CN108189447B - 一种节能型双执行单元螺旋压力机系统 - Google Patents

一种节能型双执行单元螺旋压力机系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节能型双执行单元螺旋压力机系统，设置两组螺旋副机构分布于压力机两侧，分别是由第一缸、第一丝杠、第一滑块和第一防回转装置构成的第一螺旋副机构，以及由第二缸、第二丝杠、第二滑块和第二防回转装置构成的第二螺旋副机构；第一丝杠是由主电机通过同步带直接驱动，第二丝杠是由主电机与辅助电机通过差动轮系合成运动后通过同步带进行驱动；由第一位移传感器和第二位移传感器一一对应检测获得第一滑块和第二滑块的运动特征并传递给控制器，利用控制器共同控制主电机和辅助电机的工作状态。本发明利用差动轮系连接两个螺旋副机构，实现压力机的执行单元互补动作，显著提升压力机的能量效率和工作效率。

Description

一种节能型双执行单元螺旋压力机系统
技术领域
本发明涉及一种节能型柔性双执行单元螺旋压力机系统，用于保持电机较高的效率，减少压力机运行过程中的能量损耗，提高压力机的工作效率和能量利用率，且左右两缸仍具有一定的柔性，可以胜任各种复杂工况。
背景技术
成形加工以其生产效率高、节约材料、加工质量高的优点得到广泛应用。机械螺旋压力机传动平稳，控制精度高，随着工厂自动化程度的提高，在未来压力机市场上将有重要一席。
由于压力机械成形特性，只在压制短暂过程中，电机才以较高的能效运行，在其它阶段电机的能效较低，存在大量的能量损失。其中，压力机工作时，滑块根据工作节拍频繁地上升和下降，重力势能和动能在下降过程中转化为热能耗散到大气中，构成能量损失的重要部分。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术的不足之处，提供一种节能型双执行单元螺旋压力机系统，通过差动轮系连接两个滚珠丝杠机构，实现压力机的执行单元互补动作，提升压力机的能量效率和工作效率。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构特点是：设置两组螺旋副机构分布于压力机两侧，所述两组螺旋副机构分别是由第一缸、第一丝杠、第一滑块和第一防回转装置构成的第一螺旋副机构，以及由第二缸、第二丝杠、第二滑块和第二防回转装置构成的第二螺旋副机构；所述第一丝杠是由主电机通过同步带直接驱动，所述第二丝杠是由主电机与辅助电机通过差动轮系合成运动后通过同步带进行驱动；由第一位移传感器和第二位移传感器一一对应检测获得第一滑块和第二滑块的运动特征并传递给控制器，利用所述控制器共同控制主电机和辅助电机的工作状态。
本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构特点也在于：
所述主电机与第一同步带轮直连，第一同步带轮带动第二同步带轮旋转，第二同步带轮与第一丝杠和第一锥齿轮同轴；由第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和转臂构成差动轮系，所述差动轮系是以第一锥齿轮和转臂为输入端，以第三锥齿轮为输出端；第三锥齿轮与第三同步带轮同轴，第三同步带轮带动第四同步带轮旋转，第四同步带轮与第二丝杠同轴；所述差动轮系的转臂与蜗轮同轴，蜗轮与蜗杆构成蜗轮蜗杆机构，辅助电机的输出端与蜗杆直连；
在辅助电机停止工作时，差动轮系的转臂由于蜗轮蜗杆实现自锁保持静止，由第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮构成定轴轮系传动结构，由主电机驱动第一丝杠和第二丝杠按相反方向旋转；
