CN104646584B

CN104646584B - 一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构及其控制方法

Info

Publication number: CN104646584B
Application number: CN201510013662.7A
Authority: CN
Inventors: 章争荣; 胡建国; 孙友松
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-01-12
Also published as: CN104646584A

Abstract

本发明是一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构及其控制方法。包括第一曲柄、第二曲柄、第一连杆、第二连杆、第一肘杆、第二肘杆、第三肘杆，第一曲柄的一端与机身连接构成转动副，第一曲柄的另一端与第一连杆的一端连接构成转动副,第一连杆的另一端与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副，第二肘杆的另一端与机身连接构成转动副,第二曲柄的一端与机身连接构成转动副，第二曲柄的另一端与第二连杆的一端连接构成转动副,第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副，第三肘杆的另一端与滑块连接构成转动副，滑块置于机身导轨上构成移动副。本发明提升压力机的性能和适用性，降低单台驱动电机的扭矩和瞬时功率。

Description

一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构及其控制方法

技术领域

本发明是一种机械压力机用驱动肘杆机构，特别是一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构及其控制方法，属于伺服机械压力机用驱动肘杆机构及其控制方法的创新技术。

背景技术

机械压力机是一种重要的金属成形装备，也是是最重要的机械装备之一，肘杆式机械压力机是其中的一种主要类型。肘杆式机械压力机具有工作行程速度慢、增力比大、滑块在下死点保压时间长等特点，且机身刚性好，适合于金属精密压制成形或挤压成形，广泛应用于机械、汽车、仪器仪表等行业。

传统肘杆式机械压力机的工作机构运动简图如图1所示，其工作机构由曲柄11、连杆12、肘杆13和14、滑块15组成。其采用普通电机驱动飞轮运转，工作时飞轮释放积蓄的动能和电机转动一起驱动曲柄1转动，通过连杆12、肘杆13和14带动滑块15作上下往复运动。由于其工作机构运动方式不能控制，因此这种传统肘杆压力机滑块运动方式相对固定不变、压力机功能单一，工艺适应性较差，且电机不停带动飞轮旋转导致总能耗高，不适应现代制造业的发展。

本世纪初随着大功率伺服电机驱动的发展，伺服驱动开始应用了于成形装备中。伺服驱动的机械压力机采用伺服电机直接驱动，其驱动电机的转速和扭矩可以实时控制和调节，因此压力机的自动化、智能化程度提高，工作效率提高；且可以获得任意的滑块特性，设备的工艺适应性扩大；可以根据不同的工艺采用相应的优化曲线，提高工作性能。伺服压力机一般取消了飞轮，简化了传动环节，驱动电机只在工作时启动，因此具有显著的节能效果。同时，伺服压力机还具有精度高、绿色环保和提高模具寿命的特点。因此伺服压力机得到了迅速的发展和应用。对于伺服电机直接驱动的肘杆式压力机，如仍然采用传统肘杆式压力机的工作机构，则选用伺服驱动电机的瞬时功率和扭矩将远大于传统压力机的普通感应电机，导致压力机造价昂贵，成本高，不利于推广应用。因此，必须采用新的优化的工作机构。于是，三角肘杆机构在伺服肘杆式机械压力机中得到了应用，其工作机构运动简图如图2所示，由曲柄21、杆22～24、肘杆25和26、滑块27组成，杆22、23和24组成的三角形连杆取代了传统肘杆机构的连杆。这种机构增力比大，能显著降低伺服驱动电机的扭矩，工作性能良好，并在伺服肘杆式压力机中得到应用。但在恒驱动扭矩作用下，工程压力行程内成形力不是单调增加的；而且压力机下死点固定，滑块运动方式的变化只能通过伺服电机驱动变化来调节，其运动方式多样性和压力机的功能仍然收到限制。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构。本发明可实现压力机工程压力行程和下死点可调、滑块运动方式可任意设置，大大提升压力机的性能和适用性，且能降低单台驱动电机的扭矩和瞬时功率。

