CN109732968A - 一种大型混动伺服螺旋压力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：大型混动伺服螺旋压力机是以螺旋传动副为执行部件，以飞轮为储能部件；螺旋传动副是由滑块、丝杆和导轨构成；螺旋传动副中的丝杆由差动轮系驱动；设置两个伺服电机通过差动轮系在滑块空载的移动过程中提供动力；设置三相异步电机驱动飞轮旋转，以存储动能；在压力机进入压制阶段时，通过离合器的闭合，使飞轮的动能释放给滑块，转化为成形能，完成压制过程。本发明可以显著降低大功率伺服螺旋压力机的装机功率，降低伺服压力机的峰值功率，有效回收滑块的部分重力势能并再利用，提高整个系统的能量效率。

Description

一种大型混动伺服螺旋压力机

技术领域

本发明涉及大型混动伺服螺旋压力机，尤其是一种适用于公称压力需求大于500t的冲压生产的压力机械。

背景技术

成形加工以其生产效率高、节约材料、加工质量高的优点在汽车行业和航空航天行业得到广泛应用。由于伺服机械压力机在位移精度和自动化程度上都有不错的性能，其广泛用于高精度要求的自动化生产线。

对于大型零件的钣金冲压，需要大功率的压力机。由于大功率伺服电机的峰值功率很高，导致大功率压力机在成形过程中的功率峰值很高，对电网的冲击很大。同时，大功率压力机的滑块质量大，在压力机运行过程中，存在大量的势能损耗。

发明内容

本发明为了避免上述现有技术的不足之处，提供一种大型混动伺服螺旋压力机，根据压力机工作节拍，通过改进伺服压力机结构，利用飞轮蓄能，降低伺服电机的装机功率，降低压力机成形过程中对电网的冲击，同时使每个电机在压力机的各个工作阶段，都能处于高效率区域。此外，添加了液压蓄能装置，可以回收再利用滑块的重力势能，降低压力机的势能损耗。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明大型混动伺服螺旋压力机的结构特点是：所述大型混动伺服螺旋压力机是以螺旋传动副为执行部件，以飞轮为储能部件；所述螺旋传动副是由滑块、丝杆和导轨构成；所述螺旋传动副中的丝杆由差动轮系驱动；设置两个伺服电机通过所述差动轮系在滑块空载的移动过程中提供动力；设置三相异步电机驱动飞轮旋转，以存储动能；在压力机进入压制阶段时，通过离合器的闭合，使飞轮的动能释放给滑块，转化为成形能，完成压制过程。

本发明大型混动伺服螺旋压力机的结构特点也在于：

所述差动轮系由第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和转臂构成，所述差动轮系分别以第一锥齿轮和转臂为输入端，以第三锥齿轮为输出端，以第二锥齿轮为中间传递齿轮；所述第一锥齿轮和转臂的旋转是由电机提供驱动力，所述第三锥齿轮与丝杆为同轴，差动轮系的输出功率经第三锥齿轮传递至丝杆，利用所述丝杆带动滑块沿导轨直线运动；所述飞轮通过离合器的控制，用于将储存的能量按设定规则输入所述差动轮系中。

本发明大型混动伺服螺旋压力机的结构特点也在于：

设置第二电机与第二齿轮直连，所述第二齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与所述差动轮系中的第一锥齿轮为同轴；

设置第一电机与第一齿轮直连，所述第一齿轮与所述飞轮相啮合，所述飞轮的飞轮轴连接离合器；闭合的离合器使所述飞轮的飞轮轴与第一锥齿轮的齿轮轴相连接，由第一电机和第二电机共同为第一锥齿轮提供驱动力；分离的离合器使所述飞轮的飞轮轴与第一锥齿轮的齿轮轴断开，由第二电机单独为第一锥齿轮提供驱动力；

设置第三电机与第四齿轮直连，所述第四齿轮与所述差动轮系统中的转臂相啮合；由第三电机为差动轮系统中的转臂旋转提供驱动力；

所述第一电机为三相异步电机，所述第二电机和第三电机为伺服电机。

本发明大型混动伺服螺旋压力机的结构特点也在于：根据滑块的状态将压力机划分为快速下降、慢速下降、压制、快速上升、慢速上升和静止等待共六个工艺阶段，各阶段按如下方式进行控制：

