毕业设计（论文）-数控转塔冲床主传动的设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 课题背景与意义数控转塔冲床（Numerical Control Turret Punch Press）集机、电、液、气于一体化，是一种用来对钣金成型或分离的数控加工设备，其具有转塔模具库，可实现自动旋转换模，所以称为转塔冲床。数控转塔冲床主传动系统是提供冲头冲压板材的动力源，主传动部分的冲压频率直接影响着数控冲床的生产频率，因此，主传动部分的发展状况决定着数控转塔冲床的发展状况，也一直是生产厂家和用户关注的焦点问题。目前，国内冲床设备生产厂家生产的冲床主要采用机械式主传动和液压式主传动。机械式主传动系统的原理是使用普通电机来驱动曲柄滑块机构来完成冲压过程，这类形式的数控冲床冲压行程固定，冲压速度也无法得到提高，另外耗电量和冲击噪音都比较大，因此很多厂家和用户都已经不在使用这类冲床。液压式的主传动系统的原理是使用液压泵来提供动力驱动冲头完成冲压过程，这类冲床虽然弥补了机械式主传动冲床的一些不足，但是也有着它自身的缺点，比如对环境温度要求较高、耗电量大等。然而，新兴的伺服电机驱动式主传动既具有机械式主传动结构可靠的特点，也兼备了液压式主传动的诸多特性，拥有无法比拟的优越性，这一传动方式目前仅掌握在国外少数生产数控转塔冲床的厂家手中。因此，本课题紧跟国外最新技术，研究伺服电机驱动的数控转塔冲床，对于提高国内数控冲床的市场竞争力具有一定的现实意义。1.2 数控转塔冲床国内外研究现状当前，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。1.2.1 国内研究现状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，再由飞轮通过离合器驱动曲柄连杆机构，实现冲压运动。上世纪九十年代末，随着液压技术的发展，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，由于国外对新型的冲压方式展开了一系列的研究，国内相关人士和数控冲床生产厂商也纷纷开始关注伺服主传动的研究。如今，此项研究在国内仍然只是停留在对国外设备的改造上，并没有实质性的研究进展1。相对于国外来说，国内数控冲床生产厂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些功能，但整机质量以及系统综合性能缺乏优化。同时缺乏对产品的设计方法的系统研究，一些产品的研制只是应付市场或是某种设备改造，特别是在产品的虚拟设计制造技术、控制技术、专业计算方法等方面落后，致使产品的创新和原创能力相比国外比较缺乏。1.2.2 国外研究现状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AMADA公司、日本Muratec公司、芬兰FINNPOWER、比利时LVD、德国Trumpf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，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、液压伺服传动向全私服发展，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（与传统控制转塔冲床相比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）。日本AMADA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十分不稳定，其整机性能有待进一步提高。1.3 课题研究主要内容本文参照村田MOTORUM2048UT数控伺服电机驱动式多工位冲床的技术要求，对数控转塔冲床进行设计，主要完成以下几项工作：（1） 主传动系统的结构设计。分析比较各种机构的优缺点，确定结构形式；（2） 对肘杆机构进行运动学和动力学分析，确定杆件的长度，选择合适的伺服电机，利用MatLab软件绘制出关系曲线图；（3） 主传动系统控制电路的设计。1.4本章小结本章介绍了课题的背景及选题意义，总结了目前国内外在研究数控转塔冲床方面的现状，最后给出了课题研究的主要内容。