CN1970284A - 机械压力机传动数控方法及数控机械压力机 - Google Patents

Abstract

机械压力机传动数控方法及数控机械压力机，属于机械工业锻压设备领域，包括操作人员输入运行数据、工控微计算机控制电动机运行，其特征在于：电动机采用开关磁阻调速电动机，根据输入设备提供的数据，经过工控微计算机运算，控制开关磁阻调速电动机动作，开关磁阻调速电动机带动机械压力机动作。开关磁阻调速电动机提供压力机动力，电机控制器即时控制开关磁阻调速电动机的角位移和角速度，以控制压力机滑块的位移和速度的变化，具有结构简单、可无级调速、频繁起停和正反转并且同时具备低速、中速、高速工作等优点。

Description

机械压力机传动数控方法及数控机械压力机

技术领域

本发明涉及一种机械压力机主传动数控方法及数控机械压力机，属于机械工业锻压设备领域。

背景技术

日本会田工程技术株式会社(AIDA)的NSI-1500(D)数控压力机、小松产机株式会社(KOMATSU)的HIF150复合型冲压机和美国俄亥俄州立大学工程研究中心的双肘杆式机械压力机都采用了交流伺服电机驱动，因为大功率交流伺服电动机成本太高，使得机械压力机异常昂贵，且不能控制电机的角位移和角速度，同时存在电机控制系统复杂、易损、不容易维修等缺陷。机械压力机一直存在的主要问题是工艺适应范围窄、运行效率低，模具调试比较困难，滑块位移、速度很难控制，很难实现诸如慢速小距离移动、无级调速、低速锻冲急回功能和传动的数控；由于机械压力机锻冲工件时的滑块速度过快，冲击碰撞力大，产生较大的冲击振动和环境噪声，降低了模具寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够使机械压力机实现滑块位移和速度容易数控、低速锻冲急回、节能降噪减振、安全性高、运动规律柔性数控的方法，解决本领域长期以来难以解决的技术难题。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种结构简单成本低，工作效率高、实现上述数控的机械压力机。

本发明解决数控技术问题所采用的技术方案是：机械压力机传动数控方法，包括操作人员输入运行数据、工控微计算机控制电动机运行，其电动机采用开关磁阻调速电动机，根据输入设备提供的数据，经过工控微计算机运算，控制开关磁阻调速电动机动作，开关磁阻调速电动机带动机械压力机动作。

所述的输入设备提供的数据，包括在工控微计算机上输入和设定滑块压力行程s₁、压力起点速度v₁和滑块行程次数n的工作参数数值，以及手动按钮板和脚踏按钮板信号。

所述的开关磁阻调速电动机安装有角位移传感器，电机控制器给开关磁阻调速电动机控制指令，控制电机的角位移、角速度、起动、停止、正转、反转、加速、减速、点动和位置保持。

所述的工控微计算机运算根据客户实际操作中所需要的计算公式，由输入的滑块压力行程s₁、速度v₁计算曲柄转角位移α₁、角速度ω₁值，并推出开关磁阻调速电动机角位移、角速度，工控微计算机控制开关磁阻调速电动机在角位移iα₁位置处减速为iω₁，过下止点电机角位移 处，回程与空程时，工控微计算机控制使开关磁阻调速电动机以iω₂转动，按照程序设定计算出所需的数值。

所述的开关磁阻调速电动机起动时，滑块沿导轨直线向下运动，到达压力行程起点时，工控微计算机控制开关磁阻调速电机减速，同时滑块减速为用户输入的设定值，对工件实施加工压力，过下止点，电机增速，曲轴增速，滑块回程；当按下或踩下单击按钮时，开关磁阻调速电动机转角位移为某一定值时制动，开关磁阻调速电动机和制动器制动，滑块停在上止点位置；当按下或踩下连击按钮时，开关磁阻调速电动机正向起动，滑块按设定的速度连续往复运动，按钮复位时，开关磁阻调速电动机和制动器制动，滑块停在上止点位置；当按下制动按钮时，工控微计算机发制动信号，开关磁阻调速电动机和制动器制动，使滑块停止在所制动的位置上；当按下退回按钮时，开关磁阻调速电动机反转，压力机滑块作慢速退回运动。

