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柔性智能化伺服壓力機(jī)床的研究

2018-06-28 02:23:18林海龍
機(jī)電信息 2018年18期
關(guān)鍵詞:壓力機(jī)伺服電機(jī)連桿

林海龍

(寧波博信機(jī)械制造有限公司,浙江寧波315800)

1 伺服壓力機(jī)床概述

機(jī)械壓力機(jī)也稱“沖床”,是金屬沖壓成型等制作工藝中的基礎(chǔ)機(jī)床,一般均通過飛輪圓周運(yùn)動產(chǎn)生儲備能量進(jìn)行釋放,由曲線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動產(chǎn)生滑塊的壓力,對所需產(chǎn)品進(jìn)行做功作業(yè)。機(jī)械壓力機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車、家電、IT電子、文具、儀器儀表、軍工等重要工業(yè)領(lǐng)域。

伴隨經(jīng)濟(jì)的一體化發(fā)展,市場競爭日趨激烈,能快速適應(yīng)市場變化的多品種小批量生產(chǎn)和大批量定制生產(chǎn)形式逐漸替代了傳統(tǒng)的單品種大批量生產(chǎn)形式,成為工業(yè)產(chǎn)品的主導(dǎo)生產(chǎn)形式,突出表現(xiàn)為工業(yè)產(chǎn)品的種類日趨多樣,形狀日趨復(fù)雜,而這就對相關(guān)加工設(shè)備的工藝適應(yīng)性、加工精度、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、自動化程度等多個方面提出了更高的要求。

目前,我國在沖壓生產(chǎn)線上使用的機(jī)械壓力機(jī)大多為曲軸式、偏心輪式或多連桿機(jī)構(gòu)式,且采用普通電機(jī)作為動力源,其滑塊的運(yùn)動曲線及行程基本是固定的,輸出固定的沖壓工藝曲線,同時耗能嚴(yán)重,加工噪音大,工人操作環(huán)境惡劣。隨著新型材料的出現(xiàn)以及產(chǎn)品形狀更加趨于復(fù)雜、精密、高要求,再考慮到環(huán)保和低成本,傳統(tǒng)壓力機(jī)已很難滿足快速多變的產(chǎn)品沖壓工藝需求。因此,近年來,研究開發(fā)出能夠滿足上述要求的,能夠高精度加工復(fù)合材料、難加工材料,具有可進(jìn)行復(fù)合加工功能的新型結(jié)構(gòu)的高效伺服壓力機(jī)越來越受到重視。

相對于傳統(tǒng)壓力機(jī),伺服壓力機(jī)取消了飛輪、離合器、制動器等耗能部件,簡化了機(jī)械傳動機(jī)構(gòu),提高了系統(tǒng)的可控性,降低了能量損耗,極大地改善了工人的工作環(huán)境。

通過與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的融合,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床工作模式的自由選擇和滑塊輸出特性的自由調(diào)節(jié),大幅度提高了成型件的加工精度、加工效率和加工質(zhì)量,有效地解決了傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)及其生產(chǎn)線在現(xiàn)代化生產(chǎn)中面臨的種種問題,為難成型材料成型和復(fù)雜零件的成型加工提供了新的解決方案。和傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相比,伺服壓力機(jī)的突出優(yōu)勢在于:

1.1 提高了機(jī)床的工藝適應(yīng)性和加工柔性

圖1為伺服壓力機(jī)部分典型加工工藝曲線,伺服壓力機(jī)借助內(nèi)置沖壓工藝曲線數(shù)據(jù)庫,可以針對特定加工類型和加工特征參數(shù)選擇合理的滑塊加工工藝曲線及機(jī)床加工模式,不僅能夠顯著改善零件的成型效率、效果,防止褶皺、拉裂等成型缺陷,而且能夠通過改善滑塊的運(yùn)動輸出特性提高機(jī)床的工藝適應(yīng)性,使其完成普通機(jī)械壓力機(jī)不易完成的眾多高難度復(fù)雜工藝成型操作,并明顯降低噪音和能耗。

