CN113976679B - 一种大吨位的金属折弯传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大吨位的金属折弯传动机构，包括压臂、连杆、铰接支座、压杆、移动件、丝杆、螺母和螺母旋转驱动装置；压臂的数量为两块，对称布设在金属板材折弯设备的机架两侧上部；每块压臂朝向上横梁的前端部均与连杆的顶端相铰接，连杆底端均与上横梁相铰接；每块压臂的中部均铰接在铰接支座上，铰接支座固定安装或一体式设在机架上；每块压臂的后端部均与压杆的顶端相铰接，压杆的底端均与移动件相铰接；移动件安装在丝杆的前端；螺母螺纹套设在丝杆上，并与丝杆形成丝杆螺纹副配合；螺母还通过轴承座安装在机架上，并能在螺母旋转驱动装置的驱动下旋转。本申请能实现80吨及以上重负荷的上横梁的升降驱动，且驱动噪音小。

Description

一种大吨位的金属折弯传动机构

技术领域

本发明涉及数控折弯领域，特别是一种大吨位的金属折弯传动机构。

背景技术

目前数控板材折弯设备按照工艺特点，适用范围，自动化程度的不同主要分为数控折弯机和数控折弯中心两种。数控折弯机和数控折弯中心均包括上横梁、上横梁升降驱动装置和设置在上横梁底部的上模。

目前，针对80吨以上数控折弯设备的上横梁升降驱动装置，国内、国外市场主要是以液压驱动为主。受限于制造成本，传动技术，数控系统，整机结构等等方面因素的影响，机械式全电伺服目前还是空白。上述液压驱动的优点是，能适用于80吨以上的大吨位，易于实现大幅面、厚板的折弯加工。然而，也存在着，如下不足：

1、噪声大、能耗高、液压油渗漏和污染环境。

2、成本较高，因为液压油缸、阀组、液压泵等高精密零件成本较高，其中阀组，液压泵部件中高端市场几乎完全依赖于进口，成本高。

3、精度不高，液压系统位置精度控制存在先天的劣势，位置可控性差。

4、寿命低，元器件磨损，液压油路污染，都容易对液压系统稳定性产生不良影响。

5、滑块动作冲击大，不平缓。

6、受环境的温度、湿度、灰尘等因素影响较大。

7、运动控制复杂。

8、控制系统依赖进口。

9、加工效率低。

为解决上述液压驱动方式的不足，近几年而发展起来的技术，主要是在小吨位全电伺服折弯机(主流的30～40吨)，一般不超过50吨。而目前小吨位的机械全电伺服折弯机大多采用重载滚珠丝杆(直接驱动，无连杆机构)驱动方式。这种驱动方式的有点为：结构简单、机械传动效率高、速度快、精度高、同时完美的克服了液压传动的诸多问题。然而，也存在着如下方面的不足：

1、对机床的加工制造精度高。

2、无连杆机构进行增力，因此仅适合50吨以下的小吨位折弯机。

3、功率利用率低，所需驱动电机功率大，也增加了成本。

4、由于丝杆和上横梁、机架都是刚性连接，两侧驱动不能进行同步调整。因而，滚珠丝杆两侧平行度调整因不同步，会导致丝杆弯曲，损坏丝杆。

5、噪声大。

然而，目前80吨及以上市场占有率达到80％以上市场份额。因而，如何使机械式全电伺服取替传统液压传动，实现节能环保且重载高精的传动机构，成为金属板材加工行业发展的新方向。其中，重载是指80吨及以上，高精是指板材折弯的成型角度精度，精度在0.5度以内，且相应的上模定位精度达到0.025mm(比如板料折弯的角度误差0.5度，对应的上模，即上横梁的定位精度0.025mm)。

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，而提供一种大吨位的金属折弯传动机构，该一种大吨位的金属折弯传动机构能实现80吨及以上重负荷的上横梁的升降驱动，且驱动噪音小。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种大吨位的金属折弯传动机构，包括压臂、连杆、铰接支座、压杆、移动件、丝杆、螺母和螺母旋转驱动装置。