2 数控转塔冲床主传动系统及结构选型2.1 数控转塔冲床主传动系统介绍作为金属板材加工关键设备的数控转塔冲床，至今已有将近六十年的应用和发展，数控转塔冲床的关键核心技术之一的主传动系统也在不断地被一步一步的改进，以适应现在加工理念的需要。至今为止，数控转塔冲床的主传动系统主要有三种结构形式：机械式主传动系统、液压式主传动系统和伺服电机式主传动系统。下面分别介绍一下。2.1.1 机械式主传动系统机械式主传动系统是应用在数控转塔冲床上最早的主传动系统，最初的机械式主传动系统部件普通电机、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2。图2-1 机械式主传动系统原理图这种主传动的工作过程是普通电机的旋转运动经过一系列的减速机构传递到曲柄轴上，然后经过连杆和滑块相连接，连杆将曲柄的旋转运动转变成滑块的直线运动，滑块垂直上下运动，将模具的冲头压入金属板料中，完成冲压动作。冲头在向下运动时，离合器闭合，飞轮储存的能量通过曲轴连杆机构传递到冲头上；当冲压结束，冲头向上运动时，离合器脱开，解除了飞轮对曲轴连杆的扭矩传递作用，与此同时，制动器开始制动，使曲轴转动至上死点时停止运动。机械式驱动的数控转塔冲床虽然具有结构简单，产品价格低，性能稳定等优点，但是，这类冲床的缺点也是显而易见的。首先，机械式数控转塔冲床必须等飞轮转过一圈，才进行一次冲压，冲压行程是固定的，所以冲压速度没法提高。其次，由于冲头的行程没法控制，进行成型冲压时不易控制。另外，这类冲床还具有耗电量大、冲压噪音大等缺点。2.1.2 液压式主传动系统液压式主传动系统最早被应用在数控冲床上是上个世纪九十年代，到目前为止仍然是数控转塔冲床上的主流配置。液压式主传动系统与机械式主传动系统相比，液压站代替电机提供动力，用油缸取代曲轴连杆等机械结构，液压站和油缸之间用主液压阀块连接，通过专门的电子卡程序化控制整个系统的动作，同时对于冲头位置、行程和速度的精确控制由连接于油缸活塞杆上的电子传感器通过对冲头的实时测量和反馈来实现。液压式驱动的数控转塔冲床通过液压缸驱动冲头，由电液伺服阀进行冲压控制，冲压速度得到提升。由于液压缸行程可控制，所以可以通过控制冲头的行程来调节成型模具，很方便的进行成型加工。虽然这类冲床被得到了广泛的应用，但是也还存在着许多不足之处，比如对环境要求高、耗电量大、占地面积大等。2.1.3 伺服电机式主传动系统由于上述两类冲床存在着很多不足之处，所以各厂家有开发研究出了第三代数控转塔冲床伺服电机驱动数控转塔冲床。这类机床的主传动系统的结构都是在传统的机械式主传动系统的结构基础上加以改进，目前主要有两种：（1）伺服电机直接与曲轴相连，省去了传统机械式主传动系统中的飞轮及离合器与制动器，这样可以获得很高的冲压频率；（2）伺服电机通过减速机构与曲柄连杆机构相连，利用曲柄连杆机构的减速增扭特性，可以降低伺服电机的负载扭矩，另外，曲柄旋转一周，滑块能够上下运动两次，冲压频率更高。伺服电机驱动数控转塔冲床具有节省能源、噪音低、效率高等诸多优点，因此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势。2.2 伺服电机驱动主传动的结构选型伺服电机主传动的结构有曲柄滑块机构、肘杆式机构和多杆式主传动机构三种。各机构简图如图2所示。（a）曲柄滑块机构(b)肘杆机构32141.曲柄 2.连杆3.肘杆 4.滑块 图2. 曲柄滑块机构和肘杆机构结构简图曲柄滑块机构（图2（a）是最早应用于冲床的机械式主传动，利用电机传递的旋转运动带动连杆一起旋转，而连杆则带动着滑块做上下往复运动，达到了将旋转运动转换成直线运动的目的。这种机构最大的特点就是具有急回功能，而且结构简单，维护方便，成本较低。但是该机构在冲压过程中上下模合模时滑块的瞬时冲击力较大，影响主机和模具的使用寿命。曲柄滑块机构中一旦连杆的参数确定，滑块的行程、速度、加速度曲线也就跟随确定，因此不适合用于具有复杂冲压工艺要求的冲床上。肘杆机构的结构简图如图2（b）所示，肘杆式机构实质上是由不同形式的双曲柄滑块机构组成，其曲柄半径小、功率消耗低、工作行程大及回程速度高，在高频率下能够得到低而均匀的工艺速度。曲柄转动一圈，滑块上下往复运动两次，即完成两次冲压过程，比曲柄滑块机构的工作效率提高了一倍。