圖1 伺服壓力機(jī)典型加工工藝曲線

1.2 提高了零件的加工精度和加工質(zhì)量

伺服壓力機(jī)通過高精度伺服控制,融合現(xiàn)代傳感技術(shù)、滑塊運(yùn)動輸出特性的調(diào)整,不僅能夠降低沖壓模具合模時的沖壓力,減少模具的磨損,延長模具的使用壽命;同時通過合理規(guī)劃伺服壓力機(jī)的加工工藝曲線,還能夠顯著提高加工材料的成型性能,減少褶皺、拉裂、堆疊等成型缺陷的發(fā)生,顯著提高零件的加工質(zhì)量。

1.3 提高了機(jī)床的加工效率

伺服壓力機(jī)能夠?qū)σ粋€加工周期內(nèi)滑塊的加工速度進(jìn)行合理的規(guī)劃,從而極大地提高了機(jī)床的加工效率。實(shí)現(xiàn)快速接近工件—慢速加工成型—快速空載回程的高效加工模式,從而減少伺服壓力機(jī)非加工時間在一個工作周期內(nèi)的占比。除此之外,伺服壓力機(jī)通過采用鐘擺式運(yùn)動模式,能夠進(jìn)一步縮短非加工行程長度,提高機(jī)床加工效率。

1.4 節(jié)能、環(huán)保、低噪音

伺服壓力機(jī)取消了飛輪、離合器、制動器等配件,縮短了傳動鏈,簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu),這使其便于維護(hù);智能變速運(yùn)動更減少了機(jī)床作業(yè)時的沖擊和振動,改善了工人的工作環(huán)境。

2 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1 國外研究開發(fā)現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)末期,開始將交流伺服驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于鍛壓機(jī)械的研究和產(chǎn)品開發(fā)過程中。伺服壓力機(jī)多以大功率交流伺服電機(jī)作為動力輸出裝置,通過滾珠絲桿螺旋機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等不同傳動機(jī)構(gòu)形式直接實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與滑塊的直線運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)換,無飛輪、離合器等部件,簡化了傳動系統(tǒng),保持了機(jī)械傳動在加工效率和加工精度方面的優(yōu)點(diǎn),同時通過伺服電機(jī)的調(diào)速運(yùn)動特性實(shí)現(xiàn)了滑塊運(yùn)動輸出特性的任意調(diào)節(jié),其工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高,對于推動成型裝備的更新?lián)Q代具有重要影響。

日本各個著名的壓力機(jī)制造廠商,如AIDA、KOMATSU、AMINO、ENOMOTO等公司投入了大量人力物力進(jìn)行開發(fā),并推出了商品化的產(chǎn)品。如AIDA利用大扭矩伺服電機(jī)采用齒輪一級傳動的簡單結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),KOMATSU利用較小功率的伺服電機(jī)結(jié)合皮帶、齒輪、肘節(jié)等組合減速擴(kuò)力機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時,德國的SCHULER、西班牙的FAGOR等先進(jìn)的大型伺服壓力機(jī)幾乎壟斷整個伺服壓力機(jī)市場,獲取了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 國內(nèi)研究開發(fā)現(xiàn)狀

與國外相比,國內(nèi)對于伺服驅(qū)動鍛壓設(shè)備的設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用推廣仍然處于起步階段,在產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面與世界先進(jìn)水平還有一定差距,尤其是在大型重載機(jī)械伺服壓力機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方面還存在基礎(chǔ)理論研究不足、核心技術(shù)缺失等問題。

