，滑块运行的速度由数控系统控制电机的转速实现，从而实现数控折弯机的各种 动作规范和功能。 采用双伺服电机控制，通过蜗轮、蜗杆传动，直接由滚珠丝杆驱动滑块，滑块 位置出光栅尺检测并反馈给系统，形成闭环控制系统。具有精度高、频率响应快， 调速范围宽、稳定性好等特点，可满足机床滑块的任何速度控制和各种折弯工艺的 要求。 1 调节螺钌及锁紧螺母2 滚珠丝秆 6 上侧联接轴套7 蜗轮箱体 1 1t 侧轴垂 1 2 防尘圈 图2 8 涡轮蜗杆结构图 4 上侧盖板5 上侧园锥滚子轨承 9 蜗轮1 0 滚珠丝秆螺母 1 4 伺服电机煳黼潲 3 8 b 扬州大学硕士学位论文 2 4 关键基础件结构有限元分析 2 4 1 有限元分析的作用 利用s o l i d w o r k s 软件建立了数控折弯机滑块的三维有限元模型，应用o p t i t r u c t 优化模块中的渐进结构优化算法对滑块进行了基本位移和应力约束的拓扑优化，在 a n s y s 中对优化前后相同工况下滑块的静态特性进行分析于比较。结果表明，在 满足折弯机性能要求的条件下减轻了滑块的重量。为折弯机的合理设计与优化提供 了可靠的依据。 折弯工艺具有高效率、高精度、低成本、无污染和产品质量稳定等优点，在汽 车、机械、电力、五金以及电器等行业都具有广泛应用。高效、精密和批量生产是 现代化工业文明的基础，板材加工设备的自动化技术自2 0 世纪6 0 年代起步至今， 已取得了长足的发展。数控折弯机是目前使用较为广泛的金属板材成形设备，随着 市场经济的飞速发展和科学技术的日新月异，数控折弯机在工业生产中的作用显得 越来越重要。 传统的折弯机设计方法是依据材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式进 行计算，虽然具有理论指导意义，但是存在许多简化条件，因而精度不高。有限元 法概念清楚、直观，可以灵活运用来处理各种复杂问题。采用有限元技术可以方便 地模拟出不同工况下应力与变形的分布，找出结构薄弱环节，在设计研发阶段即可 以对产品的性能做出准确地预测与评估。近年来，随着国内外市场对折弯机精度要 求越来越高和原材料价格的不断上涨，很多折弯机生产企业开始逐渐重视有限元技 术在产品设计研发中的应用。在现有的对数控折弯机有限元分析中，采用a n s y s 有限元软件对折弯机机架迸行了三维变形应力分析，并对机架变形进行实际测试， 找出了其薄弱环节，为折弯机的结构设计提供了有价值的依据。利用a p d l 语言对 折弯机机架进行参数化建模，在a n s y s 中进行了线性静态分析，得到了该部件的刚 度及强度值。随着基础理论和计算机技术的发展，锻压机械行业中广泛运用有限元 技术