100吨伺服曲柄压力机设计与制造

1、SHANDONG100 吨伺服曲柄压力机设计与制造指导： 赵婷婷 教授二一二年十一月- 1 -目目 录录第一章第一章 引言引言.21.1 伺服压力机的技术进展 .21.1.1 伺服压力机的发展现状1.1.2 伺服压力机的发展趋势1.2 技术参数与设计内容 .51.2.1 伺服曲柄压力机技术参数1.2.2 课题内容1.3 研究意义 .61.3.1 研究的目的1.3.2 研究的意义第二章 伺服曲柄压力机的设计分析.72.1 工作原理.72.1.1 传统曲柄压力机工作原理2.1.2 伺服曲柄压力机工作原理2.2 运动分析 . 102.2.1 滑块位移与曲柄转角的关系2.2.2 滑块速度与曲柄转角的关

2、系2.2.3 滑块加速度与曲柄转角的关系2.3 受力分析 . 142.3.1 连杆与导轨受力分析2.3.2 曲轴受转矩2.3.3 压力机许用负荷图第三章 伺服曲柄压力机的设计计算.173.1 动力系统设计 . 173.1.1 曲柄压力机工作周期内能量消耗3.1.2 曲柄压力机的选用3.2 工作机构设计 . 略第四章 伺服曲柄压力机的制造图 .194.1 工作机构制图 . 194.2 整机结构制图 . 20第五章 结束语 .21- 2 -第一章第一章 引言引言1.1 伺服压力机的技术进展传统的曲柄压力机均以传统感应电动机为动力，靠飞轮储存和释放能量，离合器控制设备的运行和停止。因传统电机不具备控

3、制功能，传统压力机的运动和压力无法控制，滑块工作特性固定，工作适应性差，缺乏柔性，已经无法满足冲压生产日益提高的加工质量的技术要求。伺服曲柄压力机是在摒弃传统曲柄压力机的大飞轮和离合器等耗能部件的基础上，采用计算机控制的开关磁阻伺服电机作为压力机的动力源，通过曲柄机构将电动机的旋转运动转化为滑块的直线运动。伺服曲柄压力机与传统曲柄压力机相比，具有结构简单、生产效率高、产品质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。1.1.1 伺服压力机的发展现状上世纪末，在日、欧洲等工业发达国家兴起了伺服电动机驱动压力机的研究与开发。日本会田 (AIDA)、小松 (KOMATSU)和网野 fAMINO)等压力

4、机制造企业相继推出了多种传动结构、不同规格的伺服压力机。伺服压力机在日本进入了普及期。由于国外的开关磁阻伺服电机技术发展缓慢，国外仍在沿用永磁伺服电机驱动压力机。随着中国山东科汇电力自动化有限公司开关磁阻伺服电机技术的推出，我国压力机企业在全面掌握传统曲柄压力机设计和制造技术的基础上，借助于科汇公司先进的智能数控技术，研发了不同种类、不同等级的伺服压力机。如今，随着我国经济的快速增长，对高精度、高效率的大型伺服压力机的需求不断增加。以占行业总销售额 68的汽车冲压件为例，正以每年 25的速度增长。下面是网野伺服压力机和国内伺服压力机主要技术参数对照。- 3 -通过技术参数的对照和伺服压力机在企

5、业的应用，总结国内外伺服压力机的主要特点：1.1.2 伺服压力机的发展趋势随着制造业国际竞争日益激烈，高效率制造高精度、高品质产品的伺服压力机的需求越来越强烈，开关磁阻伺服电机技术的成熟，开关磁阻伺服压力机成为发展趋势。开关磁阻伺服压力机的优势为：(1)柔性化、智能化生产。随着伺服技术的发展，伺服压力机采用可任意调节的伺服电机，其自动化、智能化程度提高，可以获得任意的滑块性能，设备工艺适应性提高。(2)节能环保。在普通压力机中，飞轮空转耗能占总能耗的 630离合器耗能占总能耗的 20。伺服电动机取消飞轮和离合器，简化传动系统，节约能耗。与液压机相比伺服压力机消除了油液污染，传动系统简化，传动噪

