CN210358661U - 三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，包括机架、上下对置可沿机架上下运动的上滑块和下滑块以及分别与上、下滑块固连用于配合折弯的上模和下模，所述上滑块上连接有用于驱动上滑块运动的上驱动机构，所述下滑块上左右对称连接有两个用于驱动下滑块运动的下驱动机构；所述上滑块和机架的相对应位置上设有用于相互配合导向上滑块上下运动的上导向组件，下滑块和机架的相对应位置上设有用于相互配合导向下滑块上下运动的下导向组件。本实用新型三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机适合大吨位工况，且具有重载、高精度、低能耗、驱动电机功率小、功率利用率高、速度快和制造成本低等优点。

Description

三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机

技术领域

本实用新型涉及板材折弯机，尤其涉及一种三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机。

背景技术

数控折弯机是金属板材加工领域最重要、最基础的设备，节能、环保、高速、高精、数字化和智能化是未来的发展趋势。数控折弯机的驱动方式有液压驱动和机械电伺服驱动，目前主要以液压驱动方式为主，但机械电伺服是未来的发展趋势。

液压驱动的优点是大吨位，易于实现大幅面、厚板的折弯加工；液压驱动的缺点有以下几个：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，液压泵部件的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。

机械电伺服可解决上述液压驱动方式的不足，但由于机械电伺服驱动方式存在技术瓶颈，目前仅仅在小吨位领域应用较多，一般不超过50吨。而目前小吨位的机械全电伺服折弯的驱动方式如图1和图2所示，大多采用重载滚珠丝杠驱动方式，主要有伺服电机a、同步带传动b、滚珠丝杠传动c、滑块d、工作台e等部分组成。其中伺服电机固定于机架上，滚珠丝杠与机架铰接，滑块与机架滑动连接且可沿机架上下方向滑动，工作台固定于机架上。同步带传动由小带轮、同步带、大带轮三个部分组成，起减速、传动的作用。滑块通过滚珠丝杠传动副进行驱动，伺服电机通过同步带带动丝杠旋转，滑块在滚珠丝杠传动副的驱动下实现上下运动。滑块d相对于工作台e上下运动，上模f安装于滑块上，下模g安装于工作台上，即可实现板材h的折弯加工。滑块采用左右两个丝杠对称驱动，一方面载荷大，刚度高，另一方面当上、下模之间出现平行度误差时，可以通过左右两个电机的反向转动实现平行度微调。

上述采用滚珠丝杠驱动的机械全电伺服折弯机，优点为结构简单、机械传动效率高、速度快、精度高、同时有效克服了液压传动的诸多问题；缺点有以下几点：1、成本高，高精度、重载滚珠丝杠基本依赖于进口，价格昂贵；2、对机床的加工制造精度高；3、仅适合小吨位折弯机；4、功率利用率低，所需驱动电机功率大，成本高；5、丝杠易磨损，损坏。

其中功率利用率，伺服电机在实际使用过程中所消耗的功率由负载决定，可以将实际使用过程中消耗的功率与电机所能达到的最大功率指标(或者额定功率)之间的比值作为功率利用率。一般情况下，折弯机进行板材折弯过程中，先后经历三个动作阶段：1、快下阶段，滑块从上死点向下运动，直至上模接触到板材，此阶段速度很快，负载很小；一般速度在150mm/s～200mm/s的范围内，负载基本就是克服滑块的重力，滑块重力一般不超过折弯机公称折弯力的1/50，因此负载很小；该阶段是典型的高速、低负载；2、工进阶段，折弯机折弯板材，是典型的低速、大负载阶段，速度大约在20mm/s左右，约为快下速度的1/10；3、返程阶段，板材折弯完成后，滑块向上运行，回至上死点，其速度和载荷与快下阶段相同，高速、低负载。

