CN2900147Y - 数控螺旋压力机 - Google Patents

Abstract

数控螺旋压力机，属于材料成型设备领域，包括螺旋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螺旋压力机，电动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。与现有技术相比具有结构简单、可无级调速、滑块位移速度容易数控等优点。解决本领域长期以来难以解决的技术难题。

Description

数控螺旋压力机

技术领域

数控螺旋压力机，属于材料成型设备领域。

背景技术

电动螺旋压力机因不使用低效率的摩擦传动，具有最短的传动链和较高的效率，使得各国技术人员不断进行研究。德国Lasco公司和Weingarten公司生产了采用变频调速电机技术的电动螺旋压力机，日本Enomoto公司2001年也开发了交流伺服电机驱动的螺旋压力机。2004年7月14日中华人民共和国国家知识产权局授权的专利号为ZL03254142.2、名称为“电动螺旋压力机”的实用新型专利，它采用交流伺服电动机通过齿轮传动驱动螺旋压力机，因电动机控制系统成本高、控制电路复杂，易损，很难推广。上述的和现有的螺旋压力机存在的主要问题是螺杆的角位移和角速度即滑块的位移和速度不能实现数控。目前没有能够达到工业生产中实现滑块位移和速度数控的螺旋压力机。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种角位移、角速度能够实现数控，解决本领域长期以来难以解决的技术难题的数控螺旋压力机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该数控螺旋压力机，包括螺旋压力机和工控微计算机，设置开关磁阻调速电动机，通过传动机构连接螺旋压力机，电动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。通过设置开关磁阻调速电动机提供螺旋压力机动力，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螺旋压力机滑块的位移和速度的变化。

所述的工控微计算机连接数据采集卡、电动机控制器、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，电动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螺旋压力机，螺旋压力机与制动器、传感器相连。

所述的传动机构包括连轴器与飞轮传动、螺杆螺母、齿轮传动传动中的一种或两种的结合。

所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机通过联轴器与飞轮联结为一体，飞轮连接螺杆。

所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机通过联轴器与飞轮相联结，飞轮连接螺杆，螺杆与螺母螺旋副配合，螺母与楔块联结为一体，楔块的燕尾滑道与滑块的燕尾滑道滑动配合。

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。

所述的开关磁阻调速电动机安装在机身上，开关磁阻调速电动机输出轴通过联轴器与飞轮相联接，螺杆位于机身中心轴位置并通过止推轴承安装在机身上，螺杆上端与飞轮联接为一体，螺杆与螺母螺旋副配合，螺母与滑块联结为一体，机身内以中心轴对称安装有导轨，导轨与滑块滑动配合，测力传感器安装在工作台内，红外线热电传感器安装在操作危险区的机身上，制动器固定在机身上，其制动块抱在飞轮上。

与现有技术相比，数控螺旋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螺旋压力机动力，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螺旋压力机滑块的位移和速度的变化。数控螺旋压力机滑块行程次数可由用户根据需求自行输入设定，能够数控地实现无级调速。利用工控微计算机的记忆功能，准确记忆滑块向下单行程的螺杆角位移值，滑块向上回程时，有效防止滑块上冲。开关磁阻电动机通过飞轮驱动螺杆旋转，极大地简化螺旋压力机的构造。该螺旋压力机没有气动传动系统，没有离合器，也不需要设置过载保护装置，没有与滑块运动无关的间接能量消耗，极大地提高了螺旋压力机的工作效率，降低了用电消耗，节约能源。工控微计算机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。

附图说明

图1是本实用新型数控螺旋压力机实施例1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是本实用新型数控螺旋压力机实施例2的工作原理图。

图5是本实用新型数控螺旋压力机实施例3的工作原理图。

图6是本实用新型数控螺旋压力机实施例4的工作原理图。

图1-3是本实用新型数控螺旋压力机的最佳实施例，图1-6中：1(U1)开关磁阻调速电动机  2飞轮  3制动器  4轴承  5螺杆  6螺母  7滑块  8导轨  9工作台  10(T2)压力传感器  11脚踏按钮板  12(T1)红外线热电传感器  13机身  14手动按钮板  15(U2)电动机控制器  16(U5)键盘17(U4和U6)工控微计算机和显示屏  18联轴器  19小齿轮  20楔块  U3数据采集K卡  U5键盘  U7功率放大器  S1-S3开关  S4三刀开关  T3电流传感  KM1线圈1触点  Z1制动器。

