CN105964756B - 一种柔性数控转塔冲床的主传动机构及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性数控转塔冲床的主传动机构及工作方法，包括曲柄连杆机构、摆动架和螺纹副；摆动架与机架、曲柄连杆机构和螺纹副相铰接。曲柄连杆机构包括曲柄和连杆，曲柄与机架转动连接，连杆分别与曲柄的转动轴和摆动架相铰接；曲柄与连杆之间的角度能够调整。螺纹副包括螺母、螺杆、支撑杆和螺纹副驱动部件；螺母的高度位置固定，螺杆与螺母相配合，螺杆分别与支撑杆和摆动架相铰接；螺杆能在螺纹副驱动部件的驱动下实现高度升降及锁定。采用上述结构与方法后，能根据板材的厚度及冲裁力的大小进行动态调整。另外，机构的增力特性与增速特性可控性好，电机的功率利用率高。在相同电机功率的情况下，能够实现更高的冲裁速度和冲裁力。

Description

一种柔性数控转塔冲床的主传动机构及工作方法

技术领域

本发明涉及一种数控转塔冲床及工作方法，特别是一种柔性数控转塔冲床的主传动机构及工作方法。

背景技术

数控转塔冲床是金属板材加工领域的重要装备，转塔冲床按照其主传动机构的动力源类型可以分为机械式、液压式和全电伺服式三种类型。由于全电伺服式冲床具有速度快、精度高、节能、环保、滑块运动曲线可控等突出优点，近几年逐步取代传统的机械式和液压式结构，成为行业的主流产品。

现有全电伺服式数控转塔冲床技术中按照机构的类型可以分为曲柄滑块式、肘杆式等多种机构形式。但是这些机构形式分为两大类：

一、采用单电机驱动的平面连杆机构形式

目前已有的单电机驱动的平面连杆机构形式，主要存在如下不足：

1、柔性差：机构的运动学特性与力学特性不可调，即机构的增力特性、增速特性都是固定的，不能根据冲裁的板厚及冲裁力的大小进行动态调整，导致小负荷时冲裁速度不快，慢速冲裁时冲裁力不大。

2、曲轴的支撑轴承负荷过大，整个冲裁载荷全部作用在曲轴的支撑轴承上，容易引起该轴承的损坏。

3、不能实现大行程、恒力加工模式，无法完成拉深等成型加工。

二、采用双电机驱动的二自由度平面连杆机构

目前已有的二自由度混合驱动机械式伺服压力机，基本为高度非线性机构，其增力与增速特性受到多方面因素影响，控制参数提取困难，可控性较差。另外，随着冲头冲压曲线的变化，电机功率的利用率也会发生变化，不能保证电机在各个工况下都处于满负荷工作，造成功率浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种柔性数控转塔冲床的主传动机构，该柔性数控转塔冲床的主传动机构能根据板材的厚度及冲裁力的大小进行动态调整，如大冲裁力采用低速重载模式，小冲裁力采用高速模式。另外，机构的增力特性与增速特性可控性好，电机的功率利用率高。在相同电机功率的情况下，能够实现更高的冲裁速度和冲裁力。并且能够适用于高速，重载的应用场合。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种柔性数控转塔冲床的主传动机构，包括冲裁装置和増力增速调整装置。

冲裁装置包括能竖向滑移的滑块。

増力增速调整装置包括曲柄连杆机构、摆动架和螺纹副；摆动架设置在曲柄连杆机构和螺纹副之间，且摆动架分别与机架、曲柄连杆机构和螺纹副相铰接。

曲柄连杆机构包括曲柄和连杆，连杆的一端与曲柄的转动轴相铰接，连杆的另一端与摆动架相铰接；曲柄与连杆之间的角度能够调整。

螺纹副包括螺母、螺杆、支撑杆和螺纹副驱动部件；螺母的高度位置固定，螺杆与螺母相配合，螺杆的一端与支撑杆相铰接，支撑杆的另一端与摆动架相铰接；螺杆能在螺纹副驱动部件的驱动下实现高度升降及锁定。

所述螺纹副驱动部件包括电机和由电机带动的同步带，同步带的一端套装在螺母的外周。

所述螺纹副驱动部件为齿轮传动。

所述螺纹副驱动部件为气缸或电动缸与曲柄的组合。

本发明还提供一种柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，该柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，能根据板材的厚度及冲裁力的大小进行动态调整，如大冲裁力采用低速重载模式，小冲裁力采用高速模式。另外，机构的增力特性与增速特性可控性好，电机的功率利用率高。在相同电机功率的情况下，能够实现更高的冲裁速度和冲裁力。并且能够适用于高速，重载的应用场合。