滑块的快速下降阶段：离合器断开，第一电机驱动飞轮空转，储存能量；第二电机和第三电机在额定转速80％以上区域的速度旋转，由第二电机和第三电机通过差动轮系共同为丝杆的旋转提供驱动力，从而使滑块快速向下运动；

滑块的慢速下降阶段：离合器断开，第一电机保持为驱动飞轮空转，储存能量；控制第二电机和第三电机降低转速，由第二电机和第三电机通过差动轮系共同为丝杆的旋转提供驱动力，从而使滑块慢速向下运动；

滑块的压制阶段：调整第二电机的转速，使第三齿轮的转速等于飞轮的转速，离合器闭合，飞轮接入所述差动轮系，并将飞轮中的存储能量释放给滑块，完成压制成形动作，通过控制第三电机的转速以控制滑块在压制过程的速度大小；

滑块的快速上升阶段：离合器断开，第一电机驱动飞轮空转，储存能量；控制第二电机和第三电机在额定转速80％以上区域的速度旋转，第二电机和第三电机通过差动轮系共同驱动丝杆旋转，从而使滑块快速向上运动；

滑块的慢速上升阶段：离合器断开，第一电机继续驱动飞轮空转，储存能量；控制第二电机和第三电机降低转速，第二电机和第三电机通过差动轮系共同驱动丝杆的旋转，使滑块慢速向上运动；

滑块的静止待机阶段：离合器断开，第一电机继续驱动飞轮旋转，储存能量；第二电机和第三电机停止工作，且第二电机和第三电机的抱闸器实施抱闸，使滑块处于静止状态。

本发明大型混动伺服螺旋压力机的结构特点也在于：设置由平衡缸构成的液压辅助系统，所述平衡缸与所述滑块固定连接，用于在所述滑块的下降过程中将滑块的部分重力势能转化为液压能储存在液压蓄能器中，并在滑块上升时提供辅助动力。

本发明大型混动伺服螺旋压力机的结构特点也在于：所述液压辅助系统还包括单向阀、二位二通电磁换向阀、油箱、安全阀和液压蓄能器；

工作状态下，二位二通电磁换向阀通电，当滑块向下动作时，带动平衡缸的活塞杆向下运动，平衡缸的无杆腔被压缩，无杆腔内液压油通过二位二通电磁换向阀及液压管路进入液压蓄能器，实现对滑块的重力势能的部分回收；当滑块向上动作时，液压蓄能器通过二位二通电磁换向阀及液压管路向平衡缸的无杆腔提供压力油，作为滑块向上运动的辅助动力，实现滑块重力势能的再利用；

所述平衡缸的活塞向上移动过程中所需的额外流量是经单向阀从油箱中吸取；

所述安全阀用于确保液压系统在安全的油压阈值下工作，液压系统的压力超过设定阈值时，安全阀打开，高压液压油经安全阀流入油箱，直至压力降低到设定阈值下；

发生故障时，关断二位二通电磁换向阀的工作电源，以此切断平衡缸的液压回路，避免滑块快速下滑。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明将飞轮机构融合到螺旋压力机中，根据压力机工作节拍控制离合器的开断，在压力机空载阶段，离合器断开，电机驱动飞轮蓄能；在压制阶段，离合器闭合，飞轮释放能量，通过差动轮系的功率合成作用，提高滑块的压制力，完成零件压制。实现降低大功率伺服压力机的电机装机功率，进而降低压力机压制过程中对电网的冲击。此外，在压力机的各个工作阶段，使每个电机尽可能工作在高能效区域，提高了压力机的能量效率

2、本发明通过液压系统及液压蓄能器，可以在压力机滑块下降阶段，回收滑块的重力势能，在滑块上升阶段，液压蓄能器释放能量，作为辅助动力，提升滑块。可以降低压力机工作过程中的势能损耗。

附图说明

图1本发明结构示意图；

具体实施方式

参见图1，本实施例中大型混动伺服螺旋压力机是以螺旋传动副为执行部件，以飞轮3为储能部件；螺旋传动副是由滑块8、丝杆7和导轨9构成；螺旋传动副中的丝杆7由差动轮系驱动；设置两个伺服电机通过差动轮系在滑块8空载的移动过程中提供动力；设置三相异步电机驱动飞轮3旋转，以存储动能；在压力机进入压制阶段时，通过离合器4的闭合，使飞轮3的动能释放给滑块，转化为成形能，完成压制过程。