具体实施方式

下面结合图1-6对本实用新型数控螺旋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1安装在机身13上，输出轴通过联轴器18与飞轮2相联接，螺杆5位于机身13中心轴位置并通过轴承4安装在机身13上，螺杆5上端与飞轮2联接为一体，螺杆5与螺母6以螺旋副配合，螺母6与滑块7联结为一体，机身13内以中心轴对称安装有导轨8，导轨8与滑块7滑动配合，测力传感器10安装在工作台9内，红外线热电传感器12安装在操作危险区的机身13上，制动器3固定在机身13上，其制动块抱在飞轮2上。

如图2所示，工控微计算机连接数据采集卡、电动机控制器、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，电动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螺旋压力机，螺旋压力机连接制动器和传感器。螺旋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，以达到工控微计算机数控螺旋压力机的目的。

如图3所示，开关磁阻调速电动机U1的A1、A2、B1、B2、C1、C2端连接电动机控制器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动机控制器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AI0、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。

开关磁阻电动机U1为SRM系列，电动机控制器U2为SRD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。还可设置紧急制动踏板或按钮。工控微计算机U4为IPC610-P4 2.0/256M/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。当电动机控制器的显示屏和键盘改为通用显示屏和键盘时，数据采集系统与电动机控制器可集成在一箱体内，即把数据采集卡、显示屏、键盘、工控微计算机和电动机控制器集成为一箱体。显示屏也可以采用触摸显示屏，将键盘集成为一体。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，本实用新型数控螺旋压力机，开关磁阻调速电动机1安装在机身13上，开关磁阻调速电动机1输出轴通过联轴器18与小齿轮19相联接，小齿轮19与飞轮2相啮合，螺杆5上端与飞轮2联接为一体，螺杆5与螺母6以螺旋副配合，螺母6与滑块7联结为一体，机身13内以中心轴对称安装有导轨8，导轨8与滑块7滑动配合，测力传感器10安装在工作台9内，红外线热电传感器12安装在操作危险区的机身13上，制动器3固定在机身13上，其制动块抱在飞轮2的制动片上。

实施例3-4：

如图5-6所示，螺旋压力机的改变主要在传动机构上，例如图5中开关磁阻调速电动机1输出轴通过联轴器18与飞轮2相联结，螺杆5与飞轮2联接为一体，螺杆5通过止推轴承4安装在机身13上，螺杆5与螺母6以螺旋副配合，螺母6与楔块20联结为一体，楔块20与滑块7通过燕尾滑道滑动配合。机身13内安装有导轨8，导轨8与滑块7滑动配合，测力传感器10安装在工作台9内，红外线热电传感器12安装在操作危险区的机身13上，制动器3固定在机身13上，其制动块抱在飞轮2的制动片上。当螺杆5旋转时，螺母6沿螺杆5轴线斜线，与垂直线成一定角度移动。螺母6与楔块20联结为一体，使楔块20沿螺杆轴线移动，楔块20移动分解为沿水平方向的和沿垂直方向的直线移动，楔块的底面滑道与滑块7的顶面滑道滑动连接，滑块7在垂直的导轨内，楔块20的垂直方向的运动使滑块7沿导轨垂直运动。图6中在图5上增加小齿轮19与飞轮2啮合传动。

该数控螺旋压力机工作原理和工作过程如下：由于开关磁阻调速电动机中安装有角位移传感器，工控微计算机指令电动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。在工作开始之前，用户根据加工产品的材料、工艺和变形能量要求，通过键盘输入和设定滑块打击速度v₁、滑块行程S、滑块行程次数N的数值，工控微计算机按公式(1)-(9)计算出螺杆角位移各控制点所需要控制的参数如电机转角位移α₀、角速度ω₀、打击能量E，工控微计算机指令数控电机与螺杆的角位移、角速度以及起停和正反转、调速、寸动、单击、连击与制动功能，输出所需的运动与打击能量。公式：

$a=2\mathrm{\π}\frac{s}{h},s=\frac{h}{2\mathrm{\π}}a---\left(1\right)$

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{h}v,v=\frac{h}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

$E=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_1}^2+\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_1}^2---\left(3\right)$

$N=\frac{\mathrm{nh}}{2S},n=\frac{2S}{h}N---\left(4\right)$

n₀＝in α₀＝iα ω₀＝iω            (5)

$A=2\mathrm{\π}\frac{S}{h}---\left(6\right)$

α_i＝k_iA，i＝1，2，3，              (7)

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{\mathrm{\πn}}{30}{k}_i^{\′},i=\mathrm{2,3}---\left(8\right)$

α_0i＝iα_i，ω_0i＝iw_i，i＝1，2，3   (9)

