CN104325055B - 一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机 - Google Patents
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Abstract
一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机，主工作机构采用伺服电机经行星齿轮系和行星滚柱丝杠副两级减速增力机构调节锻模位置，精度高、位置控制精确；采用油泵伺服电机控制进油量、转阀伺服电机控制活塞杆两侧油腔通断时间的方式，可实现锻模速度、锻造距离、锻造频率和锻造曲线的灵活设计和控制，具有极高的柔性，可适应各类材料冷热锻造的要求；采用小行程液压缸进行锻造，锻造力高，锻造平稳，本发明结构简单，可靠性强，且成本较低。
Description
技术领域
本发明属于机械成形设备中径向锻机技术领域，具体涉及一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机。
背景技术
目前，市场上应用广泛的径向锻机主要分为三类：普通压力机改造的径向锻机、液压式径向锻机、机械及液力混合式径向锻机。这三种径向锻机具有各自显著的特点，能基本满足当前轴管类零件的生产需求。
普通压力机改造的径向锻机具有四个锻模，上模和下模分别固定在压力机的上下砧板上，上砧板直接连接在液压缸上，下砧板即为压力机的工作平台，上模和下模共同构成的斜锲可以驱动两个侧模同步横向运动，从而将通用压力机改装成为径向锻机。这种径向锻机成本低，操作简单，可靠性高，锻压力和锻压速度控制灵活，但受限于自身结构，其锻打速度较低，由于各个锻模的高度无法单独调节，该锻机也无法锻造复杂外形。
液压式径向锻机具有沿坯料径向均布的四组锻模，单个锻模的装模高度调节和锻打分别由一个液压缸驱动，锻模直接连接在液压缸的执行部件上。该类型锻机锻造力和锻造速率可根据工件的尺寸、形状和材料的不同而单独设定，并能被很好地控制。液压传动的增力效果可使得锻机有较大的锻打力，满足大变形锻打的需要。但传统液压式径向锻机只采用液压缸同时实现行程调节和锻打，液压缸行程约为最大可锻直径的0.8-1.2倍，由于液压油的可压缩性和液压系统本身的特性，液压式径向锻机的锻打频率和工件最终精度相对较低。
机械式径向锻机拥有四组典型的曲柄滑块机构，曲柄通过转动驱动滑块和连杆运动，将旋转转化为锻模的往复运动进行锻造。该锻机在每个锻模上设置调节电机，通过蜗轮蜗杆机构改变锻模高度。由于采用整体机械式传动，该锻机的锻打速度和锻件的公差水平高于液压式。但机械式径向锻机的调节机构体积大，传动零件多，使得使用寿命短，噪声大，制造大吨位径向锻机价格昂贵。
为克服机械式径向锻机难以制造大吨位的缺陷，市场上出现液力混合式径向锻机。该系列锻机的锻模和曲柄滑块机构间设置液压垫，由曲柄滑块机构完成锻造，由伺服阀控制液压垫调节锻模高度，使得进给量、进给速度的控制及锻造力测量十分精确，该设计结构紧凑，成本较低，还提供了可靠的过载保护，减小了曲柄受到的冲击载荷。然而，机械式、液力式径向锻机由于主工作机构均为曲柄滑块机构，无法调节锻造曲线；在低速锻造时，由于系统蓄能较少，只能实现较小进给量的锻造，对某些要求低应变速率、大位移的场合并不适用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机，采用重载行星丝杠调节行程，用高速小行程液压缸进行锻造循环，结构简单，成本较低，可靠性强，锻造精度高，锻模速度、锻模运动曲线、锻造距离和锻造频率均能实现灵活调节。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机，包括机架1，其上设有均布的四个安装套101，四组主工作机构2安装在对应安装套101内，安装套101之间由焊接板102连接，机架1底部设有焊接在其上的安装板103，机架1安装在地基4上，每组主工作机构2采用主伺服电机201经行星齿轮系减速后驱动行星丝杠副调节液压缸的位置，由液压缸中的活塞杆217带动锻模226锻打，地基4上设有四组液压控制系统3，每组主工作机构2的液压缸由对应的一组独立的液压控制系统3驱动。
