CN103170565A - 一种无油泵交流伺服电机直驱式行程控制增压型液压机 - Google Patents

Abstract

一种无油泵交流伺服电机直驱式行程控制增压型液压机，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，实现滚珠丝杠旋转带动丝杠螺母高速下行运动，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；主缸体与滑块一体，采用小活塞以及小活塞腔在快速下行和上行时，能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，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。

Description

一种无油泵交流伺服电机直驱式行程控制增压型液压机

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行程控制增压型液压机。

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行程控制增压型液压机，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行程控制增压型液压机，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通过两个大圆螺母6与滚珠丝杠7联结为一体，大带轮5下端通过支撑套8支撑在轴承9上，滚珠丝杠7上装有丝杠螺母10，丝杠螺母10与大活塞14径向配合联结为一体，大活塞14的两端对称连接有拉杆13，拉杆13通过拉杆衬套11、轴端盖板12连接在大活塞14横向连杆的端轴上，拉杆13下端穿过机架15用两个止脱螺母26与主缸体19的法兰连接，大活塞14、拉杆13、止脱螺母26组成主缸体轴向传动组件，在滚珠丝杠7旋转时，丝杠螺母10推动大活塞14、拉杆13上下移动，大活塞14的活塞杆下端通过密封环16与大柱塞17内腔配合，大柱塞17与机架15固定为一体，大柱塞17内有小柱塞23，小柱塞23的下端与主缸体19联结为一体；主缸体19上固定联结了四个小活塞20，四个小活塞20沿径向均布，对应的在大柱塞17上均布有四个小活塞腔22，小活塞20和小活塞腔22的直径大小能保证液压机滑块快速下行和回程上行时的速度要求。

交流伺服电机1正转，转轴2带动小带轮3旋转，小带轮3通过齿形带4带动大带轮5旋转，进而与大带轮5固定联结的滚珠丝杠7也旋转，带动丝杠螺母10下行，并带动大活塞14、拉杆13、主缸体19、小柱塞23、小活塞20下行，当小活塞20下行进入到小活塞腔22里时开始压制过程，小活塞20再继续下行，拉杆13和主缸体19的法兰分离，并且随着下行拉杆13与主缸体19法兰的分离距离逐渐增大，当小活塞20下行至完全把小活塞腔填满时，压制完成，此时拉杆13与主缸体19法兰的分离距离最大；大活塞14的活塞杆下端、大柱塞17内腔、小柱塞23构成副缸，副缸中充满了液压油，大活塞14的活塞杆下端面积为a，小柱塞23的面积为b；大柱塞17下端面、主缸体19、小柱塞23构成主缸；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，副缸中小柱塞的压力接受面积b大于副缸中大活塞14的活塞杆下端的压力接受面积a，使得液压机的滑块即主缸体19的下端能够快速下行，压制时，顺序阀24开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，系统的增压比变为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19的前后两侧分别放置了充液阀21、顺序阀24和二位二通阀27，充液阀24为单向阀，其两个端口分别与油缸18、副缸相连，在工作行程结束即回程起始时，大活塞14、拉杆13、主缸体19、小柱塞23、小活塞20整体上行，充液阀21开启给副缸充入液压油，小活塞20完全离开小活塞腔22后，充液阀21关闭；顺序阀24的两个端口分别与副缸、主缸相连接，滑块开始压制时，副缸内压力升高达到顺序阀24预设开启压力，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，压制结束后滑块开始上行，在小活塞20完全离开小活塞腔22后，顺序阀24开启，副缸内的液压油排入到主缸；滑块回程时在小活塞20上行离开小活塞腔22前，二位二通阀27通电开启从而连通油缸与主缸之间的液压回路，使得主缸内的液压油流入油缸18，完成主缸的排液。