肘杆机构的最大特点是具有机械力放大作用，这样可以降低电机的负载特性。相对曲柄滑块机构，肘杆机构仅增加了两个杆件，就大大改变了主传动系统的运动特性和动力特性，结构更紧凑，刚性也得到明显提高。多杆机构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，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。综上所述，本课题选用肘杆机构作为数控转塔冲床的主传动机构，具有如下优点：（1）在工作行程阶段获得符合冲压工艺要求的速度，能保证冲压工件的质量；（2）提高了滑块的空程和回程速度，从而提高了生产效率；（3）降低了模具与工件的接触速度，利于提高模具寿命，减少了振动和冲击，使机器工作平稳、噪声降低；（4）用较小的曲柄半径可获得较大的滑块行程，并增大了公称力行程量。91,23456781伺服电机 2减速机构 3曲柄 4连杆5过渡杆 6中肘杆 7上肘杆 8下肘杆9滑块图3. 主传动系统的组成肘杆式伺服主传动系统的组成如图3所示。由伺服电机1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最终将动力传递给滑块8。3 主传动系统的机械系统设计及伺服电机选型3.1 前言本课题研究的伺服电机驱动的数控转塔冲床主传动系统采用的曲柄肘杆式机构原理图如图3-1所示。D CBAO1O2EO1A曲柄 AB连杆 BC过渡杆CD中肘杆 O2D上肘杆 DE下肘杆 图3-1 曲柄肘杆机构原理图 3.2 滑块E的运动学分析3.2.1 滑块B的位移SB与曲柄转角之间的关系BRABLSBmaxO1R1L1BSB 图3-2 曲柄O1A与滑块B之间的运动关系简图曲柄O1A与滑块B的运动关系简图如图3-2所示，曲柄O1A由伺服电机通过减速机构带动旋转，曲柄滑块机构将旋转运动转变为B的直线运动。当曲柄转角=00时，滑块B到达最右端BR处，此时，SB=0；当曲柄转角=1800时，滑块B到达最左端BL处，此时，SB= SBmax；当曲柄转角为任意角度时，SB=O1BR-O1B。易得滑块B的最大位移SBmax =2R1。根据图中的几何关系可以推导出： （3-1）而曲柄O1A转角与连杆AB的转角的关系可由正弦定理得到： （3-2）若令R1/L1=1，则 （3-3） （3-4）联立式（2-4）和式（2-1），并整理得： （3-5）利用余弦定理可以得到用滑块B的位移SB表示曲柄转角之间的关系式： （3-6）3.2.2 曲柄转角之间与上肘杆O2D的转角的关系CRCLSCmaxSCEDCO2MR2L2图3-3 滑块C的位移与上肘杆O2D之间的关系图要想得到曲柄转角与上肘杆O2D的转角之间的关系，可以通过研究与滑块C之间的关系得到，因为过渡杆BC两端滑块B和滑块C的位移相等。由图3-3可以得出以下关系：（1）当上肘杆O2D的转角为正向最大值时（逆时针方向为正），滑块E位于上死点位置，此时滑块C位于最右端CR处；（2）当上肘杆O2D的转角为0，滑块E位于下死点位置；（3）当上肘杆O2D的转角为负向最大值时，滑块E位于上死点位置，此时滑块C位于最左端CL处。设max时，D位于DR处，则CRDR在水平方向的分量为： （3-7）CD的X轴分量和Y轴分量分别为： （3-8） (3-9)由于上肘杆O2D是左右对称摆动的，所以有以下关系： （3-10）即 （3-11）而 （3-12）且整理可以得到与的关系式：（3-13）3.2.3 滑块E位移与上肘杆O2D转角之间的关系SESEmaxEBETEDO2R2L2图3-4 滑块E位移与上肘杆O2D转角之间的关系图图3-4所示为滑块E位移与上肘杆O2D转角之间的关系，与图3-2的结构关系相同，分析方法也相同，因此，可以得到下面的关系式： （3-14）式中2=R2/L23.2.4 滑块E的速度分析上一节推导出滑块E的位移关系，对其求导可得出滑块E的速度关系式： （3-15）式中为上肘杆O2D的角速度。3.3 主传动系统中曲柄肘杆机构各杆件的长度确定在数控转塔冲床主传动系统中，首先考虑的是滑块E的最大行程。