CN113492189B - 一种凸轮直驱的机械压力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮直驱的机械压力机，包括机架、冲压滑块、凸轮轴和动力机构，凸轮轴通过轴承安装在机架上部，冲压滑块通过滑动副安装在机架上，冲压滑块包括顶部支架和中部支撑板，凸轮轴上设有两个主凸轮和一个回凸轮；冲压滑块的顶部支架设有与回凸轮顶部接触的上滚子，冲压滑块的中部支撑板设有与两个主凸轮底部接触的下滚子，两个主凸轮和一个回凸轮一起构成共轭凸轮；所述冲压滑块底部设有上工作台板，上工作台板下方的机架底部设有下工作台板；所述动力机构用于通过凸轮轴和共轭凸轮带动冲压滑块及其上的上工作台板上下运动，完成冲压动作。本发明能实现冲压滑块下死点长时精密保压，整体柔性大，刚性高，结构紧凑，稳定可靠。

Description

一种凸轮直驱的机械压力机

技术领域

本发明属于锻压加工设备的技术领域，涉及一种冲压设备，尤其涉及一种凸轮直驱的机械压力机。

背景技术

传统压力机采用普通电机驱动的曲柄滑块机构、肘杆机构、螺杆机构、多连杆机构等都无法实现实现下死点保压功能，而采用伺服系统的压力机不仅能够实现变调速驱动，还能实现下死点保压。但是伺服压力机在下死点保压过程中伺服电机处于过载状态，长时间过载容易使伺服系统出现故障，同时，传动系统的累积误差使滑块保压过程中易出现抖动，影响拉深件(如18650/21750等型号电池壳)的成形质量。

为了能够实现下死点精密保压，专利文献CN109228446A公开了一种凸轮驱动式多工位压力机传动系统，该传动系统包括机架、滑块和主轴，滑块滑动安装在机架上，且滑块上间隔安装有上滚轮机构和下滚轮机构，主轴安装在机架上，且主轴上安装有主凸轮，主轴位于所述上滚轮机构和下滚轮机构之间，主凸轮分别与上滚轮机构、下滚轮机构相切。该专利采用系统误差较小的等径凸轮机构来实现滑块上下往复运动及保压的冲压工艺。专利文献CN2704475Y公开了一种开式拉伸压力机，该专利也采用了等径凸轮来驱动实现类似工艺，然而，当等径凸轮从动件180°范围内的运动规律确定后，另外180°运动规律只能按照等径条件来确定，存在自由设计运动规律限制的缺陷；此外，等径凸轮压力机机构无法改变滑块行程，只能适合单一产品的冲压成形，工艺窗口较窄。

发明内容

为了克服上述技术的缺点，本发明的目的在于提供一种凸轮直驱的机械压力机。本发明采用共轭凸轮传动，可实现360°从动件运动曲线自由设计，也可满足更广泛的冲压工艺要求，克服上述等径凸轮机构只能在180°范围内设计曲线的缺陷；本发明采用共轭凸轮下滚子位置可调与液压驱动的下工作台，克服上述技术不能实现行程可调的缺陷，同时采用液压系统还能实现过载保护。同时，将驱动的伺服电机更换为普通电机，将伺服电机停转保压替换为普通电机正常转动的机械式高精度保压，满足需要下死点精密保压的特定成形工艺，尤其针对需要板料始终与模具紧密接触且完成淬火的热冲压保压工艺。本发明采用多电机驱动，驱动功率大，共轭凸轮机构传动链简单，累积误差小，结构紧凑、刚度强度高、承载能力大、可靠性高。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种凸轮直驱的机械压力机，其特征在于：包括机架、冲压滑块、凸轮轴和动力机构，所述凸轮轴通过轴承安装在机架上部，所述冲压滑块通过上下方向的滑动副安装在机架上，所述冲压滑块为镂空滑块，其至少包括顶部支架和中部支撑板，所述凸轮轴上设有两个主凸轮和一个回凸轮，两个主凸轮以回凸轮为中心对称分布，且两个主凸轮的相位相同；所述冲压滑块的顶部支架设有与回凸轮顶部接触的上滚子，冲压滑块的中部支撑板设有与两个主凸轮底部接触的下滚子，两个主凸轮和一个回凸轮一起构成共轭凸轮；所述冲压滑块底部设有上工作台板，上工作台板下方的机架底部设有下工作台板，上、下工作台板一起构成冲压工作台；所述动力机构用于驱动凸轮轴转动，所述凸轮轴的转动通过共轭凸轮带动冲压滑块及其上的上工作台板上下运动，完成冲压动作。

