周 妍

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數(shù)控伺服電液折彎?rùn)C(jī)隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)

周 妍

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

數(shù)控折彎?rùn)C(jī)的發(fā)展方向?yàn)樵谥鳈C(jī)上配置多功能的輔助部件，隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)需要在板料折彎過(guò)程中貼合板料上翻動(dòng)作，與之保持動(dòng)作的一致，和機(jī)床的工作速度也保持一致。從而保證隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件滑塊在工作、保壓和回程的整個(gè)過(guò)程，隨動(dòng)前托料都緊緊跟隨待折彎板料或是已經(jīng)完成折彎的板料。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)托料機(jī)構(gòu)的左右移動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)及圓周翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

數(shù)控折彎?rùn)C(jī) 隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu) 伺服系統(tǒng)

折彎?rùn)C(jī)因其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，所以發(fā)展極其迅速。從早期的機(jī)械式，到普通液壓式到后來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)控制液壓回路，如今數(shù)控伺服電液式成為現(xiàn)在主要發(fā)展方向，當(dāng)折彎?rùn)C(jī)加工精度越來(lái)越高，用戶對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)附加功能有了更多要求，隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)越來(lái)越受到廣大用戶的青睞。當(dāng)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)在工作過(guò)程中，在折彎薄板或是較寬的鈑金件時(shí)，為了防止工件變形保證加工精度，往往需要操作工進(jìn)行人工托料，而有時(shí)依靠人工也無(wú)法得到比較滿意的效果，此時(shí)隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)就顯得尤為重要。

為了迎合市場(chǎng)需求，各大品牌的鈑金類(lèi)折彎?rùn)C(jī)相繼推出了各種模式的隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)。綜合來(lái)看，隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)大多采用電液伺服控制的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作依靠數(shù)控系統(tǒng)控制比例伺服閥的開(kāi)口大小來(lái)調(diào)節(jié)油缸進(jìn)油量的多少，從而控制托料運(yùn)動(dòng)速度與板料折彎速度的同步。相對(duì)來(lái)說(shuō)其機(jī)械動(dòng)作復(fù)雜，還需液壓油缸進(jìn)行電液控制，制造成本較高，運(yùn)動(dòng)軌跡較難控制。作為全新開(kāi)發(fā)的新一代數(shù)控伺服電液折彎?rùn)C(jī)，設(shè)計(jì)初衷即為不采用液壓控制前托料機(jī)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)作，取而代之為全部使用伺服馬達(dá)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)前托料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)一由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)各個(gè)伺服馬達(dá)統(tǒng)一匹配各自的參數(shù)，來(lái)使各個(gè)相關(guān)動(dòng)作匹配并合乎要求。

隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)需要注意以下兩個(gè)方面：隨動(dòng)托料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡必須與板料的上翻的軌跡基本保持一致，即為其要緊密貼合需折彎的鈑金材料，無(wú)論在運(yùn)動(dòng)初始時(shí)期、還是折彎進(jìn)行中、亦或是最終折彎成型和折彎?rùn)C(jī)滑塊回程，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)托住折彎板料回到初始位置。這就需要隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)鈑材實(shí)時(shí)追蹤。另一方面就要考慮此機(jī)構(gòu)的通用性，其使用范圍更加廣泛，對(duì)于不同噸位的折彎?rùn)C(jī)，不同折彎鈑材厚度和模具開(kāi)口大小需有一定的通用性，才更有良好的互換性，以便更能被用戶接受，得到市場(chǎng)的認(rèn)可。

1 隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

前托料機(jī)構(gòu)的整個(gè)結(jié)構(gòu)組成如圖（1）所示。該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主要是由兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)給予。針對(duì)不同高度的模具，為使前托料機(jī)構(gòu)翻板的上平面始終和下模的上平面在同一水平面上，即可伺服電機(jī)通過(guò)帶輪傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)整個(gè)滑座做上下運(yùn)動(dòng)。