由上述可知，折弯机的工况是典型的变速、变载荷工况。由于滚珠丝杠传动的传动比固定，在快下阶段伺服电机达到了最高转速n_max，但是峰值扭矩M_max远未达到，根据经验数据，一般仅为峰值扭矩的1/50，可以直接将负载等同于电机的输出扭矩，那么相当于快下阶段电机所需要消耗的功率为：

而在工进阶段，电机达到了峰值扭矩M_max，但是根据经验数据此时电机的转速仅为最高转速n_max的1/10，主要是考虑安全因素，折弯机的工进速度通常较低，此阶段电机所需的功率：

上述可知，驱动系统既要在快下和回程阶段满足最高转速要求，而同时在工进阶段需要满足峰值扭矩的要求；那么在传动比固定的前提下，峰值功率：P_max＝n_max×M_max。既所需的驱动电机功率很大，即便在实际使用过程中，电机并未用到最高的峰值功率，造成电机的功率并未被完全应用，即功率利用率低。以目前市场上常见的35吨机械电伺服折弯机为例，其快下速度和返程速度一般为200mm/s，公称折弯力为350kN，为同时满足最高速度和最大折弯力的要求，通常需要采用2个7.5kW伺服电机，目前市场的常规配置，而实际工作过程中，两个伺服电机实际消耗的功率大致在1kw～2kW左右，功率的利用率很低。

因此，亟待解决上述问题。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种适合大吨位、且具有重载、高精度、低能耗、驱动电机功率小、功率利用率高、速度快和制造成本低等优点，同时利用连杆机构的非线性运动特性和特定位置的自锁特性的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机。

技术方案：为实现以上目的，本实用新型公开了一种三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，包括机架、上下对置可沿机架上下运动的上滑块和下滑块以及分别与上、下滑块固连用于配合折弯的上模和下模，所述上滑块上连接有用于驱动上滑块运动的上驱动机构，所述下滑块上左右对称连接有两个用于驱动下滑块运动的下驱动机构；所述上滑块和机架的相对应位置上设有用于相互配合导向上滑块上下运动的上导向组件，下滑块和机架的相对应位置上设有用于相互配合导向下滑块上下运动的下导向组件。

其中，所述上驱动机构包括位于机架上的上动力组件、由上动力组件驱动的2个对称设置的上曲柄，以及与每一上曲柄转动副连接的上连杆，且上连杆与上滑块相铰接；上动力组件输出动力驱动上曲柄转动，通过上连杆带动上滑块上下运动；所述下驱动机构包括位于机架上的下动力组件、由下动力组件驱动的下曲柄，以及与下曲柄转动副连接的下连杆，且下连杆与下滑块相铰接；下动力组件输出动力驱动下曲柄转动，通过下连杆带动下滑块上下运动。

优选的，所述上动力组件包括位于机架上的上驱动电机、与上驱动电机输出轴通过带传动连接的上同步轴、分别位于上同步轴两轴端的同步轴齿轮以及与每一同步轴齿轮相啮合的曲柄齿轮，该曲柄齿轮与上曲柄同轴设置，且可带动上曲柄转动。

再者，所述下动力组件包括位于机架上的下驱动电机以及与下驱动电机输出轴通过带传动连接的下驱动轴，该下驱动轴与下曲柄同轴设置，且可带动下曲柄转动。

进一步，所述上连杆和/或下连杆为长度可调节的连杆结构，该连杆结构包括支座、位于支座内且两轴端与支座相铰接的蜗杆、位于支座内与蜗杆相啮合的蜗轮以及通过螺纹连接穿设在蜗轮上的上螺杆和下螺杆，且上、下螺杆均穿出支座；蜗杆的一轴端连接有电机，电机启动，驱动蜗轮蜗杆传动，从而带动上螺杆和下螺杆沿蜗轮上下移动实现长度可调。