金属折弯传动机构用于驱动金属板材折弯设备中上横梁的高度升降。

压臂的数量为两块，对称布设在金属板材折弯设备的机架两侧上部。

每块压臂朝向上横梁的前端部均与所述连杆的顶端相铰接，连杆底端均与上横梁相铰接。

每块压臂的中部均铰接在铰接支座上，铰接支座固定安装或一体式设置在机架上。

每块压臂背离上横梁的后端部均与压杆的顶端相铰接，压杆的底端均与移动件相铰接。

移动件安装在丝杆的前端。

螺母螺纹套设在丝杆上，并与丝杆形成丝杆螺纹副配合；螺母还通过轴承座安装在机架上，并能在螺母旋转驱动装置的驱动下旋转，螺母旋转驱动装置包括伺服电机。

移动件为滑动块，滑动块与丝杆前端相铰接或固定连接。

滑动块滑动安装在机架上，并与机架之间形成为滑动副连接；滑动块水平设置或倾斜设置。

每根压杆的长度均能够伸缩。

移动件为支撑杆，压杆底端与支撑杆上部铰接，支撑杆下部铰接在机架上；丝杆前端至少与压杆和支撑杆中的一个相铰接。

丝杆前端与压杆底端和支撑杆顶端同时相铰接。

支撑杆具有三个铰接点，支撑杆的三个铰接点分别与压杆底端、丝杆前端和机架相铰接。

压杆具有三个铰接点，压杆的三个铰接点分别与压臂、丝杆前端和支撑杆相铰接。

丝杆上设置有沟槽，轴承座中设置有与沟槽相配合的导向键。

丝杆为滚珠丝杆。

本发明具有如下有益效果：

1、全电伺服电机取替传统液压，节能，环保。

2、由于机构的非线性运动特性，所以适合大吨位。

3、低噪声，由于螺母旋转，丝杆不旋转，故而相对噪声降低，通常能降低5-10dB，因而无噪声污染。

4、由于机架的受力点更合理，本申请通过压臂将机架的受力点转移到机身靠中间的位置，无附加弯矩，因此结构受力合理，且无应力集中点，刚度可靠。

5、便于加工，制造，安装，由于丝杆不需要旋转，与压杆，支撑杆，滑块等零件的连接简单很多。

附图说明

图1显示了本申请一种大吨位的金属折弯传动机构实施例1的立体图，图1(a)为立体图一，图1(b)为立体图二。

图2显示了本申请实施例1中滑动块倾斜设置且滑动块与丝杆前端固定连接时的原理图。

图3显示了本申请实施例1中滑动块倾斜设置且滑动块与丝杆前端相铰接时的原理图。

图4显示了本申请实施例1中滑动块水平设置且滑动块与丝杆前端相铰接时的原理图。

图5显示了本申请一种大吨位的金属折弯传动机构实施例2的立体图，图5(a)为立体图一，图5(b)为立体图二。

图6显示了本申请实施例2中移动件为支撑杆时的原理图。

图7显示了本申请实施例2中移动件为支撑块时的原理图。

图8显示了本申请中螺母旋转驱动装置第一种实施例的立体图。

图9显示了本申请中螺母旋转驱动装置第一种实施例的剖面图。

图10显示了本申请中螺母旋转驱动装置第二种实施例的立体图。

图11显示了本申请中螺母旋转驱动装置第二种实施例的剖面图。

图12显示了本申请中压杆具有三个铰接点时的原理图。

图13显示了本发明中连杆的结构示意图；其中，图13(a)为连杆三维图，图13(b)为连杆正视图二，图13(c)为图13(b)的A-A剖面图。

图14显示了本发明中连杆的伸缩原理图；其中，图14(a)为连杆正常状态原理图，图14(b)为连杆伸长状态原理图，图14(c)为连杆收缩状态原理图。

图15显示了本发明中连杆长度能调节时的速度特性曲线和力特性曲线图。

图16显示了本发明中压臂采用两块钢板焊接时的结构示意图。

其中有：

10.机架；11.侧板；12.上横梁；

20.连杆；21.螺杆；22.连接耳；

30.压臂；31.铰接支座；

40.压杆；

51.滑动块；52.支撑杆；53.支撑块；

60.丝杆；61.沟槽；

70.螺母；71.轴承座；72.轴承；73.导向键；

80.伺服电机；81.小带轮；82.大带轮；83.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。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，金属板材折弯设备包括机架10和上横梁12，其中，机架包括两块对称的侧板11，上横梁位于两块侧板正前方，且能沿两块侧板进行高度升降，本发明中的金属折弯传动机构，则用于驱动上横梁的高度升降。