本课题将依据村田MOTORUM2048UT数控伺服电机驱动式多工位冲床的主要技术规格进行设计，其规格要求如表3-1所示：表3-1 MOTORUM2048UT技术规格冲压能力200KN最大加工板厚6.35mmX轴行程2550mmY轴行程1360mm加工板材夹钳不移动1250mm2500mm夹钳一次移动1250mm5000mm喉深1340mm最大加工重量150KG冲压速度连冲模式355hpm（25mm间隔 8.3mm冲程）刻印模式900hpm（0.5mm间隔 1.4mm冲程）工位数54工位（自动旋转工位2）44工位（自动旋转工位4）冲压方式AC伺服（第三代结构）电压380V 50HZ根据表3-1中数据和本章3.2节确定的各杆件的运动学关系，确定各杆件的尺寸如下：R1=40mm，L1=300mm，M=400mm，R2=120mm，L2=480mm，进一步可以得到以下数据：max=19.200，SEmax=8.3mm。3.4 主传动系统伺服电机的选择在选择伺服电机时，遵循电机功率最小的原则。数控转塔冲床主传动在工作过程中主要能量是用来完成冲压过程，即克服板材变形所做的功。板材变形功A可用下式近似求解： （3-16）式中：A板材变形功（单位：J）； F冲床公称力（单位：N）； h0冲压板材厚（单位：m）本课题设计的数控转塔冲床的冲压公称力F=200KN，最大加工板材厚度h0=6.35mm，所以板材变形功A为：一次冲压过程所需的总能量为： （3-17）在已知的条件下，数控转塔冲床最高冲孔频次为n=900hpm，则曲柄的工作周期为： （3-18）冲床完成一次冲压过程，伺服电机所需的平均功率为： （3-19）考虑到伺服电机在运转时的安全因素，在选择伺服电机时，乘以一个安全系数K（取值范围1.21.6），则伺服电机的功率为：P=1.2Pca1.6Pca=12.9617.28（KW）。因此，本课题选用南京埃斯顿自动控制技术有限公司生产的EMB型伺服电机，其型号为EMB-1EDSA11，额定功率为15KW，额定转矩为95.5NM。3.4 数控转塔冲床主传动系统工作模式伺服电机驱动的数控转塔冲床具有高速加工、连冲加工、静音加工、成型加工等多种加工模式（如图3-5所示）。3图3-5 数控转塔冲床主传动系统不同工作模式曲线图接下来将讨论一下连冲加工模式下的冲床。3.4.1 运动学分析前面章节已经分析了数控转塔冲床主传动机构的运动学关系，并确定了各杆件的尺寸，因此，将数据代入将得到本课题设计的冲床的关系式： （3-20） （3-21） （3-22）通过整理上面三个式子就可以得到滑块E的位移与曲柄转角之间的关系，利用MatLab软件的绘图功能得到两者之间的关系曲线图如图3-6图3-8所示。图3-6 曲柄O1A转角与滑块B的位移SB关系曲线图图3-7 滑块B位移SB上肘杆O2D转角之间的关系曲线图图3-8 滑块E位移SE与上肘杆O2D转角之间的关系曲线图数控转塔冲床在应用中如果知道了连冲加工模式中滑块的位移-时间关系，同样也可以得到电机与滑块E位移的关系。3.4.2 动力学分析曲柄肘杆机构各杆件的受力分析如图3-9所示。F反冲压FDED CBFCDFBCFABFAAO1FO2DO2图3-9 曲柄肘杆机构受力分析图4 数控转塔冲床主传动控制系统的设计4.1 主传动控制系统介绍运动控制就是通过机械传动机构对运动部件的位置、速度进行实时的管理，是运动部件按照给定的运动参数进行相应的动作。数控转塔冲床运动控制系统典型构成由上位机、运动控制器、伺服放大器、电机、反馈元件、执行原件等几部分组成，如图4-1所示。反馈元件伺服驱动器上位计算机运动控制器交流伺服电机 应用程序指令运动指令 负载图4-1 运动控制系统典型构成框图近年来，伺服电机控制技术正向数字化、交流化和智能化三个方面发展，随着现代控制理论的发展，伺服电机控制技术成为了机床控制系统的重要组成部分。数控机床的伺服系统分为开环伺服系统、全闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按照数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件；闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件；半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，半闭环伺服系统在数控机床中应用很广4。伺服电机的控制系统的性能相比其它控制系统具有很多明显的优势，表现在以下几个方面：（1）低频特性好。