一种柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，滑块能在増力增速调整装置的作用下，实现如下三个加工模式：

1)柔性加工模式：曲柄连杆机构和螺纹副同时动作，形成柔性滑块运动曲线；该柔性滑块运动曲线能根据加工需求进行改变。

2)快速或重载加工模式：将螺纹副中螺杆高度调整到设定位置并锁定，曲柄连杆机构动作，能完成固定板厚的快速或重载冲压加工。

3)大行程恒力加工模式：将曲柄连杆机构在设定位置进行锁定，螺纹副动作，能实现大行程恒力加工模式。

在快速或重载加工模式下，通过螺杆的上下运动，均能实现对不同板厚，不同増力特性和不同增速特性的调整。

当冲头接触板材时，通过对曲柄与连杆间角度的控制，即能实现不同増力特性和不同增速特性的调整；另外，当冲头接触板材时，通过对螺杆高度的调整，则能实现曲柄与连杆间角度的调整；对螺杆高度的控制，还能适应板厚的变化。

当冲头接触板材时，曲柄与连杆之间所呈的锐形夹角越大，増力越小，增速越大，当曲柄与连杆相垂直时，增速最大，冲裁速度最快；曲柄与连杆之间所呈的锐形夹角越小，増力越大，增速越小。

在三个加工模式下，曲柄连杆机构的驱动电机均能满载输出。

在快速或重载加工模式下，将螺纹副中螺杆高度调整到螺纹副自锁位置，曲柄连杆机构动作，能完成固定板厚的快速或重载冲压加工；在大行程恒力加工模式下，当曲柄与连杆位于同一直线位置，形成自锁时，螺纹副动作，能实现大行程恒力加工模式。

本发明采用上述结构与方法后，具有如下有益效果：

1、机构的运动学特性与力学特性可调，能根据板材的厚度及冲裁力的大小进行动态调整。如大冲裁力采用低速重载模式，小冲裁力采用高速模式。

2、在任何加工模式下，曲柄连杆机构中的电机均能满载输出，能够减小选用电机的规格，功率损耗小，在相同电机功率的情况下，能够实现更高的冲裁速度和冲裁力。

3、冲裁力由曲柄连杆机构中的支撑轴承和螺纹副共同承受，支撑轴承的载荷明显减小，能够提高支撑轴承的使用寿命。

4、具有大行程恒力输出模式，适合成型加工模式。

5、曲柄连杆机构与螺纹副同时动作，能合成复杂多样的滑块运动特性曲线，极大扩展了加工柔性。

6、机构的力学特性调整易于控制，仅需对冲头接触板材时曲柄与连杆间的角度单一参数进行控制即可实现增力特性及增速特性的控制，对螺杆的高度进行控制即可适应板厚的变化，可控性好。

附图说明

图1显示了本发明一种柔性数控转塔冲床的主传动机构的结构示意图。

图2显示了本发明一种柔性数控转塔冲床的主传动机构的原理图。

图3显示了本发明中摆动架分别与曲柄连杆机构和螺纹副相铰接的第二种实施例。

图4显示了本发明中摆动架分别与曲柄连杆机构和螺纹副相铰接的第三种实施例。

图5显示了本发明中主传动机构对任意板厚时的高速加工模式。

图6显示了本发明中主传动机构对不同板厚时高速冲裁时的示意图。

图7显示了本发明中主传动机构对任意板厚时的重载加工模式。

图8显示了本发明中主传动机构的大行程恒力加工模式。

图9显示了三种加工模式控制原理示意图。

其中有：

1.机架；21.滑块；22.竖向连杆；31.曲柄；32.连杆；4.摆动架；51.螺母；52.螺杆；53.支撑杆；54.螺纹副驱动部件；541.调整电机；542.同步带。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种柔性数控转塔冲床的主传动机构，包括机架1、冲裁装置和増力增速调整装置。