优选的，所述蜗轮内设有与上螺杆相配合的上螺纹和与下螺杆相配合的下螺纹，上螺纹与下螺纹的螺纹螺距不等。

再者，所述上螺杆和下螺杆的外柱面设有两个相互对称的平面，在支座的相应位置开设有与上、下螺杆相适配构成移动副的通孔。

进一步，所述上曲柄的长度大于下曲柄的长度，上驱动机构带动上滑块实现高速、轻载、非工作行程运动，下驱动机构带动下滑块实现低速、重载、工进行程运动。

优选的，所述上曲柄的长度小于下曲柄的长度，上驱动机构带动上滑块实现低速、重载、工进行程运动，下驱动机构带动下滑块实现高速、轻载、非工作行程运动。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)、本实用新型充分利用连杆机构的非线性运动特性和特定位置的自锁特性，根据数控折弯机的实际工况特点，采用两个独立的驱动机构实现折弯机的快下、工进和返程动作；其中用快速、低负载、大行程的驱动机构实现快下和回程动作；采用慢速、小行程、重负载的驱动机构实现工进折弯，有效提高了性能，降低成本，实现高速重载，对推动数控折弯机由传统的液压驱动方式向机械电伺服驱动方式发展具有重要意义；

(2)、本实用新型中因连杆机构的非线性运动特性，在驱动电机匀速转动情况下，连杆机构在其上、下死点位置的速度较低，而在中间位置速度较高、动作平缓、无冲击，安全性高；

(3)、本实用新型中采用快速大行程驱动机构实现快下和返程动作，采用慢速小行程且兼具更大增力效果的驱动机构实现工进动作，上下两个驱动机构，配合动作，可大幅提升伺服电机的功率利用率，从而实现重载大吨位折弯机，克服行业内的技术瓶颈；

(4)、本实用新型因大幅提升伺服电机的功率利用率，同吨位的折弯机可采用更小的驱动电机，无需价格昂贵的重载、高精滚珠丝杠，改用普通的曲柄和连杆等零件，有效地降低了制作成本，且免维护、可靠性高；

(5)、本实用新型可根据不同的工艺需求，分别驱动上驱动机构和下驱动机构，两者配合动作，实现多种加工模式，组合灵活；

(6)、本实用新型的上连杆和/或下连杆可设置为长度可调节的连杆结构，当更换不同模具时，可通过调整连杆长度实现调整上、下滑块的间距，适应范围大且调整精度高；

(7)、本实用新型中利用2个左右对称设置的下驱动电机异步运行可调节上模和下模的平行度偏差，使下滑块左右侧不平行，可实现带锥度的折弯。

附图说明

图1为现有技术中折弯机的结构示意图；

图2为现有技术中板材折弯示意图；

图3为本实用新型的原理示意图；

图4为本实用新型的结构示意图一；

图5为本实用新型中去掉机架状态下的结构示意图；

图6为本实用新型的结构示意图二；

图7为本实用新型中局部剖视图；

图8为本实用新型中连杆结构的结构示意图；

图9为本实用新型连杆结构中蜗轮蜗杆的连接示意图；

图10为本实用新型连杆结构中蜗轮、上螺杆和下螺杆的连接示意图；

图11为本实用新型连杆结构中上螺杆和下螺杆的端面示意图；

图12(a)～12(c)为本实用新型实施例1中快下阶段的运动示意图；

图13(a)～13(b)为本实用新型实施例1中工进阶段的运动示意图；

图14为本实用新型中连杆机构的非线性运动特性示意图；

图15为本实用新型中连杆机构的折弯载荷的计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图3、图4和图5所示，本实用新型一种三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，包括机架1、上滑块2、下滑块3、上模4和下模5。上滑块2和下滑块3上下对置设置，可沿机架上下运动，上滑块2上左右对称设置有用于导向滑动的上导向槽24，机架上相对应位置设有插入上导向槽24可沿上导向槽24上下滑动的上导向块25，上导向槽24和下导向块25构成上导向组件；下滑块3上左右对称设置有用于导向滑动的下导向槽26，机架上相对应位置设有插入下导向槽26可沿下导向槽26上下滑动的下导向块27，下导向槽26和下导向块27构成下导向组件。上模4和下模5相互配合实现折弯，其中上模4固定在上滑块2上，可随着上滑块2沿机架上下运动，下模5固定在下滑块3上，可沿着下滑块3沿机架上下运动。