在辅助电机工作时，辅助电机通过蜗轮蜗杆带动差动轮系中转臂旋转，主电机带动第二同步带轮转动；所述转臂的旋转运动与第二同步带轮的旋转运动通过所述差动轮系合成为第三锥齿轮的旋转运动，再通过同步带和螺旋副带动第二滑块运动，通过控制辅助电机调整第二滑块上下直线运动的速度大小和方向。
本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构特点也在于：按如下过程设置初始位置：
步骤1：辅助电机不工作，利用主电机的工作，使第二滑块达到极限位置A；
步骤2：保持主电机的工作，并使辅助电机同时工作，且满足式(1)，使第二滑块保持在极限位置A上不动作，第一滑块朝向极限位置B移动，直至第一滑块达到极限位置B时停止主电机和辅助电机的工作，完成初始位置设置；所述极限位置A和极限位置B为不同的极限位置；
式(1)中，n1a为主电机转速；n1b为辅助电机转速；z2a为第一同步带轮的齿数；z2b为第二同步带轮的齿数；z5为蜗轮的齿数；z6为蜗杆的头数。
本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构特点也在于：针对系统按如下不同方式进行控制，实现双工位对称工作，所述双工位对称工作是指：第一滑块和第二滑块同时达到不同的极限位置；
方式一：第一滑块和第二滑块的行程相等；
若系统满足式(2)，设置辅助电机的转速为零，由主电机分别驱动第一滑块和第二滑块实现双工位对称工作；
若系统不满足式(2)，设置辅助电机的转速不为零，由主电机驱动第一滑块，由主电机和辅助电机共同驱动第二滑块，实现双工位对称工作；
方式二：第一滑块和第二滑块的行程不相等；
若系统满足式(3)，设置辅助电机的转速为零，由主电机分别驱动第一滑块和第二滑块实现双工位对称工作；
若系统不满足式(3)，设置辅助电机的转速不为零，由主电机驱动第一滑块，由主电机和辅助电机共同驱动第二滑块，实现双工位对称工作；
其中，z2c为第三同步带轮的齿数；z2d为第四同步带轮的齿数；x1为第一滑块的行程；x2为第二滑块的行程；p1为第一丝杠螺距；p2为第二丝杠螺距。
本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构特点也在于：在双工位对称工作的方式下，通过控制辅助电机的转速，调整第二滑块和第一滑块的相对位移，实现第二滑块和第一滑块的相对位置的精确控制。
本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构特点也在于：根据工艺要求，通过控制辅助电机的转速，调整第二滑块的位移，使第一滑块和第二滑块位移处在非双工位对称工作的方式下，所述非双工位对称工作是指：不要求第一滑块和第二滑块同时达到不同的极限位置。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明将双执行元件通过差动轮系连接在一起，实现压力机的执行部件的互补动作，实现双执行单元的联动，单个执行元件一个周期可实现两次加工动作，提升了单台压力机工作的效率。
2、本发明在双执行单元之间共用驱动单元，提升了加工过程的能量效率。
3、本发明中左右两螺旋副既可以选择相同型号的螺旋副，也可以选择不同型号的螺旋副，既可以是不同导程，也可以是不同的滑块行程，设计的限定条件少，能满足更多的加工要求。
4、本发明通过设置不仅可以进行双执行单元的对称工作，还可以通过辅助电机改变第二滑块的节拍，以适应各种不同的复杂加工环境。提高双执行单元螺旋压力机系统加工的精确度和柔性。
5、本发明中螺旋压力机系统也特别适用于多工序的加工场合。
图1为本发明节能型双执行单元螺旋压力机系统示意图；
图2为图1中的A向局部示意图；
