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

張貴成·廣東鍛壓機床廠有限公司

回轉(zhuǎn)頭壓力機主傳動方式合理性的探討

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

張貴成·廣東鍛壓機床廠有限公司

回轉(zhuǎn)頭壓力機作為一種自動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)用于機械、電子、汽車、軍工、航空航天等眾多重要工業(yè)領(lǐng)域?；剞D(zhuǎn)頭壓力機主要由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、床身、送料機構(gòu)及模具庫等組成。主傳動系統(tǒng)作為沖壓的動力源，一直是數(shù)控沖床技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一，經(jīng)歷了機械式主傳動方式、液壓式主傳動方式以及伺服直驅(qū)式傳動方式幾個階段。

傳統(tǒng)的機械式主傳動方式和液壓式主傳動方式在生產(chǎn)實際中暴露出了諸多的缺陷，限制了回轉(zhuǎn)頭壓力機整體的性能，已經(jīng)不能完全滿足用戶對機床高速度、低耗能、低噪聲以及高效率的要求。近年來，伺服電機直接驅(qū)動實現(xiàn)沖壓的主傳動形式以其無法比擬的優(yōu)越性進(jìn)入了人們的視野。

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

傳統(tǒng)曲柄滑塊式傳動方式

圖1 傳統(tǒng)曲柄滑塊傳動機構(gòu)原理圖

最初的回轉(zhuǎn)頭壓力機是機械式主傳動系統(tǒng)，由電機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，并存儲一定的能量，連桿連接曲柄和滑塊，將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運動。由離合器與制動器控制滑塊垂直運動進(jìn)行沖壓。圖1所示為傳統(tǒng)曲柄滑塊傳動機構(gòu)的工作原理圖。沖壓結(jié)束時，離合器在沖頭向上運動時脫開，從而解除飛輪對曲軸的扭矩傳遞，同時制動器開始制動，使曲軸轉(zhuǎn)動至上死點時停止。機械式主傳動部件中，離合器與制動器的性能很重要，直接影響到主傳動部件的工作效率和使用壽命。表1和表2分別為國內(nèi)和國外廠商生產(chǎn)的曲柄式壓力機的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。

曲柄式壓力機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品價格低，性能穩(wěn)定。但是機械式主傳動系統(tǒng)的缺點也是顯而易見的，其運動特性單一，加工工藝范圍窄，沖壓頻率低，噪聲大。而且離合器與制動器機構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但缺點是摩擦片損耗快，污染性強，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、制動器機構(gòu)的能量傳遞效率低，空載能耗高。

■表1 國內(nèi)曲柄式數(shù)控壓力機的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

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

肘桿式傳動方式

肘桿式傳動機構(gòu)是一種簡單的多連桿機構(gòu)，與曲柄連桿機構(gòu)相比，即在曲柄連桿上增加了幾個構(gòu)件，從而增加了機構(gòu)工作特性的可變因素。可以通過調(diào)整或改變?nèi)魏我粭U的長度或曲柄和擺桿鉸銷之間的距離，改變該機構(gòu)的動力和運動特性，具有工作特性優(yōu)良、增力比大的優(yōu)點。圖2所示為幾種不同的肘桿式機構(gòu)的原理圖。

圖2 三種不同肘桿式機構(gòu)的原理圖

肘桿式壓力機的工作區(qū)域比普通曲柄連桿壓力機的工作區(qū)域長，在整個工作區(qū)域內(nèi)能實現(xiàn)滿負(fù)荷沖壓，并且能夠適應(yīng)不同加工工藝的需求。肘桿式壓力機不僅能夠?qū)崿F(xiàn)很理想的滑塊運動曲線，以及較大的增力特性，更重要的是能夠大大降低伺服電機的輸出扭矩，從而避免大功率伺服電機存在的成本高、耗能高、伺服控制困難等問題。根據(jù)肘桿結(jié)構(gòu)的不同，可分為等長肘桿型和三角肘桿型。圖3所示為日本小松公司H1F系列伺服壓力機傳動結(jié)構(gòu)，是典型的三角肘桿機構(gòu)，伺服電機通過一級皮帶和一對齒輪減速后由肘桿機構(gòu)驅(qū)動滑塊實現(xiàn)加工運動。