进一步地，所述动力机构包括四个电机和减速箱，所述减速箱固定安装在机架上，四个电机呈圆周分布在减速箱上，所述凸轮轴延伸到减速箱内，且该端凸轮轴上设有大齿轮，所述减速箱内大齿轮四周设有四个与其啮合的小齿轮，每个电机的输出轴延伸到减速箱内后与一个小齿轮动力传动相连。

进一步地，所述冲压滑块与机架上的滑动副之间采用圆柱滚子无间隙配合。

进一步地，所述凸轮轴通过四个轴承安装在机架上，其中主凸轮和回凸轮安装在中间两个轴承之间的凸轮轴上，四个轴承以回凸轮为中心对称分布。

进一步地，沿着凸轮轴的轴向，在两侧的两个相邻轴承之间分别通过轴承安装有一个防摇滑块，所述防摇滑块与冲压滑块采用滑动配合相连。

进一步地，所述凸轮轴上轴承、主凸轮和回凸轮直接设有用于轴向定位的套筒。

进一步地，所述下滚子通过滚子支架安装在中部支撑板上，具体的，所述中部支撑板上设有若干高度不同的销轴孔，所述下滚子安装在滚子支架上，所述滚子支架通过销轴安装在销轴孔内，通过选择不同高度的销轴孔安装滚子支架，调整下滚子的高度，从而调整冲压滑块的行程。

进一步地，所述凸轮轴两侧的机架上分别设有与冲压滑块相连的平衡气缸。

进一步地，所述下工作台板通过多个液压缸安装在机架底部，通过液压缸能调整下工作台板的高度，从而调整冲压滑块的相对行程。

进一步地，通过设计共轭凸轮的轮廓线实现冲压滑块在下死点长时间保压，共轭凸轮运动方程如下：

s₁＝h[(δ/δ₁)-sin(2πδ/δ₁)/(2π)] (0≤δ≤δ₁)

s₁₁＝h-h[(δ/δ₁)-sin(2πδ/δ₁)/(2π)] (π≤δ≤π+δ₁)

s₂＝h (δ₁≤δ≤δ₁+δ₂)

s₂₂＝0 (π+δ₁≤δ≤π+δ₁+δ₂)

s₃＝h[1-(δ/δ₃)+sin(2πδ/δ₃)/(2π)] (δ₁+δ₂≤δ≤δ₁+δ₂+δ₃)

s₃₃＝h-h[1-(δ/δ₃)+sin(2πδ/δ₃)/(2π)] (π+δ₁+δ₂≤δ≤π+δ₁+δ₂+δ₃)

上式中，h为冲压滑块行程，主凸轮和回凸轮相位差为180度，δ为主凸轮的运动转角，s₁为主凸轮推程运动曲线，s₁₁为回凸轮推程运动曲线，δ₁为主凸轮推程运动时的总转角，s₂为主凸轮远休止运动曲线，s₂₂为回凸轮远休止运动曲线，δ₂为主凸轮保压时的总转角，s₃为主凸轮回程运动曲线，s₃₃为回凸轮回程运动曲线，δ₃为主凸轮回程运动时的总转角。

