王 軍，汪立新，李振光，雷斌華

（瑞鐵機床（蘇州）股份有限公司，江蘇 太倉 215000）

1 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，國內外對節(jié)能減排的要求越來越高，尤其是“碳達峰”和“碳中和”戰(zhàn)略目標的提出，這是一場廣泛而深刻的經濟社會系統(tǒng)性變革，限制CO2排放、全社會綠色低碳轉型已勢在必行，高效節(jié)能、綠色環(huán)保是企業(yè)自身設備升級、產品升級的必經之路。

純電伺服折彎機由于具有節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、效率高、精度好、動作響應快、無需液壓油等優(yōu)勢特點，是折彎機行業(yè)發(fā)展的新方向；從最初的扭軸同步折彎機到電液同步折彎機，再從電液同步折彎機到油電混合折彎機這幾個階段的發(fā)展歷程中，液壓傳動有著不可替代的作用。純電伺服折彎機采用伺服電機和機械傳動機構對滑板進行驅動，擺脫了傳統(tǒng)折彎機對液壓傳動的依賴，同時也避免了液壓傳動中的節(jié)流發(fā)熱、無功功耗高等缺陷。

目前純電伺服折彎機主要受滾珠絲桿的載荷特性、傳動結構等技術方面的限制，以及在折彎時受滑板和工作臺變形對絲桿傳動結構的影響和破壞，使純電伺服折彎機產品大多停留在小噸位機型上，而占市場80%以上較大噸位的純電伺服折彎機，由于存在相關技術方面瓶頸，尚未得到有效普及和發(fā)展。

為解決上述問題，攻克技術瓶頸，公司開拓創(chuàng)新，發(fā)明了一種多驅純電伺服折彎機，并已小批量生產和投入市場應用。

2 技術方案

2.1 概述

多驅純電伺服折彎機，采用多個驅動傳動組合連接的方式，將機床兩端的多個伺服傳動機構整合成集中單點受力的結構，與滑板左右兩端受力點采用球面鉸接式連接，避免機架、滑板在工作時的變形，對導向、滾珠絲桿傳動的影響和破壞，確保滾珠絲桿傳動的效率和精度，同時滑板和工作臺折彎時的變形所需的系統(tǒng)補償算法，符合現(xiàn)有折彎機數(shù)控系統(tǒng)對補償機構補償量的算法，該算法是折彎機發(fā)展中長期的經驗積累，具有準確、合理、高效等優(yōu)點，故無需再單獨開發(fā)和測試新的補償算法，有效繼承傳統(tǒng)折彎機長期積累的經驗。

在簡化整體結構設計和加工工藝方面，通過特有的閉式機架結構，能夠降低加工難度，對加工精度的要求也大大降低，為純電伺服折彎機的批量化生產和普及提供有效保證。

2.2 結構構成

如圖1 所示為多驅純電伺服折彎機的結構示意圖。設備主要由機架部分1、滑板部分2、左伺服驅動部分3、右伺服驅動部分4、數(shù)控系統(tǒng)部分5 等組成。

圖1 多驅純電伺服折彎機結構示意圖

2.3 結構設計

（1）機架部分。如圖2 所示，無喉口式機架結構，簡化整體結構設計和加工工藝，一次裝夾，可以將所有加工位置加工完成；頂部的4 個安裝驅動位置的上座板為對稱布局，有利于滑板受力均勻，避免偏載導致滑板產生扭曲變形，保證工件的折彎精度。

圖2 機架結構示意圖

（2）多驅部分。如圖3 所示，由左伺服驅動部分和右伺服驅動部分組成，可將伺服驅動數(shù)量進行拓展，可成倍放大折彎所需的載荷，為純電伺服折彎機向大噸位折彎機機型設計提供一種技術解決方案。

圖3 多驅部分示意圖

如圖4 所示，伺服驅動部分將多組絲桿傳遞的推力合并在滑板左右兩端肩部的受力點上，且受力點為球面接觸的推力關節(jié)軸承，避免滑板工作時的變形對絲桿傳動的影響和破壞（因為機型規(guī)格越長，滑板的變形量越大）；滑板的變形趨勢符合現(xiàn)有折彎機數(shù)控系統(tǒng)對補償機構補償量的算法。

圖4 伺服驅動部分示意圖

如圖5 所示，伺服驅動結構的兩個滾珠絲桿連接在螺母座上，滾珠絲桿軸承端采用推力角接觸球軸，在螺母座的底部設有推力關節(jié)軸承的球面受力點結構與滑板兩端肩部連接，可以滿足滑板在受力變形時分別獨立調節(jié)與絲桿螺母的偏心量，同時也可以消除由于絲桿同步誤差而造成的偏載。

圖5 伺服驅動結構示意圖

（3）止轉彈性調節(jié)裝置。如圖6 所示，止轉彈性調節(jié)裝置的設計，確保絲桿螺母座下面的受力點與滑板肩部位置定位的穩(wěn)定性，同時也可以有效緩解絲桿在高速正反旋轉時的沖擊震動對滑板運行的影響。

圖6 止轉彈性調節(jié)裝置示意圖

2.4 滑板折彎受力中心線說明

如圖7 所示，折彎機在工作時，通過滑板上的上模沿受力中心線向下運動，與下模同時作用，將板料折彎成型，工作時受力中心線是否穩(wěn)定和準確，是板材成型尺寸精度高低的一個重要條件。本結構中的多驅組合驅動結構，能夠讓兩端的受力點不受滑板變形的影響，自動糾正受力中心線的偏載。