式中α为螺杆角位移，ω为螺杆角速度，s为滑块位移，v为滑块速度，h为螺杆螺纹的导程，E为打击能量，J为飞轮、螺杆的转动惯量，m为滑块的质量，v₁为滑块打击速度，ω₁为打击时螺杆角速度，S为滑块行程，N为滑块行程次数，n为滑块往复一次螺杆计算转速，A为滑块单行程螺杆转角位移，i为传动比(当电动机轴与螺杆轴同轴时i＝1)，α₀电机转角位移，ω₀为电机角速度，n₀为滑块往复一次电机平均转速，α_i为螺杆转角位移控制点，螺杆正转滑块下行时，α₁＝k₁A，螺杆反转滑块上行时α₂＝k₂A，α₃＝k₃A，ω_i为螺杆控制点角位移为α_i时角速度，正转螺杆角位移α₁时螺杆角速度ω₁，反转螺杆角位移α₂时螺杆角速度ω₂，螺杆角位移α₃时螺杆角速度ω₃，k_i和k_i′为控制点系数，其中k₁＝0.9，k₂＝0.8-0.9，k₃＝0.95，k₂′＝0.4-0.5，k₃′＝0.01-0.001；α_0i为电机控制点转角位移，ω_0i为电机控制点角速度。

首先用户输入和设定滑块打击速度v₁、滑块行程S、滑块行程次数N的数值，在滑块往复一次的螺杆转角位移正转A和反转A上，设置三个螺杆转角位移控制点α₁，α₂，α₃，工控微计算机按公式(1)-(9)计算出角位移、角速度等各参数的值。初始滑块处于上止点螺杆正转角位移α＝0处，电机正转角位移α₀＝0，工作起动时，开关磁阻调速电动机正转起动，飞轮逐渐加速储能，滑块沿导轨向下运动，工控微计算机指令在螺杆角位移α₁使开关磁阻调速电动机的角速度ω₀达到由设定值v₁按公式 ${\mathrm{\ω}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{h}{v}_1$ ω₀₁＝iω₁的计算值ω₀₁，使滑块的运动速度达到打击速度设定值v₁，工控微计算机控制开关磁阻调速电动机在电机角位移α₀₁位置，关断电动机A、B、C相电流，滑块依靠飞轮的储能和惯性以打击速度v₁进行打击，螺旋压力机打击后，螺杆角速度和滑块速度为0时，螺杆反转角位移α＝0，电机反转角位移α₀＝0，工控微计算机控制开关磁阻调速电动机起动反转加速，螺杆转速达到由公式 $n=\frac{2S}{h}N$ 计算出的转速值，反转提升滑块到螺杆角位移α₂即电机反转角位移α₀₂位置后，工控微计算机指令使开关磁阻调速电动机减速至ω₀₂，在螺杆角位移α₃即电机反转角位移α₀₃位置，开关磁阻调速电动机转速ω₀₃近于1r/min，至上止点螺杆反转角位移α_A＝A即电机反转角位移α_0A位置时，工控微计算机指令开关磁阻调速电动机制动和制动器制动，滑块停止。

当按下或踩下单击按钮时，螺旋压力机滑块往复一次后，滑块达到上止点位置，螺杆反转角位移α＝α_A＝A即电机反转角位移α₀＝α_0A＝iA时，工控微计算机控制开关磁阻调速电动机制动，制动器制动，滑块停在上止点。

当按下或踩下连击按钮时，滑块7往复一次后，开关磁阻调速电动机在螺杆反转角位移A即电机反转角位移α₀＝α_0A＝iA使滑块达到上止点位置时，开关磁阻调速电动机1制动，制动器3不制动，工控微计算机17控制电动机正转实施第二次打击。

对于滑块行程次数N的设定值时，工控微计算机17按公式(4)、(5)计算出开关磁阻调速电动机1计算转速n₀值，计算出角位移各控制点的角速度ω_0i后发给电动机控制器。

对应于本实用新型中实施例3和实施例4，由于螺杆5的方向与滑块7的运动方向成一定角度，因此在计算滑块7的位移、速度等参数时应考虑到螺杆与螺母传动的参数在这个角度上的投影关系。

调模、试模时，先设定滑块打击速度v₁、滑块行程S、滑块行程次数N的数值，寸动按钮保持按下，工控微计算机17输出点动指令，滑块7以设定的速度运动；寸动按钮抬起时，点动指令停止输出，制动指令发出，开关磁阻调速电动机1和制动器3制动，滑块7停止。

当开关磁阻调速电动机正转和反转过的角位移为iA时，计数器增1。初始设定值可为0。

用户键盘输入设定滑块行程、打击速度和滑块行程次数的数值，工控微计算机由滑块行程、打击速度值和滑块行程次数计算出开关磁阻调速电动机转角位移控制点和在转角位移控制点时的角速度值，通过工控微计算机对开关磁阻调速电动机转速实施调速，以获得用户输入的滑块运动设定值，达到数控滑块行程、打击速度、打击能量和滑块行程次数的功能。