6、音减少，改善了生产环境。(3)精度高，生产效率提高，模具寿命高。伺服技术、滑块位移检测技术、滑块行程控制技术等在伺服压力机的应用使得滑块在任意位置可以准确控制，提高加工精度。制造业对少无切削加工的需求，使伺服压力机步入了快速发展期。开关磁阻伺服压力机将淘汰传统压力成形设备，包括锤类设备和传统压力机类设备。开关磁阻伺服压力机成为未来发展的必然趋势。- 4 -1.2 本设计课题的技术参数1.2.1 伺服曲柄压力机技术参数名称名称符号符号量值标称压力KNFg10/100标称压力行程mmSg/10滑块固定行程mmS /140标称行程次数)min/(1-次n60连杆系数连杆系数0.11.2.2 课题内容

7、100 吨伺服曲柄压力机设计与制造课题，以开关磁阻伺服电机为动力，进行曲柄滑块机构的运动分析、受力分析、动力与传动系统设计和曲柄滑块工作机构设计等。- 5 -1.3 本课题的目的与意义1.3.1 本课题的目的伺服曲柄压力机摒弃传统曲柄压力机的飞轮、离合器等耗能部件，采用开关伺服电机为动力源。该设计目的为：提高压力机的通用性及智能化水平。由于具有伺服功能，滑块运动曲线不再仅仅是正弦曲线，而是可以根据工艺要求进行优化设计的任意曲线。提高压力机滑块运动精度。由于采用位置全闭环控制，在电机、曲轴、滑块上分别装有测量电机转角、曲轴转角和滑块位置的传感器，滑块在压力机工作全程中都具有高的运动控制精度。提高

8、压力机生产率。由于其保留了曲柄压力机的优点，而生产率远高于液压机，体现了液压机的加工质量与机械压力机的生产效率。节能。常规曲柄压力机中驱动电动机旋转，带动飞轮旋转，靠飞轮转动惯性，通过离合器控制滑块运动。而伺服电机驱动压力机，靠电机的扭矩和速降释放能量工作，无离合器，由控制器控制电机的运动。因省去了飞轮，电动机在冲压时才旋转，又由于没有离合器，使普通曲柄压力机电动机和飞轮空转的耗能得以节省，同时也减少了离合器的能耗。减少噪声、提高模具寿命。由于可以设计特殊的工作特性曲线，进而控制冲裁时的冲头速度，便减少了冲裁的振动及噪声，提高了模具使用寿命。维修性好。伺服压力机的维修量是机械压力机和油压机的

9、13，因为不使用飞轮、制动器、离合器及液压阀等，所以没有损耗品。满足新材料成形 航空、航天、航海、核电及汽车工业的发展，涌现出许多先进的高强度板材及铝合金板材。1.3.2 本课题的意义伺服曲柄压力机的各项优点促使其在拉延成形工艺、冲裁成形工艺等众多领域得到了广泛应用。 伺服电机驱动的压力机可大大提高设备的柔性化和智能化水平，改善压力机的工作特性。伺服压力机将全面淘汰传统压力机，使传统产业升级换代，- 6 -实现智能化、数控化、自动化。第二章第二章 伺服曲柄压力机的设计分析伺服曲柄压力机的设计分析2.1 工作原理2.1.1 传统曲柄压力机工作原理曲柄压力机是冲压及锻压生产中广泛使用的一种压力加工

10、设备。曲柄压力机通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为冲压加工生产所需要的直线往复运动，在冲压加工生产中广泛用于冲裁、弯曲、拉深及翻边等工序。因此曲柄压力机又称为通用曲柄压力机。图 2-1 为 J21-100 通用压力机外形图，图 2-2 为其工作原理图。工作原理为：电动机 1 通过 v 带把运动传给大带轮 3,再经小齿轮 4、大齿轮 5 传给轴 7。连杆 9上端装在曲轴上，下端与滑块 10 连接，把曲柄的旋转运动转变为滑块的直线往复运动，滑块运动的最高位置称为上止点位置，而最低位置称为下止点位置。冲压模具的上模 11 装在滑块上，下模 12 装在垫板 13 上。将板料放在上、下模之间，即能