如图1和图5所示，一种大吨位的金属折弯传动机构，包括连杆20、压臂30、铰接支座31、压杆40、移动件、丝杆60、螺母70和螺母旋转驱动装置。

压臂的数量为两块，对称布设在金属板材折弯设备的机架两侧上部，优选位于两块侧板的顶部上方。

上述压臂相当于一个杠杆，以铰接支座为支点，上述移动件、丝杆60、螺母70和螺母旋转驱动装置的组合，能使得压臂上下转动或摆动，带动连杆运动，进而驱动上横梁上下运动。同时，还能将机身的受力点转移到铰接支座的位置，大幅提升机架的刚度和强度，这对于大吨位全电伺服驱动极为重要。

为提升强度和刚度，每块压臂均设置为中间高，两侧低的形状，本实施例中均优选三角形，具有顶角、底角一和底角二。其中，顶角朝上，底角一朝向上横梁，也即顶角位于两个底角连接线之上。

每块压臂可以均采用如图1所示的单块钢板，通过焊接或铸造等工艺制成。当然，作为替换，也可采用如图16所示的平行布设的两块钢板通过铰接轴连接而成。另外，每块压臂也可采用其他已知的形状，如果能实现本案的动作原理，视为等同，也在本申请的保护范围之内。

每块压臂朝向上横梁的前端部均与连杆的顶端相铰接，连杆底端均与上横梁相铰接。

每根连杆的长度优选能够调整，如图13所示，每根连杆均包括螺杆21和螺纹连接在螺杆上下两端的两个连接耳22。其中，螺杆的上下两端螺纹是反向的，旋转螺纹可以调整两端连接耳之间的尺寸。位于螺杆顶端的连接耳用于与压臂相铰接，位于螺杆底端的连接耳用于与上横梁相铰接。

图15为本申请中连杆长度能调节时的速度特性曲线和力特性曲线图。连杆长度不同，则上模接触板材的位置不同，如点A和B。比如，当连杆较长时，接触板材在A点；连杆较短的时候，接触板材为B点。而A、B两点的速度特性和力特性不同。其中A的速度比B点高，但是力输出要小；B点的速度比A点低，但是力输出高于B点。通过连杆长度的调整可以适应于不同的工况。

另外，在图14中，因为压臂铰接点a(压臂与铰接支座的铰接点)和压臂铰接点b(压臂与连杆的铰接点)之间距离较大，因此压臂摆动下压时，相应的连杆的摆动角度较小，折弯角度优选为12.5°(该角度可能因实际机构工作情况而有所偏差)。因而，连杆长度的变化对整个机构的特性影响较小，所以该机构的连杆适合设计成长度可调的零件，且适合小角度折弯。

每块压臂的中部均铰接在铰接支座上，铰接支座可以固定安装在机架上，也可以作为机架的一部分，也即与机架一体设置。

铰接支座形状不局限图示形状，任何基于本案技术方案，能够实现基本动作原理的具体结构均在本案保护范围内，视为等同。

每块压臂背离上横梁的后端部均与压杆的顶端相铰接，压杆的底端均与移动件相铰接。

上述丝杆优选为滚珠丝杆，移动件安装在丝杆的前端，移动件为滑动块。

如图2所示，滑动块可以与丝杆前端固定连接。作为替换，滑动块可以与丝杆前端相铰接，具体如图3所示。

如图8和图9所示，螺母螺纹套设在丝杆上，并与丝杆形成丝杆螺纹副配合；螺母还通过轴承座71安装在机架上，并能在螺母旋转驱动装置的驱动下旋转。

上述轴承座铰接(或者固定安装)在机架上，轴承座的内壁面嵌设有轴承72，轴承套设在螺母外周。轴承座能使螺母轴向位置保持不变的情况下，且外壁面无摩擦自由旋转。

上述的螺母，丝杆采用现有技术的螺母旋转式丝杆视为等同，在权利保护范围之内。

上述丝杆、螺母和轴承座，在本案的技术原理基础上进行的结构细节的调整，改变视为等同，在本案的权利保护范围之内。

上述螺母旋转驱动装置为现有技术，可以由伺服电机直接驱动，也可通过同步带或齿轮减速等已知的旋转驱动方式。本实施例中，优选采用伺服电机和同步带驱动。具体设置方式如图8和图9所示，螺母一侧的丝杆外周同轴套设一个大带轮82，安装在机架或轴承座顶部的伺服电机80的输出轴前端安装小齿轮81，小带轮和大带轮之间通过同步带实现同步旋转。