圖1 初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

另外一個(gè)伺服電機(jī)安裝在滑座上，通過(guò)帶輪傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為使翻板繞滑座的固定端做圓周運(yùn)動(dòng)，在絲杠上開(kāi)了長(zhǎng)形鍵槽并在鍵槽的上死點(diǎn)位置安裝插銷(xiāo)，故而使絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)演變?yōu)榻z杠在插銷(xiāo)的作用下沿著在自身所開(kāi)的長(zhǎng)形鍵槽做上下運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)翻板完成繞固定點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，以能時(shí)刻貼緊折彎鈑材，跟蹤鈑材完成一個(gè)完整的折彎過(guò)程。

前托料機(jī)構(gòu)的左右運(yùn)動(dòng)是通過(guò)手動(dòng)的方式推動(dòng)整個(gè)隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)沿?cái)?shù)控折彎?rùn)C(jī)工作臺(tái)前端安裝的直線導(dǎo)軌做運(yùn)動(dòng)，操作人員可隨意的推動(dòng)該機(jī)構(gòu)到工作臺(tái)的任意位置進(jìn)行鈑材折彎工作，當(dāng)待加工鈑材的寬度較寬時(shí)，也可成對(duì)的使用前托料機(jī)構(gòu)，如使用其中之一時(shí)，也可將暫時(shí)閑置的一個(gè)機(jī)構(gòu)推至工作臺(tái)的一側(cè)。

2 隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)解析

2.1 機(jī)構(gòu)的圓周運(yùn)動(dòng)

在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)鈑料折彎角度為30°時(shí)，即為所謂的尖刀模效應(yīng)。故該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始理念即為該翻板繞固定支點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)極限角度為75°，如圖2所示。

圖2 工作狀態(tài)旋轉(zhuǎn)角度示意圖

在驅(qū)動(dòng)翻板圓周運(yùn)動(dòng)的絲杠上，安裝了上下兩個(gè)電感式接近傳感器，通過(guò)其控制絲杠沿長(zhǎng)形鍵槽做上下運(yùn)動(dòng)的上下極限位置，從而確定翻板所能翻轉(zhuǎn)的最大角度。此位置可根據(jù)不同型號(hào)的機(jī)床和用戶的實(shí)際需求的加工的范圍在裝配中予以調(diào)整。在此選用T形絲杠作為傳動(dòng)部件，而非常規(guī)的滾珠絲杠，原因在于滾珠絲杠中的滾珠使運(yùn)動(dòng)流暢，摩擦力小。但是在此處，若使用滾動(dòng)絲杠會(huì)有摩擦力不夠的問(wèn)題，使其無(wú)法有自鎖功能，而不能支撐絲杠在任意位置停留，有自動(dòng)向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，從而造成翻板無(wú)法沿著預(yù)定的軌跡做圓周運(yùn)動(dòng)。使用T形絲杠，弊端在摩擦阻力成倍的增大，加大伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，在托舉翻板做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還需克服T型絲杠所帶來(lái)的摩擦阻力，需加大保險(xiǎn)系數(shù)，使用比理論計(jì)算后得出的電機(jī)額定扭矩更大功率的伺服電機(jī)，確保伺服電機(jī)不產(chǎn)生過(guò)載報(bào)警的現(xiàn)象。此外驅(qū)動(dòng)翻板圓周運(yùn)動(dòng)的整套驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)，帶輪，同步帶等均固定在滑座上，確保把絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z杠的上下運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)翻板的圓周運(yùn)動(dòng)。

翻板圓周運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)的選用，預(yù)設(shè)伺服電機(jī)選用（750 W），絲桿導(dǎo)程為10 mm?，F(xiàn)需校核該伺服電機(jī)的扭矩是否大于翻板加速運(yùn)動(dòng)所需的扭矩。計(jì)算公式如下：

伺服電機(jī)的總扭矩：

其中為外部載荷產(chǎn)生的摩擦力矩：

機(jī)構(gòu)圓周運(yùn)動(dòng)的速度計(jì)算。機(jī)床滑塊工進(jìn)速度1=10 mm/s，翻板的旋轉(zhuǎn)半徑=290 mm，由圖（3）可得出，翻板需達(dá)到的運(yùn)動(dòng)速度2=222 mm/s。

計(jì)算可得，V翻板＞V2，翻板圓周運(yùn)動(dòng)速度可緊貼滑塊工進(jìn)速度。

2.2 機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)