11、进行冲裁或其他冲压加工。曲轴 7 上装有离合器 6 和制动器 8，只有当离合器 6和大齿轮 5 啮合时，曲轴 7 才开始转动。要使曲轴停止转动时，可将离合器与齿轮脱开和制动器制动。图图 2-1 曲柄压力机曲柄压力机- 7 -图图 2-2 曲柄压力机工作原理图曲柄压力机工作原理图1电动机 2小带轮 3大带轮 4小齿轮 5大齿轮6离合器 7曲轴 8制动 9连杆 10滑块 11上模12下模 13垫板 14工作台 15导轨 16机身当制动器制动时，曲轴停止转动，但大齿轮仍在曲轴上自由旋转。压力机在一个工作周期内有负荷的工作时间很短，大部分时间为无负荷的空程时间。由于传统电动机不能频繁起停，转差率很小，

12、传统压力机不得不采用飞轮的形式储存能量，传统压力机上大带轮即起着飞轮的作用。2.1.2 伺服曲柄压力机工作原理 伺服曲柄压力机式是在传统的曲柄压力机上，摒弃飞轮和离合器等耗能部件基础，用计算机控制的开关磁阻伺服电机替代传统电动机，通过曲柄连杆执行机构将电机的旋转运动转化为滑块的直线运动，在不改变机械结构的前提下，利用伺服- 8 -控制技术任意更改滑块运动特性曲线，对滑块的位移和速度进行全闭环控制，实现滑块运动特性可控，工作性能和工艺适应性大大提高，更好的满足了冲压加工柔性化、智能化的需求。图 2-3 为 伺服曲柄压力机的工作原理图。图图 2-3通过皮带齿轮减速， 开关磁阻伺服电机驱动曲轴旋转，

13、通过曲柄连杆机构获得滑块的直线运动；通过控制伺服电机的转速和扭矩，使滑块的运动特性曲线可调，压力可控；通过位移传感器以实现滑块的位移和速度反馈。- 9 -2.2 运动分析图 2-4 为一通用压力机曲柄滑块机构简图，O 点为曲柄回转中心，A 点为连杆与曲柄的连接点，B 点为连杆与滑块的连接点，曲柄半径为 R，连杆长度为 L，OA以角速度 旋转，逆时针为正向，B 点以速度 作往复直线运动，向下为正，s 为vB 点距下死点的距离，为曲柄与铅垂线的夹角。2.2.1 滑块位移与曲柄转角的关系根据图 2-4 所示机构简图及符号表示，可列出如下的关系式 （2-1） coscosLRLRs令，并由得LR/si

14、nsinLR （2-sinsin2） 由上式，作以下计算 （2-cos11cos1Rs3） （2-222sin1sin1cos4）式（2-4）由幂级数展开得4422sin81sin211cos简化得 （2-2cos14sin211cos2225） 将式（2-5） 代入式（2-3）得 2cos14cos1Rs（2- 10 -6） s 为滑块的位移；R 为曲柄半径；为曲柄转角；为连杆长度系数。2.2.2 滑块速度与曲柄转角的关系在利用微分方程 求速度时，s 应为质点所走过的路程，故对于图 2-4dtdsv 的机构，有 （2-7） dtdddsdtdsdtsRdv)2(由得dtd （2-8） )2s

15、in2(sinRv为滑块的速度；R 为曲柄半径；为曲柄转角；为连杆长度系数。v2.2.3 滑块加速度与曲柄转角的关系将式（2-8）对时间求导得2sin2sinRdddtdddvdtdv即 （2-9）2coscos2R为滑块的速度；R 为曲柄半径；为曲柄转角；为连杆长度系数。代入已知量名称名称符号符号量值标称压力KNFg10/100标称压力行程mmSg/10滑块固定行程mmS /140标称行程次数)min/(1-次n60连杆系数连杆系数0.1可得名称名称符号符号公式- 11 -滑块的位移s2cos14cos1Rs滑块的速度v)2sin2(sinRv滑块的加速度滑块的加速度2coscos2R利用式