上滑块2上连接有用于驱动上滑块运动的上驱动机构，上驱动机构包括上动力组件、上曲柄6和上连杆7，2个上曲柄6左右对称设置，由同一个上动力组件驱动，每一上曲柄6上转动副连接有一上连杆7，上连杆7与上滑块相铰接。如图6所示，其中上动力组件包括位于机架上的上驱动电机10、与上驱动电机输出轴通过带传动连接的上同步轴11、分别位于上同步轴两轴端的同步轴齿轮12以及与每一同步轴齿轮相啮合的曲柄齿轮13，该曲柄齿轮13与上曲柄6同轴设置，且可带动上曲柄6转动。带传动包括与上驱动电机输出轴相连接的主动轮、设于上同步轴11上的从动轮以及绕设在主动轮和从动轮上实现传动的同步带。上同步轴11的两轴端与机架相铰接，其可沿轴线转动。曲柄齿轮13的中心轴穿设在上曲柄6上，并与机架相铰接。上驱动电机10启动，通过带传动驱动上同步轴11转动，同时带动左右两侧的同步轴齿轮12转动，同步轴齿轮12与曲柄齿轮13齿轮啮合传动，带动同轴设置的上曲柄6转动，通过上连杆7带动上滑块2沿着机架上下运动。

下滑块3上左右对称连接有两个用于驱动下滑块运动的下驱动机构，下驱动机构包括下动力组件、下曲柄8和下连杆9，下曲柄8由下动力组件驱动，下曲柄8上转动副连接有下连杆9，下连杆9与下滑块相铰接。如图7所示，其中下动力组件包括位于机架上的下驱动电机14以及与下驱动电机输出轴通过带传动连接的下驱动轴15，该下驱动轴15与下曲柄8同轴设置，且可带动下曲柄8转动。带传动包括与下驱动电机输出轴相连接的主动轮、设于下驱动轴15上的从动轮以及绕设在主动轮和从动轮上实现传动的同步带。下驱动轴15穿设在下曲柄8上，且与机架相铰接。下驱动电机14启动，通过带传动驱动下驱动轴15转动，同时带动同轴设置的下曲柄8转动，通过下连杆9带动下滑块3沿机架上下运动。本实用新型中可利用2个左右对称设置的下驱动电机异步运行可调节上模和下模的平行度偏差，使下滑块左右侧不平行，可实现带锥度的折弯。

本实用新型的上连杆7和下连杆9可均为长度可调节的连杆结构，或者上连杆7或下连杆9为长度可调节的连杆结构，如图8、图9和图10所示，该连杆结构包括支座16、蜗杆17、蜗轮18、上螺杆19、下螺杆20和电机21。电机21与蜗杆17的一轴端固定连接，用于驱动蜗杆17旋转。蜗杆17位于支座16内、且两轴端与支座16相铰接，蜗轮18位于支座16内，与蜗杆相啮合构成蜗轮蜗杆传动副。蜗轮18内设有与上螺杆相配合的上螺纹和与下螺杆相配合的下螺纹，上螺纹与下螺纹的螺纹螺距不等。上螺杆19和下螺杆20通过螺纹连接穿设在蜗轮18上，且上、下螺杆均穿出支座16，伸出的上螺杆19和下螺杆20用于铰接其他零部件，上、下螺杆与支座构成移动副，上、下螺杆仅可上下方向直线运动，不能转动。电机21启动，驱动蜗轮蜗杆传动，从而带动上螺杆19和下螺杆20沿蜗轮上下移动实现连杆结构长度可调。上螺纹的螺距为P1，下螺纹的螺距为P2，蜗轮旋转一周，连杆结构可实现的长度调整量Δ＝P1-P2，有效提高了连杆的调整精度。如图11所示，上螺杆19和下螺杆20的外柱面设有两个相互对称的平面22，在支座的相应位置开设有与上、下螺杆相适配构成移动副的通孔23，该通孔23上与平面22相配合导向的面亦为平面，与螺纹面相配合的面可为螺纹面，亦可选用其他可具有导向作用的面。