冲裁装置包括竖向连杆22和能竖向滑移的滑块21。竖向连杆的一端与増力增速调整装置相铰接，竖向连杆的另一端与滑块滑动连接。

机架上设置有滑块导向部，滑块能在竖向连杆的带动下，沿着滑块导向部进行上下滑移。

増力增速调整装置包括曲柄连杆机构、摆动架4和螺纹副。

曲柄连杆机构包括曲柄31和连杆32，曲柄与机架转动连接，连杆的一端与曲柄的转动轴相铰接，连杆的另一端与摆动架相铰接；曲柄与连杆之间的角度能够调整。

螺纹副包括螺母51、螺杆52、支撑杆53和螺纹副驱动部件54。

螺母的高度位置固定，螺杆与螺母相配合，螺杆的一端与支撑杆相铰接，支撑杆的另一端与摆动架相铰接；螺杆能在螺纹副驱动部件的驱动下实现高度升降及锁定。

螺纹副驱动部件优选有如下几种实施例。

实施例1：螺纹副驱动部件包括电机和由电机带动的同步带，同步带的一端套装在螺母的外周。

实施例2：螺纹副驱动部件为齿轮传动。

实施例3：螺纹副驱动部件为气缸或电动缸与曲柄的组合。

摆动架设置在曲柄连杆机构和螺纹副之间，且摆动架分别与机架、曲柄连杆机构和螺纹副相铰接。

摆动架的结构形式可以多样，优选具有如下优选实施例：

第一种实施例

如图1和图2所示，摆动架呈L型，L型摆动架的尖端拐角朝上，且该尖端拐角与竖向连杆的顶端相铰接。L型摆动架的其中一个自由端与曲柄连杆机构中的连杆相铰接；L型摆动架的另一个自由端与螺纹副中的支撑杆相铰接。

第二种实施例

如图3所示，摆动架为V型架或三角形架，该V型架或三角形架上具有三个铰接点，三个铰接点分别与连杆、竖向连杆和支撑杆相铰接。

第三种实施例

如图4所示，摆动架为直线杆，该直线杆上设置有两个铰接点，一个铰接点与竖向连杆相铰接，也即与滑块相铰接；另一个铰接点分别与连杆和支撑杆相铰接。

一种柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，滑块能在増力增速调整装置的作用下，实现如下三个加工模式。

1)柔性加工模式：曲柄连杆机构和螺纹副同时动作，形成柔性滑块运动曲线；该柔性滑块运动曲线能根据加工需求进行改变。

2)快速或重载加工模式：将螺纹副中螺杆高度调整到设定位置并锁定，曲柄连杆机构动作，能完成固定板厚的快速或重载冲压加工。

上述锁定方式为：1、螺纹副驱动机构固定于某位置不动；2、螺杆上螺纹的螺旋角较小时，螺纹副本身就可以自锁。

上述快速或重载加工模式下，螺纹副自锁方式为：电机停止旋转，螺杆上螺纹的螺旋角较小时，螺纹副即可以实现自锁。

3)大行程恒力加工模式：将曲柄连杆机构在设定位置进行锁定，螺纹副动作，能实现大行程恒力加工模式。

上述大行程恒力加工模式下，曲柄连杆机构锁定的设定位置为曲柄与连杆位于同一直线位置。

如图8所示，曲柄与连杆位于同一直线，形成自锁，电机通过同步带带动螺母旋转，通过螺纹副传动驱动螺杆上下运动。螺杆的上下运动带动滑块上下运动，实现大行程恒力加工模式，主要用于成型加工。

与传统的机械式转塔冲床不同，全电伺服数控转塔冲床加工时，在伺服电机的驱动下曲柄仅仅在小角度内摆动(相对应的冲头仅在小范围内往复运动)，以达到快速加工的目的，同时冲头(安装在滑块下端)的位置是可控的；而传统的机械式转塔冲床，在交流异步电机的驱动下曲柄作连续的完整的圆周运动，加工效率低，能耗高，冲头的位置不可控。

在上述快速或重载加工模式下，通过电机带动螺母旋转，进而实现螺杆的上下运动，从而均能实现对不同板厚，不同増力特性和不同增速特性的调整。

一、増力和增速特性调整

当冲头接触板材时，通过对曲柄与连杆间角度的控制，即能实现不同増力特性和不同增速特性的调整；另外，当冲头接触板材时，通过对螺杆高度的调整，则能实现曲柄与连杆间角度的调整。

冲裁力通常为瞬间的冲击载荷，即一般冲头进入板材的1/3～1/2冲裁力消失。所以，在本发明中，整个主传动机构的增力特性与增速特性，仅需考虑冲头接触板材时的曲柄与连杆的角度即可。