本发明的另一目的在于提供一种简单方便的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构的控制方法。

本发明的技术方案是：本发明的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构, 包括有第一曲柄、第二曲柄、第一连杆、第二连杆、第一肘杆、第二肘杆、第三肘杆，其中第一曲柄的一端与机身连接构成转动副，第一曲柄的另一端与第一连杆的一端连接构成转动副, 第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副，第二肘杆的另一端与机身连接构成转动副, 第二曲柄的一端与机身连接构成转动副，第二曲柄的另一端与第二连杆的一端连接构成转动副, 第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副，第三肘杆的另一端与滑块连接构成转动副，滑块置于机身的导轨上构成移动副，滑块能沿机身导轨作往复直线移动。

上述第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成的转动副和第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副位于机身导轨的轴线的同一侧。

上述第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成的转动副和第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副分别位于机身导轨的轴线的两侧。

上述第一曲柄、第二曲柄由2台伺服电机分别驱动。

上述肘杆机构当第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副同时处于远离机身导轨的轴线的最大距离时，滑块将处于最上的位置，即处于上死点。

上述肘杆机构当第一连杆的另一端分别与第一肘杆4的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副同时处于机身导轨的轴线上时，滑块将处于最下的位置，即处于下死点。

上述肘杆机构以上死点为初始状态，当驱动第一曲柄、第二曲柄的2台伺服电机同步匀速运转，滑块向下运动到距下死点的距离为压力机的公称压力行程时，工作机构处于压力机公称压力行程所对应的位置，工作机构能承受压力机公称压力的成形力，其第二肘杆的轴线与机身导轨的轴线成α0角，第三肘杆轴线与机身导轨的轴线成β0角，α0和β0为大于0小于等于20度的角度。

本发明伺服机械压力机用双驱动肘杆机构的控制方法，包括如下内容：

1）驱动第一曲柄、第二曲柄的2台伺服电机同步匀速运转，当工作机构处于压力机公称压力行程和下死点之间的任意位置时，工作机构能承受不低于压力机公称压力的成形力；

2）通过控制两台伺服电机的转速和转向，在下行空行程、下行工程压力行程和上行回程获得包含变速、暂停甚至后退的任意滑块运动；

3）当滑块位于上死点时，工作机构处于初始状态，驱动第一曲柄、第二曲柄的2台伺服电机同步匀速运转时，则第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副同步到达机身导轨的轴线上，然后开始回程，最终回复到初始状态，此时工作机构具有常规压力机肘杆机构的工作特性，实现一般肘杆式压力机的功能；

4）驱动第一曲柄1的伺服电机不启动，且第一连杆与第一肘杆及第二肘杆连接的转动副处于机身导轨的轴线上，第一连杆与第一肘杆及第二肘杆锁死处于固定位置，驱动第二曲柄的伺服电机正常运转，此时工作机构相当于常规压力机肘杆机构，实现一般肘杆式压力机的功能，其工作特性由第二曲柄、第二连杆、第一肘杆、第三肘杆及滑块构成的单驱动肘杆机构确定；

5）上述肘杆机构以上死点为初始状态，当驱动第一曲柄、第二曲柄的2台伺服电机同步匀速运转，滑块向下运动到距下死点的距离为压力机的公称压力行程时，工作机构处于压力机公称压力行程所对应的位置，工作机构能承受压力机公称压力的成形力，其第二肘杆的轴线与机身导轨的轴线成α0角，第三肘杆的轴线BE与机身导轨的轴线成β0角，控制驱动电机的运转，第二肘杆的轴线与机身导轨的轴线的夹角为α，第三肘杆的轴线与机身导轨的轴线的夹角为β，使夹角α和夹角β分别在α0角和β0角的范围内时，且第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副不同时位于机身导轨的轴线上时，工作机构既可提供不低于压力机公称压力的成形力，又能实现滑块当次行程下死点的调节；

6）以滑块的上死点时工作机构位置为初始状态，控制两台驱动电机的快速运转，驱动第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副趋向机身导轨的轴线方向快速移动，实现压力机滑块的快速空行程；