國內(nèi)首臺伺服壓力機(jī)是濟(jì)南二機(jī)床于2007年采用ABB公司的DDC技術(shù)開發(fā)出來的10 000 kN伺服壓力機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。目前好多中國其他沖床制造企業(yè)正在積極研究和開發(fā),甚至部分產(chǎn)品已經(jīng)推出市場并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用,但大多以大功率伺服電機(jī)經(jīng)過行星齒輪或其他變速箱變速來實(shí)現(xiàn),也有個別直接用超大功率的伺服電機(jī)經(jīng)過一級齒輪傳動驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)。寧波博信機(jī)械也在4年前透過獨(dú)特的變速方式小批量化推出了單曲軸300 t以下系列的伺服壓力機(jī),已在市場投入使用并獲得好評,成為國內(nèi)率先研制出此類壓力機(jī)并批量投入實(shí)際使用的極少數(shù)廠家之一。

總的來說,伺服壓力機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)以及在國內(nèi)市場的應(yīng)用推廣過程中存在的問題主要包括以下幾個方面:

(1)對板料成型工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn),缺乏相關(guān)理論的指導(dǎo),還沒有建立可供伺服壓力機(jī)加工工藝曲線定制調(diào)用的伺服壓力機(jī)加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

(2)如何充分利用伺服壓力機(jī)在工藝適應(yīng)性方面的優(yōu)勢,在難成型材料成型和復(fù)雜零件成型上進(jìn)行新工藝、新方法、新裝置開發(fā)和優(yōu)化還需進(jìn)一步探討。

(3)伺服壓力機(jī)專用低速大扭矩伺服馬達(dá)及其配套伺服控制系統(tǒng)的價位較高,造成伺服壓力機(jī)的市場價格居高不下,影響其在國內(nèi)市場的推廣應(yīng)用。

另外,大功率交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù),閉環(huán)能量管理及反饋控制技術(shù),以及基于等壽命和等強(qiáng)度理論的伺服壓力機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等,是目前伺服壓力機(jī)需研究的關(guān)鍵技術(shù)。而當(dāng)前阻礙國內(nèi)伺服鍛壓設(shè)備發(fā)展的最大障礙就是大功率伺服電機(jī)研制水平較低,與國外先進(jìn)產(chǎn)品在各項(xiàng)性能指標(biāo)方面均存在較大的差距。

3 研究方案與關(guān)鍵技術(shù)

普通伺服壓力機(jī)由于取消了飛輪,在經(jīng)過一般性的減速和擴(kuò)扭矩后,電機(jī)所需功率仍然龐大,能耗較大。工作壓力主要靠電機(jī)的瞬時扭矩產(chǎn)生,因而驅(qū)動電機(jī)容量較普通壓力機(jī)要大得多,再加上控制系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致設(shè)備造價高,這就成為伺服壓力機(jī)推廣應(yīng)用的一大障礙。所以,在不采用價格昂貴的大容量驅(qū)動電機(jī)的情況下,具有良好增力功能的傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)成為伺服機(jī)械壓力機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

由博信機(jī)械研制的“閉式雙點(diǎn)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī)”應(yīng)用交流伺服驅(qū)動技術(shù),輔以計(jì)算機(jī)控制技術(shù),將傳統(tǒng)的曲柄連桿式壓力機(jī)改變成智能節(jié)能型的肘桿式多連桿偏心齒輪式壓力機(jī),在伺服電機(jī)不變速的情況下就能使滑塊在空行程中快速運(yùn)動,在接近下死點(diǎn)做功時慢速運(yùn)動的特性,加上肘節(jié)機(jī)構(gòu)的特性就具備了增大扭矩的能力。

同時,由于寧波博信機(jī)械研制的雙點(diǎn)壓力機(jī)采用雙獨(dú)立伺服電機(jī)和獨(dú)立同步帶傳動結(jié)合偏心齒輪及多連桿肘節(jié)式傳動機(jī)構(gòu),通過線性光柵尺的閉環(huán)反饋控制進(jìn)行智能分配調(diào)整,始終保證下死點(diǎn)精度在微米級變化,保證壓力機(jī)的閉合高度在生產(chǎn)過程中的精度更加穩(wěn)定,因此具備了高速度、高精度、大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)、智能化、柔性化等特點(diǎn),也實(shí)現(xiàn)了自動化、工業(yè)4.0、可遠(yuǎn)程控制、監(jiān)視等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 肘節(jié)式多連桿伺服壓力機(jī)高精度導(dǎo)向技術(shù)

