回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)主傳動(dòng)方式合理性的探討

文/ 趙升噸，張超，張宗元，陳超，賈先·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

張貴成·廣東鍛壓機(jī)床廠(chǎng)有限公司

回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)主傳動(dòng)方式合理性的探討

文/ 趙升噸，張超，張宗元，陳超，賈先·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

張貴成·廣東鍛壓機(jī)床廠(chǎng)有限公司

回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)作為一種自動(dòng)化程度很高的金屬板材沖壓及成形加工設(shè)備，至今已有近五十年的歷史，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車(chē)、軍工、航空航天等眾多重要工業(yè)領(lǐng)域?；剞D(zhuǎn)頭壓力機(jī)主要由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、床身、送料機(jī)構(gòu)及模具庫(kù)等組成。主傳動(dòng)系統(tǒng)作為沖壓的動(dòng)力源，一直是數(shù)控沖床技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一，經(jīng)歷了機(jī)械式主傳動(dòng)方式、液壓式主傳動(dòng)方式以及伺服直驅(qū)式傳動(dòng)方式幾個(gè)階段。

傳統(tǒng)的機(jī)械式主傳動(dòng)方式和液壓式主傳動(dòng)方式在生產(chǎn)實(shí)際中暴露出了諸多的缺陷，限制了回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)整體的性能，已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)機(jī)床高速度、低耗能、低噪聲以及高效率的要求。近年來(lái)，伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沖壓的主傳動(dòng)形式以其無(wú)法比擬的優(yōu)越性進(jìn)入了人們的視野。

鑒于此，本文簡(jiǎn)要分析了回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用“飛輪+離合器與制動(dòng)器+齒輪減速+曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”的傳統(tǒng)傳動(dòng)方式與工作機(jī)構(gòu)存在的不足。同時(shí)，分別論述了機(jī)械肘桿式工作機(jī)構(gòu)、液壓伺服傳動(dòng)方式、伺服直驅(qū)傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)論表明，伺服直驅(qū)方式是今后回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)主傳動(dòng)的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)曲柄滑塊式傳動(dòng)方式

圖1 傳統(tǒng)曲柄滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

最初的回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)是機(jī)械式主傳動(dòng)系統(tǒng)，由電機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，并存儲(chǔ)一定的能量，連桿連接曲柄和滑塊，將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由離合器與制動(dòng)器控制滑塊垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)行沖壓。圖1所示為傳統(tǒng)曲柄滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理圖。沖壓結(jié)束時(shí)，離合器在沖頭向上運(yùn)動(dòng)時(shí)脫開(kāi)，從而解除飛輪對(duì)曲軸的扭矩傳遞，同時(shí)制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)，使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)至上死點(diǎn)時(shí)停止。機(jī)械式主傳動(dòng)部件中，離合器與制動(dòng)器的性能很重要，直接影響到主傳動(dòng)部件的工作效率和使用壽命。表1和表2分別為國(guó)內(nèi)和國(guó)外廠(chǎng)商生產(chǎn)的曲柄式壓力機(jī)的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。

曲柄式壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品價(jià)格低，性能穩(wěn)定。但是機(jī)械式主傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，其運(yùn)動(dòng)特性單一，加工工藝范圍窄，沖壓頻率低，噪聲大。而且離合器與制動(dòng)器機(jī)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是摩擦片損耗快，污染性強(qiáng)，性能穩(wěn)定性差，需要經(jīng)常調(diào)整與維修，而且其飛輪和離合器、制動(dòng)器機(jī)構(gòu)的能量傳遞效率低，空載能耗高。

■表1 國(guó)內(nèi)曲柄式數(shù)控壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

■ 表2 國(guó)外曲柄式數(shù)控壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

肘桿式傳動(dòng)方式

肘桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種簡(jiǎn)單的多連桿機(jī)構(gòu)，與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相比，即在曲柄連桿上增加了幾個(gè)構(gòu)件，從而增加了機(jī)構(gòu)工作特性的可變因素。可以通過(guò)調(diào)整或改變?nèi)魏我粭U的長(zhǎng)度或曲柄和擺桿鉸銷(xiāo)之間的距離，改變?cè)摍C(jī)構(gòu)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)特性，具有工作特性?xún)?yōu)良、增力比大的優(yōu)點(diǎn)。圖2所示為幾種不同的肘桿式機(jī)構(gòu)的原理圖。