一种无油泵交流伺服电机直驱式行程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19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，带动滚珠丝杠7旋转，使丝杠螺母10下行，丝杠螺母10带动大活塞14、拉杆13、小柱塞23、主缸体19以及小活塞20整体下行，此时油缸18给主缸充液压油；液压机滑块低速压制状态，小活塞20下行刚进入小活塞腔22，滑块即主缸体19的下端接触到工作台25上的负载，液压机滑块开始压制工作，此时丝杠螺母10带动大活塞14、拉杆13、小柱塞23、主缸体19以及小活塞20整体继续下行，副缸通过顺序阀24给主缸充液压油，拉杆13和主缸体19法兰开始分离，并且随着下行过程该分离距离逐渐增大；液压机工作行程结束即回程起始状态，小活塞20下行至完全填满小活塞腔22，压制工作结束，拉杆13和主缸体19法兰分离距离达到最大，此时交流伺服电动机1开始反转，丝杠螺母10带动大活塞14、拉杆13、小柱塞23、主缸体19以及小活塞20整体上行，冲液阀21开启对副缸充液，在小活塞20开始上行直到离开小活塞腔22的行程中，主缸内的液压油通过二位二通阀27向油缸18排液，在小活塞完全离开小活塞腔22后，二位二通阀27关闭，主缸内的液压油通过小活塞腔22直接排入油缸，拉杆走完了与主缸体法兰的分离距离，充液阀21关闭，顺序阀24开启，副缸内的液压油排入到主缸内，之后继续上行最终达到上死点位置。

可知，液压机滑块即主缸体19下行以及压制结束后的回程都是靠交流伺服电动机直驱活塞实现，其中回程时滑块是在拉杆的带动下上行至上死点的。低速增力压制采用了主副复合增压缸来实现，采用四个小活塞20和小活塞腔22可以省掉滑块即主缸体19快速下行和回程上行时用于主缸充液和排液的充液阀，通过控制四个小活塞20的行程来实现主缸体19的快速下行、低速压制和回程上行。

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，实现滚珠丝杠旋转带动丝杠螺母高速下行运动，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，采用小活塞以及相应的小活塞腔省掉了滑块快速下行和回程时用于主缸充液和排液的充液阀，因而在快速下行和上行时，能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部分局部示意图。

图4为液压增压缸原理图。

图5为本发明液压机工作流程示意图。

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2所示，一种无油泵交流伺服电机直驱式行程控制增压型液压机，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通过两个大圆螺母6与滚珠丝杠7联结为一体，大带轮5能够带动滚珠丝杠7一起旋转，大带轮5下端通过支撑套8支撑在轴承9上，使大带轮5作为惯性轮，滚珠丝杠7上装有丝杠螺母10，丝杠螺母10与大活塞14径向配合联结为一体，大活塞14的两端对称连接有拉杆13，拉杆13通过拉杆衬套11、轴端盖板12连接在大活塞14横向连杆的端轴上，拉杆13下端穿过机架15用两个止脱螺母26与主缸体19的法兰连接，大活塞14、拉杆13、止脱螺母26组成主缸体轴向传动组件，在滚珠丝杠7旋转时，丝杠螺母10推动大活塞14、拉杆13上下移动。大活塞14的活塞杆下端通过密封环16与大柱塞17内腔配合，大柱塞17与机架15固定为一体，大柱塞17内有小柱塞23，小柱塞23的下端与主缸体19联结为一体；主缸体19上固定联结了四个小活塞20，四个小活塞20沿径向均布，对应的在大柱塞17上均布有四个小活塞腔22，小活塞20和小活塞腔22的直径大小能保证液压机滑块快速下行和回程上行时的速度要求；交流伺服电机1正转，转轴2带动小带轮3旋转，小带轮3通过齿形带4带动大带轮5旋转，进而与大带轮5固定联结的滚珠丝杠7也旋转，带动丝杠螺母10下行，并带动大活塞14、拉杆13、主缸体19、小柱塞23、小活塞20下行，当小活塞20下行进入到小活塞腔22里时开始压制过程，小活塞20再继续下行，拉杆13和主缸体19的法兰分离，并且随着下行拉杆13与主缸体19法兰的分离距离逐渐增大。当小活塞20下行至完全把小活塞腔填满时，压制完成，此时拉杆13与主缸体19法兰的分离距离最大；大活塞14的活塞杆下端、大柱塞17内腔、小柱塞23构成副缸，副缸中充满了液压油，大活塞14的活塞杆下端面积为a，小柱塞23的面积为b，如图3所示；大柱塞17下端面、主缸体19、小柱塞23构成主缸。参考图4，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，副缸中小柱塞的压力接受面积b大于副缸中大活塞14的活塞杆下端的压力接受面积a，使得液压机的滑块即主缸体19的下端能够快速下行，压制时，顺序阀24开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，系统的增压比变为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19的前后两侧分别放置了充液阀21、顺序阀24和二位二通阀27，充液阀24为单向阀，其两个端口分别与油缸18、副缸相连，在工作行程结束即回程起始时，大活塞14、拉杆13、主缸体19、小柱塞23、小活塞20整体上行，充液阀21开启给副缸充入液压油，小活塞20完全离开小活塞腔22后，充液阀21关闭；顺序阀24的两个端口分别与副缸、主缸相连接，滑块开始压制时，副缸内压力升高达到顺序阀24预设开启压力，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，压制结束后滑块开始上行，在小活塞20完全离开小活塞腔22后，顺序阀24开启，副缸内的液压油排入到主缸；滑块回程时在小活塞20上行离开小活塞腔22前，二位二通阀27通电开启从而连通油缸与主缸之间的液压回路，使得主缸内的液压油流入油缸18，完成主缸的排液。

