CN101534973A - 板成型机上的用压力夹紧半成品的运动学系统 - Google Patents

Abstract

一种板成型机上的用于半成品工件，即金属板等等的夹紧/压力单元的运动的运动学系统，该运动学系统包括框架(10)，在所述框架(10)上用销(11)铰接压头单元(12)，该压头单元能够围绕所述销(11)自由进行角运动，压头单元(12)包括固定于头部(14)的元件(13)，该头部支撑着上压头工具(15)，压头单元(12)通过由第一下曲柄(17)驱动的至少一个连杆(16)传动进行角运动，压头单元(12)由第二上曲柄(18)驱动，第一曲柄(17)和第二曲柄(18)形成用于驱动冲－压头单元做两自由度运动的铰接机构，该两自由度运动可以单独致动，也可以同时致动。

Description

板成型机上的用压力夹紧半成品的运动学系统

技术领域

本发明涉及新一代板成型机(即用于弯曲和成型金属板的自动机器)的、用于半成品(即金属板)的夹紧/压力单元的运动学系统。

这种运动学系统适用于电气控制并且专门为此而设计，包括压力单元的特定运动链，该压力单元在弯曲金属板期间夹紧所述金属板。它们不同于当前制造的单元，克服了当前制造的单元的主要缺点。

按照本发明的系统能够被用于通过电机电气控制的板成型机，其旋转金属板夹紧单元，通常叫作冲或压头单元。

该系统能够将确保夹紧被压的金属板所需要的工作扭矩限制到可接受的有限值内，即使另外使用了定位在压头元件和固定的反向压头之间的辅助工具。

本发明可用于金属板成型机和工业弯曲机的生产领域。

背景技术

公知的是，与生产金属板产品相关的产业使用板成型机，其可以以受控的且完全自动的方式在同一张金属板上执行一系列弯曲，从而得到成品，例如炊具提取器的盖或搁板。

我们还知道，板成型机或金属板弯曲机通常包括：

-用于支撑诸如金属板的待冲压材料的固定床；

-用于夹紧压力机的支撑框架；

-构成压力机一部分的冲头或压头，其以及相应的反向压头或反向压头块，其在弯曲期间用作材料的夹紧部件；

-一个或多个辅助元件，用于人工或自动嵌入，通常被称作辅助工具，其是压力机的一部分，被定位在冲头和相对应的反向冲头或反向压块之间，并被专门构造，在特殊工件的弯曲期间用作材料的夹紧部件；

-能够朝向被加工材料移动的一个或多个弯曲压头；

-适当的运动学系统，用来使所述一个或多个弯曲压头沿着床移动，以便使夹紧在冲头和反向冲头之间的工件成形；

-适当的运动学系统，用来运动所述冲头从而实现夹紧和释放所述金属板，并且在具有辅助工具的情况下，确保总是与被弯曲的长度和厚度相对应的压力；

-用于移动金属板或其一部分的部件，以便在工作条件下将其移动到靠近压头；

-控制工艺的各种类型的信号转换器或传感器，它们与控制生产工艺的电气控制单元相连接。

申请人在市场上交易的上述已知类型的弯曲机包括具有“C”形横截面的压头架构件，其可相对于固定的床沿彼此相互垂直的两个方向移动，并且在该压头架构件上固定有一个或多个弯曲压头。

在已知的自动板成型机上能够得到的弯曲的外形不仅仅是能用手动弯曲机获得的典型的90°的外形。通过对压头的定位和施加在其上的压力同时进行控制，还能够获得辐射状外形。

在弯曲周期期间使用传统压头，特别是工具和模具也能够获得特殊的外形，而无需操作者干预来改变长度或改变所使用的专用工具。

传统构造的压头由安装在主框架上的C形构件支撑，并且该单元包括两个压头：上面的压头用于负弯曲成形(面朝下)，下面的压头用于正弯曲成形(面朝上)。

所述系统控制金属板的角度和厚度的大小，通过比例阀调节压头的位置。全部运动都由比例控制液压缸实现。专门的机构保证弯曲单元运动的平行性。

冲头或上压头元件是标准件，以便获得待加工件的适当尺寸，并且冲头或上压头元件是可缩短的，从而允许加工件的取出。它被安装在具有四个臂的电焊构件上，并且铰接在所述主框架的后部。