图中标号：1a主电机；1b辅助电机；2a第一同步带轮，2b第二同步带轮；2c第三同步带轮；2d第四同步带轮；3a第一锥齿轮；3b第二锥齿轮；3c第三锥齿轮；4转臂，5蜗轮； 6蜗杆；7a第一丝杠；7b第二丝杠；8a第一缸；8b第二缸；9a第一滑块；9b第二滑块；10a 第一位移传感器；10b第二位移传感器；11a第一防回转装置；11b第二防回转装置；12a第一电机驱动器；12b第二电机驱动器；13控制器。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中节能型双执行单元螺旋压力机系统的结构形式是：
设置两组螺旋副机构分布于压力机两侧，两组螺旋副机构分别是由第一缸8a、第一丝杠 7a、第一滑块9a和第一防回转装置11a构成的第一螺旋副机构，以及由第二缸8b、第二丝杠 7b、第二滑块9b和第二防回转装置11b构成的第二螺旋副机构；第一丝杠7a是由主电机1a 通过同步带直接驱动，第二丝杠7b是由主电机1a与辅助电机1b通过差动轮系合成运动后通过同步带进行驱动；由第一位移传感器10a和第二位移传感器10b一一对应检测获得第一滑块9a和第二滑块9b的运动特征并传递给控制器13，利用控制器13共同控制第一电机驱动器12a和第二电机驱动器12b，最后通过第一电机驱动器12a控制主电机1a的工作状态，通过第二电机驱动器12b控制辅助电机1b的工作状态。
本实施例中，主电机1a与第一同步带轮2a直连，第一同步带轮2a带动第二同步带轮2b 旋转，第二同步带轮2b与第一丝杠7a和第一锥齿轮3a同轴；由第一锥齿轮3a、第二锥齿轮 3b、第三锥齿轮3c和转臂4构成差动轮系，差动轮系是以第一锥齿轮3a和转臂4为输入端，以第三锥齿轮3c为输出端；第三锥齿轮3c与第三同步带轮2c同轴，第三同步带轮2c带动第四同步带轮2d旋转，第四同步带轮2d与第二丝杠7b同轴；差动轮系的转臂4与蜗轮5同轴，蜗轮5与蜗杆6构成蜗轮蜗杆机构，辅助电机1b的输出端与蜗杆6直连。
在辅助电机1b停止工作时，差动轮系的转臂4由于蜗轮蜗杆实现自锁保持静止，由第一锥齿轮3a、第二锥齿轮3b和第三锥齿轮3c构成定轴轮系传动结构，由主电机1a驱动第一丝杠7a和第二丝杠7b按相反方向旋转。
在辅助电机1b工作时，辅助电机1b通过蜗轮蜗杆带动差动轮系中转臂4旋转，主电机 1a带动第二同步带轮2b转动；转臂4的旋转运动与第二同步带轮2b的旋转运动通过差动轮系合成为第三锥齿轮3c的旋转运动，再通过同步带和螺旋副带动第二滑块9b运动，通过控制辅助电机1b调整第二滑块9b上下直线运动的速度大小和方向。
本实施例中，差动轮系的第一锥齿轮3a和第三锥齿轮3c为中心轮，且齿数相等，令第一锥齿轮3a的齿数为z3a，第三锥齿轮3c的齿数为z3c，即则z3a＝z3c；第二锥齿轮3b为行星轮，在实际中通常设置两个或两个以上以保持稳定。在计算速度时，图1中，转动件第一同步带轮2a、第二同步带轮2b、第三同步带轮2c、第四同步带轮2d、第一锥齿轮3a、第二锥齿轮3b、第三锥齿轮3c、转臂4、第一丝杠7a以及第二丝杠7b均取为从下往上看，将其顺时针方向的转动视为正方向；平移件第一滑块9a和第二滑块9b取向下运动为正方向；螺旋副螺距右旋代入正值，螺旋副螺距左旋代入负值；图2中，对于蜗轮5按图面的入视方向，取其顺时针为正方向；蜗杆6取为从下往上看，将其顺时针方向的转动视为正方向；则：
第一滑块9a的位移速度v9a为：
第二滑块9b的位移速度v9b为：
n7a为第一丝杠7a的旋转速度；n7b为第二丝杠7b的旋转速度；n1b为辅助电机1b的转速；n2b为第二同步带轮2b的转速；p1为第一丝杠7a螺距；p2为第二丝杠7b螺距；n4为转臂4转速； n1a为主电机1a的转速；z2a为第一同步带轮2a的齿数；z2b为第二同步带轮2b的齿数；z2c为第三同步带轮2c的齿数；z2d为第四同步带轮2d的齿数；z5为蜗轮5的齿数；z6为蜗杆6的头数。
针对本实施例中节能型双执行单元螺旋压力机系统，按如下过程设置初始位置：
步骤1：辅助电机1b不工作，利用主电机1a的工作，使第二滑块9b达到极限位置A；