采用本发明液压机的工作流程如图5所示，图5-1为液压机的初始状态，滑块即主缸体19的下端位于上死点的位置；液压机滑块快速下行状态，此时交流伺服电机1正转，带动滚珠丝杠7旋转，使丝杠螺母10下行，丝杠螺母10带动大活塞14、拉杆13、小柱塞23、主缸体19以及小活塞20整体下行，此时油缸18给主缸充液压油；液压机滑块低速压制状态，小活塞20下行刚进入小活塞腔22，滑块即主缸体19的下端接触到工作台25上的负载，液压机滑块开始压制工作，如图5-2所示，此时丝杠螺母10带动大活塞14、拉杆13、小柱塞23、主缸体19以及小活塞20整体继续下行，副缸通过顺序阀24给主缸充液压油，拉杆13和主缸体19法兰开始分离，并且随着下行过程该分离距离逐渐增大，如图5-3所示小活塞20已经入到小活塞腔22一半，拉杆13与主缸体19法兰具有明显的分离距离；液压机工作行程结束即回程起始状态，如图5-4所示，小活塞20下行至完全填满小活塞腔，压制工作结束，拉杆13和主缸体19法兰分离距离达到最大，此时交流伺服电动机1开始反转，丝杠螺母10带动大活塞14、拉杆13、小柱塞23、主缸体19以及小活塞20整体上行，冲液阀21开启对副缸充液，在小活塞20开始上行直到离开小活塞腔22的行程中，主缸内的液压油通过二位二通阀27向油缸18排液，在小活塞完全离开小活塞腔22后，拉杆走完了与主缸体法兰的分离距离，二位二通阀27关闭，主缸内的液压油通过小活塞腔22直接排入油缸，充液阀21关闭，顺序阀24开启，副缸内的液压油排入到主缸内，之后继续上行最终达到上死点位置。

可知，液压机滑块即主缸体19下行以及压制结束后的回程都是靠交流伺服电动机直驱活塞实现，其中回程时滑块是在拉杆的带动下上行至上死点的。低速增力压制采用了主副复合增压缸来实现，采用四个小活塞20和小活塞腔22可以省掉滑块即主缸体19快速下行和回程上行时用于主缸充液和排液的充液阀，通过控制四个小活塞20的行程来实现主缸体19的快速下行、低速压制和回程上行。