7）当滑块到达下死点后回程，控制两台驱动电机的快速同步运转，驱动第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副向远离机身导轨的轴线方向快速移动，实现压力机滑块的快速回程；

8）以滑块的上死点时工作机构位置为初始状态，控制两台驱动电机的快速运转，使压力机滑块7快速空行程下行至加载前的某一位置，降低驱动第二曲柄的伺服电机转速，从而降低滑块的下行速度，使安装在滑块上的模具慢速接近成形工件，当第二肘杆转动到工程压力行程所对应的位置，即角α等于α0角时，再降低驱动第一曲柄的伺服电机的转速，降低成形速度，增加保压时间，当滑块到达下死点后，控制两台驱动电机快速同步运转，实现压力机滑块的快速回程。

本发明的的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构相对于传统的肘杆机构，工作机构由1个驱动增加为2个驱动，在保持压力机公称压力机前提下，能显著降低单台伺服驱动电机的扭矩和瞬时功率。可实现压力机工程压力行程和下死点可调、滑块运动方式可任意设置，大大提升压力机的性能和适用性，且能降低单台驱动电机的扭矩和瞬时功率。本发明的工作机构充分发挥了压力机伺服驱动的优势，丰富了压力机的功能。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构，本发明的控制方法简单方便。

附图说明

图1为传统肘杆式机械压力机的工作机构示意图；

图2为三角肘杆式机械压力机的工作机构示意图；

图3为本发明实施例1的工作机构示意图；

图4为本发明实施例2的工作机构示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明的工作机构示意图如图3所示，本发明的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构, 包括有第一曲柄1、第二曲柄1′、第一连杆2、第二连杆3、第一肘杆4、第二肘杆5、第三肘杆6，其中第一曲柄1的一端与机身连接构成转动副O，第一曲柄1的另一端与第一连杆2的一端连接构成转动副A, 第一连杆2的另一端分别与第一肘杆4的一端及第二肘杆5的一端连接构成转动副C，第二肘杆5的另一端与机身连接构成转动副D, 第二曲柄1′的一端与机身连接构成转动副O′，第二曲柄1′的另一端与第二连杆3的一端连接构成转动副A′, 第二连杆3的另一端分别与第一肘杆4的另一端及第三肘杆6的一端连接构成转动副B，第三肘杆6的另一端与滑块7连接构成转动副E，滑块7置于机身的导轨上构成移动副，滑块7能沿机身导轨作往复直线移动。本实施例中，上述滑块7能沿机身导轨的轴线DE作上下往复直线移动。

本实施例中，上述第二连杆3的另一端分别与第一肘杆4的另一端及第三肘杆6的一端连接构成的转动副B和第一连杆2的另一端分别与第一肘杆4的一端及第二肘杆5的一端连接构成转动副C 位于机身导轨的轴线DE的同一侧。

本实施例中，上述第一曲柄1、第二曲柄1′由2台伺服电机分别驱动。采用2台伺服电机分别驱动，控制2台伺服驱动电机转速和位置，能有效控制滑块7的位置和速度，获得任意的滑块运动曲线，大大提升压力机的工艺适用能力。

本发明的工作原理是：本发明肘杆机构中的转动副B和转动副C位于轴线DE的同一侧，当滑块7处于上死点时，转动副B和转动副C处于离轴线DE距离最远的位置。工作时，2台伺服电机分别驱动第一曲柄1和第二曲柄1′转动，通过第一连杆2和第二连杆3带动第一肘杆4、第二肘杆5、第三肘杆6运动，使转动副B和转动副C向轴线DE移动，并驱动滑块7沿机身导轨作向下运动。运动过程中，如取第二肘杆5的轴线CD与轴线DE的夹角为α，第三肘杆6的轴线BE与轴线DE的夹角为β,特别的当工作机构处于压力机公称压力所对应的位置时，第二肘杆5轴线CD与轴线DE成α=α0角，第三肘杆6轴线BE与轴线DE成β=β0角；当角α和β分别在α0角和β0角的范围内时，工作机构能提供压力机所需不低于公称压力的成形压力，当转动副B和转动副C位于轴线DE上时，滑块7处于下死点位置。当转动副B和转动副C到达轴线DE上或越过轴线DE到另一侧一定距离后，伺服电机驱动曲柄转动实现机构的回程。如转动副B和转动副C越过了轴线DE，则滑块7将再次经过下死点，直到滑块7回到上死点。