由于适当机构的作用，每部分都能够被非常容易地释放并重新定位，因为起动装置防止所述部分从工具夹持杆上掉下来。

C形构件和上部工具的运动都由液压缸控制，而不是由电机控制。

液压缸或电动机的位置由专门的系统(数字控制或类似控制)以下述方式控制：在所有的弯曲阶段期间都能够获得最高的精度。

像市场上存在的其它板成型机一样，传统的液压板成型机配备有运动学系统，其确定并控制压头架单元的运动。

该构件有时可以是五连杆机构类型的，也就是说它由具有五个元件的封闭运动链构成，该五个元件通过五个运动副相连。

然而，在液压机中使用传统的五连杆机构类型的运动链，是为了提供机器扭转刚度而非因此使机器具有专用机械功能。

在专利申请PCT/IT2004/000581中，同一申请人提供了一种具有两个自由度的特殊的运动链，当前只有它允许弯曲压头的电气控制。

近期同一申请人在市场上推出一系列板成型机，其特征在于弯曲轴和冲/压头的电气控制，即，上述发明的提供扭矩的和负担特别大的功率使用的所有轴。

这些新的机器系列受到市场的欢迎，它们具有下述特征：

·降低了能量消耗(与相应的液压机器相比大于一半)；

·噪音小对环境更有利；

·更好地控制冲压和弯曲轴，因此部件抛光的结果较好；

·与当前市场上的所有机器相比，在速度和周期时间方面的性能都得到了提高。

在图1a至3a中示出了在当前制造的机器中用于控制冲/压头的运动学设计，而图1至3则示出了相应的机器，它们的特征是采用了定义为四连杆的机械设计。

从图中可以看到，这是一个定义为四连杆的运动学设计，该四连杆以接近奇特的结构工作，从而确保有足够的压力用于输出扭矩的运动学上的扩大。

图1至3示出了当前制造的带有四连杆机构的冲压机的部件。在这三幅表示现有技术的图中，A表示框架，B是驱动曲柄，C是连杆，D是压头臂，E是辅助工具。图1a、2a和3a示出了各自的运动学设计。

在这种类型的机器中用于控制冲/压头的运动学设计存在下述局限性：

·如果所述机器使用定位在冲/压头和反向冲头或反向压头之间的辅助工具(以及在任何其它类似的情况下)，那么所述运动学系统在不利的条件下工作，其中所输出的压力大大减小并且不足以(围绕所需要的最大力)确保在该机器中被加工的所有金属板的稳定(参见运动学系统的图)；

·由于使用了位于冲头/压头和反向冲头或反向压头之间的辅助工具，所以限定了最大限值(材料的长度、厚度、材料)，并以图表形式提供给用户(见图表)；

·当前的该运动系统在电气板成型机范围内的发展(更大的长度和厚度)有其局限性，这是因为该技术不能产生更大的扭矩；上述局限性的克服将会使更现代的并且能够使用液压快速弯曲(Ebe)技术生产所有尺寸产品的液压快速弯曲(EB)机逐步更新换代。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于驱动板成型机的压力单元的运动学系统，其能够消除或减小上述缺点，归结为减小当使用辅助工具时或当待加工的工件特别长或特别厚时可获得的压力。

本发明的首要目的是提供一种用于驱动新设计的板成型机的工作单元的运动学系统，其预见伺服电机和外摆线(epicycloidal)或准球体(spheroidal)减速器的使用，即具有高扭矩输出的电机(扭矩电机或类似物)替代了传统的液压致动器，用于压力单元的运动。