步骤2：保持主电机1a的工作，并使辅助电机1b同时工作，且满足式(1)，使第二滑块 9b保持在极限位置A上不动作，第一滑块9a朝向极限位置B移动，直至第一滑块9a达到极限位置B时停止主电机1a和辅助电机1b的工作，完成初始位置设置；极限位置A和极限位置B为不同的极限位置，比如：极限位置A为上极限位置，则极限位置B为下极限位置。
其中，n1a为主电机1a的转速；n1b为辅助电机1b的转速；z2a为第一同步带轮2a的齿数；z2b为第二同步带轮2b的齿数；z5为蜗轮5的齿数；z6为蜗杆6的头数。
针对本实施例中节能型双执行单元螺旋压力机系统，按如下不同方式进行控制，实现双工位对称工作，双工位对称工作是指：第一滑块9a和第二滑块9b同时达到不同的极限位置。
方式一：第一滑块9a和第二滑块9b的行程相等
若系统满足式(2)，设置辅助电机1b的转速为零，由主电机1a分别驱动第一滑块9a和第二滑块9b实现双工位对称工作；
若系统不满足式(2)，设置辅助电机1b的转速不为零，使v9a＝-v9b，即：
由主电机1a驱动第一滑块9a，由主电机1a和辅助电机1b 共同驱动第二滑块9b，实现双工位对称工作；
方式二：第一滑块9a和第二滑块9b的行程不相等
若系统满足式(3)，设置辅助电机1b的转速n1b为零，由主电机1a分别驱动第一滑块9a 和第二滑块9b实现双工位对称工作；
若系统不满足式(3)，设置辅助电机1b的转速n1b不为零，且：
由主电机1a驱动第一滑块9a，由主电机1a和辅助电机1b共同驱动第二滑块9b，实现双工位对称工作；
其中，z2c为第三同步带轮2c的齿数；z2d为第四同步带轮2d的齿数；x1为第一滑块9a的行程；x2为第二滑块9b的行程；p1为第一丝杠7a螺距；p2为第二丝杠7b螺距。
具体实施中，在双工位对称工作的方式下，可以通过控制辅助电机1b的转速，调整第二滑块9b和第一滑块9a的相对位移，实现第二滑块9b和第一滑块9a的相对位置的精确控制。
实际应用中，也可以根据工艺要求控制辅助电机1b的转速，调整第二滑块9b的位移，使第一滑块9a和第二滑块9b位移处在非双工位对称工作的方式下，非双工位对称工作是指：不要求第一滑块9a和第二滑块9b同时达到不同的极限位置。
本发明不局限主电机的类型，且可以使用多个电机增加转矩，辅助电机为调速电机即可，可根据使用要求选择适合的电机。本发明不局限以上一种使用差动轮系的组合方式，只要利用二自由度合成机构原理扩展压力机执行单元，同时也不局限于两个执行单元(比如更多的执行单元数量等)和传动方式(比如同步带传动、齿轮传动等)，都属于本发明的范围。

Claims (5)

1.一种节能型双执行单元螺旋压力机系统，其特征是：设置两组螺旋副机构分布于压力机两侧，所述两组螺旋副机构分别是由第一缸(8a)、第一丝杠(7a)、第一滑块(9a)和第一防回转装置(11a)构成的第一螺旋副机构，以及由第二缸(8b)、第二丝杠(7b)、第二滑块(9b)和第二防回转装置(11b)构成的第二螺旋副机构；所述第一丝杠(7a)是由主电机(1a)通过同步带直接驱动，所述第二丝杠(7b)是由主电机(1a)与辅助电机(1b)通过差动轮系合成运动后通过同步带进行驱动；由第一位移传感器(10a)和第二位移传感器(10b)一一对应检测获得第一滑块(9a)和第二滑块(9b)的运动特征并传递给控制器(13)，利用所述控制器(13)共同控制主电机(1a)和辅助电机(1b)的工作状态；
所述主电机(1a)与第一同步带轮(2a)直连，第一同步带轮(2a)带动第二同步带轮(2b)旋转，第二同步带轮(2b)与第一丝杠(7a)和第一锥齿轮(3a)同轴；由第一锥齿轮(3a)、第二锥齿轮(3b)、第三锥齿轮(3c)和转臂(4)构成差动轮系，所述差动轮系是以第一锥齿轮(3a)和转臂(4)为输入端，以第三锥齿轮(3c)为输出端；第三锥齿轮(3c)与第三同步带轮(2c)同轴，第三同步带轮(2c)带动第四同步带轮(2d)旋转，第四同步带轮(2d)与第二丝杠(7b)同轴；所述差动轮系的转臂(4)与蜗轮(5)同轴，蜗轮(5)与蜗杆(6)构成蜗轮蜗杆机构，辅助电机(1b)的输出端与蜗杆(6)直连；