本实用新型中上曲柄6的长度大于下曲柄8的长度，上曲柄6的长度为下曲柄8的长度的5～10倍。上驱动机构带动上滑块实现高速大行程运动，下驱动机构带动下滑块实现低速小行程运动。折弯机的工况是典型的变速、变载荷工况，其快下和返程阶段为高速、低负载大行程的运动阶段，工进阶段为低速、大负载小行程的运动阶段。因此本实用新型采用上驱动机构带动上滑块实现快下和返程阶段，下驱动机构带动下滑块实现工进阶段。如图12(a)所示，上滑块2位于上死点，即上曲柄6和上连杆7共线且重合，下滑块3位于下死点，即下曲柄8和下连杆9共线且重合。本实用新型的快下阶段如图12(b)所示，上驱动电机10启动，通过带传动驱动上同步轴11转动，同时带动左右两侧的同步轴齿轮12转动，同步轴齿轮12与曲柄齿轮13齿轮啮合传动，带动同轴设置的上曲柄6转动其转速为ω1，通过上连杆7带动上滑块2快速下行，达到图12(c)所示位置即快下阶段结束，此时上滑块2位于下死点，即上曲柄6和上连杆7共线，但两者不重合，此时上驱动机构处于自锁位置，即上驱动电机10仅需要提供很小的驱动扭矩，甚至不提供驱动扭矩，即可承受很大的折弯载荷。亦因为上曲柄6的长度大，可实现快下阶段的快速下行，行程大的效果。本实用新型充分利用了上滑块处于上死点和下死点两个位置时，机构处于自锁位置。如图14所示，另外，连杆机构典型的非线性运动特性，在快下动作开始和结束时，速度低，冲击小。如图13(a)所示，左右两侧的下驱动电机14通过带传动驱动下曲柄8旋转，两个下曲柄8的转速为ω2和ω3，进而驱动下滑块向上运动。当上、下模出现平行度偏差时，左右两侧的下驱动电机14反向或者同方向不同转速对平行度进行微调。如图13(b)所示，下滑块达到上死点，当待折弯板厚度不同，折弯角度不同时，工进结束也不一定位于上死点，也可位于其他点，折弯过程完成。因为下曲柄长度较小，因此具有较大的增力效果，且速度慢，满足工况要求，折弯载荷计算公式为M＝F×R×sin(α+β)，如图15所示，其中M为驱动扭矩，F为折弯载荷，R为曲柄长度，α为下曲柄与竖直方向的夹角，β为下连杆与竖直方向的夹角，由上述公式可知，当下曲柄长度越短，其增力效果越大。

本实用新型中可将快下阶段和工进阶段进行组合，实现不同的加工模式，依据工况不同采取不同的工作模式，达到轻载快速、重载慢速的效果，提升驱动电机功率利用率。

快速模式：仅采用快下阶段，即当进行薄板折弯时，由于负载小，下滑块位于上死点，仅通过上驱动机构驱动上滑块上下运动即可完成折弯加工，且速度快；

重载模式：先快下阶段后工进阶段，即先进行快下动作，上滑块达到下死点后，下滑块开始动作进行折弯；

混合模式：快下阶段和工进阶段同时动作

小开口折弯模式：上滑块停留在下死点，或仅仅向上动作微小距离，下滑块在小行程范围内直线运动进行折弯，该模式仅适合小尺寸、简单的零件进行折弯，效率高。

实施例2

实施例2的结构与实施例1的结构相同，区别之处在于：上曲柄6的长度小于下曲柄8的长度，上驱动机构带动上滑块实现低速小行程运动，下驱动机构带动下滑块实现高速大行程运动。折弯机的工况是典型的变速、变载荷工况，其快下和返程阶段为高速、低负载大行程的运动阶段，工进阶段为低速、大负载小行程的运动阶段。因此本实用新型采用下驱动机构带动下滑块实现快下和返程阶段，上驱动机构带动上滑块实现工进阶段。