如图1所示，本实施例中，差动轮系由第一锥齿轮5a、第二锥齿轮5b、第三锥齿轮5c和转臂6构成，差动轮系分别以第一锥齿轮5a和转臂6为输入端，以第三锥齿轮5c为输出端，以第二锥齿轮5b为中间传递齿轮；第一锥齿轮5a和转臂6的旋转是由电机提供驱动力，第三锥齿轮5c与丝杆7为同轴，差动轮系的输出功率经第三锥齿轮5c传递至丝杆7，利用丝杆7带动滑块8沿导轨9直线运动；飞轮3通过离合器4的控制，用于将储存的能量按设定规则输入差动轮系中。

具体实施中，如图1所示：

设置第二电机1b与第二齿轮2b直连，第二齿轮2b与第三齿轮2c啮合，第三齿轮2c与差动轮系中的第一锥齿轮5a为同轴。

设置第一电机1a与第一齿轮2a直连，第一齿轮2a与飞轮3相啮合，飞轮3的飞轮轴连接离合器4；闭合的离合器4使飞轮3的飞轮轴与第一锥齿轮5a的齿轮轴相连接，由第一电机1a和第二电机1b共同为第一锥齿轮5a提供驱动力，使第一锥齿轮5a旋转，由第一锥齿轮5a引入的输入功率为第一电机1a和第二电机1b的输出功率之和；分离的离合器4使飞轮3的飞轮轴与第一锥齿轮5a的齿轮轴断开，由第二电机1b单独为第一锥齿轮5a提供驱动力，使第一锥齿轮5a旋转，由第一锥齿轮5a引入的输入功率单独为第二电机1b的输出功率。

设置第三电机1c与第四齿轮2d直连，第四齿轮2d与差动轮系统中的转臂6相啮合；由第三电机1c为差动轮系统中的转臂6旋转提供驱动力。

本实施例在计算速度时，图1中，转动件第一齿轮2a、第二齿轮2b、第三齿轮2c、第四齿轮2d、第一锥齿轮5a、第三锥齿轮5c、转臂6以及丝杆7均取为从下往上看，将其顺时针方向的转动视为正方向；平移件滑块8取向下运动为正方向；螺旋副导程右旋代入正值，左旋代入负值。

滑块8的位移速度v₈为：

z_2d为第四齿轮2d的齿数，z₆为转臂6的齿数，

n_1c为第三电机1c的转速，n_2c为第三齿轮的转速，

s为丝杠7导程。

第一电机1a为三相异步电机，若有控制飞轮存储能量大小的要求，可以替换为变速电机。电机数量可以多于一个，并按飞轮轴线对称分布，共同驱动飞轮旋转。第二电机1b和第三电机1c为伺服电机。

根据滑块8的状态将压力机划分为快速下降、慢速下降、压制、快速上升、慢速上升和静止等待共六个工艺阶段，各阶段按如下方式进行控制：

滑块8的快速下降阶段：离合器4断开，第一电机1a驱动飞轮3空转，储存能量；第二电机1b和第三电机1c在额定转速80％以上区域的速度旋转，具体转速可以结合生产工艺和节拍自定义，由第二电机1b和第三电机1c通过差动轮系共同为丝杆7的旋转提供驱动力，从而使滑块8快速向下运动。

滑块8的慢速下降阶段：离合器4断开，第一电机1a保持为驱动飞轮3空转，储存能量；控制第二电机1b和第三电机1c降低转速，由第二电机1b和第三电机1c通过差动轮系共同为丝杆7的旋转提供驱动力，从而使滑块8慢速向下运动。

滑块8的压制阶段：调整第二电机1b的转速，使第三齿轮2c的转速等于飞轮3的转速，离合器4闭合，飞轮3接入差动轮系，并将飞轮3中的存储能量释放给滑块8，完成压制成形动作，通过控制第三电机1c的转速以控制滑块8在压制过程的速度大小。

滑块8的快速上升阶段：离合器4断开，第一电机1a驱动飞轮3空转，储存能量；控制第二电机1b和第三电机1c在额定转速80％以上区域的速度旋转，具体转速可以结合生产工艺和节拍自定义，第二电机1b和第三电机1c通过差动轮系共同驱动丝杆7旋转，从而使滑块8快速向上运动。