16、（2-6） 、式（2-8） 、式（2-9）求出各曲柄转角下滑块的位移、速度和加速度，以下为数据：角度 /位移 s/mm速度 v/（mm/s加速度 a1801404.84503E-142484.6192170139.042080668.818136152459.327132160136.1879057136.22358332382.717172150131.4967783200.76476162252.79154140125.0692267260.92335882066.870858130117.049017315.10706281822.474885120107.625361.66952911

17、518.378411097.03198781398.96040441155.69187610085.54983452425.4038855738.80825459073.5439.6276.06888061.23908965440.439091-219.968626170492173478-732.72993536037.625399.7400059-1242.30965027.05875163358.3992116-1726.5971974017.82300467304.2155076-2162.7485463010.25322174238.8352384-2528

18、.86034204.63093877164.4805267-2805.679112101.16899520383.85334165-2978.16676000-3036.7568-101.168995203-83.85334165-2978.16676-204.63093877-164.4805267-2805.679112-3010.25322174-238.8352384-2528.86034-4017.82300467-304.2155076-2162.748546-5027.05875163-358.3992116-1726.597197-6037.625-399.7400059-12

19、42.3096-7049.14916774-427.2173478-732.7299353-8061.23908965-440.439091-219.9686261-9073.5-439.6276.0688-10085.54983452-425.4038855738.8082545-11097.03198781-398.96040441155.691876-120107.625-361.66952911518.3784-130117.049017-315.10706281822.474885-140125.0692267-260.92335882066.870858-150131.496778

20、3-200.76476162252.79154- 12 -160136.1879057-136.22358332382.717172-170139.0420806-68.818136152459.327132-180140-4.84503E-142484.6192以下为压力机的滑块位移、速度和加速度曲线:结论：曲柄滑块机构为刚性机构，曲柄转角一定时，滑动的速度，加速度及位只与电机的转速有关。- 13 -2.3 受力分析2.3.1 连杆与导轨受力分析由受力分析列平衡方程 （2-mamgFFABcos10）由得 ，mgF 0cosFFAB （2-FFFABcos11） （2-tan FQ12）为连

21、杆作用力；Q 为导轨作用力；F 为工件变形力；为连杆长度系数；ABF为滑块的速度。2.3.2 曲轴受转矩图 2-6 为曲柄受力分析图曲柄受转矩 （2-ODFMABL13） )sin( ROD )sincoscos(sin R其中；1cosFFABsinsin- 14 - （2-14）)2sin21(sin ROD （2-15）)2sin2(sin FRMLR 为曲柄半径；为曲轴所受转矩。LM曲柄压力机许用转矩为： （2-16）)2sin2(singgggLRFM 简化为 得 )2sin2(sin RmLLLFmM2.3.3 压力机许用负荷图通常情况下可以认定是恒定的，以标称压力点作为计算依据，

22、则有LMglM当时，许用压力g （2-17）)2sin2(sin)2sin2(sin)2sin2(sin1ggggLFRMF当时，许用压力g （2-gFF 18）代入已知量名称名称符号符号量值标称压力KNFg10/100标称压力行程mmSg/10滑块固定行程mmS /140标称行程次数)min/(1-次n60连杆系数连杆系数0.1并作以下计算- 15 -由得)2cos1 (41)cos1 ( Rs （2-)(2)(cos22gggsLRRLSLRR19）代入数据的得 6 .29g则 时ggFF 时g2sin2sin2sin2singggFF即时 （2-20）6 .29gKN1000gFF时 （

23、2-6 .29g2sin05. 0sin9 .1352F21） 利用式（2-20） 、式（2-21）做计算可得出以下数据：角度o/许用负荷 F/KN90536.980535.877139170552.461741660590.436875350658.542854940775.835772830988.217825825100020100015100010100001000滑块许用负荷图：- 16 -第三章第三章伺服曲柄压力机的设计计算伺服曲柄压力机的设计计算3.1动力系统设计3.1.1 曲柄压力机工作周期内能量消耗对工件变形功，通用曲柄压力机在设计时考虑到压力机主要是用于冲裁，1A故的计算依据是以厚度冲裁的工负荷图。图 3-1 为板料工作负荷图。1A已知；KNFg100025. 060n作计算 （3-1）045. 0hh （3-2）gFh4 . 00式中为板料厚度；为切断厚度。0hh工件变形功： （3-3）013