根据本发明数控方法所设计的数控机械压力机，包括机械压力机和工控微计算机，其设置开关磁阻调速电动机，开关磁阻调速电动机通过传动机构连接机械压力机，电机控制器连接开关磁阻调速电动机和工控微计算机，数据采集卡连接工控微计算机。

所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机通过联轴器与小齿轮联结为一体，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮连接曲轴，也可以开关磁阻调速电动机通过联轴器连接曲轴，还可以在大齿轮上设置偏心颈，偏心颈连接曲轴。

所述的数据采集卡分别连接传感器、按钮板、制动器和工控微计算机，可以将机械压力机的工作状态数据传回工控微计算机，工控微计算机通过数据采集卡和电机控制器传输控制指令。

与现有技术相比，该机械压力机传动数控方法及数控机械压力机所具有的有益效果是：通过设置开关磁阻调速电动机提供压力机动力，电机控制器即时控制开关磁阻调速电动机的角位移和角速度，工控微计算机通过设定的计算方式，将计算结果通过电机控制器控制机械压力机滑块的位移和速度的变化，开关磁阻调速电动机通过传动机构连接机械压力机。根据上述数控方法设计的数控机械压力机具有节能、起动电流小、对电网无冲击、可无级调速、可以频繁起停、正反转等优点，由微机控制机械压力机主运动，实现了压力机曲柄滑块机构运动输出特性的柔性数控包括无级调速、低速锻冲急回和滑块的慢速寸动、单击、连击与制动、退回功能，达到滑块的运动能按照加工产品工艺要求的不同和材料的不同而变化的目的，减少了打击振动和噪音，提高模具寿命；根据用户输入设定滑块速度，滑块行程次数可调，在一台压力机上，同时具备低速、中速、高速压力机的功能。数控压力机具有正反向寸动和慢速功能，调模、试模非常方便，减少了减速机构，提高了压力机效率，可明显降低电能损耗。操作人员安全保护更有效，压力可视化，过载安全保护更有效，压力实时检测并显示，过载时，机械压力机自动制动，回退，有效保护设备与模具，不需要设置过载保护装置，该机械压力机不需要气压传动或液压传动，制动可靠，同时极大地简化机械压力机结构。

附图说明

图1是实施例1本发明机数控械压力机的工作原理图。

图2是图1的控制框图。

图3是图1的电路原理图。

图4是实施例2本发明数控机械压力机的工作原理图。

图5是实施例3本发明数控机械压力机的工作原理图。

图1-3是本发明机械压力机传动系统的数控方法及数控机械压力机的最佳实施例，

图1-5中：1(U2)电机控制器  2(U5)键盘  3(U4和U6)工控微计算机和显示屏  4大齿轮/飞轮  5小齿轮  6(U1)开关磁阻调速电动机  7联轴器  8制动器  9曲轴  10连杆  11滑块  12机身  13手动按钮板  14(T1)红外线热电传感器  15脚踏按钮板  16(T2)压力传感器  17工作台  18导轨19固定轴  U3数据采集卡  U5键盘  U7功率放大器  S1-S3开关  S4三刀开关T3电流传感器  KM1线圈  K1触点  Z1制动器。

具体实施方式

下面结合图1-5对本发明机械压力机传动数控方法及数控机械压力机作进一步说明：

实施例1：

如图1所示，开关磁阻调速电动机6安装在机身12上，输出轴通过联轴器7与小齿轮5联结为一体，小齿轮5与大齿轮/飞轮4啮合传动，大齿轮/飞轮4与曲轴9结合为一体，制动器8安装在曲轴9上，曲轴9通过轴承安装在机身上，曲轴9的曲柄颈上安装连杆10，连杆10通过球头或圆柱销与滑块11相联结，机身12内以中心轴对称安装有导轨18，滑块11与导轨18滑动配合，测力传感器16安装在工作台17内，红外线热电传感器14安装在工作危险区的机身12上。