滑块8的慢速上升阶段：离合器4断开，第一电机1a继续驱动飞轮3空转，储存能量；控制第二电机1b和第三电机1c降低转速，第二电机1b和第三电机1c通过差动轮系共同驱动丝杆7的旋转，使滑块8慢速向上运动。

滑块8的静止待机阶段：离合器4断开，第一电机1a继续驱动飞轮3旋转，储存能量；第二电机1b和第三电机1c停止工作，且第二电机1b和第三电机1c的抱闸器实施抱闸，使滑块8处于静止状态。

具体实施中，设置由平衡缸15构成的液压辅助系统，平衡缸15与滑块8固定连接，用于在滑块8的下降过程中将滑块8的部分重力势能转化为液压能储存在液压蓄能器14中，并在滑块8上升时提供辅助动力；液压辅助系统还包括单向阀10、二位二通电磁换向阀11、油箱12、安全阀13和液压蓄能器14。

工作状态下，二位二通电磁换向阀11通电，当滑块8向下动作时，带动平衡缸15的活塞杆向下运动，平衡缸15的无杆腔被压缩，无杆腔内液压油通过二位二通电磁换向阀11及液压管路进入液压蓄能器14，实现对滑块8的重力势能的部分回收；当滑块8向上动作时，液压蓄能器14通过二位二通电磁换向阀11及液压管路向平衡缸15的无杆腔提供压力油，作为滑块8向上运动的辅助动力，实现滑块8重力势能的再利用。

平衡缸15的活塞向上移动过程中所需的额外流量是经单向阀10从油箱12中吸取。

安全阀13用于确保液压系统在安全的油压阈值下工作，液压系统的压力超过设定阈值时，安全阀13打开，高压液压油经安全阀13流入油箱12，直至压力降低到设定阈值下。

发生故障时，关断二位二通电磁换向阀11的工作电源，以此切断平衡缸15的液压回路，避免滑块8快速下滑。

本发明大型混动伺服螺旋压力机能有效降低压力机成形过程对电网的冲击，适用于公称压力需求大的场合，尤其是适用于单机公称压力需求大于500t的冲压生产场合。

Claims (6)

1.一种大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：所述大型混动伺服螺旋压力机是以螺旋传动副为执行部件，以飞轮(3)为储能部件；所述螺旋传动副是由滑块(8)、丝杆(7)和导轨(9)构成；所述螺旋传动副中的丝杆(7)由差动轮系驱动；设置两个伺服电机通过所述差动轮系在滑块(8)空载的移动过程中提供动力；设置三相异步电机驱动飞轮(3)旋转，以存储动能；在压力机进入压制阶段时，通过离合器(4)的闭合，使飞轮(3)的动能释放给滑块，转化为成形能，完成压制过程。

2.根据权利要求1所述的大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：

所述差动轮系由第一锥齿轮(5a)、第二锥齿轮(5b)、第三锥齿轮(5c)和转臂(6)构成，所述差动轮系分别以第一锥齿轮(5a)和转臂(6)为输入端，以第三锥齿轮(5c)为输出端，以第二锥齿轮(5b)为中间传递齿轮；所述第一锥齿轮(5a)和转臂(6)的旋转是由电机提供驱动力，所述第三锥齿轮(5c)与丝杆(7)为同轴，差动轮系的输出功率经第三锥齿轮(5c)传递至丝杆(7)，利用所述丝杆(7)带动滑块(8)沿导轨(9)直线运动；所述飞轮(3)通过离合器(4)的控制，用于将储存的能量按设定规则输入所述差动轮系中。

3.根据权利要求2所述的大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：

设置第二电机(1b)与第二齿轮(2b)直连，所述第二齿轮(2b)与第三齿轮(2c)啮合，第三齿轮(2c)与所述差动轮系中的第一锥齿轮(5a)为同轴；

设置第一电机(1a)与第一齿轮(2a)直连，所述第一齿轮(2a)与所述飞轮(3)相啮合，所述飞轮(3)的飞轮轴连接离合器(4)；闭合的离合器(4)使所述飞轮(3)的飞轮轴与第一锥齿轮(5a)的齿轮轴相连接，由第一电机(1a)和第二电机(1b)共同为第一锥齿轮(5a)提供驱动力；分离的离合器(4)使所述飞轮(3)的飞轮轴与第一锥齿轮(5a)的齿轮轴断开，由第二电机(1b)单独为第一锥齿轮(5a)提供驱动力；

