CN103143662A - 一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机 - Google Patents

Abstract

一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机，采用滚珠丝杠的传动机构，交流伺服电机的伺服驱动方式，把螺旋压力机的飞轮传动理论应用到液压机中，实现滚珠丝杠高速下行运动，液压机滑块快速下行和回程均是靠交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠完成，使用主副复合增压缸实现低速增力压制，同时降低了冲压驱动力，液压阀、油箱、管路连接紧凑，主缸体与滑块一体，大小充液阀浸入油箱中，快速下行和上行时，迅速反应充液和排液，采用双拉杆结构与主缸体活动连接，实现柔性锻压及滑块回程高速运动，本发明液压机的传动效率大大提高，滑块定位精度高，快降及回程速度可达700mm/s，实现了压力机的工作特性柔性可调、节能降耗。

Description

一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机

技术领域

本发明属于锻压设备制造技术领域，具体涉及一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机。

背景技术

液压机是利用液压传动技术进行压力加工的设备，是制品成型生产中应用最广的设备之一。传统液压机一般包括油泵及液压缸传动系统，其主要缺点是速度低，快降及回程速度只有100-200mm/s。近些年来世界各主要工业发达国家都在努力提高液压机的速度，以便提高生产率。提高液压机的工作速度即缩短液压机的一个工作循环时间，减少液压机工作循环时间的关键是缩短其快速上行和下行的时间。因此，提高快速上行和下行的速度，是解决传统液压机效率低下的关键。因此，出现了快速锻造液压机，即采用交流伺服电机的液压伺服压力机，例如美国的WIDEMANN和W.A.WHITNEY公司，西德的TRUMPF和NIXOORF DARADORN公司，日本的AIDA和NISSHINBO公司，以及瑞士的RASKIN公司所制造的液压伺服压力机、转塔冲床或多工位机械压力机，现有的液压伺服压力机的速度和柔性控制主要体现在T轴、工作台、自动送料、气路等机床辅助部分的控制上，很少对显著影响压力机工作功能和加工产品质量的传动机构进行直接而精确控制的改进。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机，通过液压机传动机构及其液压系统的创新设计，使液压机滑块的位置、速度可调，并达到极高的空程速度，快降及回程速度可达700mm/s，能满足多种工艺的需要，实现滑块可停在上死点以及液压加工柔性可调，减少模具的重复制造和浪费，节约成本，提高产品质量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机，包括交流伺服电动机1及与其转轴2连接的小带轮3，小带轮3通过齿形带4连接一个大带轮5，大带轮5和丝杠螺母7通过双键定位，再通过两个大圆螺母6联结为一体，大带轮5下端通过支撑套9支撑在轴承10上，使大带轮5作为惯性轮，丝杠螺母7与一个与其同轴的滚珠丝杠8以螺纹、滚珠配合，大带轮5通过与其联接的丝杠螺母7旋转驱动滚珠丝杠8；滚珠丝杠8的中部固定有横向连杆14，横向连杆14通过连接螺母15与滚珠丝杠8中部联结为一体的，横向连杆14的两端对称连接有拉杆12，拉杆12通过拉杆衬套11、轴端盖板13连接在横向连杆14的端轴上，拉杆12下端穿过机架16用两个止脱螺母20与主缸体23的法兰连接，横向连杆14、拉杆12、止脱螺母20组成主缸体轴向传动组件，柱塞22是通过卡环18与机架16联结为一体的，滚珠丝杠8下端通过密封环17与柱塞22内腔配合；主缸体23通过密封盖板19、缸内衬套21与柱塞22径向密封连接，滚珠丝杠8下端相当于活塞，推动柱塞22内腔油液，进而推动与柱塞22径向密封配合的主缸体23下行，液压机滑块即主缸体23下行时的液压势能是通过交流伺服电动机直驱活塞获得；