如图2所示，工控微计算机连接数据采集卡、电机控制器、键盘和显示屏，数据采集卡连接制动器、手动按钮板、脚踏按钮板和传感器，电机控制器连接开关磁阻调速电动机，开关磁阻调速电动机连接机械压力机，机械压力机连接制动器和传感器。机械压力机由开关磁阻调速电动机驱动，开关磁阻调速电动机由电机控制器驱动，电机控制器由工控微计算机控制，通过键盘把工作参数输入工控微计算机，电流传感器和在压力机上的传感器信号传给数据采集卡，手动按钮和脚踏按钮信号传给数据采集卡，数据采集卡的信号传给工控微计算机，工控微计算机处理信息通过显示屏显示，并输出指令控制电机控制器和制动器。

如图3所示，开关磁阻调速电动机U1的A1、A2、B1、B2、C1、C2端连接电机控制器U2的A1、A2、B1、B2、C1、C2端，开关磁阻调速电动机U1的角度位置信号端连接电机控制器U2的ANG1端，开关磁阻调速电动机U1的RS232信号端连接工控微计算机U4的RS232脚，手动按钮板和脚踏按钮板的单击、连击、制动三个按钮开关S1-S3，分别连接到数据采集卡U3的DI4、DI6、DI8脚，红外线热电传感器T1、测力传感器T2分别与数据采集卡U3的AIO、AI2脚。三路的电流传感器T3分别与数据采集卡U3的AI4、AI6、AI8脚相连，制动器Z1连接触点K1，线圈KM1与数据采集卡U3的DO14之间连接有功率放大器U7，数据采集卡U3的输出端与工控微计算机U4主板的PCI主线插槽相连。键盘U5和显示屏U6连接于工控微计算机U4。

电机U1为SRD系列，电机控制器U2为SRM系列，数据采集卡U3为PCI-1710，压力传感器T2为电阻应变式。红外线热电传感器T1为热释电传感器。工控微计算机U4为IPC610-P42.0/256M/40G工作平台，工控微计算机U4也可用单片机等计算智能单元所替代，数据采集卡U3也可用其它形式的数据采集板或装置来替代。当电机控制器U2的显示屏和键盘改为通用显示屏和键盘时，数据采集系统与电机控制器可集成在一箱体内，即把数据采集卡、显示屏、键盘、工控微计算机和电机控制器集成为一箱体。IPC支撑软件丰富，联网极为方便，适合远程控制和制造业信息化的需求。

实施例2：

如图4所示，传动机构还可以开关磁阻调速电动机6安装在机身12上，输出轴通过联轴器7连接曲轴9，制动器8安装在曲轴9上，曲轴9通过轴承安装在机身12上，曲轴9的曲柄颈上安装连杆10，连杆10与滑块11相联结，机身12内以中心轴对称安装有导轨18，滑块11与导轨18滑动配合，测力传感器16安装在工作台17上，红外线热电传感器14安装在工作危险区的机身12上。

实施例3：

如图5所示，传动机构还可以开关磁阻调速电动机6安装在机械压力机机身12上，输出轴通过联轴器7与小齿轮5联结为一体，小齿轮与大齿轮/飞轮4啮合传动，大齿轮/飞轮4装在固定轴19上，制动器8安装在轴9上，轴9通过轴承安装在机身12上，大齿轮4的偏心颈上安装连杆10，连杆10与滑块11相联结，机身12内以中心轴对称安装有导轨18，滑块11与导轨18滑动配合，测力传感器16安装在工作台17上，红外线热电传感器14安装在工作危险区的机身12上。

制动器8可以选用简单带式制动器，电磁驱动，常式制动。当开关磁阻调速电动机6直接与曲轴9连接时，制动器8可采用电磁外抱块式制动器ZWZ系列，弹簧紧闸，常式制动。联轴器7可以选用双啮合型齿式联轴器。