所述主工作机构2通过安装套筒221安装在机架1的安装套101上，主工作机构2包括主伺服电机201，主伺服电机201安装在电机安装板202上，电机安装板202与安装套筒221连接并压紧内齿圈205，主伺服电机201输出轴上设有太阳齿轮203，多个均布的行星齿轮204与太阳齿轮203外啮合，并与固定安装的内齿圈205内啮合，行星齿轮204设有内孔，滑动轴套207嵌入该孔中，柱销206的一端插入滑动轴套207中，另一端通过过盈配合插入螺母209中，螺母209与安装套筒221间设有一个推力轴承208和一对第一球轴承214，多个滚柱212中部设有螺纹段，与螺母209内啮合并与主丝杠213外啮合，挡板210设有与滚柱212数量相等的均布通孔，与滚柱212两端轴段配合安装，固定齿圈211通过过盈配合安装在螺母209内表面上，固定齿圈211上设有内齿形，与滚柱212两端齿轮段啮合，液压缸安装板215将主丝杠213的一端与液压缸组件的第一后端盖216连接起来，第一后端盖216和第一前端盖220安装在缸筒218上，缸筒218外表面安装有多组滑块219，缸筒218上设有两个油口，分别为A口和B口，对应位置的一对滑块219上设有螺孔，A口管接头223和B口管接头224安装在对应螺孔上，锻模安装板225安装在活塞杆217一端，锻模226安装在锻模安装板225上，密封套筒222安装在安装套筒上221上，密封套筒222上设有通槽，油管通过通槽与A口管接头223和B口管接头224连接。
所述液压控制系统3包括安装在地基4上的第一安装架32，第一安装架32上设有定位孔，油泵31和油泵伺服电机33的定位凸台分别从两侧与定位孔配合，并紧固在第一安装架32上，油泵31的输入轴插入油泵伺服电机33输出端的内孔中并通过平键连接，油泵31进油口连接油箱，出油口经过管路同时连接在溢流阀35的进油口和旋转接头36的进油口上，溢流阀35安装在连接地基4的第二安装架34上，溢流阀35的出油口连接油箱，旋转接头36安装在转阀37的阀芯373一端，转阀37还包括安装在地基4上的外套374，外套374上设有三个油口，a口与主工作机构2的A口相连，b口与B口相连，o口连接油箱，第二前端盖371和第二后端盖375分别从外套374两侧安装，阀芯373设置在外套374内，一对第二球轴承372安装在外套374的内表面上，从两侧支撑阀芯373，第二球轴承372的轴向位置由第二前端盖371和第二后端盖375确定，阀芯373上设有液压流道和连接转阀伺服电机38用的内孔，液压流道包括：从连接旋转接头36的一端沿轴向方向开设的盲孔、在a口和b口截面上沿径向方向开设的通孔、阀芯373外圆柱面上开设的连接o口与a或b口的槽，其中，a、b截面上通孔相位相差90°，连接o口与a口的槽设有两个且与a截面通孔相位相差90°，连接o口与b口的槽设有两个且与b截面通孔相位相差90°，转阀伺服电机38连接在转阀37的第二后端盖375上，其输出轴插入阀芯373内，采用平键连接。
本发明具有以下有益效果：
1)系统可控性与柔性较强。本发明主工作机构采用伺服电机经行星齿轮系和行星滚柱丝杠副两级减速增力机构调节锻模位置，精度高、位置控制精确。采用油泵伺服电机控制进油量、转阀伺服电机控制活塞杆两侧油腔通断时间的方式，可实现锻模速度、锻造距离、锻造频率和锻造曲线的灵活设计和控制，具有极高的柔性，可适应各类材料冷热锻造的要求。
2)系统承载力高、可靠性强、精度高。本发明采用液压方式进行锻造，锻造力高，锻造平稳。行星滚柱丝杠具有优于普通四缸2-3倍的承载力，可有效增加系统承载力。在液压油路中增加溢流阀，可使得系统过载时液压油自动流回油箱，形成有效的过载保护，可靠性高。区别于传统液压式径向锻机，本发明只采用液压缸实现锻造，不再同时实现行程调节，液压缸总行程约为最大可锻直径的0.2-0.3倍，因此液压缸体较小，液压油压缩造成的精度误差仅为传统液压式径向锻机的20-30％，媲美机械式径向锻机。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明主工作机构2的结构示意图。
