CN102019707A - 伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构。包括伺服电机、上销轴、上肘杆、三角连杆、曲柄、中销轴、下肘杆、卸载油缸、顶件油缸，其中伺服电机的输出轴通过传动机构与曲柄连接，曲柄与连杆连接，连杆分别与上肘杆和下肘杆相连，且上肘杆铰接固定于机身上，下肘杆通过楔形过载保护块和卸载油缸与能沿机身所设导轨上下往复直线运动的滑块相连，其中上肘杆与下肘杆的长度不同,为不对称肘杆，连杆为三角形连杆。本发明由于采用将对称肘杆改为不对称肘杆，将直线连杆改为三角形连杆的结构，因此，能在保证机身机构紧凑、滑块行程足够、滑块下行单调的情况下，具有较高的增力比，大幅降低曲柄处所需的驱动扭矩，进而降低伺服电动机的容量和成本。

Description

伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构技术领域[0001] 本发明是一种伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构，属于机械传动领 域的创新设计。背景技术[0002] 传统的曲柄压力机依靠飞轮来储存和释放能量做功完成冲压工作，电机的选择 从做功的角度出发来进行选取。电机经过传动机构来带动滑块上下往复运动，能量依靠 飞轮设计来保证。数控伺服压力机没有飞轮，由伺服电机直接输出驱动扭矩，工作压力 主要靠电机瞬时扭矩产生，因此电机容量较大，增加了设备成本。改进传动机构，减小 电机驱动扭矩，对于减少伺服电机容量、降低伺服压力机造价，增加压力机动态响应性 能，实现节能降耗，并进而推动这一技术的工程应用具有重要的意义。传统压力机一 般采用曲柄连杆、对称肘杆或多连杆机构，设计考虑因素主要为滑块运动学特征。曲 柄连杆具有结构简单的优点，但公称压力行程小，增力比小，只能适用于小型伺服压力 机，如中国专利号为200810026253中公开的一种压力机；对称肘杆虽然有空行程急回和 工作行程近似停歇特性，但增力比仍不够大，如中国专利号为ZL 200720054117.3、ZL 200820082737.2中公开的机构；而多连杆机构可以改善滑块在工作行程的运动特性，仍 有增力比不是最优及结构复杂等缺点，如中国专利号为ZL 200820030514.1公开的机构。发明内容[0003] 本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以大大提高传动机构的增力比， 改善滑块动力学特性，从而降低驱动电机容量、减少压力机造价并提高压力机工作性能 的伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构。[0004] 本发明的技术方案是：本发明的伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机 构，包括有伺服电机、上销轴、上肘杆、三角连杆、曲柄、中销轴、下肘杆、卸载油 缸、顶件油缸，其中伺服电机的输出轴通过传动机构与曲柄连接，驱动曲柄运动，曲柄 与连杆连接，带动连杆摆动，连杆分别与上肘杆和下肘杆相连，且上肘杆铰接固定于机 身上，下肘杆通过楔形过载保护块和卸载油缸与能沿机身所设导轨按伺服控制系统设定 运动学特性上下往复直线运动的滑块相连，其中上肘杆与下肘杆的长度不同，为不对称肘 杆，连杆为三角形连杆。[0005] 上述各转动副连接部位采用全轴瓦结构。[0006] 上述连杆与上肘杆通过上销轴相连，连杆与下肘杆通过下销轴相连；上述三角 形连杆的相邻构件通过中销轴连接。[0007] 上述上销轴的外侧设置有上销轴轴瓦，下销轴的外侧设置有下销轴轴瓦；上述 中销轴的外侧设置有中销轴轴瓦。[0008] 上述能沿机身所设导轨按伺服控制系统设定运动学特性上下往复直线运动的滑 块与驱动其运动的顶件油缸相连。[0009] 上述三角形连杆的最短边所对应的夹角不超过30°。[0010] 上述上肘杆与下肘杆的长度比为：1 ： 1.30〜1.05。[0011] 上述三角形连杆三条边长的比例为：1:3.31〜3.18:3.43〜3.32。[0012] 上述曲柄的回转中心到上肘杆（10)回转中心沿水平方向和垂直方向的距离比 值为：2.0〜1.8。[0013] 上述伺服电机的传动机构为齿轮传动机构。[0014] 本发明由于采用将对称肘杆改为不对称肘杆，将直线连杆改为三角形连杆的结 构，因此，其与普通曲柄连杆机构相比，具有如下优点：1)与长径比为0.125的普通曲柄压力机相比，本发明传动机构增力比提高10倍以 上；与传统对称肘杆机构相比，增力比提高3倍以上，在同样输出压力的条件下，曲柄 所需驱动扭矩减少2/3以上；2)本发明具有较优良的动力学特性，适合冲压工作：曲柄勻速驱动情况下，滑块在 工作行程时，速度低而均勻；空行程和回程时，速度高；在下死点附近停留时间较长。[0015] 本发明能在保证机身机构紧凑、滑块行程足够、滑块下行单调的情况下，具有 较高的增力比，可大幅降低曲柄处所需的驱动扭矩，进而降低伺服电动机的容量和成 本。本发明伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构设计合理，方便实用。附图说明[0016] 图1为本发明三角连杆-肘杆传动机构的主视图。