CN205270684U - 冷镦机传动系统用电子凸轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冷镦机传动系统用电子凸轮，滑块通过曲轴与伺服电机连接；伺服电机的主轴上设有用于采集曲轴旋转角度的旋转编码器；旋转编码器与控制器信号连接，控制器通过伺服驱动器与伺服电机和用于零件加工的执行单元连接。工作时，用户通过人机交互界面输入待加工零件的加工曲线和零件相关参数，控制器计算滑块加减速曲线，输出控制脉冲至伺服电机，伺服电机通过曲轴控制滑块运行；旋转编码器采集曲轴旋转角度并传送至控制器，控制器根据曲轴旋转角度计算滑块运行速度及位移，并根据待加工零件的相关参数输出控制信号，控制执行单元动作。本实用新型能够提高滑块控制精度，减少噪声，节省能源。

Description

冷镦机传动系统用电子凸轮

技术领域

本实用新型涉及一种冷镦机传动系统用电子凸轮，属于冷镦机技术领域。

背景技术

随着能源的过度开发与消耗，冷镦工艺以其高精、高效、低耗的显著优点在生产紧固件、异形件、汽车零件等行业得到了越来越广泛的应用。冷镦机是应用冷镦工艺加工各类紧固件的工作母机，具有高精度、高效率、低消耗、少无切削的显著优点。

冷镦机在工作的一个周期中包括滑块快速下冲、加工段、快速返回三个阶段，不同型号的线材的成形速度是不一样的，过快过慢的加工段速度都会造成冷镦产品的缺陷。而目前市面上的冷镦机的主传动系统大多采用主马达带动皮带轮、飞轮离合器完成冷镦动作。这种冷镦机难以控制滑块的运动特性，滑块的运动曲线不平滑，容易产生速度突变、噪声大，难以精准获取主轴的实时运动数据，并且当更换不同线材时需要重新设计并安装机械凸轮，难以满足复杂以及高精度零件的成形要求；飞轮空转和离合器的无用功耗能较高，能源浪费严重。

冷镦机由主传动机构，送料机构，切料机构，顶出机构组成，目前市面上的冷镦机大多由主传动机构作为动力源，通过凸轮、传动连杆来带动送料机构，切料机构，顶出机构工作，这种冷镦机的送料机构，顶出机构，切料机构响应性差，速度慢，精度差。且机械部件长期处于动作状态，磨损严重，故障率高，在冷镦机高速运转后，每当机械凸轮转过一定角度，需要控制多个机械结构按照动作规律完成相应动作，显然仅靠机械凸轮与传动连杆配合是无法实现的，电子凸轮能满足以上所有要求。

实用新型内容

本实用新型专利的目的在于克服冷镦机中现有机械凸轮无法调节滑块速度，控制精度不高、机械磨损严重、使用寿命短，严重资源浪费的问题，提供一种可以取代机械凸轮的冷镦机用可编程滑块控制系统。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：冷镦机传动系统用电子凸轮，包括滑块、控制器、曲轴和用于驱动曲轴的伺服电机，所述滑块通过曲轴与伺服电机连接；所述伺服电机的主轴上设有用于采集曲轴旋转角度的旋转编码器；所述旋转编码器与控制器信号连接，所述控制器通过伺服驱动器与伺服电机和用于零件加工的执行单元连接，控制器上还连接有人机交互界面和存储单元。

所述执行单元包括送料电动机、用于控制液压夹钳的气缸和用于开关控制的电磁阀。

所述人机交互界面为触摸屏。

与现有技术相比，本实用新型专利所达到的有益效果是：通过控制器根据用户输入零件参数计算滑块运动速度及位移，通过旋转编码器进行曲轴旋转角度采集，通过曲轴控制滑块运行；相对于机械凸轮具有较高的运行速度和控制精度，能够有效减少故障发生率，提高生产效率；可通过人机交互界面进行加工曲线和参数设置，能够实现滑块速度的柔性加减速控制，适用于不同的零件加工，显著降低冷镦机的使用成本。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是冷镦机的曲轴滑块机构运动分析简图。

图3是曲轴滑块机构动力学示意图。

图4是旋转编码器的工作原理图。

图5是冷镦机送料系统的结构示意图。

图6是冷镦机运行时序图。

图中：8、送料电动机；9、坯料；10、移动台板；11、移动液压夹钳；12、固定台板；13、固定液压夹钳；14、滚动导轨；15、滚珠丝杠。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，冷镦机传动系统用电子凸轮，包括滑块、控制器、曲轴、伺服电机。伺服电机的主轴与曲轴连接，用于驱动曲轴旋转。滑块通过曲轴与伺服电机连接，伺服电机的主轴上设有用于采集曲轴旋转角度的旋转编码器。旋转编码器与控制器信号连接，控制器通过伺服驱动器与伺服电机和用于零件加工的执行单元连接，控制器上还连接有人机交互界面和存储单元。执行单元主要包括：送料电动机8、用于控制液压夹钳的气缸和用于开关控制的电磁阀。人机交互界面优选触摸屏。