在辅助电机(1b)停止工作时，差动轮系的转臂(4)由于蜗轮蜗杆实现自锁保持静止，由第一锥齿轮(3a)、第二锥齿轮(3b)和第三锥齿轮(3c)构成定轴轮系传动结构，由主电机(1a)驱动第一丝杠(7a)和第二丝杠(7b)按相反方向旋转；
在辅助电机(1b)工作时，辅助电机(1b)通过蜗轮蜗杆带动差动轮系中转臂(4)旋转，主电机(1a)带动第二同步带轮(2b)转动；所述转臂(4)的旋转运动与第二同步带轮(2b)的旋转运动通过所述差动轮系合成为第三锥齿轮(3c)的旋转运动，再通过同步带和螺旋副带动第二滑块(9b)运动，通过控制辅助电机(1b)调整第二滑块(9b)上下直线运动的速度大小和方向。
2.根据权利要求1所述的节能型双执行单元螺旋压力机系统，其特征是：按如下过程设置初始位置：
步骤1：辅助电机(1b)不工作，利用主电机(1a)的工作，使第二滑块(9b)达到极限位置A；
步骤2：保持主电机(1a)的工作，并使辅助电机(1b)同时工作，且满足式(1)，使第二滑块(9b)保持在极限位置A上不动作，第一滑块(9a)朝向极限位置B移动，直至第一滑块(9a)达到极限位置B时停止主电机(1a)和辅助电机(1b)的工作，完成初始位置设置；所述极限位置A和极限位置B为不同的极限位置；
式(1)中，n1a为主电机(1a)转速；n1b为辅助电机(1b)转速；z2a为第一同步带轮(2a)的齿数；z2b为第二同步带轮(2b)的齿数；z5为蜗轮(5)的齿数；z6为蜗杆(6)的头数。
3.根据权利要求1所述的节能型双执行单元螺旋压力机系统，其特征是：针对系统按如下不同方式进行控制，实现双工位对称工作，所述双工位对称工作是指：第一滑块(9a)和第二滑块(9b)同时达到不同的极限位置；
方式一：第一滑块(9a)和第二滑块(9b)的行程相等；
若系统满足式(2)，设置辅助电机(1b)的转速为零，由主电机(1a)分别驱动第一滑块(9a)和第二滑块(9b)实现双工位对称工作；
若系统不满足式(2)，设置辅助电机(1b)的转速不为零，由主电机(1a)驱动第一滑块(9a)，由主电机(1a)和辅助电机(1b)共同驱动第二滑块(9b)，实现双工位对称工作；
方式二：第一滑块(9a)和第二滑块(9b)的行程不相等；
若系统满足式(3)，设置辅助电机(1b)的转速为零，由主电机(1a)分别驱动第一滑块(9a)和第二滑块(9b)实现双工位对称工作；
若系统不满足式(3)，设置辅助电机(1b)的转速不为零，由主电机(1a)驱动第一滑块(9a)，由主电机(1a)和辅助电机(1b)共同驱动第二滑块(9b)，实现双工位对称工作；
其中，z2c为第三同步带轮(2c)的齿数；z2d为第四同步带轮(2d)的齿数；x1为第一滑块(9a)的行程；x2为第二滑块(9b)的行程；p1为第一丝杠(7a)螺距；p2为第二丝杠(7b)螺距。
4.根据权利要求3所述的节能型双执行单元螺旋压力机系统，其特征是：在双工位对称工作的方式下，通过控制辅助电机(1b)的转速，调整第二滑块(9b)和第一滑块(9a)的相对位移，实现第二滑块(9b)和第一滑块(9a)的相对位置的精确控制。
5.根据权利要求1所述的节能型双执行单元螺旋压力机系统，其特征是：根据工艺要求，通过控制辅助电机(1b)的转速，调整第二滑块(9b)的位移，使第一滑块(9a)和第二滑块(9b)位移处在非双工位对称工作的方式下，所述非双工位对称工作是指：不要求第一滑块(9a)和第二滑块(9b)同时达到不同的极限位置。
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