本发明的工作原理为：

在液压机的滑块即主缸体19的下端位于上死点位置时，使交流伺服电机1正转，伺服电机主轴2带动小带轮3旋转，小带轮3通过齿形带4带动大带轮5旋转，进而与大带轮5固定联结的滚珠丝杠7也同步旋转，带动丝杠螺母10下行，并带动大活塞14、拉杆13、主缸体19、小柱塞23、小活塞20下行，油缸18里的液压油流入主缸中，当小活塞20下行进入到小活塞腔22里时，小活塞20将主缸密封起来，油缸18不能直接给主缸充液，滑块即主缸体19的下端接触到工作台25上面的负载，拉杆13和主缸体19的法兰分离，小活塞20再继续下行，副缸的压力增大到顺序阀24的开启压力，顺序阀24开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，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。随着下行过程拉杆13与主缸体19法兰的分离距离逐渐增大，当小活塞20下行至完全把小活塞腔22填满时，压制完成，此时拉杆13与主缸体19法兰的分离距离最大；之后交流伺服电机1开始反转，丝杠螺母10上行，带动大活塞14、拉杆13、主缸体19、小柱塞23、小活塞20上行，充液阀21开启给副缸充入液压油，在小活塞20开始上行直到离开小活塞腔22的行程中，主缸内的液压油通过二位二通阀27向油缸18排液，在小活塞20完全离开小活塞腔22后，二位二通阀27关闭，主缸内的液压油通过小活塞腔22直接排入油缸18，且充液阀21关闭，顺序阀24开启，副缸内的液压油排入到主缸内，此时拉杆13走完了与主缸体19法兰的分离距离，继续上行最终达到上死点位置。

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、滚珠丝杠；8、支撑套；9、轴承；10、丝杠螺母；11、拉杆衬套；12、轴端盖板；13、拉杆；14、大活塞；15、机架；16、密封环；17、大柱塞；18、油缸；19、主缸体；20、小活塞；21、充液阀；22、小柱塞腔；23、小柱塞；24、顺序阀；25、工作台；26、止脱螺母；27、二位二通阀。

Claims (2)

1.一种无油泵交流伺服电机直驱式行程控制增压型液压机，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）通过两个大圆螺母（6）与滚珠丝杠（7）联结为一体，大带轮（5）能够带动滚珠丝杠（7）一起旋转，大带轮（5）下端通过支撑套（8）支撑在轴承（9）上，滚珠丝杠（7）上装有丝杠螺母（10），丝杠螺母（10）与大活塞（14）径向配联结为一体，大活塞（14）的两端对称连接有拉杆（13），拉杆（13）通过拉杆衬套（11）、轴端盖板（12）连接在大活塞（14）横向连杆的端轴上，拉杆（13）下端穿过机架（15）用两个止脱螺母（26）与主缸体（19）的法兰连接，大活塞（14）、拉杆（13）、止脱螺母（26）组成主缸体轴向传动组件，在滚珠丝杠（7）旋转时，丝杠螺母（10）推动大活塞（14）、拉杆（13）上下移动，大活塞（14）的活塞杆下端通过密封环（16）与大柱塞（17）内腔配合，大柱塞（17）与机架（15）固定为一体，大柱塞（17）内有小柱塞（23），小柱塞（23）的下端与主缸体（19）联结为一体；主缸体（19）上固定联结了四个小活塞（20），四个小活塞（20）沿径向均布，对应的在大柱塞（17）上均布有四个小活塞腔（22），小活塞（20）和小活塞腔（22）的直径大小能保证液压机滑块快速下行和回程上行时的速度要求；