设置第三电机(1c)与第四齿轮(2d)直连，所述第四齿轮(2d)与所述差动轮系统中的转臂(6)相啮合；由第三电机(1c)为差动轮系统中的转臂(6)旋转提供驱动力；

所述第一电机(1a)为三相异步电机，所述第二电机(1b)和第三电机(1c)为伺服电机。

4.根据权利要求3所述的大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：根据滑块(8)的状态将压力机划分为快速下降、慢速下降、压制、快速上升、慢速上升和静止等待共六个工艺阶段，各阶段按如下方式进行控制：

滑块(8)的快速下降阶段：离合器(4)断开，第一电机(1a)驱动飞轮(3)空转，储存能量；第二电机(1b)和第三电机(1c)在额定转速80％以上区域的速度旋转，由第二电机(1b)和第三电机(1c)通过差动轮系共同为丝杆(7)的旋转提供驱动力，从而使滑块(8)快速向下运动；

滑块(8)的慢速下降阶段：离合器(4)断开，第一电机(1a)保持为驱动飞轮(3)空转，储存能量；控制第二电机(1b)和第三电机(1c)降低转速，由第二电机(1b)和第三电机(1c)通过差动轮系共同为丝杆(7)的旋转提供驱动力，从而使滑块(8)慢速向下运动；

滑块(8)的压制阶段：调整第二电机(1b)的转速，使第三齿轮(2c)的转速等于飞轮(3)的转速，离合器(4)闭合，飞轮(3)接入所述差动轮系，并将飞轮(3)中的存储能量释放给滑块(8)，完成压制成形动作，通过控制第三电机(1c)的转速以控制滑块(8)在压制过程的速度大小；

滑块(8)的快速上升阶段：离合器(4)断开，第一电机(1a)驱动飞轮(3)空转，储存能量；控制第二电机(1b)和第三电机(1c)在额定转速80％以上区域的速度旋转，第二电机(1b)和第三电机(1c)通过差动轮系共同驱动丝杆(7)旋转，从而使滑块(8)快速向上运动；

滑块(8)的慢速上升阶段：离合器(4)断开，第一电机(1a)继续驱动飞轮(3)空转，储存能量；控制第二电机(1b)和第三电机(1c)降低转速，第二电机(1b)和第三电机(1c)通过差动轮系共同驱动丝杆(7)的旋转，使滑块(8)慢速向上运动；

滑块(8)的静止待机阶段：离合器(4)断开，第一电机(1a)继续驱动飞轮(3)旋转，储存能量；第二电机(1b)和第三电机(1c)停止工作，且第二电机(1b)和第三电机(1c)的抱闸器实施抱闸，使滑块(8)处于静止状态。

5.根据权利要求1所述的大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：设置由平衡缸(15)构成的液压辅助系统，所述平衡缸(15)与所述滑块(8)固定连接，用于在所述滑块(8)的下降过程中将滑块(8)的部分重力势能转化为液压能储存在液压蓄能器(14)中，并在滑块(8)上升时提供辅助动力。

6.根据权利要求5所述的大型混动伺服螺旋压力机，其特征是：所述液压辅助系统还包括单向阀(10)、二位二通电磁换向阀(11)、油箱(12)、安全阀(13)和液压蓄能器(14)；

工作状态下，二位二通电磁换向阀(11)通电，当滑块(8)向下动作时，带动平衡缸(15)的活塞杆向下运动，平衡缸(15)的无杆腔被压缩，无杆腔内液压油通过二位二通电磁换向阀(11)及液压管路进入液压蓄能器(14)，实现对滑块(8)的重力势能的部分回收；当滑块(8)向上动作时，液压蓄能器(14)通过二位二通电磁换向阀(11)及液压管路向平衡缸(15)的无杆腔提供压力油，作为滑块(8)向上运动的辅助动力，实现滑块(8)重力势能的再利用；

所述平衡缸(15)的活塞向上移动过程中所需的额外流量是经单向阀(10)从油箱(12)中吸取；

所述安全阀(13)用于确保液压系统在安全的油压阈值下工作，液压系统的压力超过设定阈值时，安全阀(13)打开，高压液压油经安全阀(13)流入油箱(12)，直至压力降低到设定阈值下；

发生故障时，关断二位二通电磁换向阀(11)的工作电源，以此切断平衡缸(15)的液压回路，避免滑块(8)快速下滑。