[0017] 图中，1为滑块，2为楔形过载保护块，3为下销轴轴瓦，4为下销轴，5为中销 轴轴瓦，6为上销轴轴瓦，7为机身，8为伺服电机，9为上销轴，10为上肘杆，11为三 角连杆，12为曲柄，13为中销轴，14为下肘杆，15为卸载油缸，16为顶件油缸。[0018] 图2为图1的原理简图。[0019] 图3为本发明三角连杆-肘杆传动机构的结构简图。[0020] 图中，R为曲柄，Ll为上肘杆，L21、L22、L23分别为三角连杆三条边，L3 为下肘杆，Pl为曲柄R与上肘杆Ll回转中心水平距离，P2为曲柄R与上肘杆Ll回转 中心垂直距离，α为上肘杆Ll与铅垂线夹角，β为下肘杆与铅垂线夹角。[0021] 图4为本发明曲柄勻速驱动情况下，滑块运动特性曲线。[0022] 图中，曲线1为滑块运动位移-时间曲线，曲线2为滑块运动速度-时间曲线， 曲线3为滑块运动加速度-时间曲线。[0023] 图5为滑块在恒定载荷4000kN条件下，本发明与普通曲柄连杆机构以及普通肘 杆传动机构（专利CN201070843Y)，曲柄所需扭矩曲线。[0024] 图中，曲线1为本发明曲柄扭矩曲线，曲线2为长径比0.125普通曲柄连杆机构 曲柄扭矩曲线，曲线3为专利CN 201070843Y曲柄扭矩曲线，标示点为滑块公称压力点 6mm位置。具体实施方式[0025] 本发明三角连杆-肘杆传动机构的主视图如图1所示，包括有伺服电机8、上 销轴9、上肘杆10、三角连杆11、曲柄12、中销轴13、下肘杆14、卸载油缸15、顶件油缸16，其中伺服电机8的输出轴通过传动机构与曲柄12连接，驱动曲柄12运动，曲柄 12与连杆11连接，带动连杆11摆动，连杆11分别与上肘杆10和下肘杆14相连，且上 肘杆10铰接固定于机身7上，下肘杆14通过楔形过载保护块2和卸载油缸15与能沿机 身7所设导轨按伺服控制系统设定运动学特性上下往复直线运动的滑块1相连，其中上肘 杆10与下肘杆14的长度不同，为不对称肘杆，连杆11为三角形连杆。图1、图2与图 3的对应关系是：图1、图2中的上肘杆10对应图3中的连杆Li，图1、图2中的三角 连杆11对应图3中由L21、L22、L23组成的三角连杆，图1、图2中的曲柄12对应图3 中的曲柄R，图1、图2中的下肘杆14对应图3中连杆L3。[0026] 上述各转动副连接部位采用全轴瓦结构。[0027] 上述连杆11与上肘杆10通过上销轴9相连，连杆11与下肘杆14通过下销轴4 相连；上述三角形连杆11的相邻构件通过中销轴13连接。[0028] 上述上销轴9的外侧设置有上销轴轴瓦6，下销轴4的外侧设置有下销轴轴瓦 3 ；上述中销轴13的外侧设置有中销轴轴瓦5。[0029] 上述能沿机身7所设导轨按伺服控制系统设定运动学特性上下往复直线运动的 滑块1与驱动其运动的顶件油缸16相连。[0030] 上述三角形连杆11的最短边所对应的夹角不超过30°。[0031] 上述上肘杆10与下肘杆14的长度比为：1 ： 1.30〜1.05。[0032] 上述三角形连杆11三条边长的比例为：1:3.31〜3.18:3.43〜3.32。[0033] 上述曲柄12的回转中心到上肘杆10回转中心沿水平方向和垂直方向的距离比值 为：2.0 〜1.8。[0034] 上述伺服电机8的传动机构为齿轮传动机构。[0035] 本发明工作时，伺服电机8经一级齿轮减速后，带动曲柄12旋转，曲柄12经三 角连杆11带动上肘杆10和下肘杆14运动，从而驱动滑块1沿机身7导轨上下往复直线 运动，进行工作。[0036] 根据上述发明内容，下面结合具有压力机进行该种三角连杆-肘杆传动机构设 计：如图5所示，在不考虑摩擦情况下，压力机的公称压力为4000kN，公称压力行程 为6mm的压力机，对于长径比为0.125的普通曲柄连杆机构压力机，曲柄所需扭矩为 144136 N · m ；对于专利CN 201070843Y所设计压力机，曲柄所需扭矩为97311 N · m ； 对于本发明所设计的传动机构，曲柄所需扭矩为28567 N · m。考虑摩擦后，本发明所 设计的传动机构，曲柄所需驱动扭矩也仅为57613 N · m。因此，本传动机构增力效果 十分显著。[0037] 如图4所示，滑块以初速度为0开始，从下死点回程到上死点，先加速，最大 加速度为1386mm/s2，达到最大速度473mm/s后，开始减速，直至速度为0，回到上死 点，完成回程，滑块回程位移-时间曲线单调，所用时间约占滑块一个行程周期的2/5， 具有急回特性。滑块从上死点向下开始工作行程，速度先增加至416mm/S，然后减小， 接近下死点IOmm时，速度减小至40mm/S以内，直至下死点，所需时间占一个行程周期 的1/4，且在工作行程中，滑块位移曲线单调。[0038] 本伺服压力机新型传动机构参数经过优化设计，满足以下条件：1)在给定的约束条件下，具有最大的增力比，即在标称公称压力行程位置满足标称 压力要求输出，曲柄所需驱动扭矩最小。[0039] 2)滑块在工作行程和回程时，位移一时间函数为单调的，即滑块运动必须是单 向前进或后退，在到达上（下）死点之前，不能反向。[0040] 3)上、下肘杆摆动幅度与垂直方向夹角不能太大，控制在45°以内。[0041] 4)各肘杆和三角连杆回转中心间距不能小于220〜300 mm,即满足转动副连 接部位结构件强度要求。[0042] 5)传动机构总高度（即上肘杆与机身连接回转中心到下肘杆与滑块连接回转中 心距离）为800〜1100 mm,曲柄中心与滑块中心水平距离为520〜；350 mm,以保证 整机结构不超过现有同吨位传统压力机，并降低机身体积。