图3为本发明液压控制系统3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参见图1，一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机，包括机架1，其上设有均布的四个安装套101，四组主工作机构2通过螺栓安装在对应安装套101内，使得系统呈圆周均匀阵列，安装套101之间由焊接板102连接，机架1底部设有焊接在其上的安装板103，将机架1通过螺栓安装在地基4上，每组主工作机构2采用主伺服电机201经行星齿轮系减速后驱动行星丝杠副调节液压缸的位置，由液压缸中的活塞杆217带动锻模226锻打，四组主工作机构2可实现四个方向对坯料的径向锻打，地基4上设有四组液压控制系统3，每组主工作机构2的液压缸由对应的一组独立的液压控制系统3驱动，液压控制系统3可实现锻模速度、锻模运动曲线和锻打频率的调节。
参见图2，所述主工作机构2通过安装套筒221采用螺栓安装在机架1的安装套101上，将锻造时产生的推力传递到机架1上，主工作机构2包括主伺服电机201，主伺服电机201通过螺栓安装在电机安装板202上，电机安装板202通过螺栓与安装套筒221连接并压紧内齿圈205，将内齿圈205承受的锻造力传递给安装套筒221，主伺服电机201输出轴上设有太阳齿轮203，多个均布的行星齿轮204与太阳齿轮203外啮合，并与固定安装的内齿圈205内啮合，共同组成行星轮系作为第一级减速机构，行星齿轮204设有内孔，滑动轴套207嵌入该孔中，柱销206的一端插入滑动轴套207中，另一端通过过盈配合插入螺母209中，从而将行星齿轮204的圆周滚动转换为螺母209的转动，螺母209与安装套筒221间设有一个推力轴承208和一对第一球轴承214，推力轴承208用于承受螺母209所受锻造力，并将锻造力传递给内齿圈205，第一球轴承214用于螺母209的支撑和定位，多个滚柱212中部设有螺纹段，与螺母209内啮合并与主丝杠213外啮合，共同组成行星丝杠副作为第二级减速机构，由于主丝杠213与液压缸组件连接不能旋转，故将螺母209的旋转转化为主丝杠213的直线运动进而调节锻模226位置，挡板210设有与滚柱212数量相等的均布通孔，与滚柱212两端轴段配合安装，挡板210起到保持架作用，保证滚柱212的相对位置固定，固定齿圈211通过过盈配合安装在螺母209内表面上，固定齿圈211上设有内齿形，与滚柱212两端齿轮段啮合，用于保持滚柱212自身相位，液压缸安装板215通过螺栓将主丝杠213的一端与液压缸组件的第一后端盖216连接起来，将锻造力从液压缸组件传递给行星丝杠副，第一后端盖216和第一前端盖220通过螺栓安装在缸筒218上，将液压油的密封在缸筒内，缸筒218外表面安装有多组滑块219，用于液压缸组件移动时的导向润滑并防止液压缸组件及主丝杠213旋转，缸筒218上设有两个油口，分别为A口和B口，对应位置的一对滑块219上设有螺孔，A口管接头223和B口管接头224安装在对应螺孔上，将液压油分别通入活塞杆217两侧油腔内，锻模安装板225通过螺栓安装在活塞杆217一端，锻模226安装在锻模安装板225上，进而用活塞杆217的往复运动实现锻打，锻造力可从锻模226传递至液压缸组件上，密封套筒222安装在安装套筒上221上，对液压缸组件起到密封和防尘作用，密封套筒222上设有通槽，油管通过通槽与，A口管接头223和B口管接头224连接。