实施例2：

本发明的工作机构示意图如图4所示，本发明的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构与实施例1的区别是：上述第二连杆3的另一端分别与第一肘杆4的另一端及第三肘杆6的一端连接构成的转动副B和第一连杆2的另一端分别与第一肘杆4的一端及第二肘杆5的一端连接构成转动副C 分别位于机身导轨的轴线DE的两侧。

本发明的工作原理是：本发明肘杆机构中的转动副B和转动副C位于轴线DE的两侧，当滑块7处于上死点时，转动副B和转动副C处于离轴线DE距离最远的位置。工作时，2台伺服电机分别驱动第一曲柄1和第二曲柄1′转动，通过第一连杆2和第二连杆3带动第一肘杆4、第二肘杆5、第三肘杆6运动，使转动副B和转动副C向轴线DE移动，并驱动滑块7沿机身导轨作向下运动。如工作机构处于压力机公称压力所对应的位置时，第二肘杆5轴线与轴线DE成α0角，第三肘杆6轴线与轴线DE成β0角，当角α和β分别处于公称压力所对应的α0角和β0角的范围内时，工作机构能提供压力机所需不低于公称压力的成形压力，当转动副B和转动副C位于轴线DE上时，滑块7处于下死点位置。当转动副B和转动副C到达轴线DE上或越过轴线DE到各自的另一侧一定距离后，伺服电机驱动曲柄转动实现机构的回程，如转动副B和转动副C越过了轴线DE，则滑块7将再次经过下死点，直到滑块7回到上死点。

另外，当图3和图4所示的工作机构中，当驱动第一曲柄1的伺服电机不启动，第一曲柄1不转动，且转动副C位于轴线DE上固定不动时，伺服电机驱动第二曲柄1′正常运转，此时该工作机构相当于一传统的肘杆机构，可实现常规伺服肘杆式机械压力机的功能。

对于图3和图4所示的工作机构，运行时控制驱动第一曲柄1和第二曲柄1′的2台伺服电机的速度和位置，使转动副B和转动副C不同时到达轴线DE上，此时就能改变滑块7的下死点位置，从而不改变工作机构只控制伺服驱动电机的运行就可以实现滑块下死点的调节。

Claims

1.一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构,其特征在于包括有第一曲柄、第二曲柄、第一连杆、第二连杆、第一肘杆、第二肘杆、第三肘杆，其中第一曲柄的一端与机身连接构成转动副，第一曲柄的另一端与第一连杆的一端连接构成转动副, 第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副，第二肘杆的另一端与机身连接构成转动副, 第二曲柄的一端与机身连接构成转动副，第二曲柄的另一端与第二连杆的一端连接构成转动副, 第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副，第三肘杆的另一端与滑块连接构成转动副，滑块置于机身的导轨上构成移动副，滑块能沿机身导轨作往复直线移动。

2.根据权利要求1所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构,其特征在于上述滑块能沿机身导轨的轴线作上下往复直线移动。

3.根据权利要求2所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构,其特征在于上述第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成的转动副和第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副位于机身导轨的轴线的同一侧。

4.根据权利要求2所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构,其特征在于上述第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成的转动副和第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副分别位于机身导轨的轴线的两侧。

5.根据权利要求1至4任一项所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构，其特征在于上述第一曲柄、第二曲柄由两台伺服电机分别驱动。

6.根据权利要求1至4任一项所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构，其特征在于上述肘杆机构当第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副同时处于远离机身导轨的轴线的最大距离时，滑块将处于最上的位置，即处于上死点。

7.根据权利要求1至4任一项所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构，其特征在于上述肘杆机构当第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副同时处于机身导轨的轴线上时，滑块将处于最下的位置，即处于下死点。