閉式雙點(diǎn)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī)滑塊的導(dǎo)向性能直接決定了機(jī)床的幾何精度,因此導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、制造精度以及耐磨性、抗疲勞性對高速精密壓力機(jī)的性能至關(guān)重要。由于壓力機(jī)傳動系統(tǒng)采用左右獨(dú)立動力源對稱方式運(yùn)行,通過電控系統(tǒng)可以做到兩邊相對的完全同步運(yùn)行。本項(xiàng)目采用自主設(shè)計(jì)、研發(fā)的一種光柵檢驗(yàn)裝置,在機(jī)身滑塊的兩側(cè)對稱布置,通過光柵檢驗(yàn)裝置可以檢驗(yàn)傳動系統(tǒng)中兩個相對獨(dú)立運(yùn)行的電控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并反饋給控制系統(tǒng),還可以用來檢驗(yàn)機(jī)身滑塊左右平衡運(yùn)行狀態(tài)以及校驗(yàn)機(jī)身滑塊靜止的左右平衡。該裝置已受理一項(xiàng)實(shí)用新型專利,專利名稱:一種應(yīng)用光柵檢驗(yàn)裝置的沖床(201620698346.8)。

3.2 低速大扭矩伺服電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計(jì)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī)的伺服電機(jī)時,需要使電機(jī)在高速運(yùn)行下具有良好的動態(tài)特性、穩(wěn)定性并具備快速啟停、快速冷卻等功能。因此,需要針對不同的轉(zhuǎn)子位置,對電機(jī)的磁場分布進(jìn)行研究,以獲得準(zhǔn)確的電機(jī)性能參數(shù);需要對電機(jī)齒槽力以及轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到節(jié)能及提高電機(jī)可靠性的目的;需要對伺服電機(jī)進(jìn)行熱分析,結(jié)合熱分析結(jié)果進(jìn)行電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)與優(yōu)化;需要研究電機(jī)的溫度場分布規(guī)律以及電機(jī)結(jié)構(gòu)、參數(shù)等對電機(jī)溫度分布的影響規(guī)律。

3.3 雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來放大伺服電機(jī)扭矩,以達(dá)到伺服電機(jī)小型化的目的。兩臺伺服電機(jī)聯(lián)合作業(yè),偏心齒輪機(jī)構(gòu)在減速的情況下使伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力(扭矩)增大,這個扭矩又被偏心齒輪、六連桿和雙點(diǎn)肘節(jié)式放大,再來驅(qū)動滑塊。因此,閉式雙點(diǎn)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī)各個軸必須保持精確同步,以滿足加工精密工件的要求。所以雙電機(jī)同步控制技術(shù)成為了問題的關(guān)鍵,需從雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)硬件配置和系統(tǒng)控制原理兩方面達(dá)到匹配來實(shí)現(xiàn)。

3.4 扭矩增大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用伺服電機(jī)來驅(qū)動1 000 kN、5 000 kN或更大的20 000 kN伺服壓力機(jī),所需要的電機(jī)要達(dá)到幾百千瓦、幾千千瓦。因此,為了降低電機(jī)的成本,本項(xiàng)目通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來放大伺服電機(jī)扭矩,以達(dá)到伺服電機(jī)小型化的目的。兩臺伺服電機(jī)聯(lián)合作業(yè),伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其組成部分包括同步帶傳動、偏心輪、連桿機(jī)構(gòu)等,偏心齒輪機(jī)構(gòu)在減速的情況下使伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力(扭矩)增大,這個扭矩又被偏心齒輪、六連桿和雙點(diǎn)肘節(jié)式放大,再來驅(qū)動滑塊。同步帶取代全齒輪傳動擴(kuò)力,優(yōu)點(diǎn)是降低慣量,便于啟動、制動,減輕伺服電機(jī)負(fù)荷。