圖3 小松H1F伺服壓力機傳動結(jié)構(gòu)

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

⑴根據(jù)不同的工藝要求，設(shè)計不同的桿長和三角肘桿夾角，實現(xiàn)最理想的滑塊運動曲線，獲得足夠長的工作區(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，減小振動和沖擊，使機器工作穩(wěn)定、噪聲降低，同時提高模具壽命。

⑶用較小的曲柄半徑就可獲得較大的滑塊行程，擴(kuò)大了壓力機的加工范圍，有利于減小壓力機的結(jié)構(gòu)尺寸和提高壓力機的結(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的輸出扭矩，有利于減小伺服電機的容量，提高壓力機噸位。

液壓式傳動方式

20世紀(jì)90年代以來，液壓式回轉(zhuǎn)頭壓力機主傳動部件被越來越多地采用，至今仍然是數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機的主流配置，與機械式主傳動相比，油缸取代了曲軸連桿等機械結(jié)構(gòu)，液壓站提供動力，兩者由主液壓閥塊連接，通過專門的電子卡程序化控制整個系統(tǒng)的動作。

采用液壓系統(tǒng)之后，其顯著的特點是：

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位置，盡量減少沖頭行程，并通過參數(shù)優(yōu)化消除送料與沖壓的間歇時間，從而提高沖壓頻率。傳統(tǒng)機械式壓力機的滑塊運動規(guī)律呈V形曲線，速度和位置是固定不變的，而液壓數(shù)控壓力機的滑塊可實現(xiàn)快速下行、慢速沖壓、快速回程且可在任意位置停滯。傳統(tǒng)數(shù)控壓力機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。采用液壓傳動的數(shù)控壓力機通用性強，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，同時還適于沖壓各種材料和不同的板厚。

⑶結(jié)構(gòu)簡單，噪聲低。模具只需根據(jù)工藝本身的需要設(shè)計其結(jié)構(gòu)和選擇最佳的行程；同時，采用液壓傳動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)控壓力機與傳統(tǒng)的機械式壓力機相比，還具有以下優(yōu)點：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；液壓傳動簡單，不需飛輪、曲柄連桿機構(gòu)、離合器和制動器等復(fù)雜構(gòu)件，運動部件少，減少了機械磨損；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)簡單，大大降低維修成本；可以通過調(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，簡單可靠。圖4所示為壓力機液壓系統(tǒng)原理圖。

圖4 壓力機液壓系統(tǒng)原理圖

相比傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)頭壓力機，液壓式壓力機在擁有眾多優(yōu)點的同時，也存在著一系列的缺點。首先，液壓式壓力機對環(huán)境要求較高，溫度太高或太低都會影響液壓油的性能，從而影響機床的正常工作。特別是溫度太低的話，在工作前需要預(yù)熱。其次，液壓系統(tǒng)的耗電量大，是各類數(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。在壓力機本身機構(gòu)之外，還需要液壓站等設(shè)備，一般來說液壓式壓力機占地面積都比較大。表3和表4分別為國內(nèi)和國外廠商生產(chǎn)研發(fā)的液壓式壓力機的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。

■ 表3 國內(nèi)液壓式數(shù)控壓力機的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

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

伺服直驅(qū)式傳動方式

近年來，隨著電機調(diào)速和伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以及直接驅(qū)動技術(shù)在機床技術(shù)當(dāng)中的廣泛應(yīng)用，采用伺服電機驅(qū)動主傳動系統(tǒng)的數(shù)控伺服壓力機，具有沖壓速度高、節(jié)能、低噪聲、無液壓油、環(huán)保等優(yōu)點，已成為國外著名廠商的技術(shù)發(fā)展重點，并相繼開發(fā)出擁有各自專利技術(shù)的產(chǎn)品。而且由于伺服電機具有調(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現(xiàn)啟動和頻繁正反轉(zhuǎn)，實現(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Trumpf公司均已推出由伺服電機直接驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床并且性能方面都已達(dá)到了一個新的高度。表5所示為國外伺服驅(qū)動式壓力機的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。