8.根据权利要求6所述的伺服机械压力机用双驱动肘杆机构，其特征在于上述肘杆机构以上死点为初始状态，当驱动第一曲柄、第二曲柄的两台伺服电机同步匀速运转，滑块向下运动到距下死点的距离为压力机的公称压力行程时，工作机构处于压力机公称压力行程所对应的位置，工作机构能承受压力机公称压力的成形力，其第二肘杆的轴线与机身导轨的轴线成α₀角，第三肘杆轴线与机身导轨的轴线成β₀角，α₀和β₀为大于0度小于等于20度的角度。

9.一种伺服机械压力机用双驱动肘杆机构的控制方法，其特征在于包括如下内容：

1）驱动第一曲柄、第二曲柄的两台伺服电机同步匀速运转，当工作机构处于压力机公称压力行程和下死点之间的任意位置时，工作机构能承受不低于压力机公称压力的成形力；

2）通过控制两台伺服电机的转速和转向，在下行空行程、下行公称压力行程和上行回程获得包含变速、暂停甚至后退的任意滑块运动；

3）当滑块位于上死点时，工作机构处于初始状态，驱动第一曲柄、第二曲柄的两台伺服电机同步匀速运转时，第一曲柄的一端与机身连接构成转动副，第一曲柄的另一端与第一连杆的一端连接构成转动副, 第二曲柄的一端与机身连接构成转动副，第二曲柄的另一端与第二连杆的一端连接构成转动副,则第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副同步到达机身导轨的轴线上，然后开始回程，最终回复到初始状态，此时工作机构具有常规压力机肘杆机构的工作特性，实现一般肘杆式压力机的功能；

4）驱动第一曲柄的伺服电机不启动，且第一连杆与第一肘杆及第二肘杆连接的转动副处于机身导轨的轴线上，第一连杆与第一肘杆及第二肘杆锁死处于固定位置，驱动第二曲柄的伺服电机正常运转，此时工作机构相当于常规压力机肘杆机构，实现一般肘杆式压力机的功能，其工作特性由第二曲柄、第二连杆、第一肘杆、第三肘杆及滑块构成的单驱动肘杆机构确定；

5）上述肘杆机构以上死点为初始状态，当驱动第一曲柄、第二曲柄的两台伺服电机同步匀速运转，滑块向下运动到距下死点的距离为压力机的公称压力行程时，工作机构处于压力机公称压力行程所对应的位置，工作机构能承受压力机公称压力的成形力，其第二肘杆的轴线与机身导轨的轴线成α₀角，第三肘杆的轴线BE与机身导轨的轴线成β₀角，控制伺服电机的运转，第二肘杆的轴线与机身导轨的轴线的夹角为α，第三肘杆的轴线与机身导轨的轴线的夹角为β，使夹角α和夹角β分别在α₀角和β₀角的范围内时，且第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副不同时位于机身导轨的轴线上时，工作机构既可提供不低于压力机公称压力的成形力，又能实现滑块当次行程下死点的调节；

6）以滑块的上死点时工作机构位置为初始状态，控制两台伺服电机的快速运转，驱动第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副趋向机身导轨的轴线方向快速移动，实现压力机滑块的快速空行程；

7）当滑块到达下死点后回程，控制两台伺服电机的快速同步运转，驱动第一连杆的另一端分别与第一肘杆的一端及第二肘杆的一端连接构成转动副和第二连杆的另一端分别与第一肘杆的另一端及第三肘杆的一端连接构成转动副向远离机身导轨的轴线方向快速移动，实现压力机滑块的快速回程；

8）以滑块的上死点时工作机构位置为初始状态，控制两台伺服电机的快速运转，使压力机滑块快速空行程下行至加载前的某一位置，降低驱动第二曲柄的伺服电机转速，从而降低滑块的下行速度，使安装在滑块上的模具慢速接近成形工件，当第二肘杆转动到公称压力行程所对应的位置，即角α等于α₀角时，再降低驱动第一曲柄的伺服电机的转速，降低成形速度，增加保压时间，当滑块到达下死点后，控制两台伺服电机快速同步运转，实现压力机滑块的快速回程。