本发明的机械压力机传动系统的数控方法，主要有：开关磁阻调速电动机安装有角位移传感器，电机控制器每隔一步距角(如3.75°或7.5°)就会给开关磁阻调速电动机一个控制指令，所以可在工控微计算机上由键盘输入和设定滑块压力行程s₁、压力起点速度v₁和滑块行程次数n的工作参数。工控微计算机根据公式(1)、(3)由滑块压力行程s₁、速度v₁计算曲柄角速度ω₁、曲柄转角位移值α₁，并由(5)式推出开关磁阻调速电动机角位移、角速度，工控微计算机控制开关磁阻调速电动机在iα₁位置处减速为iω₁。据公式(6)，工控微计算机由输入的n值计算出ω₂，过下止点电机角位移

处，回程与空程时，工控微计算机控制使开关磁阻调速电动机以增速iω₂转动。公式如下：

${\mathrm{\α}}_1=\arccos (1-\frac{c(1-\frac{1}{2}\mathrm{c\λ})}{1+\mathrm{\λ}-\mathrm{c\λ}})---\left(1\right)$

由 $v_1={\mathrm{\ω}}_{1}R({\sin \mathrm{\α}}_1+\frac{\mathrm{\λ}}{2}{\sin 2\mathrm{\α}}_1)/1000---\left(2\right)$

得： ${\mathrm{\ω}}_1=\frac{{1000v}_1}{R({\sin \mathrm{\α}}_1+\frac{\mathrm{\λ}}{2}{\sin 2\mathrm{\α}}_1)}---\left(3\right)$

α₀＝iα            (4)

ω₀＝iω，n₀＝in    (5)

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{\mathrm{\πn}}{30}---\left(6\right)$

$E=\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_1}^2---\left(7\right)$

α₀′＝2πi         (8)

式中：s₁为滑块压力行程(承受压力起点时的滑块行程)，v₁为压力起点速度，R为曲柄半径，λ为连杆系数， $\mathrm{\λ}=\frac{R}{L},$ 其中L为连杆长度，c为滑块位移系数， $c=\frac{s}{R},$ 当s＝s₁时， $c=\frac{s_1}{R},$ α₁为压力行程起点曲柄轴转角位移，ω₁为压力行程曲柄轴角速度，ω₂为回程和空程曲柄轴角速度，i为传动比，ω₀为电机角速度，E为打击能量，J为飞轮及其系统转动惯量，n为滑块行程次数，n₀为电机转速，α₀′为滑块往返一次，电动机转角位移。

实现上述数控方法的数控机械压力机，工作原理和工作过程如下：

用户键盘U5输入设定滑块压力行程、压力起点速度和滑块行程次数的数值，工控微计算机U4由滑块压力行程、压力起点速度值和滑块行程次数计算出开关磁阻调速电动机U1在压力行程起点时的转角位移和角速度值，由滑块行程次数计算出开关磁阻调速电动机U1空程和回程时的角速度，通过工控微计算机U4对开关磁阻调速电动机U1转速实施调速，以获得用户输入的滑块运动设定值，达到数控低速锻冲急回和滑块行程次数的功能。

开关磁阻调速电动机6正向起动时，带动曲轴9转动，经过连杆10，滑块11沿导轨18直线向下运动，到达压力行程起点s₁即曲轴角位移α₁时，工控微计算机3控制开关磁阻调速电动机6减速为iω₁，滑块11减速为用户输入的设定值v₁，对工件实施加工压力，过下止点，电机在角位移 时，增速为iω₂，曲轴9增速为ω₂，滑块11回程。

当按下或踩下单击按钮时，工控微计算机3控制在开关磁阻调速电动机6转角位移为α₀′时制动，开关磁阻调速电动机6和制动器8制动，滑块11停在上止点位置。

当按下或踩下连击按钮时，开关磁阻调速电动机6正向起动，工控微计算机3控制滑块11按设定的速度连续往复运动，按钮复位时，工控微计算机3发制动信号，开关磁阻调速电动机6和制动器8制动，滑块11停在上止点位置。

当按下制动按钮时，工控微计算机3发制动信号，开关磁阻调速电动机6和制动器8制动，使滑块11停止在所制动的位置上。

当按下退回按钮时，开关磁阻调速电动机6反转，机械压力机滑块11作慢速退回运动。

工控微计算机3根据公式(7)计算打击能量，显示屏U6显示打击能量。

工控微计算机3在开关磁阻调速电动机6转角为α₀′时，计数器增1，初始设定值可为0。压力机起动之前，滑块在上止点时，设定电动机角位移为0，以便于计算开关磁阻调速电动机6动作。