保压的时间为：

其中，T₁为冲压滑块下行冲压时的保压时间，T₀为冲压滑块运动的冲压周期。

本发明的有益效果：可将驱动的伺服电机更换为普通电机，将伺服电机停转保压替换为普通电机正常转动的机械式高精度保压，满足需要下死点精密保压的特定成形工艺，尤其针对需要板料始终与模具紧密接触且完成淬火的热冲压保压工艺。同时，采用共轭凸轮传动，可实现360°从动件运动曲线自由设计，也可满足更广泛的冲压工艺要求，克服了等径凸轮机构只能在180°范围内设计曲线的缺陷；采用共轭凸轮下滚子位置可调与液压驱动的下工作台，克服等径凸轮机构不能实现行程可调的缺陷，同时采用液压系统还能实现过载保护。本发明通过设计共轭凸轮轮廓线实现不同类型冲压滑块运动学曲线设计以及滑块下死点长时精密保压。本发明采用多电机驱动，驱动功率大，共轭凸轮机构传动链简单，累积误差小，结构紧凑、刚度强度高、承载能力大、可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例一机械压力机的前侧整机三维结构示意图；

图2是本发明实施例一机械压力机的后侧整机三维结构示意图；

图3是本发明实施例一的传动机构二维装配图支；

图4是本发明实施例一的四个液压缸布置方式示意图；

图5是本发明实施例一的冲压滑块示意图；

图6是本发明实施例二的某一推程下共轭凸轮和滚子轮廓线图；

图7是本发明实施例二的各类推程下共轭凸轮轮廓线图；

图8是本发明实施例三的共轭凸轮和滚子的三维模型；

图9是本发明实施例三的冲压滑块工艺曲线。

1-伺服电机，2-小齿轮，3-角接触球轴承，4-角接触球轴承，5-大齿轮，6-平键，7-轴端挡圈，8-螺钉，9-第一轴承，10-第一套筒，11-左箱体，12-内六角平头螺钉，13-横梁，14-右箱体，15-减速箱挡圈，16-第二套筒，17-第二轴承，18-防摇滑块，19-第三套筒，20-第三轴承，21-第四套筒，22-第一主凸轮，23-回凸轮，24-上滚子，25-第二主凸轮，26-冲压滑块，27-左端盖，28-凸轮主轴，29-平键，30-第一下滚子，31-第二下滚子，32-销轴，33-滚子支架，34-销轴孔，35-上工作台板，36-下工作台板，37-螺钉，38-液压缸，39-油道，40-机架，41-中部支撑板，42-顶部支架，43-平衡气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

以下结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作示例，而不能以此限制本发明的保护范围。

实施例一：如图1至图5所示，一种凸轮直驱的机械压力机，包括机架40、冲压滑块26、凸轮轴28和动力机构，所述凸轮轴28通过轴承安装在机架40上部，所述冲压滑块26通过上下方向的滑动副安装在机架40上，所述冲压滑块26为镂空滑块，其包括顶部支架42和中部支撑板41，所述凸轮轴28上设有两个主凸轮和一个回凸轮23，两个主凸轮以回凸轮23为中心对称分布，且两个主凸轮的相位相同；所述冲压滑块26的顶部支架42设有与回凸轮23顶部接触的上滚子24，冲压滑块的中部支撑板41设有与两个主凸轮底部接触的下滚子，两个主凸轮和一个回凸轮一起构成共轭凸轮；所述冲压滑块26底部设有上工作台板35，上工作台板35下方的机架底部设有下工作台板36，上、下工作台板一起构成冲压工作台；所述动力机构用于驱动凸轮轴转动，所述凸轮轴28的转动通过共轭凸轮带动冲压滑块26及其上的上工作台板35上下运动，完成冲压动作。