进一步，如图10和图11所示，丝杆上设置有沟槽61，轴承座中设置有与沟槽相配合的导向键73，从而能对丝杆的轴向位移进行限位，也即使其只能轴向伸缩，而不能旋转。作为替换，沟槽的数量可以为沿丝杆周向设置的二个或多个，导向键的数量也可以为沿轴承座内壁周向设置的二个或多个。上述导向键和沟槽形成移动副配合，其余的花键型和面配合等已知的导向方式视为等同。

进一步，滑动块滑动安装在机架上，并与机架之间形成为滑动副连接。滑动块可以水平设置，如图4所示，也可以倾斜设置，如图2和图3所示。

另外，采用整体的螺母旋转式丝杆，与本案具有等同的技术效果，也在本案的保护范围之内。

实施例2

如图5至图7所示，一种大吨位的金属折弯传动机构，包括连杆20、压臂30、铰接支座31、压杆40、移动件、丝杆60、螺母70和螺母旋转驱动装置。

上述压臂20、连杆30、铰接支座31、丝杆60、螺母70和螺母旋转驱动装置的结构，与实施例1基本相同，这里不再赘述。

不同点在于，压杆和移动件的结构不同，移动件为支撑杆52，压杆底端与支撑杆上部铰接，支撑杆下部铰接在机架上；丝杆前端至少与压杆和支撑杆中的一个相铰接。

压杆和支撑杆，优选具有如下三种实施例。

第一种实施例

如图6所示，丝杆前端与压杆底端和支撑杆顶端同时相铰接，也即丝杆、压杆和支撑杆相铰接于一点。

第二种实施例

如图7所示，支撑杆具有三个铰接点，支撑杆的三个铰接点分别与压杆底端、丝杆前端和机架相铰接。支撑杆的三个铰接点可以处于同一条直线上，也可以呈三角形布置。

进一步，上述支撑杆为呈三角形的支撑块53，支撑块的三个角分别为顶角、侧角和底角，支撑块的顶角与压杆底端相铰接，支撑块的侧角与丝杆前端相铰接，支撑块的底角与机架相铰接。

第三种实施例

如图12所示，压杆也优选呈三角形，具有三个铰接点，压杆的三个铰接点分别与压臂、丝杆前端和支撑杆相铰接。压杆的三个铰接点可以处于同一条直线上，也可以呈三角形布置。

本申请还具有如下特有的有益效果：

1、全电伺服电机取替传统液压，节能，环保：

以50000台市场保有量计算：

按照每吨煤发电3333度，相当于一年节省燃煤：

全国煤消耗量按照8.7亿吨，那么约占全国煤消耗量的3.3万分之。还是很可观的。

节省液压油。液压驱动每年更换一次液压油，每次更换量约为300L

2、由于机构的非线性运动特性，所以适合大吨位：

采用同样的2个7.5kw驱动电机，普通的滚珠丝杠直接进行驱动，只能能达到30-40吨。而采用本案机构，得益于机构的非线性特性，在加工效率相同情况下，吨位能够达到80-120吨。

3、由于机架的受力点更合理：

机架的强度、刚度更好。尤其传动部件相对于机架的两侧板中心对称布置时(优选对称布置，但是不局限)，机架的两侧板不受弯曲载荷(板状构件受到弯曲载荷容易产生失稳，严重影响结构的强度)。有很多机构，由于结构空间限制，不能关于两侧板中心布置，机架侧板承受扭曲负载，极易引起机架的失稳，刚度、强度不能保证。

本申请通过压臂将机架的受力点转移到机身靠中间的位置，无附加弯矩，因此结构受力合理，且无应力集中点。刚度可靠；

机架和压臂为最关键的零件。由于压臂横向设置在机架的上部，因此空间布局合理，可以设计成中间高，两端低的形状(如前所述的三角形)，不难满足结构的刚度和强度要求，更容易实现大吨位机床的结构设计。

