文／王菁華·濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動(dòng)系統(tǒng)淺析

文／王菁華·濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是對金屬板材進(jìn)行沖孔及成形加工的裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，至今已有近五十年的應(yīng)用和發(fā)展，廣泛適用于多品種、小批量的金屬板材加工行業(yè)。該類機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)包括床身、主傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤選模系統(tǒng)、送進(jìn)工作臺(tái)、控制系統(tǒng)等，其中，控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，從而使沖床動(dòng)作進(jìn)而加工零件。板件沿X、Y方向高速度準(zhǔn)確定位，并能任意選擇安裝在轉(zhuǎn)盤中的模具，按板材加工要求，通過編程，自動(dòng)加工出不同尺寸、形狀和孔距的孔；也能選用小沖模以步?jīng)_方式?jīng)_出大的圓孔、方孔、腰形孔及任何形狀的曲線輪廓；也可以完成某些特種工藝的加工，如百葉窗、淺拉伸、壓窩、翻孔、加強(qiáng)筋、步?jīng)_成形、步?jīng)_彎邊、光潔擠孔、壓印、標(biāo)志孔及備用孔等。

機(jī)械離合器、液壓動(dòng)力頭、伺服電機(jī)是當(dāng)今數(shù)控沖床的三大驅(qū)動(dòng)方式。最初的機(jī)械式主傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、飛輪、離合器與制動(dòng)器、曲軸、連桿和滑塊等組成，電機(jī)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)使滑塊垂直上下運(yùn)動(dòng)，下壓模具對金屬板料進(jìn)行沖孔，通過離合器與制動(dòng)器的結(jié)合與脫開，控制動(dòng)力扭矩的傳遞及滑塊動(dòng)作的起停。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，最早使用一種氣動(dòng)離合器與制動(dòng)器，雖然其結(jié)構(gòu)較為簡單，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，而且其工作頻率較低，噪聲大。上世紀(jì)八十年代，推出了液壓離合器與制動(dòng)器，它具有性能穩(wěn)定、噪聲低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，而且使用壽命比氣動(dòng)離合器與制動(dòng)器長得多，大大減少了停機(jī)時(shí)間，降低了維修費(fèi)用。

上世紀(jì)九十年代，液壓式主傳動(dòng)部件被越來越多地采用，已成為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主流配置，與機(jī)械式主傳動(dòng)相比，油缸取代了曲軸連桿等結(jié)構(gòu)，液壓站提供動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作，并由連接于油缸活塞桿上的電子傳感器實(shí)時(shí)測量和反饋，最終實(shí)現(xiàn)對沖頭位置、行程及速度的精確控制。

近年來，隨著大扭矩伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改良與推廣，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式主傳動(dòng)部件已被成功應(yīng)用于日本AMADA、MURATEC公司的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床產(chǎn)品中，由于其高速、高效、高精和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢明顯，國內(nèi)廠商也在競相研制和推出該類伺服主傳動(dòng)的產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)外伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式主傳動(dòng)的結(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、離合器及制動(dòng)器。如日本AMADA公司的EM系列雙伺服電機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)，是將兩臺(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)，保證了曲軸有足夠的扭矩輸出，同時(shí)可以獲得很高的沖壓頻率。

二是伺服電機(jī)通過絲杠傳動(dòng)副與曲柄肘桿機(jī)構(gòu)相連，如日本AMADA公司的AC單電機(jī)系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，但其利用曲柄肘桿機(jī)構(gòu)特有的增力特性，可以降低伺服電機(jī)的負(fù)載扭矩，并且曲柄旋轉(zhuǎn)一周，滑塊上下運(yùn)動(dòng)兩次，這樣能夠提高沖壓頻率，但仍不及前者。

此外，日本MURATEC公司也具有單伺服電機(jī)滑枕驅(qū)動(dòng)及采用全新碳纖維增強(qiáng)塑料的連桿機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)形式，后者實(shí)現(xiàn)了輕量化和高剛性；芬蘭FINN-POWER公司采用伺服電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)推塊及雙邊楔塊機(jī)構(gòu)，再推動(dòng)壓頭的傳動(dòng)形式；德國TRUMPF公司采用了雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)形式。

如上所述，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床具有沖壓速度高、節(jié)能、控制精度高、工藝性強(qiáng)、噪聲小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，代表了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展方向，已成為國外著名廠商的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)，并相繼開發(fā)出擁有各自專利技術(shù)的產(chǎn)品，作為主導(dǎo)機(jī)型推向國際市場，數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床將作為換代型產(chǎn)品，逐步成為金屬板材沖壓加工的主要裝備。國內(nèi)數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床技術(shù)發(fā)展相對滯后，與國外先進(jìn)水平相比有一定差距，但主要廠家也將其作為換代新產(chǎn)品競相研制，并有樣機(jī)相繼推出。

在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方面，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所（捷邁機(jī)械）進(jìn)行了持續(xù)深入的研究，不同于其他產(chǎn)品所采用的國外已有技術(shù)的主傳動(dòng)模式，創(chuàng)新提出了連桿長度可變的曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動(dòng)系統(tǒng)，形成了獨(dú)有的伺服主傳動(dòng)專利技術(shù)。

該專利技術(shù)的主傳動(dòng)采用數(shù)控伺服電機(jī)通過減速器與曲軸直連，驅(qū)動(dòng)連桿長度可變的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行的傳動(dòng)方式。將一種連桿長度可變的裝置，應(yīng)用于小偏心距的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，采用通用高速低扭矩伺服電機(jī)，在滿足數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床所需較大的模具提升及換位行程的同時(shí)，能夠通過較小的加工行程實(shí)現(xiàn)滿載荷沖壓及快速步?jīng)_等功能，在提高效率、降低能耗的同時(shí)，使得機(jī)床工況更為合理。

該技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動(dòng)，其不同于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的獨(dú)特性在于將主流的高性能、低成本的通用伺服電機(jī)與傳統(tǒng)的完善可靠的曲柄連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，并通過連桿長度可變的技術(shù)創(chuàng)新，解決了采用小慣量、低扭矩伺服電機(jī)取代高成本、大功率力矩電機(jī)的難題，實(shí)現(xiàn)了以伺服電機(jī)按照板厚、步距等參數(shù)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速并連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅提高了步?jīng)_速度，也避免了其他同類產(chǎn)品的伺服電機(jī)以間歇擺動(dòng)方式運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的額外損耗。

在該主傳動(dòng)系統(tǒng)支持下，轉(zhuǎn)塔沖床可按照沖壓工藝和模具類型，通過優(yōu)化程序來控制滑塊以適應(yīng)各種沖壓模式，如壓印、沖孔、成形等（圖1）。

縱觀數(shù)控沖床在行業(yè)中的發(fā)展，可以看出產(chǎn)品應(yīng)跟隨市場變化而不斷更新，并順應(yīng)當(dāng)下“創(chuàng)新、智能、綠色”的制造業(yè)主流，才能使產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用得以保持。目前，《中國制造2025》的發(fā)布成為整個(gè)制造業(yè)的焦點(diǎn)話題，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級已成共識(shí)，中國在從“制造大國到制造強(qiáng)國角色轉(zhuǎn)變”的道路上已經(jīng)邁出了第一步，鈑金加工設(shè)備制造商也應(yīng)緊跟行業(yè)發(fā)展步伐，以振興中國制造為己任，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)盛制造業(yè)的中國夢。