所述动力机构包括四个并联驱动且功率相同的伺服电机，四个电机输出轴分别与减速箱内的小齿轮连接，四个小齿轮共同驱动大齿轮，大齿轮驱动凸轮轴转动。

四个伺服电机呈90°圆周分布在右箱体14上，左箱体11的右端面和右箱体14的左端面配合，左箱体11右箱体14通过圆周方向上均布的六个内六角平头螺钉12精密连接，四个伺服电机的输出轴分别与左箱体11右箱体14组成的变速箱内的四个小齿轮2通过花键连接，四个小齿轮2均布在左箱体11右箱体14组成的变速箱内，四个小齿轮2的两端轴分别与安装在左箱体11和右箱体14内的四对角接触球轴承3、4配合，左箱体11左端与横梁13固定相连，右箱体14的右端与减速箱挡圈15配合，减速箱挡圈15通过螺钉固定在横梁13上，横梁13焊接在机架40上，变速箱内的四个小齿轮2共同驱动大齿轮5转动，大齿轮5通过平键6将扭矩传递给凸轮主轴28，大齿轮5的左端与第一套筒10右端配合，大齿轮5的右端被轴端挡圈7压紧，轴端挡圈7通过螺钉8固定在凸轮主轴28的右端部，第一套筒10左端抵靠在第一轴承9上。

如图3所示，沿着凸轮主轴28的轴向，从右至左，凸轮主轴28为左右对称结构，其上从右至左依次安装有右端盖43、第一轴承9、第二套筒16、第二轴承17、第三套筒19、第三轴承20、第一主凸轮22、回凸轮23、第二主凸轮25、第四套筒21、第三轴承20、第三套筒19、第二轴承17、第二套筒16、第一轴承9以及左端盖27，具体的，凸轮主轴28首先通过两个第一轴承9和两个第三轴承20安装在机架40上，其中两个第一轴承9位于两端位置，两个第三轴承20位于两个第一轴承9之间位置，第二主凸轮25和第一主凸轮22安装在两个第三轴承20之间。

对于右边：第一轴承9和第二轴承17之间通过第二套筒16限位，第二轴承17和第三轴承20之间通过第三套筒19限位，第三轴承20与第一主凸轮22之间通过第四套筒21限位。

对于左边：第二主凸轮25与左边的第三轴承20之间也通过第四套筒21限位，第三轴承20与第三轴承17之间第三套筒19限位，第三轴承17与左边的第一轴承9之间通过第二套筒16限位。

如图3所示，第二主凸轮25和第一主凸轮22具有相同轮廓和相位并关于中心线E-E对称布置，第二主凸轮25和第一主凸轮22通过平键29和凸轮主轴28连接，回凸轮23通过也通过平键29和凸轮主轴28连接，第二主凸轮25和第一主凸轮22分布在回凸轮23的两侧，第二主凸轮25的左端面和第一主凸轮22的右端面通过对称分布的第四套筒21、固定在机架40上的第三轴承20、第三套筒19、第二轴承17、第二套筒16、第一轴承9以及左端盖27、右端盖43限制主、回凸轮的左右移动。第二主凸轮25和第一主凸轮22分别与关于E-E对称分布的第一下滚子30和第二下滚子31紧密接触，回凸轮23与上滚子24紧密接触，第一下滚子30和第二下滚子31安装在滚子支架33上，滚子支架33通过销轴32固定在冲压滑块26的中部支撑板41上，上滚子24安装在冲压滑块26上方的顶部支架42上。所述中部支撑板41上设有若干高度不同的销轴孔34，通过选择不同高度的销轴孔34安装滚子支架33，能调整下滚子的高度，同步更换不同尺寸的共轭凸轮，改变冲压滑块26的冲压行程。第二轴承17安装在防摇滑块18内，防摇滑块18沿中心线E-E对称布置，对称布置的防摇滑块18与冲压滑块26左右两侧内部为平面滑动配合，保证上、下滚子、主回凸轮基圆和凸轮轴28处于同一中心线。

冲压滑块26底部安装有上工作台板35，上工作台板35与下工作台板36平行，下工作台板36固定在四个液压缸38上，四个液压缸38通过螺钉37以及配合孔与下工作台板36固定，液压油通过油道39驱动液压缸38运动。液压缸38驱动下工作台板36运动的目的在于实现滑块35的行程相对可调，同时，具有过载保护的作用。