电流传感器T3的信号经数据采集卡U3进入工控微计算机U4后，其数值由显示屏U6显示。

红外线热电传感器T1设置在机械压力机危险区，当检测到有人体进入危险区内时，红外线热电传感器T1给工控微计算机U1电信号，工控微计算机U1的报警提示灯亮，并发出报警声响，工控微计算机U4发出制动指令，机械压力机自动制动，然后开关磁阻调速电动机U1反向慢速旋转，滑块11回退，有效保护操作者的安全。

压力传感器T2设置在工作台内，其电信号模拟量输入数据采集卡U3，数值实时显示在显示屏U6上，同时工控微计算机U4把压力值与额定压应力值比较，当压力值大于额定值时，即过载，工控微计算机U4的报警提示灯亮，发出报警提示声响，工控微计算机U4发制动指令，机械压力机自动制动，然后开关磁阻调速电动机U1反向慢速旋转，滑块11回退，卸载，有效保护设备与模具。

键盘设置专用按钮，分别是：(1)寸动  装模、试模时，保持按下，曲轴以每分钟一转驱动滑块移动，按钮抬起，制动；(2)单击  单击时，每按一下，滑块往返一次；(3)连击  按下时，滑块连续运动；(4)退回  曲轴以每分钟一转驱动滑块退回；(5)制动  电机与制动器同时制动。键盘的F1键设定为连击，F3设定为单击，F4设定为点动，F8设定为退回，F12键设定为制动(停止)。其中单击、连击、制动与手动按钮和脚踏按钮连锁控制。另外，可在操作者易于接近，操作无危险的地方设置紧急制动按钮。

工控微计算机U4设置的显示屏U6下拉式菜单实时显示电动机电流的大小、转速、滑块压力行程、压力起点速度、压力、打击能量、滑块行程次数、计数、报警提示九类信息，工控微计算机U4自动生成生产报表。

本发明可用于机械压力机类的各种机械设备如曲柄压力机、回转头压力机、步冲压力机、偏心齿轮式压力机、曲柄传动楔式压力机、热模锻压力机、拉深压力机、挤压压力机(简称挤压机)、精压机、平锻机、切断机、剪断机、剪板机、剪切机、冲剪机、弯曲机、折弯机、折边机、切边机、冷镦机、镦锻机、径向锻机、铆接机的传动机构，可用于多连杆式的传动机构和多曲柄式的传动机构，也可用于曲柄肘杆式、曲柄双肘杆式传动机构、曲柄摆杆机构、曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构或双动压力机的内外滑块传动机构。除此之外，本发明还可用于其它机床和其它用途的曲柄连杆滑块式传动机构和偏心齿轮式连杆滑块机构，多连杆式的传动机构和多曲柄式的传动机构，曲柄肘杆式、曲柄双肘杆式传动机构、曲柄摆杆机构、曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构如夹紧机构、送料机构或上料机构、卸料机构。

Claims (10)

1、机械压力机传动数控方法，包括操作人员输入运行数据、工控微计算机控制电动机运行，其特征在于：电动机采用开关磁阻调速电动机，根据输入设备提供的数据，经过工控微计算机运算，控制开关磁阻调速电动机动作，开关磁阻调速电动机带动机械压力机动作。

2、根据权利要求1所述的机械压力机传动数控方法，其特征在于：所述的输入设备提供的数据，包括在工控微计算机上输入和设定滑块压力行程s₁、压力起点速度v₁和滑块行程次数n的工作参数数值，以及手动按钮板和脚踏按钮板信号。

3、根据权利要求1所述的机械压力机传动数控方法，其特征在于：所述的开关磁阻调速电动机安装有角位移传感器，电机控制器给开关磁阻调速电动机控制指令，控制电机的角位移、角速度、起动、停止、正转、反转、加速、减速、点动和位置保持。