本实用新型提供的冷镦机传动系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：用户通过人机交互界面输入待加工零件的加工曲线和零件相关参数。

步骤2：控制器计算滑块加减速曲线。

在现代运动控制中，常用的加减速算法有三种，即梯形曲线，指数曲线，S曲线。其中S曲线是比较理想的加减速曲线算法。将传统的S曲线的七阶段简化为五阶段及加加速、减加速、匀速、加减速、减减速。这样能满足加速度连续，速度和时间关系一阶连续、位移与时间二阶连续，满足了柔性加减速的要求。利用加速度、速度和位移加加速度的积分关系，其中加加速、减加速、加加速、减减速时间相等为T_m，T₃为匀速运动时间，J为加加速度，V₀为初始速度，V_max为最大速度，可以依次推导出加速度a、速度v、位移s的计算表达式分别为：

$a\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}Jt& t\∈\[0,T_m\]\\ 2{\mathrm{JT}}_m-Jt& t\∈\[T_m,2T_m\]\\ 0& t\∈\[2T_m,2T_m+T_3\]\\ 2{\mathrm{JT}}_m-J(t-T_3)& t\∈\[2T_m+T_3{\mathrm{\βT}}_m+T_3\]\\ -4{\mathrm{JT}}_m+J(t-T_3)& t\∈\[2T_m+T_{3m},3T+T_3\]\end{array}\right.$

$v\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{v}_0+\frac{1}{2}{\mathrm{Jt}}^2& t\∈\[0,T_m\]\\ v_0-{{\mathrm{JT}}_m}^2+2{\mathrm{JT}}_m-\frac{1}{2}{\mathrm{Jt}}^2& t\∈\[T_m,2T_m\]\\ v_{max}& t\∈\[2T_m,2T_m+T_3\]\\ v_0-{{\mathrm{JT}}_m}^2+2{\mathrm{JT}}_m(t-T_3)-\frac{1}{2}J{(t-T_3)}^2& t\∈\[T_m,2T_m\]\\ v_0+8{{\mathrm{JT}}_m}^2-4{\mathrm{JT}}_m(t-T_3)+\frac{1}{2}J{(t-T_3)}^2& t\∈\[T_m,2T_m\]\end{array}\right.$

$s\left(t\right)\left\{\begin{array}{cc}{v}_{0}t+\frac{1}{6}{\mathrm{Jt}}^3& t\∈\[0,T_m\]\\ v_{0}t-\frac{1}{3}{{\mathrm{JT}}_m}^3-{{\mathrm{JT}}_m}^{2}t+{\mathrm{JT}}_m{t}^2-\frac{1}{6}{\mathrm{Jt}}^3& t\∈\[T_m,2T_m\]\\ 2v_0{T}_m+{{\mathrm{JT}}_m}^3-2v_{\max }{T}_m+v_{\max }t& t\∈\[T_m,2T_m\]\\ v_{nax}{T}_3-v_0{T}_3+\frac{1}{3}{{\mathrm{JT}}_m}^3+\left(v_0-{{\mathrm{JT}}_m}^2\right)t+{\mathrm{JT}}_m{\left(t-T_3\right)}^2-\frac{1}{6}J{\left(t-T_3\right)}^3+{{\mathrm{JT}}_m}^2{T}_3& t\∈\[2T_m+T_3,3T_m+T_3\]\\ v_{\max }{T}_3-v_0{T}_3-\frac{26}{2}{{\mathrm{JT}}_m}^3+\left(v_0+8{{\mathrm{JT}}_m}^2\right)t-2{\mathrm{JT}}_m{\left(t-T_3\right)}^2+\frac{1}{6}J{\left(t-T_3\right)}^3-8{{\mathrm{JT}}_m}^2{T}_3& t\∈3\[2T_m+T_3,4T_m+T_3\]\end{array}\right.$

如图2所示，是冷镦机曲轴滑块结构运动分析简图，曲轴长为R，连杆长为L，转过角度为θ，根据数学几何关系可以推出：

(1)已知曲轴的运动规律，求出滑块的运动特性：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_A=Rsin\mathrm{\θ}\\ Y_A=R\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