冲压滑块26在下死点可实现长时间保压，该保压功能通过共轭凸轮轮廓线设计实现，以摆线运动规律为例：

主回凸轮运动方程：

s₁＝h[(δ/δ₁)-sin(2πδ/δ₁)/(2π)] (0≤δ≤δ₁)

s₁₁＝h-h[(δ/δ₁)-sin(2πδ/δ₁)/(2π)] (π≤δ≤π+δ₁)

s₂＝h (δ₁≤δ≤δ₁+δ₂)

s₂₂＝0 (π+δ₁≤δ≤π+δ₁+δ₂)

s₃＝h[1-(δ/δ₃)+sin(2πδ/δ₃)/(2π)] (δ₁+δ₂≤δ≤δ₁+δ₂+δ₃)

s₃₃＝h-h[1-(δ/δ₃)+sin(2πδ/δ₃)/(2π)] (π+δ₁+δ₂≤δ≤π+δ₁+δ₂+δ₃)

式中，δ₁+δ₂+δ₃＝2π，主凸轮和回凸轮相位差为180度，δ为主凸轮的转动角度，h为冲压滑块行程，s₁为主凸轮推程运动曲线，s₁₁为回凸轮推程运动曲线，δ₁为主凸轮推程运动时的总转角，s₂为主凸轮远休止(滑块保压)运动曲线，s₂₂为回凸轮远休止(滑块保压)运动曲线，δ₂为主凸轮保压时的总转角，s₃为主凸轮回程运动曲线，s₃₃为回凸轮回程运动曲线，δ₃为主凸轮回程运动时的总转角。

保压的时间为：

其中，T₁为冲压滑块下行冲压时的保压时间，T₀为冲压滑块运动的冲压周期。

需要说明的是，本发明可将动力机构的伺服电机更换为普通电机，将伺服电机停转保压替换为普通电机正常转动的机械式高精度保压，满足需要下死点精密保压的特定成形工艺，尤其针对需要板料始终与模具紧密接触并完成模内淬火的热冲压工艺。

本发明的冲压滑块与机架上的滑动副之间采用圆柱滚子无间隙配合，具体的圆柱滚子设于冲压滑块上，导轨设于机架上(图中未画出)，滚子与导轨采用过盈配合，抑制偏载，提高滑动副的运动精度。

所述凸轮轴两侧的机架上分别设有与冲压滑块相连的平衡气缸43。冲压滑块在静止时重量很大，会使传动系统如凸轮和驱动系统电机承受载荷，平衡气缸43的作用是平衡这些重量；冲压滑块向上运动时，为了减速，降低冲击进行减速平衡；避免意外事故，如连杆螺栓松动，平衡失去支撑力的冲压滑块，起到及时缓冲保护工作人员的作用。

实施例二：如图6所示是在凸轮的基圆半径为40mm、推程为10mm(即冲压滑块)、滚子半径为10mm、滚子偏心量为0的条件下求得的直动共轭凸轮和滚子轮廓线及相对位置。如图6所示为凸轮的基圆半径为40mm、其他不同推程、偏心量为0、滚子半径为10mm时的共轭凸轮轮廓线图。

实施例三：如图8所示的共轭凸轮和滚子的三维图，其中主回凸轮基圆半径：40mm、推杆位移30mm、滚子半径10mm、滑块下行程120°(1/3周期)、保压170°(约1/2周期)、回程70°(约1/6周期)；在以上条件下，设计得到不同的运动规律下滑块的运动学曲线与传统无法实现保压的曲柄连杆压力机位移曲线的对比，即本实例中，保压时间为：