該機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)同樣由伺服電機(jī)通過(guò)帶輪傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)整個(gè)滑座做上下運(yùn)動(dòng)，此機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)的最大行程為390 mm，如圖4所示。

圖4 工作狀態(tài)上下運(yùn)動(dòng)范圍示意圖

滑座的上下運(yùn)動(dòng)即可單獨(dú)進(jìn)行，又可和翻板的圓周運(yùn)動(dòng)合成進(jìn)行。在更換不同高度的下模時(shí)，由于翻板的上平面和下模的上平面在折彎初始時(shí)需保持一致，可通過(guò)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)來(lái)保持位置的一致性。調(diào)整后，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行折彎工作時(shí)，根據(jù)鈑料折彎的角度，翻板和滑座同時(shí)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)及上下直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)伺服電機(jī)由數(shù)控系統(tǒng)控制，匹配出兩個(gè)運(yùn)動(dòng)各自的軌跡和相關(guān)參數(shù)，確保隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)可以時(shí)時(shí)托舉折彎鈑材完成一次完整的加工流程。其上下運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)部件也選用T形絲杠，滑座加之翻板整體做上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)部件的自重比較大，如選用滾珠絲杠也有可能產(chǎn)生固定在某一位置時(shí)，由于重力作用，滾珠絲杠無(wú)法使其有效自鎖，會(huì)使滑座慢慢下降，丟失正確位置，影響鈑料折彎精度。和驅(qū)動(dòng)翻板做圓周運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)一樣，選用的驅(qū)動(dòng)滑座上下運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)也需增大保險(xiǎn)系數(shù)，選用更大功率的伺服電機(jī)，防范過(guò)載報(bào)警產(chǎn)生。

2.2.1該機(jī)構(gòu)滑座的上下運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)的選用

預(yù)設(shè)伺服電機(jī)選用1.0 kW，絲桿導(dǎo)程為10 mm?，F(xiàn)需校核該伺服電機(jī)的扭矩是否大于滑座加速運(yùn)動(dòng)所需的扭矩。計(jì)算公式如下：

伺服電機(jī)的總扭矩：

其中T為外部載荷產(chǎn)生的摩擦力矩：

3 實(shí)際試制后發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及改進(jìn)方向

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和機(jī)械結(jié)構(gòu)完善后，全伺服電液數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上配置了該隨動(dòng)前托料機(jī)構(gòu)。在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題：

1）該機(jī)構(gòu)在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，伺服電機(jī)在瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過(guò)載報(bào)警信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)顯示伺服電機(jī)承載超過(guò)電機(jī)實(shí)際扭矩的300%，分析得出一方面由于整個(gè)機(jī)構(gòu)自重過(guò)大，伺服電機(jī)承載過(guò)大；另一方面?zhèn)鲃?dòng)使用的T形絲杠本身的摩擦阻力大于滾珠絲杠，摩擦因數(shù)上的選擇小于實(shí)際生產(chǎn)中的摩擦阻力。造成機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)過(guò)載報(bào)警。

2）翻板的圓周運(yùn)動(dòng)速度顯示跟不上板料瞬間折彎時(shí)翻起速度，有一定的滯后現(xiàn)象。造成此種現(xiàn)象可能是翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)部件T形絲杠，伺服電機(jī)的克服其摩擦力要耗費(fèi)一定的扭矩，導(dǎo)致瞬時(shí)速度難以增大，滯后于板料被折彎后瞬時(shí)的圓周速度。針對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的問(wèn)題，可從以下幾個(gè)方面予以改進(jìn)：（1）減輕該隨動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的自重，在不影響運(yùn)動(dòng)部件剛性的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化機(jī)構(gòu)。（2）提高傳動(dòng)部件T形絲杠的加工精度來(lái)減少摩擦力，減輕伺服電機(jī)所要克服的摩擦力。（3）改變控制翻板的運(yùn)動(dòng)順序，待板料折彎后，延時(shí)信號(hào)，以托住折彎后的板料為主。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于該隨動(dòng)托料機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其運(yùn)動(dòng)的軌跡和數(shù)控折彎?rùn)C(jī)的運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)，只有和主機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度相匹配，才能達(dá)到機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷。托料機(jī)構(gòu)的翻板才能跟上板料翻轉(zhuǎn)速度，達(dá)到最終目的。

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