交流伺服电机控制系统在低速时不会出现低频振动现象，运转平稳，系统内部还具有频率解析功能，能够检测出机械部件的共振点，以便于系统的调整；（2）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由安装在电机后端的反馈元件保证，因此其精度可以达到很高；（3）过载能力强。交流伺服电机具有较强的过载能力，一般伺服电机的瞬间最大转矩是额定转矩的2-5倍，能够克服启动瞬间或过载时的惯性力矩；（4）速度响应快。交流伺服电机从静止加速到额定转速仅需几毫秒的时间；（5）矩频特性佳。交流伺服电机的力矩输出为恒力矩输出，在其额定转速以内，都可以输出额定转矩。交流伺服电机控制系统中各个组成部分分工明确，各自完成相应的功能。运动控制器用以生成轨迹点和闭合位置的反馈环，伺服驱动器的功能是将来自运动控制器的控制信号转换为更高功率的电流或电压信号，伺服电机作为执行机构的动力源将运动输出，反馈元件（如旋转编码器）检测执行件的一些信号（如速度、位置等）反馈到运动控制器实现控制环的闭合。4.2 运动控制器目前，国内运动控制器依据核心部件的不同可以分为三类：单片机为核心的运动控制器、专用芯片（ASIC）作为核心的运动控制器、基于PC总线以DSP和FPGA为核心的运动控制器。基于PC总线以DSP和FPGA为核心的运动控制器具有开放式的结构，采用闭环伺服控制，其特点是：（1）基于标准的计算机和工业总线；（2）开放式的硬件结构；（3）适用于多种操作系统；（4）充分利用PC机的资源。因此，该类运动控制器目前被广泛应用于伺服控制系统中，其功能框图如图4-2所示。 环型队列缓冲器运动控制器标准的计算机和工业总线驱动 I/O控制 逻辑控制 指令缓冲直线/圆弧插补,误差补偿闭环控制用户界面参数设定编辑编译PLC诊断通信机床面板控制马达手脉可编程和扩展的伺服电机控制接口图4-2 运动控制器功能框图4.3 伺服驱动器伺服驱动器也叫做伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器，其核心是数字信号处理器，可以实现比较复杂的控制算法，是现代技术中数字化、网络化和智能化的核心体现。目前大多数厂家都在生产伺服电机的同时配备伺服驱动器，因此，伺服驱动器在选择时都是依据伺服电机而成套选择的。伺服电机与伺服驱动器的接线图如图4-3所示。图4-3 伺服电机与伺服驱动器接线图4.3 本章小结本章对伺服电机控制系统进行了介绍，并讲解了运动控制器和伺服放大器的工作原理以及伺服电机与伺服驱动器之间的接线图。如果将一台机床比作一个人，那么机械系统部分相当于人的躯干的话，控制系统则是一台机床的灵魂，因此，控制系统和机械系统两者相辅相成的完成工作。5 结 论本文首先介绍了数控转塔冲床及其伺服电机驱动的主传动系统，深入研究了曲柄肘杆机构的运动学和动力学关系，并在确定了数控转塔冲床主传动各杆件的基础上分析了连冲加工模式下冲头的位移、速度与曲柄转角之间的关系，并利用MatLab软件绘制出了关系曲线图。选择伺服电机时，依据电机功率最小原则选择了埃斯顿公司生产的功率为15KW的EMB型伺服电机。本课题的另一个重点是数控转塔冲床主传动系统的控制系统设计，控制系统主要是由PC机、运动控制器和伺服放大器完成的，在仔细研究了运动控制器和伺服放大器的原理后，绘制了控制系统的接线图。参 考 文 献1 陈松. 数控转塔冲床伺服电机主传动的研究D. 华北电力大学硕士学位论文摘要. 2009:3-52 卢秋霞, 董学仁, 王洪蛟等. 数控转塔冲床主传动的发展J. 仪器仪表用户, 2007, 14(6):127-1293 铃木芳浩. 伺服电机驱动的数控转塔冲床MOTORUMJ. 电器制造, 2007,2:86-874 刘西明, 数控系统伺服电机控制J. 中国新技术新产品, 2010,3:1475 孙桓, 陈作模, 葛文杰. 机械原理M, 第7版. 北京: 高等教育出版社, 2006.5:109-1506 李郝林, 方键. 机床数控技术M, 第2版. 北京: 机械工业出版社, 2007.5:151-1587郭庆鼎, 孙艳娜, 刘惠严. 数控机床用直线式交流伺服电机及其控制策略J. 组合机床与自动化加工技术. 2000 (5): 3436,44.8唐唤清. 数控机床直线进给伺服驱动技术及其控制策略J. 湖南工程学院院报. 2001