圖2 三種不同肘桿式機(jī)構(gòu)的原理圖

肘桿式壓力機(jī)的工作區(qū)域比普通曲柄連桿壓力機(jī)的工作區(qū)域長(zhǎng)，在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)負(fù)荷沖壓，并且能夠適應(yīng)不同加工工藝的需求。肘桿式壓力機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)很理想的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，以及較大的增力特性，更重要的是能夠大大降低伺服電機(jī)的輸出扭矩，從而避免大功率伺服電機(jī)存在的成本高、耗能高、伺服控制困難等問(wèn)題。根據(jù)肘桿結(jié)構(gòu)的不同，可分為等長(zhǎng)肘桿型和三角肘桿型。圖3所示為日本小松公司H1F系列伺服壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，是典型的三角肘桿機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)通過(guò)一級(jí)皮帶和一對(duì)齒輪減速后由肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)加工運(yùn)動(dòng)。

圖3 小松H1F伺服壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相比，在伺服壓力機(jī)設(shè)備中采用肘桿式機(jī)構(gòu)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

⑴根據(jù)不同的工藝要求，設(shè)計(jì)不同的桿長(zhǎng)和三角肘桿夾角，實(shí)現(xiàn)最理想的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，獲得足夠長(zhǎng)的工作區(qū)域，保證沖壓工件的質(zhì)量，并具有更好的急回特性，提高生產(chǎn)效率。

⑵可以降低滑塊在工作區(qū)域的速度，減小振動(dòng)和沖擊，使機(jī)器工作穩(wěn)定、噪聲降低，同時(shí)提高模具壽命。

⑶用較小的曲柄半徑就可獲得較大的滑塊行程，擴(kuò)大了壓力機(jī)的加工范圍，有利于減小壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和提高壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)剛性。

⑷具有較好的增力特性，能夠大大降低伺服電機(jī)的輸出扭矩，有利于減小伺服電機(jī)的容量，提高壓力機(jī)噸位。

液壓式傳動(dòng)方式

20世紀(jì)90年代以來(lái)，液壓式回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)主傳動(dòng)部件被越來(lái)越多地采用，至今仍然是數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)的主流配置，與機(jī)械式主傳動(dòng)相比，油缸取代了曲軸連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓站提供動(dòng)力，兩者由主液壓閥塊連接，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的電子卡程序化控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作。

采用液壓系統(tǒng)之后，其顯著的特點(diǎn)是：

⑴能控制滑塊的速度和位置，可以根據(jù)板料厚度、沖孔類(lèi)型以及送料速度和距離等因素，在程序中設(shè)定適當(dāng)?shù)纳纤傈c(diǎn)位置，盡量減少?zèng)_頭行程，并通過(guò)參數(shù)優(yōu)化消除送料與沖壓的間歇時(shí)間，從而提高沖壓頻率。傳統(tǒng)機(jī)械式壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律呈V形曲線(xiàn)，速度和位置是固定不變的，而液壓數(shù)控壓力機(jī)的滑塊可實(shí)現(xiàn)快速下行、慢速?zèng)_壓、快速回程且可在任意位置停滯。傳統(tǒng)數(shù)控壓力機(jī)只能在壓力角范圍內(nèi)承受額定工作載荷，且大小不能變化，而液壓數(shù)控壓力機(jī)的沖壓力大小可由液壓系統(tǒng)調(diào)定，是可以變化的。

⑵沖壓工藝得到進(jìn)一步擴(kuò)展。采用液壓傳動(dòng)的數(shù)控壓力機(jī)通用性強(qiáng)，適合于多種沖壓工藝，除了能沖孔外，還可以進(jìn)行壓印、彎曲和成形等工藝，同時(shí)還適于沖壓各種材料和不同的板厚。