实际上，伺服电机和减速器能够实现比液压系统好得多的性能，特别是在通常起到具有压力操作功能的被夹紧的转子中。

通过用于驱动板成型机压力单元的运动系统使得所述电气控制成为可能，其特征将在主权利要求中进行描述。

本发明希望在常规使用中以及在使用定位在冲/压头和相对应的反向冲头或反向压头之间的辅助工具时，确保额定的冲压力。

与当前所使用的方法相比，用于驱动按照本发明的板成型机压力单元的运动学系统想要大大降低夹紧金属板所需要的扭矩。

用于驱动按照本发明的板成型机的压力单元的两个自由度的运动学系统，借助于同时使用系列轴，能够以有限的工作扭矩容易地挤压厚元件(双倍厚度或更大)。

所述方案的附属权利要求描述了本发明有益的实施例。

该方案的主要优点首先涉及下述事实：无论在常规使用中还是在插入辅助工具的使用中，板成型机的冲/压头单元都能够输出最大的压力。

本发明的其它优点在于：原创的铰接机构具有能够独立致动或同时致动的一系列两自由度。

这就允许通过顺序启动两个轴来实现非常迅速地打开，同时进一步缩短了周期时间并因此提高了机械性能。

这也使得使用两个轴来向厚元件施加压力成为可能，这样，上压力(扭矩)分布到两个系列轴上，因而能够减小尺寸，降低机器制造成本。

附图说明

通过参照附图阅读下面对本发明具体实施例的说明，本发明的其它特征和优点将显而易见，但这些例子对本发明没有任何限定作用。

-图1至3是一种传统型压力机的示意性的侧视图；

-图1a至图3a是相关功能设计的示意图；

-图4是按照本发明的运动学系统示意性的侧视图，该运动学系统致动板成型机的处于闭合位置的压力系统；

-图5示出同样的运动学系统接入辅助工具时的示意性的侧视图；

-图6示出了按照本发明的运动学系统处于打开位置时的示意性的侧视图；

-图4a至图6a示出了与图4至6中示出的情形相关的运动学设计；

-图7是按照本发明的整个设备的示意性的轴测视图。

具体实施方式

如前所述，图1至3和1a至3a是示出当前生产的带有四连杆机构的冲压机构造的示意图，而图4则示出了配备有按照本发明的运动学系统的机器，并且该运动学系统启动板成型机的压力系统至一闭合位置。

按照本发明的机器大体上包括框架10，在该框架10上用销11铰接压头单元12，并且该压头单元12能够围绕该销11自由执行角运动。

如图8所示，压头单元12包括一对固定于头部14的元件13，该头部支撑着上压头单元15。

通过连杆16，压头单元12作角运动，该连杆由第一下驱动曲柄17和第二上驱动曲柄18致动。

从结构上看，第一曲柄17和第二曲柄18通过使用偏心销构成，而该偏心销由各自独立的电机19和20驱动，即伺服电机或外摆线(epicycloidal)或准球体(spheroidal)减速器，它们作用于偏心销的轴21上。

在图7中，编号22表示作用于偏心销17的旋转轴，而在图5中，附图标记23表示装配到头部14上的辅助工具。

按照本发明的用于驱动板成型机的压力单元的所述运动学系统与当前所使用的方案相比，希望显著减小夹紧金属板所需要的扭矩。

按照本发明，所述两自由度的运动学系统由用于驱动板成型机的压力单元的第一曲柄17和第二曲柄18代表，并希望借助于同时使用系列轴，可以很容易以有限的工作扭矩对厚元件(双倍厚度或更大)施加压力。

板成型机的冲/压头单元12能够提供最大压力，无论是常规使用，还是与插入的辅助工具一起使用。

按照本发明独创的、用于驱动冲-压头单元的铰接机构依次具有两个能够单独致动或同时致动的自由度。

这样，通过依次启动两个轴就可以非常迅速地打开，进一步缩短了周期，并因此提高了机器性能。

而且还可以使用两个轴来向厚元件施加压力，将压力(扭矩)分布在两个系列轴上，因此轴的尺寸可以减小，有利于机器制造成本。

借助于一机构来电气控制所述机器，该机构使冲/压头单元运动，并且能够放大扭矩，使其在所有工作条件下产生的夹紧力都足以弯曲按照机器说明书规定的厚度和长度。

形成这种铰接系统的机构在运动学上被认为是平面机构，平面机构的含义是：该机构的部件以平面运动的方式运动，回转副的轴线彼此平行且与运动平面成直角。

从拓朴学的观点(元件的数量和连接的类型)，这是一个封闭的运动链，其带有由五个运动学回转副相连接的五个元件。

其中一个元件是机器的框架10。该运动链具有两个自由度，即它可以使用两个单独的电机，伺服电机或外摆线(epicycloidal)或准球体(spheroidal)减速器，在这种情况下由运动学系统的两个曲柄17和18代表，它们分别由各自的电机19和20驱动。

从几何学的观点来看，该机构：

-具有在结构调整中的特定的几何结构们(对应于发生运动的运动学上的反转的情况下的奇点运动学条件)，在这些结构中，所述机构夹紧金属板，可具有或不具有辅助工具，其产生所需要的扭矩放大；