小活塞26下端与主缸体23联结为一体，滚珠丝杠8下端、柱塞22内腔、小活塞26构成副缸，滚珠丝杠8下端面积为a,小活塞26的面积为b；柱塞22下部的缩颈与主缸体23组成主缸，副缸的C部、小活塞26内腔及主缸内充满液压油30，主缸和副缸在同一中心线上垂直放置，主缸的压力接受面积c大于副缸的压力接受面积b，副缸中活塞的压力接受面积b大于副缸中滚珠丝杠8的压力接受面积a，使得液压机的滑块即主缸体23的下端能够快速下行；当液压机低速压制时，顺序阀25开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，系统增压比变为c/a，主缸内产生增加到足够大的液压力，从而实现低速增力压制；

在主缸体23的左右两侧对称布置了第一大充液阀28、第二大充液阀32，第一大充液阀28、第二大充液阀32均为液控单向阀，第一大充液阀28的两个端口分别通过液压管路28a、28b与油缸27、主缸相连，第一大充液阀28的高压油口通过第一二位二通阀29与副缸相连；第二大充液阀32的两个端口分别通过液压管路32a、32b与油缸27、主缸相连，第二大充液阀32的高压油口通过第二二位二通阀33与副缸相连，在滑块即主缸体23的下端低速压制时给二位二通阀29、33通电，使得液压管路28c和32c断开，以防止大充液阀反向开启导致的主缸漏油，在滑块快速下行和回程时二位二通阀29、33均是断电状态，在主缸体23快速下行时，第一大充液阀28和第二大充液阀32开启，同时对主缸充液压油，在液压机工作结束后，主缸体23开始上行时，副缸内压力升高达到大充液阀28、32的高压油口开启压力，大充液阀反向开启，主缸向油缸27排液；

在主缸体23的前后两侧分别放置了小充液阀24和顺序阀25，小充液阀24为单向阀，其两个端口分别通过液压管路24a、24b与油缸27、副缸相连，工作行程结束即回程起始时，滚珠丝杠8、横向连杆14、拉杆12组成的整体上行，小冲液阀24开启对副缸充液，拉杆12走完之前工作状态时与主缸体法兰分离的距离后，止脱螺母20将主缸体23与拉杆12链接，然后主缸体23在拉杆12的带动下开始高速同步上行，此时小充液阀24关闭；顺序阀25的两个端口分别通过液压管路25a、25b与副缸、主缸相连接，当主缸体23下行接触到工作台31上的负载时，滚珠丝杠8继续下行，当副缸内压力升高达到顺序阀25预设开启压力，副缸中的液压油流入主缸中，实现低速增力压制，在液压机工作结束后，主缸体23开始上行时，顺序阀25开启，使副缸中液压油排入主缸。

一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机的工作流程为：液压机的初始状态，滑块即主缸体23的下端位于上死点的位置；液压机滑块快速下行状态，交流伺服电机1正转，使滚珠丝杠8下行，滚珠丝杠8带动横向连杆14、拉杆12以及主缸体23下行，拉杆12和主缸体23的法兰分离，大充液阀28、32给主缸充液压油；液压机工作行程开始的状态即滑块低速压制状态，滑块即主缸体23的下端接触到工作台31上的负载，滚珠丝杠8继续下行，拉杆12和主缸体23法兰分离距离增大，副缸通过顺序阀25给主缸充液压油；液压机工作行程结束状态即滑块回程起始状态，液压机工作行程结束时拉杆12和主缸体23法兰分离距离达到最大，交流伺服电动机1开始反转，滚珠丝杠8、横向连杆14、拉杆12组成的整体上行，小冲液阀24开启对副缸充液，拉杆12走完之前的与主缸体法兰分离的距离后，止脱螺母20将主缸体23与拉杆12链接，此时主缸体23在拉杆12的带动下以高速同步上行，此时小充液阀24关闭，大充液阀28、32反向开启，主缸向油缸27排液，同时顺序阀25开启，使副缸中液压油排入主缸，液压机滑块回程也是靠交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠实现，并且滑块是在拉杆的带动下上行至上死点的。