在保压时间内，滑块的位移为0，满足需要下死点保压的冲压工艺。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种凸轮直驱的机械压力机，其特征在于：包括机架、冲压滑块、凸轮轴和动力机构，所述凸轮轴通过轴承安装在机架上部，所述冲压滑块通过上下方向的滑动副安装在机架上，所述冲压滑块为镂空滑块，其至少包括顶部支架和中部支撑板，所述凸轮轴上设有两个主凸轮和一个回凸轮，两个主凸轮以回凸轮为中心对称分布，且两个主凸轮的相位相同；所述冲压滑块的顶部支架设有与回凸轮顶部接触的上滚子，冲压滑块的中部支撑板设有与两个主凸轮底部接触的下滚子，两个主凸轮和一个回凸轮一起构成共轭凸轮；所述冲压滑块底部设有上工作台板，上工作台板下方的机架底部设有下工作台板，上、下工作台板一起构成冲压工作台；所述动力机构用于驱动凸轮轴转动，所述凸轮轴的转动通过共轭凸轮带动冲压滑块及其上的上工作台板上下运动，完成冲压动作；

所述动力机构包括四个电机和减速箱，所述减速箱固定安装在机架上，四个电机呈圆周分布在减速箱上，所述凸轮轴延伸到减速箱内，且该端凸轮轴上设有大齿轮，所述减速箱内大齿轮四周设有四个与其啮合的小齿轮，每个电机的输出轴延伸到减速箱内后与一个小齿轮动力传动相连；

所述冲压滑块与机架上的滑动副之间采用圆柱滚子无间隙配合；

所述凸轮轴通过四个轴承安装在机架上，其中主凸轮和回凸轮安装在中间两个轴承之间的凸轮轴上，四个轴承以回凸轮为中心对称分布；

沿着凸轮轴的轴向，在两侧的两个相邻轴承之间分别通过轴承安装有一个防摇滑块，所述防摇滑块与冲压滑块采用滑动配合相连；

所述凸轮轴上轴承、主凸轮和回凸轮之间 设有用于轴向定位的套筒；

所述凸轮轴两侧的机架上分别设有与冲压滑块相连的平衡气缸；

通过设计共轭凸轮的轮廓线实现冲压滑块在下死点长时间保压，共轭凸轮运动方程如下：

s₁＝h[(δ/δ₁)-sin(2πδ/δ₁)/(2π)](0≤δ≤δ₁)

s₁₁＝h-h[(δ/δ₁)-sin(2πδ/δ₁)/(2π)](π≤δ≤π+δ₁)

s₂＝h(δ₁≤δ≤δ₁+δ₂)

s₂₂＝0(π+δ₁≤δ≤π+δ₁+δ₂)

s₃＝h[1-(δ/δ₃)+sin(2πδ/δ₃)/(2π)](δ₁+δ₂≤δ≤δ₁+δ₂+δ₃)

s₃₃＝h-h[1-(δ/δ₃)+sin(2πδ/δ₃)/(2π)](π+δ₁+δ₂≤δ≤π+δ₁+δ₂+δ₃)

上式中，h为冲压滑块行程，主凸轮和回凸轮相位差为180度，δ为主凸轮的运动转角，s₁为主凸轮推程运动曲线，s₁₁为回凸轮推程运动曲线，δ₁为主凸轮推程运动时的总转角，s₂为主凸轮远休止运动曲线，s₂₂为回凸轮远休止运动曲线，δ₂为主凸轮保压时的总转角，s₃为主凸轮回程运动曲线，s₃₃为回凸轮回程运动曲线，δ₃为主凸轮回程运动时的总转角；

保压的时间为：

其中，T₁为冲压滑块下行冲压时的保压时间，T₀为冲压滑块运动的冲压周期。

2.根据权利要求1所述的机械压力机，其特征在于：所述下滚子通过滚子支架安装在中部支撑板上，具体的，所述中部支撑板上设有若干高度不同的销轴孔，所述下滚子安装在滚子支架上，所述滚子支架通过销轴安装在销轴孔内，通过选择不同高度的销轴孔安装滚子支架，调整下滚子的高度，从而调整冲压滑块的行程。

3.根据权利要求1所述的机械压力机，其特征在于：所述下工作台板通过多个液压缸安装在机架底部，通过液压缸能调整下工作台板的高度，从而调整冲压滑块的相对行程。

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