-具有四个这种结构，两个具有双奇点的特征，并且对应于使用或不使用设置在冲头和反向冲头之间的辅助工具。

应当注意的是，按照本发明的机构是这样的：在调整用于施加压力的两个重要结构的过程中，其处于双运动学奇点的条件下(指逆向运动)。

这个原理与元件(包括辅助工具)的几何尺寸或框架运动副的位置无关，即使看起来似乎在某种程度上放大的效果取决于这些尺寸，就象机器的工作空间。

由于按照本发明，机器的冲头或压头是借助于两个自由度的铰接系统移动的，所以可以实现以动作明确限定为特征的夹紧/压力元件的运动，这种运动能够通过专用且原创的非迭代逆向运动学算法设计，该算法被插入数控中或用作预处理器，使得可以进行相应于明确定义的轨迹的同时运动或独立运动。

应当注意的是，所述奇点包括：

·具有上述特征的特定的运动学链；

·具有用于机床的机扑学领域的常用方法和算法，从而允许借助于不同的变量对工具坐标们进行运动控制，这些坐标不是彼此成直角的，而是彼此独立的。

这种算法用非迭代法解决位置运动学的问题，并因此无误差。

逆向运动学算法包括封闭链的解，其对应于具有两个未知量的两个非线性封闭式方程。

非迭代的解通过几何类型的思考进行。

按照本发明的一个特别有益的实施例，将冲-压头单元的运动学元件13设置成一些独立的对，并且每对都由各自的连杆16驱动，连杆16则由各自的独立的电机以彼此单独作用的方式驱动，所述独立的电机或者是伺服电机，或者是外摆线(epicycloidal)减速器。

该原理使获得能够单独作用的独立的推力扭矩成为可能，从而使冲-压头单元的头部可适用于被加工的任何不规则的工件。

在上文中参照优选的实施例描述了本发明。但很明显，在技术等效方案的框架范围内，可以对本发明作出许多改变。

Claims (8)

1.板成型机上的用于半成品工件，即金属板或类似物的夹紧/压力单元的运动的运动学系统，所述运动学系统包括框架(10)，在该框架上用销(11)铰接一压头单元(12)，并且该压头单元(12)能够围绕所述销(11)自由进行角运动，压力单元(12)包括固定到头部(14)的元件(13)，该头部支撑着上压头工具(15)，压头单元(12)通过由第一下曲柄(17)驱动的至少一个连杆(16)进行角运动，其特征在于：所述压头单元(12)由第二上曲柄(18)驱动，第一曲柄(17)和第二曲柄(18)形成一用于驱动冲-压头单元的铰接机构，其具有能够单独致动或同时致动的两个自由度。

2、如权利要求1所述的运动学系统，其特征在于：通过采用偏心销构成第一曲柄(17)和第二曲柄(18)，所述偏心销由各自独立的电机(19、20)驱动，所述电机包括伺服电机或外摆线(epicycloidal)或准球体(spheroidal)减速器，它们作用于所述偏心销的轴(21)。

3、如权利要求1或2所述的运动学系统，其特征在于：从拓朴学的观点(元件的数量和连接的类型)，所述冲-压头(12)的运动学推进单元包括一个封闭的运动链，其带有由五个运动学回转副相连接的五个元件。

4、如前述权利要求中任一项所述的运动学系统，其特征在于：所述元件之一是机器的框架(10)，另一个元件是第一曲柄(17)，第三个元件是连杆(16)，第四个元件是第二曲柄，最后一个元件是压头单元(12)。

5、如前述权利要求中任一项所述的运动学系统，其特征在于：所述运动链具有两个自由度，即它接受两个独立的电机，或者是外摆线(epicycloidal)伺服电机或者是准球体(spheroidal)减速器，该两个自由度由该运动学系统的两个曲柄(17、18)所代表，而该两曲柄由各自的电机(19、20)驱动。

6、如前述任一项权利要求所述的运动学系统，其特征在于无需接近即可定义工具的轨迹的逆向运动学算法。

7、如前述任一项权利要求所述的运动学系统，其特征在于无需接近即可定义工具的轨迹的非迭代逆向运动学算法。

8、根据前述任一权利要求所述的运动学系统，其特征在于：所述冲-压头单元的运动学元件(13)独立成对地设置，并且每对都由各自的连杆(16)驱动，这些连杆则由各自独立的电机以彼此独立作用的方式驱动，所述电机包括伺服电机或者外摆线(epicyloidal)减速器。

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