本发明与现有技术相比，采用滚珠丝杠的传动机构取代传统压力机的单曲柄肘杆或螺杆传动机构；交流伺服电机的伺服驱动方式代替了传统压力机的交流异步恒速电动机的驱动方式；把螺旋压力机的飞轮传动理论应用到传统液压机中，即大带轮通过支撑套支撑在轴承上成为惯性轮，实现滚珠丝杠高速下行运动，最大限度地利用惯性力，节能降耗；液压机滑块快速下行和回程均是靠交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠完成；使用主副复合增压缸代替传统的直接冲压，实现低速增力压制，同时降低了冲压驱动力；液压阀、油箱、管路连接紧凑，主缸体与滑块一体，大小充液阀浸入油箱中，快速下行和上行时，迅速反应充液和排液；采用双拉杆结构与主缸体活动连接代替传统液压机的回程缸，一方面可缓冲滑块与工件的硬接触实现柔性锻压，另一方面可实现滑块回程高速运动。因此本发明液压机的传动效率大大提高，滑块定位精度高，快降及回程速度可达700mm/s，满足低速锻冲、高速空程的技术要求，实现了压力机的工作特性柔性可调、节能降耗。

附图说明

图1为本发明液压机结构主视图。

图2为本发明液压机结构侧视图。

图3为图2中A部分局部放大剖面图。

图4为图2中B部分局部放大剖面图。

图5为本发明液压机的液压系统原理图。

图6为图5中C部分局部放大图。

图7为液压增压缸原理图。

图8为本发明液压机滑块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至5所示，一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机，包括交流伺服电动机1及其转轴2上连接的小带轮3，小带轮3通过齿形带4连接一个大带轮5，大带轮5和丝杠螺母7通过双键定位，再通过两个大圆螺母6联结为一体，大带轮5下端通过支撑套9支撑在轴承10上，使大带轮5作为惯性轮，丝杠螺母7与一个与其同轴的滚珠丝杠8以螺纹、滚珠配合，这样大带轮5通过与其联接的丝杠螺母7旋转驱动滚珠丝杠8；滚珠丝杠8的中部固定有横向连杆14，横向连杆14通过连接螺母15与滚珠丝杠8中部联结为一体的，横向连杆14的两端对称连接有拉杆12，拉杆12通过拉杆衬套11（铜套）、轴端盖板13连接在横向连杆14的端轴上，拉杆12下端穿过机架16用两个止脱螺母20与主缸体23的法兰连接，横向连杆14、拉杆12、止脱螺母20组成主缸体轴向传动组件。柱塞22是通过卡环18与机架16联结为一体的，滚珠丝杠8下端通过密封环17与柱塞22内腔配合；主缸体23通过密封盖板19、缸内衬套21（铜套）与柱塞22径向密封连接。滚珠丝杠8下端相当于活塞，推动柱塞22内腔油液，进而推动与柱塞22径向密封配合的主缸体23下行。可知，液压机滑块即主缸体23下行时的液压势能不是靠传统的液压泵产生，而是通过交流伺服电动机直驱活塞获得。

小活塞26下端与主缸体23联结为一体，滚珠丝杠8下端、柱塞22内腔、小活塞26构成副缸，参照图6所示，滚珠丝杠8下端面积为a,小活塞26的面积为b；柱塞22下部的缩颈与主缸体23组成主缸。副缸的C部、小活塞26内腔及主缸内充满液压油30。参照图7所示，主缸和副缸在同一中心线上垂直放置，主缸的压力接受面积c大于副缸的压力接受面积b，副缸中活塞的压力接受面积b大于副缸中滚珠丝杠8的压力接受面积a，使得液压机的滑块即主缸体23的下端能够快速下行；当液压机低速压制时，顺序阀25开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，系统增压比变为c/a，主缸内产生增加到足够大的液压力，从而实现低速增力压制。