冲头接触板材时，曲轴与连杆间的夹角决定了机构的增力、增速特性。曲柄与连杆之间所呈的锐形夹角越大，増力越小，增速越大。

如图5所示，当曲柄与连杆相垂直时(也即呈90°时)，板厚为t1时，增速最大，冲裁速度最快。

如图7所示，当冲头接触板材时，曲柄与连杆之间所呈的锐形夹角越小，増力效果越明显，增速越小。图7中，曲柄与连杆所呈夹角为30°，为一个优选实施例。

如图9所示，曲柄长度为R，曲柄与连杆夹角为θ，摆动架两侧铰接点间距为L，左侧和中间间距为L1，加工板厚为t，螺杆高度为h。

1.增力特性控制：

假设左侧曲柄的驱动伺服电机驱动扭矩为M，则：

式中，F为冲裁力，θ为变量。这时，仅需对θ进行控制即可实现对增力特性的控制，θ越大，增力效果越小，θ越小增力效果越大。

2.增速特性控制：

假设右侧螺纹副锁定，左侧曲柄驱动电机满载加速运动，瞬时功率为P，由于P＝F·V，即速度与冲裁力呈反比关系，速度越快，冲裁力越小，反之亦然。

由上述分析可知，电机可以始终工作于最大功率，电机功率得以充分利用。只通过控制参数θ即可实现对增力和增速特性的控制。

二、板材厚度控制

对螺杆高度的控制，即能适应板厚的变化。

上式中，Δt为冲头的高度变化量，Δh为为螺杆高度的变化量。通过对螺杆高度单一参数的控制即可实现不同厚度板材的加工。

如图6所示，显示了板厚为t2时的高速冲裁模式，曲柄与连杆垂直，调整电机通过同步带带动螺母旋转，调整螺杆的高度，进而对滑块的高度进行调整，以适应不同板料的厚度。

在三个加工模式下，曲柄连杆机构的驱动电机均能满载输出。因而，能够减小选用曲轴电机的规格，功率损耗小，在相同电机功率的情况下，能够实现更高的冲裁速度和冲裁力。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性数控转塔冲床的主传动机构，其特征在于：包括冲裁装置和増力增速调整装置；

冲裁装置包括能竖向滑移的滑块；

増力增速调整装置包括曲柄连杆机构、摆动架和螺纹副；摆动架设置在曲柄连杆机构和螺纹副之间，且摆动架分别与滑块、曲柄连杆机构和螺纹副相铰接；

曲柄连杆机构包括曲柄和连杆，连杆的一端与曲柄的转动轴相铰接，连杆的另一端与摆动架相铰接；

螺纹副包括螺母、螺杆、支撑杆和螺纹副驱动部件；螺母的高度位置固定，螺杆与螺母相配合，螺杆的一端与支撑杆相铰接，支撑杆的另一端与摆动架相铰接；螺杆能在螺纹副驱动部件的驱动下实现高度升降及锁定。

2.根据权利要求1所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构，其特征在于：所述螺纹副驱动部件包括电机和由电机带动的同步带，同步带的一端套装在螺母的外周。

3.根据权利要求1所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构，其特征在于：所述螺纹副驱动部件为齿轮传动。

4.根据权利要求1所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构，其特征在于：所述螺纹副驱动部件为气缸或电动缸与曲柄的组合。

5.一种根据权利要求1所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，其特征在于：滑块能在増力增速调整装置的作用下，实现如下三个加工模式：

1）柔性加工模式：曲柄连杆机构和螺纹副同时动作，形成柔性滑块运动曲线；该柔性滑块运动曲线能根据加工需求进行改变；

2）快速或重载加工模式：将螺纹副中螺杆高度调整到设定位置并锁定，曲柄连杆机构动作，能完成固定板厚的快速或重载冲压加工；

3）大行程恒力加工模式：将曲柄连杆机构在设定位置进行锁定，螺纹副动作，能实现大行程恒力加工模式。

6.根据权利要求5所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，其特征在于：在快速或重载加工模式下，通过螺杆的上下运动，均能实现对不同板厚，不同増力特性和不同增速特性的调整。

7.根据权利要求6所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，其特征在于：当冲头接触板材时，通过对曲柄与连杆间角度的控制，即能实现不同増力特性和不同增速特性的调整；另外，当冲头接触板材时，通过对螺杆高度的调整，则能实现曲柄与连杆间角度的调整；对螺杆高度的控制，还能适应板厚的变化。

8.根据权利要求7所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，其特征在于：当冲头接触板材时，曲柄与连杆之间所呈的锐形夹角越大，増力越小，增速越大，当曲柄与连杆相垂直时，增速最大，冲裁速度最快；曲柄与连杆之间所呈的锐形夹角越小，増力越大，增速越小。

9.根据权利要求6所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，其特征在于：在三个加工模式下，曲柄连杆机构的驱动电机均能满载输出。

10.根据权利要求6所述的柔性数控转塔冲床的主传动机构的工作方法，其特征在于：在快速或重载加工模式下，将螺纹副中螺杆高度调整到螺纹副锁定位置，曲柄连杆机构动作，能完成固定板厚的快速或重载冲压加工；在大行程恒力加工模式下，当曲柄与连杆位于同一直线位置，形成自锁时，螺纹副动作，能实现大行程恒力加工模式。