参见图3，所述液压控制系统3包括安装在地基4上的第一安装架32，第一安装架32上设有定位孔，油泵31和油泵伺服电机33的定位凸台分别从两侧与定位孔配合，并通过螺栓紧固在第一安装架32上，确保油泵31和油泵伺服电机33同心，油泵31的输入轴插入油泵伺服电机33输出端的内孔中并通过平键连接，油泵伺服电机即可驱动油泵旋转输出液压油，油泵31进油口连接油箱，出油口经过管路同时连接在溢流阀35的进油口和旋转接头36的进油口上，溢流阀35经螺栓安装在连接地基4的第二安装架34上，溢流阀35的出油口连接油箱，当转阀37流道闭合时，压力油即可通过溢流阀35流回油箱，旋转接头36安装在转阀37的阀芯373一端，可将压力油输送到进行旋转运动的转阀37中，转阀37还包括安装在地基4上的外套374，外套374上设有三个油口，a口与主工作机构2的A口相连，b口与B口相连，o口连接油箱，起到回油作用，第二前端盖371和第二后端盖375分别从外套374两侧通过螺栓安装，起到密封和防尘作用，阀芯373设置在外套374内，一对第二球轴承372安装在外套374的内表面上，从两侧支撑阀芯373，第二球轴承372的轴向位置由第二前端盖371和第二后端盖375确定，使阀芯373可自由旋转但不产生轴向窜动，阀芯373上设有液压流道和连接转阀伺服电机38用的内孔，液压流道包括：从连接旋转接头36的一端沿轴向方向开设的盲孔、在a口和b口截面上沿径向方向开设的通孔、阀芯373外圆柱面上开设的连接o口与a或b口的槽，其中，a、b口截面上通孔相位相差90°，连接o口与a口的槽设有两个且与a口截面通孔相位相差90°，连接o口与b口的槽设有两个且与b口截面通孔相位相差90°，转阀伺服电机38通过螺栓连接在转阀37的第二后端盖375上，其输出轴插入阀芯373内，采用平键连接，转阀伺服电机38可控制转阀37的阀芯373转动。
本发明的工作原理为：
工作时，四组主工作机构2进行同步锻造或相对的一组主工作机构2进行同步锻造。进行锻模226位置调节时，主伺服电机201驱动太阳齿轮203旋转，行星齿轮204在内齿圈205和太阳齿轮203之间做行星运动，带动螺母209转动，产生第一级减速增力效果。由于主丝杠213在滑块219的导向作用下不能旋转，螺母209的转动带动滚柱212做行星运动，进而驱动主丝杠213直线运动，从而实现液压缸组件及其上的锻模226位置调节，并实现了第二级减速增力功能。进行锻造时，液压油交替从A、B口进入缸筒218，推动活塞杆217和锻模226往复运动，实现锻造。
为控制液压油流动，油泵伺服电机33驱动油泵31转动，将压力油输入到溢流阀35和转阀37，当转阀37的阀芯373在图3所示位置时，a口联通，压力油经A口管接头223进入缸筒218，推动活塞杆217和锻模226靠近坯料进行锻造，活塞杆217另一侧液压油通过B管接头224进入b口，经o口流回油箱，当阀芯373从图示位置旋转90°时，则实现活塞杆217和锻模226远离坯料的回程。当阀芯373介于以上两种位置之间时，转阀37各口均闭合，活塞杆217和锻模226位置固定不变，油泵31留出的液压油经溢流阀35流回油缸。油泵伺服电机33通过改变转速可调节液压油流量，从而调节锻模226速度。转阀伺服电机38通过控制阀芯373的a、b口联通时间，可控制活塞杆217移动距离，即锻模226的锻造距离。转阀伺服电机38通过控制a、b口一次交替联通的总时间，可以控制锻模226的锻造频率。通过对油泵伺服电机33和转阀伺服电机位置及转速的精确伺服控制，可实现对锻模226运动曲线的精确设计和控制。各个主伺服电机201对锻模226位置的改变，以及每组液压控制系统3对各自主工作机构2锻造的精确控制，可实现锻造位置、速度、频率、距离和曲线均可调节的高柔性径向锻造，满足各类生产的需要。
Claims (2)
1.一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机，包括机架(1)，其特征在于：机架(1)上设有均布的四个安装套(101)，四组主工作机构(2)安装在对应安装套(101)内，安装套(101)之间由焊接板(102)连接，机架(1)底部设有焊接在其上的安装板(103)，机架(1)安装在地基(4)上，每组主工作机构(2)采用主伺服电机(201)经行星齿轮系减速后驱动行星丝杠副调节液压缸的位置，由液压缸中的活塞杆(217)带动锻模(226)锻打，地基(4)上设有四组液压控制系统(3)，每组主工作机构(2)的液压缸由对应的一组独立的液压控制系统(3)驱动；