在主缸体23的左右两侧对称布置了第一大充液阀28、第二大充液阀32，第一大充液阀28、第二大充液阀32均为液控单向阀。第一大充液阀28的两个端口分别通过液压管路28a、28b与油缸27、主缸相连，第一大充液阀28的高压油口通过第一二位二通阀29与副缸相连；第二大充液阀32的两个端口分别通过液压管路32a、32b与油缸27、主缸相连，第二大充液阀32的高压油口通过第二二位二通阀33与副缸相连，在滑块即主缸体23的下端低速压制时给二位二通阀29、33通电，使得液压管路28c和32c断开，以防止大充液阀反向开启导致的主缸漏油，在滑块快速下行和回程时二位二通阀29、33均是断电状态。在主缸体23快速下行时，第一大充液阀28和第二大充液阀32开启，同时对主缸充液压油。在液压机工作结束后，主缸体23开始上行时，副缸内压力升高达到大充液阀28、32的高压油口开启压力，大充液阀反向开启，主缸向油缸27排液。

在主缸体23的前后两侧分别放置了小充液阀24和顺序阀25。小充液阀24为单向阀，其两个端口分别通过液压管路24a、24b与油缸27、副缸相连，工作行程结束即回程起始时，滚珠丝杠8、横向连杆14、拉杆12组成的整体上行，小冲液阀24开启对副缸充液，拉杆12走完之前工作状态时与主缸体法兰分离的距离后，止脱螺母20将主缸体23与拉杆12链接，然后主缸体23在拉杆12的带动下开始高速同步上行，此时小充液阀24关闭。顺序阀25的两个端口分别通过液压管路25a、25b与副缸、主缸相连接，当主缸体23下行接触到工作台31上的负载时，滚珠丝杠8继续下行，当副缸内压力升高达到顺序阀25预设开启压力，副缸中的液压油流入主缸中，实现低速增力压制。在液压机工作结束后，主缸体23开始上行时，顺序阀25开启，使副缸中液压油排入主缸。

采用本发明液压机的工作流程如图8所示，图8-1为液压机的初始状态，滑块即主缸体23的下端位于上死点的位置；液压机滑块快速下行状态，交流伺服电机1正转，使滚珠丝杠8下行，滚珠丝杠8带动横向连杆14、拉杆12以及主缸体23下行，拉杆12和主缸体23的法兰分离，此时大充液阀28、32给主缸充液压油，如图8-2所示为主缸体23快速下行200mm时的状态，拉杆12和主缸体23的法兰已分离，分离距离为d mm；液压机工作行程开始的状态即滑块低速压制状态，滑块即主缸体23的下端接触到工作台31上的负载，滚珠丝杠8继续下行，拉杆12和主缸体23法兰分离距离增大，副缸通过顺序阀25给主缸充液压油，如图8-3所示为液压机工作行程开始的状态即低速压制状态，拉杆12和主缸体23法兰分离距离为e mm；液压机工作行程结束状态即滑块回程起始状态，此时拉杆12和主缸体23法兰分离距离达到最大，如图8-4所示为液压机工作行程结束状态，此时拉杆12和主缸体23法兰分离距离达到最大f mm，此时交流伺服电动机1反转，滚珠丝杠8、横向连杆14、拉杆12组成的整体上行，小冲液阀24开启对副缸充液，拉杆12走完之前的与主缸体法兰分离的距离f mm后，止脱螺母20将主缸体23与拉杆12链接，此时主缸体23在拉杆12的带动下以高速同步上行，此时小充液阀24关闭，大充液阀28、32反向开启，主缸向油缸27排液，同时顺序阀25开启，使副缸中液压油排入主缸。可知，液压机滑块回程也是靠交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠实现，并且滑块是在拉杆的带动下上行至上死点的。