交流伺服电机（1）正转，转轴（2）带动小带轮（3）旋转，小带轮（3）通过齿形带（4）带动大带轮（5）旋转，进而与大带轮（5）固定联结的滚珠丝杠（7）也旋转，带动丝杠螺母（10）下行，并带动大活塞（14）、拉杆（13）、主缸体（19）、小柱塞（23）、小活塞（20）下行，当小活塞（20）下行进入到小活塞腔（22）里时开始压制过程，小活塞（20）再继续下行，拉杆（13）和主缸体（19）的法兰分离，并且随着下行拉杆（13）与主缸体（19）法兰的分离距离逐渐增大，当小活塞（20）下行至完全把小活塞腔填满时，压制完成，此时拉杆（13）与主缸体（19）法兰的分离距离最大；大活塞（14）的活塞杆下端、大柱塞（17）内腔、小柱塞（23）构成副缸，副缸中充满了液压油，大活塞（14）的活塞杆下端面积为a，小柱塞（23）的面积为b；大柱塞（17）下端面、主缸体（19）、小柱塞（23）构成主缸；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，副缸中小柱塞的压力接受面积b大于副缸中大活塞（14）的活塞杆下端的压力接受面积a，使得液压机的滑块即主缸体（19）的下端能够快速下行，压制时，顺序阀（24）开启，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，系统的增压比变为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（19）的前后两侧分别放置了充液阀（21）、顺序阀（24）和二位二通阀（27），充液阀（24）为单向阀，其两个端口分别与油缸（18）、副缸相连，在工作行程结束即回程起始时，大活塞（14）、拉杆（13）、主缸体（19）、小柱塞（23）、小活塞（20）整体上行，充液阀（21）开启给副缸充入液压油，小活塞（20）完全离开小活塞腔（22）后，充液阀（21）关闭；顺序阀（24）的两个端口分别与副缸、主缸相连接，滑块开始压制时，副缸内压力升高达到顺序阀（24）预设开启压力，主缸与副缸连通，副缸中的液压油流入主缸中，压制结束后滑块开始上行，在小活塞（20）完全离开小活塞腔（22）后，顺序阀（24）开启，副缸内的液压油排入到主缸；滑块回程时在小活塞（20）上行离开小活塞腔（22）前，二位二通阀（27）通电开启从而连通油缸与主缸之间的液压回路，使得主缸内的液压油流入油缸（18），完成主缸的排液。

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行程控制增压型液压机，其特征在于，工作流程为：液压机的初始状态，滑块即主缸体（19）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，带动滚珠丝杠（7）旋转，使丝杠螺母（10）下行，丝杠螺母（10）带动大活塞（14）、拉杆（13）、小柱塞（23）、主缸体（19）以及小活塞（20）整体下行，此时油缸（18）给主缸充液压油；液压机滑块低速压制状态，小活塞（20）下行刚进入小活塞腔（22），滑块即主缸体（19）的下端接触到工作台（25）上的负载，液压机滑块开始压制工作，此时丝杠螺母（10）带动大活塞（14）、拉杆（13）、小柱塞（23）、主缸体（19）以及小活塞（20）整体继续下行，副缸通过顺序阀（24）给主缸充液压油，拉杆（13）和主缸体（19）法兰开始分离，并且随着下行过程该分离距离逐渐增大；液压机工作行程结束即回程起始状态，小活塞（20）下行至完全填满小活塞腔（22），压制工作结束，拉杆（13）和主缸体（19）法兰分离距离达到最大，此时交流伺服电动机（1）开始反转，丝杠螺母（10）带动大活塞（14）、拉杆（13）、小柱塞（23）、主缸体（19）以及小活塞（20）整体上行，冲液阀（21）开启对副缸充液，在小活塞（20）开始上行直到离开小活塞腔（22）的行程中，主缸内的液压油通过二位二通阀（27）向油缸（18）排液，在小活塞完全离开小活塞腔（22）后，二位二通阀（27）关闭，主缸内的液压油通过小活塞腔（22）直接排入油缸，拉杆走完了与主缸体法兰的分离距离，充液阀（21）关闭，顺序阀（24）开启，副缸内的液压油排入到主缸内，之后继续上行最终达到上死点位置。

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