Claims (9)

1.一种三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：包括机架(1)、上下对置可沿机架上下运动的上滑块(2)和下滑块(3)以及分别与上、下滑块固连用于配合折弯的上模(4)和下模(5)，所述上滑块(2)上连接有用于驱动上滑块运动的上驱动机构，所述下滑块(3)上左右对称连接有两个用于驱动下滑块运动的下驱动机构；所述上滑块(2)和机架(1)的相对应位置上设有用于相互配合导向上滑块上下运动的上导向组件，下滑块(3)和机架(1)的相对应位置上设有用于相互配合导向下滑块上下运动的下导向组件。

2.根据权利要求1所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述上驱动机构包括位于机架(1)上的上动力组件、由上动力组件驱动的2个对称设置的上曲柄(6)，以及与每一上曲柄(6)转动副连接的上连杆(7)，且上连杆(7)与上滑块(2)相铰接；上动力组件输出动力驱动上曲柄(6)转动，通过上连杆(7)带动上滑块(2)上下运动；所述下驱动机构包括位于机架(1)上的下动力组件、由下动力组件驱动的下曲柄(8)，以及与下曲柄(8)转动副连接的下连杆(9)，且下连杆(9)与下滑块(3)相铰接；下动力组件输出动力驱动下曲柄(8)转动，通过下连杆(9)带动下滑块(3)上下运动。

3.根据权利要求2所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述上动力组件包括位于机架上的上驱动电机(10)、与上驱动电机输出轴通过带传动连接的上同步轴(11)、分别位于上同步轴两轴端的同步轴齿轮(12)以及与每一同步轴齿轮相啮合的曲柄齿轮(13)，该曲柄齿轮(13)与上曲柄(6)同轴设置，且可带动上曲柄(6)转动。

4.根据权利要求2所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述下动力组件包括位于机架上的下驱动电机(14)以及与下驱动电机输出轴通过带传动连接的下驱动轴(15)，该下驱动轴(15)与下曲柄(8)同轴设置，且可带动下曲柄(8)转动。

5.根据权利要求2所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述上连杆(7)和/或下连杆(9)为长度可调节的连杆结构，该连杆结构包括支座(16)、位于支座内且两轴端与支座相铰接的蜗杆(17)、位于支座内与蜗杆相啮合的蜗轮(18)以及通过螺纹连接穿设在蜗轮上的上螺杆(19)和下螺杆(20)，且上、下螺杆均穿出支座；蜗杆的一轴端连接有电机(21)，电机(21)启动，驱动蜗轮蜗杆传动，从而带动上螺杆(19)和下螺杆(20)沿蜗轮上下移动实现长度可调。

6.根据权利要求5所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述蜗轮(18)内设有与上螺杆相配合的上螺纹和与下螺杆相配合的下螺纹，上螺纹与下螺纹的螺纹螺距不等。

7.根据权利要求5所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述上螺杆(19)和下螺杆(20)的外柱面设有两个相互对称的平面(22)，在支座的相应位置开设有与上、下螺杆相适配构成移动副的通孔(23)。

8.根据权利要求2所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述上曲柄(6)的长度大于下曲柄(8)的长度，上驱动机构带动上滑块实现高速、轻载、非工作行程运动，下驱动机构带动下滑块实现低速、重载、工进行程运动。

9.根据权利要求2所述的三自由度机械式全电伺服数控板料折弯机，其特征在于：所述上曲柄(6)的长度小于下曲柄(8)的长度，上驱动机构带动上滑块实现低速、重载、工进行程运动，下驱动机构带动下滑块实现高速、轻载、非工作行程运动。

Images