本发明的工作原理为：

在液压机的滑块即主缸体23的下端位于上死点位置时，使交流伺服电动机1正转带动小带轮3旋转，小带轮3通过齿形带4带动大带轮5同步旋转，大带轮5同时带动丝杠螺母7旋转，进而使滚珠丝杠8下行，同时带动横向连杆14、连接螺母15、拉杆12组成的整体下行。滚珠丝杠8的下端相当于活塞，推动柱塞22内腔油液、小柱塞和主缸体23下行，此时大充液阀28、32开启，同时对主缸充液，主缸体23快速下行，拉杆12和主缸体23的法兰分离。当主缸体23下行接触到负载时，滚珠丝杠继续下行，副缸内压力将升高达到顺序阀25预设开启压力，副缸中的液压油流入主缸中，由于增压作用，主缸内即可产生足够大的液压力，实现低速增力压制；拉杆12与主缸体23在空程向下和压制过程中始终分离。液压机压制工作结束滑块回程时交流伺服电动机1反转，滚珠丝杠8、横向连杆14、拉杆12组成的整体上行，小冲液阀24开启对副缸充液，拉杆12走完之前与主缸体法兰分离的距离后，止脱螺母20将主缸体23与拉杆12链接，此时主缸体23在拉杆12的带动下以高速同步上行，此时小充液阀24关闭，大充液阀反向开启，主缸向油缸27排液，同时，副缸内的压力持续增大，然后达到顺序阀25开启压力，副缸中液压油排入主缸。最终液压机滑块在拉杆的带动下到达上死点。

附图中：1、交流伺服电机；2、伺服电机转轴；3、小带轮；4、齿形带；5、大带轮；6、大圆螺母；7、丝杠螺母；8、滚珠丝杠；9、支撑套；10、轴承；11、拉杆衬套；12、拉杆；13、轴端盖板；14、横向连杆；15、连接螺母；16、机架；17、密封环；18、卡环；19、密封盖板；20、止脱螺母；21、缸内衬套；22、柱塞；23、主缸体；24、小充液阀；25、顺序阀；26、小活塞；27、油缸；28、32、大充液阀；29、33、二位二通阀；30、液压油；31、工作台。

Claims (2)

1.一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机，包括交流伺服电动机（1）及其转轴（2）上连接的小带轮（3），其特征在于：小带轮（3）通过齿形带（4）连接一个大带轮（5），大带轮（5）和丝杠螺母（7）通过双键定位，再通过两个大圆螺母（6）联结为一体，大带轮（5）下端通过支撑套（9）支撑在轴承（10）上，使大带轮（5）作为惯性轮，丝杠螺母（7）与一个与其同轴的滚珠丝杠（8）以螺纹、滚珠配合，这样大带轮（5）通过与其联接的丝杠螺母（7）旋转驱动滚珠丝杠（8）；滚珠丝杠（8）的中部固定有横向连杆（14），横向连杆（14）通过连接螺母（15）与滚珠丝杠（8）中部联结为一体的，横向连杆（14）的两端对称连接有拉杆（12），拉杆（12）通过拉杆衬套（11）、轴端盖板（13）连接在横向连杆（14）的端轴上，拉杆（12）下端穿过机架（16）用两个止脱螺母（20）与主缸体（23）的法兰连接，横向连杆（14）、拉杆（12）、止脱螺母（20）组成主缸体轴向传动组件，柱塞（22）是通过卡环（18）与机架（16）联结为一体的，滚珠丝杠（8）下端通过密封环（17）与柱塞（22）内腔配合；主缸体（23）通过密封盖板（19）、缸内衬套（21）与柱塞（22）径向密封连接，滚珠丝杠（8）下端相当于活塞，推动柱塞（22）内腔油液，进而推动与柱塞（22）径向密封配合的主缸体（23）下行，液压机滑块即主缸体（23）下行时的液压势能是通过交流伺服电动机直驱活塞获得；

小活塞（26）下端与主缸体（23）联结为一体，滚珠丝杠（8）下端、柱塞（22）内腔、小活塞（26）构成副缸，滚珠丝杠（8）下端面积为a,小活塞（26）的面积为b；柱塞（22）下部的缩颈与主缸体（23）组成主缸，副缸的C部、小活塞（26）内腔及主缸内充满液压油（30），主缸和副缸在同一中心线上垂直放置，主缸的压力接受面积c大于副缸的压力接受面积b，副缸中活塞的压力接受面积b大于副缸中滚珠丝杠（8）的压力接受面积a，使得液压机的滑块即主缸体（23）的下端能够快速下行；当液压机低速压制时，顺序阀（25）开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，系统增压比变为c/a，主缸内产生增加到足够大的液压力，从而实现低速增力压制；