⑶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲低。模具只需根據(jù)工藝本身的需要設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和選擇最佳的行程；同時(shí)，采用液壓傳動(dòng)可有效減小沖頭撞擊材料和材料斷裂所產(chǎn)生的噪聲。

此外，液壓數(shù)控壓力機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)相比，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：步?jīng)_頻率高，一般步?jīng)_頻率均高于400次/min，有的甚至高達(dá)1000次/min；液壓傳動(dòng)簡(jiǎn)單，不需飛輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、離合器和制動(dòng)器等復(fù)雜構(gòu)件，運(yùn)動(dòng)部件少，減少了機(jī)械磨損；可選擇通用化程度很高的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件構(gòu)成，降低制造成本，維護(hù)簡(jiǎn)單，大大降低維修成本；可以通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥，限制液壓系統(tǒng)的工作壓力從而起到安全保護(hù)作用，簡(jiǎn)單可靠。圖4所示為壓力機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖。

圖4 壓力機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

相比傳統(tǒng)機(jī)械式回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)，液壓式壓力機(jī)在擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著一系列的缺點(diǎn)。首先，液壓式壓力機(jī)對(duì)環(huán)境要求較高，溫度太高或太低都會(huì)影響液壓油的性能，從而影響機(jī)床的正常工作。特別是溫度太低的話(huà)，在工作前需要預(yù)熱。其次，液壓系統(tǒng)的耗電量大，是各類(lèi)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床里面用電量最大的，一般都在30kW以上。另外，由于每年要更換一次液壓油，這就增加了維修成本。在壓力機(jī)本身機(jī)構(gòu)之外，還需要液壓站等設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)液壓式壓力機(jī)占地面積都比較大。表3和表4分別為國(guó)內(nèi)和國(guó)外廠(chǎng)商生產(chǎn)研發(fā)的液壓式壓力機(jī)的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。

■ 表3 國(guó)內(nèi)液壓式數(shù)控壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

■ 表4 國(guó)外液壓式數(shù)控壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

伺服直驅(qū)式傳動(dòng)方式

近年來(lái)，隨著電機(jī)調(diào)速和伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以及直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)床技術(shù)當(dāng)中的廣泛應(yīng)用，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控伺服壓力機(jī)，具有沖壓速度高、節(jié)能、低噪聲、無(wú)液壓油、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)外著名廠(chǎng)商的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)，并相繼開(kāi)發(fā)出擁有各自專(zhuān)利技術(shù)的產(chǎn)品。而且由于伺服電機(jī)具有調(diào)速性能優(yōu)良，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)具有較高效率，可以在較小的電流下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)、高效率和高輸出的性能指標(biāo)。如日本Amada公司、Muratec公司、芬蘭Finn-Power公司、德國(guó)Trumpf公司均已推出由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床并且性能方面都已達(dá)到了一個(gè)新的高度。表5所示為國(guó)外伺服驅(qū)動(dòng)式壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。

■ 表5 國(guó)外伺服驅(qū)動(dòng)式壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

圖5 雙電機(jī)直驅(qū)式曲柄連桿主工作機(jī)構(gòu)

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的研究和發(fā)展，目前伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：一是在傳統(tǒng)機(jī)械式主傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，將伺服電機(jī)直接與曲軸相連，省去飛輪、離合器與制動(dòng)器；二是伺服電機(jī)通過(guò)絲杠傳動(dòng)副與曲柄肘桿機(jī)構(gòu)相連；三是單伺服電機(jī)滑枕驅(qū)動(dòng)方式，還有雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母結(jié)構(gòu)形式。

圖5為雙伺服電機(jī)直接與曲柄相連的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。將兩臺(tái)伺服電機(jī)分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運(yùn)轉(zhuǎn)，保證對(duì)曲軸有足夠的扭矩輸出，同時(shí)可以獲得很高的沖壓頻率。主軸的偏心部分位于軸的中部，此處與連桿通過(guò)滑動(dòng)軸承連接。偏心部分兩側(cè)為支撐用滾子軸承，滾子軸承分別布置于主機(jī)箱和電機(jī)機(jī)箱中。主軸兩側(cè)與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)鋁制花鍵套相連，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)非常緊湊。采用鋁制套有利于內(nèi)部磁場(chǎng)分布，也利于減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