Claims (10)

1. 一种伺服压力机高增力比三角连杆-肘杆传动机构，包括有伺服电机（8)、上 销轴（9)、上肘杆（10)、三角连杆（11)、曲柄（12)、中销轴（13)、下肘杆(14)、卸载油缸（15)、顶件油缸（16)，其中伺服电机（8)的输出轴通过传动机 构与曲柄（12)连接，驱动曲柄（12)运动，曲柄（12)与连杆（11)连接，带动连杆(11)摆动，连杆（11)分别与上肘杆（10)和下肘杆（14)相连，且上肘杆（10)铰 接固定于机身（7)上，下肘杆（14)通过楔形过载保护块（2)和卸载油缸（15)与能 沿机身（7)所设导轨按伺服控制系统设定运动学特性上下往复直线运动的滑块（1)相 连，其特征在于上肘杆（10)与下肘杆（14)的长度不同，为不对称肘杆，连杆（11) 为三角形连杆。

2.根据权利要求1所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在于 上述各转动副连接部位采用全轴瓦结构。

3.根据权利要求2所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在于 上述连杆（11)与上肘杆（10)通过上销轴（9)相连，连杆（11)与下肘杆（14)通 过下销轴（4)相连；上述三角形连杆（11)的相邻构件通过中销轴（13)连接。

4.根据权利要求3所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在于 上述上销轴（9)的外侧设置有上销轴轴瓦（6)，下销轴（4)的外侧设置有下销轴轴 瓦（3)；上述中销轴（13)的外侧设置有中销轴轴瓦（5)。

5.根据权利要求1所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在 于上述能沿机身（7)所设导轨按伺服控制系统设定运动学特性上下往复直线运动的滑块(1)与驱动其运动的顶件油缸（16)相连。

6.根据权利要求1至5任一项所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构， 其特征在于上述三角形连杆（11)的最短边所对应的夹角不超过30°。

7.根据权利要求6所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在于 上述上肘杆（10)与下肘杆（14)的长度比为：1: 1.30〜1.05。

8.根据权利要求6所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在于 上述三角形连杆（11)三条边长的比例为：1:3.31〜3.18:3.43〜3.32。

9.根据权利要求6所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在于 上述曲柄（12)的回转中心到上肘杆（10)回转中心沿水平方向和垂直方向的距离比值 为：2.0 〜1.8。

10.根据权利要求6所述的伺服压力机高增力比三角连杆_肘杆传动机构，其特征在 于上述伺服电机（8)的传动机构为齿轮传动机构。