在主缸体（23）的左右两侧对称布置了第一大充液阀（28）、第二大充液阀（32），第一大充液阀（28）、第二大充液阀（32）均为液控单向阀，第一大充液阀（28）的两个端口分别通过液压管路28a、28b与油缸（27）、主缸相连，第一大充液阀（28）的高压油口通过第一二位二通阀（29）与副缸相连；第二大充液阀（32）的两个端口分别通过液压管路32a、32b与油缸（27）、主缸相连，第二大充液阀（32）的高压油口通过第二二位二通阀（33）与副缸相连，在滑块即主缸体（23）的下端低速压制时给二位二通阀（29）、（33）通电，使得液压管路28c和32c断开，以防止大充液阀反向开启导致的主缸漏油，在滑块快速下行和回程时二位二通阀（29）、（33）均是断电状态，在主缸体（23）快速下行时，第一大充液阀（28）和第二大充液阀（32）开启，同时对主缸充液压油，在液压机工作结束后，主缸体（23）开始上行时，副缸内压力升高达到大充液阀（28）、（32）的高压油口开启压力，大充液阀反向开启，主缸向油缸（27）排液；

在主缸体（23）的前后两侧分别放置了小充液阀（24）和顺序阀（25），小充液阀（24）为单向阀，其两个端口分别通过液压管路24a、24b与油缸（27）、副缸相连，工作行程结束即回程起始时，滚珠丝杠（8）、横向连杆（14）、拉杆（12）组成的整体上行，小冲液阀（24）开启对副缸充液，拉杆（12）走完之前工作状态时与主缸体法兰分离的距离后，止脱螺母（20）将主缸体（23）与拉杆（12）链接，然后主缸体（23）在拉杆（12）的带动下开始高速同步上行，此时小充液阀（24）关闭；顺序阀（25）的两个端口分别通过液压管路25a、25b与副缸、主缸相连接，当主缸体（23）下行接触到工作台（31）上的负载时，滚珠丝杠（8）继续下行，当副缸内压力升高达到顺序阀（25）预设开启压力，副缸中的液压油流入主缸中，实现低速增力压制，在液压机工作结束后，主缸体（23）开始上行时，顺序阀（25）开启，使副缸中液压油排入主缸。

2.根据权利要求1所述的一种无油泵交流伺服电机直驱式力控制增压型液压机，其特征在于，工作流程为：液压机的初始状态，滑块即主缸体（23）的下端位于上死点的位置；液压机滑块快速下行状态，交流伺服电机（1）正转，使滚珠丝杠（8）下行，滚珠丝杠（8）带动横向连杆（14）、拉杆（12）以及主缸体（23）下行，拉杆（12）和主缸体（23）的法兰分离，大充液阀（28）、（32）给主缸充液压油；液压机工作行程开始的状态即滑块低速压制状态，滑块即主缸体（23）的下端接触到工作台（31）上的负载时，滚珠丝杠（8）继续下行，拉杆（12）和主缸体（23）法兰分离距离增大，副缸通过顺序阀（25）给主缸充液压油；液压机工作行程结束状态即滑块回程起始状态，液压机工作行程结束时拉杆（12）和主缸体（23）法兰分离距离达到最大，交流伺服电动机（1）反转，滚珠丝杠（8）、横向连杆（14）、拉杆（12）组成的整体上行，小冲液阀（24）开启对副缸充液，拉杆（12）走完之前的与主缸体法兰分离的距离后，止脱螺母（20）将主缸体（23）与拉杆（12）链接，此时主缸体（23）在拉杆（12）的带动下以高速同步上行，此时小充液阀（24）关闭，大充液阀（28）、（32）反向开启，主缸向油缸（27）排液，同时顺序阀（25）开启，使副缸中液压油排入主缸，液压机滑块回程也是靠交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠实现，并且滑块是在拉杆的带动下上行至上死点的。

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