直驅(qū)式是近年來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域不斷發(fā)展起來(lái)的一種新型伺服控制方式。由直驅(qū)式?jīng)_壓系統(tǒng)取代傳統(tǒng)曲柄滑塊經(jīng)典機(jī)構(gòu)沖壓系統(tǒng)，可以很方便地改變執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向和速度等。該沖壓系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是充分發(fā)揮交流伺服電機(jī)的特性，把所有的控制問(wèn)題都轉(zhuǎn)化到對(duì)交流伺服電機(jī)的控制上，可以很方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，在自動(dòng)控制方面具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。相比較而言，直驅(qū)式壓力機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：

⑴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。取消偏心軸、連桿、導(dǎo)向等機(jī)構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了機(jī)械加工成本。通過(guò)電機(jī)控制，反饋系數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單可靠。由于直驅(qū)式?jīng)_壓系統(tǒng)控制的根本就是伺服電機(jī)的控制，因此可以使用伺服電機(jī)控制策略的優(yōu)秀成果來(lái)改善沖壓機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式壓力機(jī)傳動(dòng)的滑塊行程和速度能夠任意調(diào)整，可以選擇沖壓所需的最短行程，同時(shí)設(shè)定合適的速度，使其與送料同步，從而有效地提高生產(chǎn)效率。

⑵優(yōu)化工藝。由于電機(jī)的數(shù)字化控制可以達(dá)到很高的精度，可以精確地設(shè)定滑塊位移、速度、加速度和死點(diǎn)位置，適合各種沖壓工藝和模具類(lèi)型。并且可以通過(guò)優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)壓印、沖壓、成形、折彎等工作模式。

⑶能耗低。傳統(tǒng)的機(jī)械式主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，需要飛輪存儲(chǔ)能量進(jìn)行沖壓，而對(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式主傳動(dòng)，能量無(wú)需存儲(chǔ)，伺服電機(jī)也不需要一直旋轉(zhuǎn)，僅在沖壓時(shí)啟動(dòng)并提供所需能量。另外，由于取消了飛輪、離合器與制動(dòng)器，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，因此電能消耗大大降低。

⑷安全、穩(wěn)定、可靠，具有自診斷功能。該沖壓系統(tǒng)具有沖頭位置的檢測(cè)信號(hào)輸出功能，該信號(hào)是與沖頭位移成正比的直流電壓信號(hào)，可明確給出沖頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。且該信號(hào)不受電機(jī)運(yùn)送狀態(tài)的影響，由此可診斷沖壓系統(tǒng)是否工作正常。

⑸降低噪聲，延長(zhǎng)使用壽命。由于保壓成形工藝的要求，電動(dòng)潤(rùn)滑泵滑塊在沖擊材料時(shí)，需要在某一位置稍作停留，這是伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的。恰恰由于停留的這段時(shí)間，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在突然卸載時(shí)儲(chǔ)存的彈性變形能不至于過(guò)大，降噪的效果由此得以體現(xiàn)。由于降低了撞擊對(duì)設(shè)備的損耗，所以延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

結(jié)束語(yǔ)

伺服直驅(qū)式傳動(dòng)方式作為回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)的最新一代產(chǎn)品，具有沖壓速度高、節(jié)能、低噪聲、無(wú)液壓油、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)的發(fā)展水平和發(fā)展方向。

伺服直驅(qū)式傳動(dòng)方式的關(guān)鍵在于大扭矩、低轉(zhuǎn)速、大容量伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制技術(shù)。在跟蹤和研究國(guó)外先進(jìn)伺服沖壓技術(shù)的同時(shí)，我們應(yīng)該以高端高速精密板材沖壓加工中心的研發(fā)為目標(biāo)，解決大功率交流伺服驅(qū)動(dòng)高端高速精密板材沖壓加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)高速?zèng)_壓大功率交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和高性能配套裝置以及沖壓工藝自動(dòng)編程系統(tǒng)，建立高端高速精密板材沖壓集成技術(shù)設(shè)計(jì)、控制方法和制造工藝，制定其設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為新型板材沖壓加工中心的批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。