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，输入开关磁阻调速电动机U1的电流数值由显示屏U6显示。

当按下或踩下制动器按钮或踩下紧急制动踏板时，动作信号通过数据采集卡U3的开关量DI端口输入工控微计算机U4，工控微计算机U4发制动指令，制动器3制动飞轮2，电动机控制器U2制动开关磁阻调速电动机U1，使滑块7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，螺旋压力机滑块慢速退回运动。

红外线热电传感器T1设置在螺旋压力机危险区，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U4电信号，工控微计算机U4的报警提示灯亮，并发出报警声响，控微计算机U4发出制动指令，开关磁阻调速电动机1和制动器3制动，螺旋压力机自动制动，然后开关磁阻调速电动机反向慢速旋转，滑块7回退，有效保护操作者的安全。

测力传感器设置10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上，同时工控微计算机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，工控微计算机的报警提示灯亮，发出报警提示声响，工控微计算机发制动指令，开关磁阻调速电动机1和制动器3制动，螺旋压力机自动制动，然后开关磁阻调速电动机反向慢速旋转，滑块回退，卸载，有效保护设备与模具。

键盘上，特设按键有5个，分别是：(1)寸动装模、试模时，保持按下，滑块慢速移动；抬起，滑块停止。(2)单击单击时，每按一下，滑块往返一次。(3)连击按下后，滑块连续运动。(4)制动电机与制动器同时制动。(5)退回滑块缓速向上移动。其中单击、连击、制动与手动按钮和脚踏按钮连锁控制。键盘的F1键设定为连击，F3设定为单击，F4设定为寸动，F8设定为退回，F12键设定为制动(停止)。

显示屏下拉式菜单实时显示电动机电流的大小、转速、打击速度、打击能量、打击力、滑块行程、滑块行程次数、计数、报警提示九类信息，微机自动生成生产报表。

本实用新型可用于螺旋压力机类的各种机械设备如单螺杆、双螺杆和多螺杆结构，单滑块、双滑块和多滑块结构，立式、卧式和楔式结构；可用于金属材料成形(或成型)的螺旋压力机设备，也可用于非金属材料成形的螺旋压力机设备，如粉末压实、耐火材料制坯、陶瓷制坯类的螺旋压力机设备(如压砖机)。楔式螺旋压力机还可承受一定的偏心载荷，解决了螺旋压力机不能承受偏心载荷的问题。与模锻压力机相比，无下死点，不必调整模具高度，不会产生闷车现象；与电液混合传动的螺旋压力机相比，无液压驱动，不存在液压油泄漏污染环境和出现液压故障问题；与摩擦式螺旋压力机相比，无摩擦传动损耗和摩擦带易损现象。

Claims (7)

1、数控螺旋压力机，包括螺旋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螺旋压力机，电动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。

2、根据权利要求1所述的数控螺旋压力机，其特征在于：工控微计算机连接数据采集卡、电动机控制器、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，电动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螺旋压力机，螺旋压力机与制动器、传感器相连。

3、根据权利要求1所述的数控螺旋压力机，其特征在于：所述的传动机构包括连轴器与飞轮传动、螺杆螺母、齿轮传动传动中的一种或两种的结合。

4、根据权利要求3所述的数控螺旋压力机，其特征在于：所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机(1)通过联轴器(18)与飞轮(2)联结为一体，飞轮(2)连接螺杆(5)。

5、根据权利要求3所述的数控螺旋压力机，其特征在于：所述的传动机构是指开关磁阻调速电动机(1)通过联轴器(18)与飞轮(2)相联结，飞轮(2)连接螺杆(5)，螺杆(5)与螺母(6)螺旋副配合，螺母(6)与楔块(20)联结为一体，楔块(20)的燕尾滑道与滑块(7)的燕尾滑道滑动配合。

6、根据权利要求1所述的数控螺旋压力机，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。

7、根据权利要求1或4所述的数控螺旋压力机，其特征在于：所述的开关磁阻调速电动机(1)安装在机身(13)上，开关磁阻调速电动机(1)输出轴通过联轴器(18)与飞轮(2)相联接，螺杆(5)位于机身(13)中心轴位置并通过止推轴承(4)安装在机身(13)上，螺杆(5)上端与飞轮(2)联接为一体，螺杆(5)与螺母(6)螺旋副配合，螺母(6)与滑块(7)联结为一体，机身(13)内以中心轴对称安装有导轨(8)，导轨(8)与滑块(7)滑动配合，测力传感器(10)安装在工作台(9)内，红外线热电传感器(12)安装在操作危险区的机身(13)上，制动器(3)固定在机身(13)上，其制动块抱在飞轮(2)上。

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