以上設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢在于:

(1)采用兩臺功率相對比較小的伺服電機(jī),降低了伺服電機(jī)成本;

(2)獨(dú)立調(diào)整設(shè)定可以減少由于機(jī)械裝配造成的滑塊兩邊不同步現(xiàn)象。

3.5 最終設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述桿系構(gòu)型反演設(shè)計(jì)、肘桿類型分析以及扭矩增大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),同時,為增強(qiáng)壓力機(jī)抗偏載荷能力,保持在沖壓過程中機(jī)械同步,本項(xiàng)目最終采用對稱連桿機(jī)構(gòu),在伺服電機(jī)輸入端采用伺服電機(jī)透過同步帶輪驅(qū)動偏心齒輪,使壓力機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)動精確。將偏心齒輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動轉(zhuǎn)化成連桿肘桿機(jī)構(gòu)的滑塊移動副驅(qū)動,同一構(gòu)件的多鉸鏈采用復(fù)合鉸鏈,得到閉式雙點(diǎn)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)模型方案。

該結(jié)構(gòu)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):伺服電機(jī)通過特制高強(qiáng)度同步帶傳動鋁輪,再帶動傳動主軸,加大傳動比的同時有效降低了運(yùn)動慣量。傳動主軸驅(qū)動偏心齒輪傳動結(jié)構(gòu)并帶動多連桿運(yùn)動,擴(kuò)大了傳動比,使輸入端扭矩變小,在同等輸出扭矩的前提下,降低了電機(jī)功率,達(dá)到了節(jié)能效果;此多連桿運(yùn)行有下降速度慢、回程速度快等特性,在工作區(qū)域運(yùn)行時速度最慢,能有效大幅降低產(chǎn)品成型后的材料韌性反彈,并減少伺服電機(jī)的使用功率,降低能耗。

該結(jié)構(gòu)已授權(quán)一項(xiàng)實(shí)用新型專利,受理一項(xiàng)發(fā)明專利和一項(xiàng)實(shí)用新型專利。

(1)發(fā)明專利:一種沖床多連桿偏心齒輪傳動結(jié)構(gòu)(201610520822.1)。

(2)實(shí)用新型專利:一種沖床多連桿偏心齒輪傳動結(jié)構(gòu)(201620694696.7)。

4 結(jié)語

目前,高性價比的精密高效伺服壓力機(jī)的市場需求量極大,伺服壓力機(jī)產(chǎn)業(yè)化是大勢所趨。但目前國產(chǎn)伺服壓力機(jī)的可靠性、適應(yīng)性、產(chǎn)品質(zhì)量都要低于進(jìn)口機(jī)床,高端技術(shù)主要被國外公司所壟斷。因此,閉式雙點(diǎn)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī)的產(chǎn)業(yè)化具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

本項(xiàng)目針對目前已有的各種機(jī)械壓力機(jī)存在的問題進(jìn)行分析研究,通過肘節(jié)式多連桿伺服壓力機(jī)高精度導(dǎo)向技術(shù)的研究和應(yīng)用、低速大扭矩伺服電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究、雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究、扭矩增大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,成功開發(fā)出了高柔性智能化閉式雙點(diǎn)肘節(jié)式多連桿高效伺服壓力機(jī),使伺服壓力機(jī)在精度、智能化、作業(yè)適應(yīng)性、作業(yè)品質(zhì)和能耗利用水平方面都得到了極大的提高,是目前伺服壓力機(jī)領(lǐng)域較為先進(jìn)的金屬成型裝備。

圖2 伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)(偏心齒輪+多連桿)

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