圖7 滑板折彎受力中心線說明示意圖

3 系統(tǒng)設計與應用

3.1 動力電機組的確認及選型

設計折彎機能否達到既定的折彎力時，根據(jù)經典算法，借助成熟的經驗公式、經驗系數(shù)、圖形、表格來測算所需的功率范圍。由于經驗系數(shù)一般略顯保守，因此計算結果比實際略大，對于本多驅組合式傳動結構的力矩轉換，按照下述經典算法測算。

折彎機的機械傳動結構一般是伺服電動機→減速機→絲杠→滑塊。所以，滑塊以“額定工作壓力”移動一個“螺距”所做的功應該等于伺服電動機以“額定轉矩”帶動減速機所做的功。

式中：T 為電動機轉矩，N·m；F 為電動機工作扭力，N；R 為電動機軸半徑，m；P 為壓力機公稱壓力，kN；L為絲杠螺距，mm；i 為減速比。

由于T=RF

通過此公式可以得出相應的扭矩，同時還需要滿足速度需求，傳動組帶動滑板運行的越快則機床的效率也就越高，所以需要另外一個公式：

例如：導程為13 的絲桿，選用的電機轉速為2800，減速比為3.75，則傳動組帶動的最大速度約為160mm/s。

設折彎機所需要達到的噸位為80t，帶入減速比系數(shù)為3.75，產生的傳動效率為85%。折彎機需要兩臺電機在滑塊兩側提供動力，則一臺電機的峰值扭矩需要到達310N·m 左右。通過電機的參數(shù)表中選取合適參數(shù)的電機型號如表1 所示。

表1 ISMG 系列伺服電機規(guī)格說明

3.2 控制系統(tǒng)拓撲

該純電伺服折彎機的控制系統(tǒng)采用EtherCat 總線通訊并預留多組輸入輸出IO 口，便于外接機器人及檢測設備，通過擴展物聯(lián)網模塊還可進行遠程監(jiān)控和遠程編程。

PLC 控制器通過EtherCat 方式通訊如圖8 所示；EtherCAT 報文幀只能由主站進行發(fā)送，在一個通訊周期內，主站發(fā)送以太網數(shù)據(jù)幀給各個從站，數(shù)據(jù)幀到達從站后，每個從站根據(jù)尋址從數(shù)據(jù)幀內提取相應的數(shù)據(jù)，并把它反饋的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀。當數(shù)據(jù)幀發(fā)送到最后一個從站后返回，并通過第一個從站返回至主站，每個驅動器都為一個從站，對于像多個伺服軸執(zhí)行協(xié)同運動等一類應用，其對數(shù)據(jù)同步性要求甚高。而EtherCAT 可選擇使用分布式時鐘（DC）的方式同步節(jié)點，并采用完全基于硬件的時間校準機制，使得整個系統(tǒng)抖動時間遠小于1μs，能夠完全適用于這樣的應用之下。例如100t 電伺服折彎機需要4 個主軸電機同時協(xié)作才能達到目標的壓力值，所以對于電機之前的同步性有非常高的要求。

圖8 總線拓撲示意圖

在滑板運行的過程中PLC 直接取Y 軸交流電機內部編碼器和光柵尺反饋的信號進行運算，光柵尺和電機內部編碼器形成閉環(huán)使得重復定位精度提高；電機的轉速將跟隨系統(tǒng)設定的目標位置而發(fā)生改變，實現(xiàn)速度的無極調整以及轉換的平穩(wěn)性。

4 結論

多驅純電伺服折彎機結構通過傳動組件對稱分布的受力點，可以確定一個穩(wěn)定的受力支撐面，設計出的驅動組件和傳動組件等機械結構，使多個絲桿的受力點，按同組對稱的多驅組合結構，構成一個穩(wěn)定的受力點平面。當工作時，兩端同組的兩個傳動件對受力點同時施加對應的推力，且二力平衡、相等，通過受力點的關節(jié)軸承能夠自動適應和調整由于折彎組件的偏載變形帶來的影響，也可消除傳動構件變形量的影響，故當折彎組件在工作時，能夠做到速度高、響應快、且動作平穩(wěn)可靠；為解決目前純電折彎機的技術瓶頸，提供一種創(chuàng)新性思維和結構形式。

采用多驅組合式傳動結構與高精密大功率伺服電機，以及高實時控制性能、廣拓性的可編程控制器相結合制造出的電伺服折彎機，不但打破了電伺服折彎機實現(xiàn)較大噸位的跨越的技術瓶頸，同時繼承了伺服電機傳動帶來的高精度和高效率的優(yōu)越性，控制系統(tǒng)還采用了突破性的EtherCAT 總線通訊，信息采集傳輸更快，受到強電流干擾更小，使得多驅組合式傳動的同步性得到了保證。

純電伺服折彎機主電機輸出功率幾乎等于負載功率，機械傳動效率高達95%，滑塊空載回程耗電量小，節(jié)能顯著；在效率方面純電伺服數(shù)控折彎機的快慢速轉換及下死點定位都是通過伺服電機及絲桿來控制，整個工作循環(huán)過程響應速度更快，效率提升將近兩倍，且絲桿傳動不會產生較高的熱效應，更適合維持長時間高精度運轉。

在環(huán)保方面純電技術更是無需液壓油，根本不存在廢油廢液的污染問題，綠色環(huán)保；特別是在當前的國情下保護環(huán)境，促進環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的建設已成為我國經濟建設中必須要面對的問題，研發(fā)生產制造高效，節(jié)能環(huán)保的機械設備更是企業(yè)的責任和義務。

經小批量投產并經客戶使用驗證，多驅純電伺服折彎機結構穩(wěn)定、可靠，能夠達到量產標準，為純電伺服折彎機的進一步發(fā)展應用打下了良好基礎。