■ 表5 國外伺服驅(qū)動式壓力機的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

圖5 雙電機直驅(qū)式曲柄連桿主工作機構(gòu)

經(jīng)過國內(nèi)外近年來的研究和發(fā)展，目前伺服電機直接驅(qū)動式的主傳動結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：一是在傳統(tǒng)機械式主傳動的基礎(chǔ)上，將伺服電機直接與曲軸相連，省去飛輪、離合器與制動器；二是伺服電機通過絲杠傳動副與曲柄肘桿機構(gòu)相連；三是單伺服電機滑枕驅(qū)動方式，還有雙伺服電機驅(qū)動絲杠螺母結(jié)構(gòu)形式。

圖5為雙伺服電機直接與曲柄相連的結(jié)構(gòu)簡圖。將兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運轉(zhuǎn)，保證對曲軸有足夠的扭矩輸出，同時可以獲得很高的沖壓頻率。主軸的偏心部分位于軸的中部，此處與連桿通過滑動軸承連接。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箱和電機機箱中。主軸兩側(cè)與伺服電機的轉(zhuǎn)子通過鋁制花鍵套相連，使得整個結(jié)構(gòu)非常緊湊。采用鋁制套有利于內(nèi)部磁場分布，也利于減小轉(zhuǎn)動慣量。

直驅(qū)式是近年來在各個領(lǐng)域不斷發(fā)展起來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)典機構(gòu)沖壓系統(tǒng)，可以很方便地改變執(zhí)行元件的運動方向和速度等。該沖壓系統(tǒng)最大的特點是充分發(fā)揮交流伺服電機的特性，把所有的控制問題都轉(zhuǎn)化到對交流伺服電機的控制上，可以很方便地實現(xiàn)計算機控制，在自動控制方面具有很強的適應(yīng)性。相比較而言，直驅(qū)式壓力機具有以下優(yōu)勢：

⑴結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高。取消偏心軸、連桿、導(dǎo)向等機構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了機械加工成本。通過電機控制，反饋系數(shù)調(diào)整簡單可靠。由于直驅(qū)式?jīng)_壓系統(tǒng)控制的根本就是伺服電機的控制，因此可以使用伺服電機控制策略的優(yōu)秀成果來改善沖壓機的靜、動態(tài)性能。伺服電機驅(qū)動式壓力機傳動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、加速度和死點位置，適合各種沖壓工藝和模具類型。并且可以通過優(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)的機械式主傳動機構(gòu)在工作過程中，需要飛輪存儲能量進(jìn)行沖壓，而對于伺服電機驅(qū)動式主傳動，能量無需存儲，伺服電機也不需要一直旋轉(zhuǎn)，僅在沖壓時啟動并提供所需能量。另外，由于取消了飛輪、離合器與制動器，使結(jié)構(gòu)簡化，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信號輸出功能，該信號是與沖頭位移成正比的直流電壓信號，可明確給出沖頭的運動狀態(tài)。且該信號不受電機運送狀態(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，延長使用壽命。由于保壓成形工藝的要求，電動潤滑泵滑塊在沖擊材料時，需要在某一位置稍作停留，這是伺服電機可以實現(xiàn)的。恰恰由于停留的這段時間，伺服電機驅(qū)動式主傳動機構(gòu)在突然卸載時儲存的彈性變形能不至于過大，降噪的效果由此得以體現(xiàn)。由于降低了撞擊對設(shè)備的損耗，所以延長了設(shè)備的使用壽命。

結(jié)束語

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

伺服直驅(qū)式傳動方式的關(guān)鍵在于大扭矩、低轉(zhuǎn)速、大容量伺服電機的設(shè)計和控制技術(shù)。在跟蹤和研究國外先進(jìn)伺服沖壓技術(shù)的同時，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)動高端高速精密板材沖壓加工中心的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)高速沖壓大功率交流伺服電機驅(qū)動控制系統(tǒng)和高性能配套裝置以及沖壓工藝自動編程系統(tǒng)，建立高端高速精密板材沖壓集成技術(shù)設(shè)計、控制方法和制造工藝，制定其設(shè)計、制造、檢測等技術(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)。