4、运动学逆解更加简单，易于控制：

更容易实现运动学逆解，能够获得显式解析解，运动过程能够实现精确控制，无需数值解的多次迭代。传动机构的运动学逆解，即根据上横梁所需的位置，通过解析法求得驱动电机的转角，这是实现高动态特性，高精控制的前提。而现有的机构由于机构自身特点，没有办法求得运动学逆解的解析解，只能通过数值迭代的方式求得，其控制系统运算量很大，需要消耗很大的控制系统资源，很难保证控制系统轨迹控制的实时性和精确性，严重影响速度，因此不能实现高动态特性，高精的控制。

5、低噪声，无噪声污染。

6、外形紧凑，更加美观：结构布局合理，传动部件可以设置在机架两侧板之内，不突出到机架的外面，因此整机的外形更加美观，提高产品竞争力。

7、连杆长度设置成可调，连杆长度可以手动或自动调节。连杆长度不同，则上模接触板材的位置不同，如图15中的点A和B。比如，当连杆较长时，接触板材在A点；连杆较短的时候，接触板材为B点。而A、B两点的速度特性和力特性不同。其中A的速度比B点高，但是力输出要小；B点的速度比A点低，但是力输出高于B点。当折弯小尺寸轻载金属板材的时候，可以适当将连杆调长，实现更高速度；反之，大尺寸重载，可以适当将连杆调短。

8、机构布局更加合理，连杆，压臂突出横梁前方很少，因此能够实现小角度大幅面板材的折弯，而不至于发生板材和传动机构的碰撞干涉，可以实现12*2＝24度，甚至更小角度的折弯。

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 (9)

1.一种大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：包括压臂、连杆、铰接支座、压杆、移动件、丝杆、螺母和螺母旋转驱动装置；

金属折弯传动机构用于驱动金属板材折弯设备中上横梁的高度升降；

压臂的数量为两块，对称布设在金属板材折弯设备的机架两侧上部；

每块压臂均设置为中间高，两侧低的形状；

每块压臂朝向上横梁的前端部均与所述连杆的顶端相铰接，连杆底端均与上横梁相铰接；

每块压臂的中部高部位均铰接在铰接支座上，铰接支座固定安装或一体式设置在机架上；

每块压臂背离上横梁的后端部均与压杆的顶端相铰接，压杆的底端均与移动件相铰接；

移动件安装在丝杆的前端；

螺母螺纹套设在丝杆上，并与丝杆形成丝杆螺纹副配合；螺母还通过轴承座安装在机架上，并能在螺母旋转驱动装置的驱动下旋转，螺母旋转驱动装置包括伺服电机；

螺母旋转，丝杆不旋转，相对噪声能降低5-10dB；

压臂相当于一个杠杆，以铰接支座为支点，移动件、丝杆、螺母和螺母旋转驱动装置的组合，能使得压臂上下转动或摆动，带动连杆运动，进而驱动上横梁上下运动，能将机身的受力点转移到铰接支座的位置，能适合80-120吨重载折弯；

每根连杆的长度均能够伸缩，能适应小角度折弯。

2.根据权利要求1所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：移动件为滑动块，滑动块与丝杆前端相铰接或固定连接。

3.根据权利要求2所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：滑动块滑动安装在机架上，并与机架之间形成为滑动副连接；滑动块水平设置或倾斜设置。

4.根据权利要求1所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：移动件为支撑杆，压杆底端与支撑杆上部铰接，支撑杆下部铰接在机架上；丝杆前端至少与压杆和支撑杆中的一个相铰接。

5.根据权利要求4所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：丝杆前端与压杆底端和支撑杆顶端同时相铰接。

6.根据权利要求4所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：支撑杆具有三个铰接点，支撑杆的三个铰接点分别与压杆底端、丝杆前端和机架相铰接。

7.根据权利要求4所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：压杆具有三个铰接点，压杆的三个铰接点分别与压臂、丝杆前端和支撑杆相铰接。

8.根据权利要求1所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：丝杆上设置有沟槽，轴承座中设置有与沟槽相配合的导向键。

9.根据权利要求1或8所述的大吨位的金属折弯传动机构，其特征在于：丝杆为滚珠丝杆。