则 $Y_B=\sqrt{L^2+{X_A}^2}+Y_A=\sqrt{L^2+R^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}-Rcos,$ 其中 $s\left(t\right)=Y_B=\sqrt{L^2-R^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}-Rcos\mathrm{\θ}$ 对s(t)中t进行求导得：

(2)已知滑块运动特性，求曲轴运动规律：

根据工艺要求得出的滑块在各个位移处对应的速度，加速度要求，求解出角位移，加速度，角加速度。

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-\arccos \frac{R^2+{Y_B}^2-L^2}{2{\mathrm{RY}}_B}$

根据图3中的受力分析，可得曲轴上的负载转矩T为：

T＝F_MN·OA

其中，考虑β较小；

$F_{MN}=\frac{F_P+ma}{cos\mathrm{\β}}\≈F_p+ma$

$OA=R\·sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\≈Rsin(\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\λ}}{2}sin2\mathrm{\α})$

在润滑条件良好的状态下，忽略摩擦转矩，则伺服电动机需要提供的扭矩为：

T＝(F_p+ma)R(sinα+0.5λsin2α)

式中，F_p为冷镦力(N)。

根据以上滑块和曲轴的运动学关系，根据用户是对曲轴的运动特性或滑块的运动特性输入的参数，计算得出T_m，T₃的值：

$T_3=\frac{L-2(V_{max}+V_0)\sqrt{\frac{V_{max}-V_0}{J}}}{V_{max}}$

$T_m=\sqrt{\frac{V_{max}-V_0}{J}}$

并且通过求解来得到满足运动规律的角位移，角速度与时间的关系以及冷镦力。开始运行冷镦机，旋转编码器将采集到的主轴角度信号输入给控制器，控制器通过以下步骤得到主滑块的位置数据以及当前转速。

(1)如图4所示旋转编码器在A、B两点有两个光敏接受管，角度码盘的光栅间距为S0，光栅宽S1，且S0、S1与光敏接受管的间距相等，当A或者B光敏接受管对准S1时，A相或B相输出为高电平，当A或者B光敏接受管对准S0时，A相或B相输出为低电平，则在旋转编码器做顺时针运动时，每个运行周期的AB输出波形时序为：11-01-00-10,每检测到顺时针旋转一个分度在存储器的相应数据单元加1；在旋转编码器做逆时针运动时，每个运行周期的AB输出波形时序为：11-10-00-01，每检测到逆时针旋转一个分度在存储器的相应数据单元减1。

(2)通过主轴在一定时间内转过的角度，以及主轴旋转一圈滑块移动的位移可以计算出主滑块的当前位置数据。

(3)根据所选旋转编码器分辨率m和单位时间t内的角度变化量n可以算出当前转速。

控制器得到滑块的位置信息后根据事先用户设定好的程序给出相对应的输出信号来控制相应的元件动作，如移动液压夹钳11、固定液压夹钳13等，如图5所示，是冷镦机送料系统的结构示意图，包括送料电动机8、滚动导轨14、移动液压夹钳11、固定液压夹钳13以及连接在送料电动机8输出轴上的滚珠丝杠15，移动液压夹钳11固定于移动台板10上，滚到导轨贯穿移动台板10，与滚珠丝杠15相平行设置，固定液压夹钳13固定于固定台板12上，移动液压夹钳11、固定液压夹钳13用于夹持坯料9进行零件加工。如图6所示，是冷镦机运行时序图，通过不同模块的配合运作生产出零件。

步骤3：控制器输出控制脉冲至伺服电机，伺服电机通过曲轴控制滑块运行；

步骤4：旋转编码器采集曲轴旋转角度并传送至控制器。

步骤5：控制器根据曲轴旋转角度计算滑块运行速度及位移，并根据待加工零件的相关参数输出控制信号，控制执行单元动作，相关参数包括：零件型号，质量，所需工序数。

以上所述仅是本实用新型专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.冷镦机传动系统用电子凸轮，其特征在于，包括滑块、控制器、曲轴和用于驱动曲轴的伺服电机，所述滑块通过曲轴与伺服电机连接；所述伺服电机的主轴上设有用于采集曲轴旋转角度的旋转编码器；所述旋转编码器与控制器信号连接，所述控制器通过伺服驱动器与伺服电机和用于零件加工的执行单元连接，控制器上还连接有人机交互界面和存储单元。

2.根据权利要求1所述的冷镦机传动系统用电子凸轮，其特征在于，所述执行单元包括送料电动机、用于控制液压夹钳的气缸和用于开关控制的电磁阀。

3.根据权利要求1所述的冷镦机传动系统用电子凸轮，其特征在于，所述人机交互界面为触摸屏。