4、根据权利要求1所述的机械压力机传动数控方法，其特征在于：所述的工控微计算机运算根据公式 ${\mathrm{\α}}_1=\arccos (1-\frac{c(1-\frac{1}{2}\mathrm{c\λ})}{1+\mathrm{\λ}-\mathrm{c\λ}})$ 和 ${\mathrm{\ω}}_1=\frac{1000v_1}{R(\sin {\mathrm{\α}}_1+\frac{\mathrm{\λ}}{2}\sin 2{\mathrm{\α}}_1)}$ ，由滑块压力行程s₁、速度v₁计算曲柄转角位移α₁、角速度ω₁值，并由式ω₀＝iω推出开关磁阻调速电动机角位移、角速度，工控微计算机控制开关磁阻调速电动机在角位移iα₁位置处减速为iω₁，据公式 ${\mathrm{\ω}}_2=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$ ，工控微计算机由输入的n值计算出ω₂，过下止点电机角位移 处，回程与空程时，工控微计算机控制使开关磁阻调速电动机以iω₂转动，其中s₁为滑块压力行程，即承受压力起点时的滑块行程，v₁为压力起点速度，R为曲柄半径，λ为连杆系数，α₁为压力行程起点曲柄轴转角，ω₁为压力行程曲柄轴角速度，ω₂为回程和空程曲柄轴角速度，i为传动比，ω₀为电机角速度，n为滑块行程次数，c为滑块位移系数，α₀′为滑块往返一次电动机转角位移。

5、根据权利要求1所述的机械压力机传动数控方法，其特征在于：所述的开关磁阻调速电动机起动时，滑块沿导轨直线向下运动，到达压力行程起点时，工控微计算机控制开关磁阻调速电机减速，同时滑块减速为用户输入的设定值，对工件实施加工压力，过下止点，电机增速，曲轴增速，滑块回程；当按下或踩下单击按钮时，开关磁阻调速电动机转角位移为某一定值时制动，开关磁阻调速电动机和制动器制动，滑块停在上止点位置；当按下或踩下连击按钮时，开关磁阻调速电动机正向起动，滑块按设定的速度连续往复运动，按钮复位时，开关磁阻调速电动机和制动器制动，滑块停在上止点位置；当按下制动按钮时，工控微计算机发制动信号，开关磁阻调速电动机和制动器制动，使滑块停止在所制动的位置上；当按下退回按钮时，开关磁阻调速电动机反转，压力机滑块作慢速退回运动。

6、根据权利要求1所述的数控方法的数控机械压力机，包括机械压力机和工控微计算机，其特征在于：设置开关磁阻调速电动机，开关磁阻调速电动机通过传动机构连接机械压力机，电机控制器连接开关磁阻调速电动机和工控微计算机，数据采集卡连接工控微计算机。

7、根据权利要求6所述的数控方法的数控机械压力机，其特征在于：所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机通过联轴器(7)与小齿轮(5)联结为一体，小齿轮(5)与大齿轮/飞轮(4)啮合，大齿轮/飞轮(4)连接曲轴(9)。

8、根据权利要求6所述的数控方法的数控机械压力机，其特征在于：所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机通过联轴器(7)连接曲轴(9)。

9、根据权利要求6所述的数控方法的数控机械压力机，其特征在于：所述的数据采集卡分别连接传感器、按钮板、制动器和工控微计算机。

10、根据权利要求6或7所述的数控方法的数控机械压力机，其特征在于：所述的开关磁阻调速电动机(6)安装在机身(12)上，输出轴通过联轴器(7)与小齿轮(5)联结为一体，小齿轮(5)与大齿轮/飞轮(4)啮合传动，大齿轮/飞轮(4)连接曲轴(9)，制动器(8)安装在曲轴(9)上，曲轴(9)通过轴承安装在机身(12)上，曲轴(9)的曲柄颈上安装连杆(10)，连杆(10)与滑块(11)相联结，机身(12)内以中心轴对称安装有导轨(18)，滑块(11)与导轨(18)滑动配合，测力传感器(16)安装在工作台(17)内，红外线热电传感器(14)安装在工作危险区的机身(12)上。

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