所述主工作机构(2)通过安装套筒(221)安装在机架(1)的安装套(101)上，主工作机构(2)包括主伺服电机(201)，主伺服电机(201)安装在电机安装板(202)上，电机安装板(202)与安装套筒(221)连接并压紧内齿圈(205)，主伺服电机(201)输出轴上设有太阳齿轮(203)，多个均布的行星齿轮(204)与太阳齿轮(203)外啮合，并与固定安装的内齿圈(205)内啮合，行星齿轮(204)设有内孔，滑动轴套(207)嵌入该孔中，柱销(206)的一端插入滑动轴套(207)中，另一端通过过盈配合插入螺母(209)中，螺母(209)与安装套筒(221)间设有一个推力轴承(208)和一对第一球轴承(214)，多个滚柱(212)中部设有螺纹段，与螺母(209)内啮合并与主丝杠(213)外啮合，挡板(210)设有与滚柱(212)数量相等的均布通孔，与滚柱(212)两端轴段配合安装，固定齿圈(211)通过过盈配合安装在螺母(209)内表面上，固定齿圈(211)上设有内齿形，与滚柱(212)两端齿轮段啮合，液压缸安装板(215)将主丝杠(213)的一端与液压缸组件的第一后端盖(216)连接起来，第一后端盖(216)和第一前端盖(220)安装在缸筒(218)上，缸筒(218)外表面安装有多组滑块(219)，缸筒(218)上设有两个油口，分别为A口和B口，对应位置的一对滑块(219)上设有螺孔，A口管接头(223)和B口管接头(224)安装在对应螺孔上，锻模安装板(225)安装在活塞杆(217)一端，锻模(226)安装在锻模安装板(225)上，密封套筒(222)安装在安装套筒(221)上，密封套筒(222)上设有通槽，油管通过通槽与A口管接头(223)和B口管接头(224)连接。
2.根据权利要求1所述的一种交流伺服电机驱动的机械行程调节的液压式径向锻机，其特征在于：所述液压控制系统(3)包括安装在地基(4)上的第一安装架(32)，第一安装架(32)上设有定位孔，油泵(31)和油泵伺服电机(33)的定位凸台分别从两侧与定位孔配合，并紧固在第一安装架(32)上，油泵(31)的输入轴插入油泵伺服电机(33)输出端的内孔中并通过平键连接，油泵(31)进油口连接油箱，出油口经过管路同时连接在溢流阀(35)的进油口和旋转接头(36)的进油口上，溢流阀(35)安装在连接地基(4)的第二安装架(34)上，溢流阀(35)的出油口连接油箱，旋转接头(36)安装在转阀(37)的阀芯(373)一端，转阀(37)还包括安装在地基(4)上的外套(374)，外套(374)上设有三个油口，a口与主工作机构(2)的A口相连，b口与B口相连，o口连接油箱，第二前端盖(371)和第二后端盖(375)分别从外套(374)两侧安装，阀芯(373)设置在外套(374)内，一对第二球轴承(372)安装在外套(374)的内表面上，从两侧支撑阀芯(373)，第二球轴承(372)的轴向位置由第二前端盖(371)和第二后端盖(375)确定，阀芯(373)上设有液压流道和连接转阀伺服电机(38)用的内孔，液压流道包括：从连接旋转接头(36)的一端沿轴向方向开设的盲孔、在a口和b口截面上沿径向方向开设的通孔、阀芯(373)外圆柱面上开设的连接o口与a或b口的槽，其中，a、b口截面上通孔相位相差90°，连接o口与a口的槽设有两个且与a口截面通孔相位相差90°，连接o口与b口的槽设有两个且与b截面通孔相位相差90°，转阀伺服电机(38)连接在转阀(37)的第二后端盖(375)上，其输出轴插入阀芯(373)内，采用平键连接。
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