CN101052482A - 金属板弯曲成型机工作单元位移运动*** - Google Patents

Abstract

用来使金属薄板弯曲和成形的弯曲机包括具有“C”形横截面的刀片架单元(10)，该刀片架单元可沿着两个相互垂直的方向相对于固定床移动，一个或多个弯曲刀片固定在刀片架单元上。该机器包括用于驱动工作单元的运动学***，其中伺服马达(15，21，22)和行星减速齿轮用于移动刀片架单元(10)。此外，弯曲机的刀片架单元(10)使用由两个机械单元(13，14)组成的铰接机构，该两个机械单元形成封闭的运动链，该运动链具有由五个运动学回转副连接的五个元件。

Description

金属板弯曲成型机工作单元位移运动***

技术领域

本发明涉及一种用于先驱弯曲机工作单元的运动学移动***，先驱弯曲机是用于弯曲和成形金属薄板的自动机械。

该运动学***的特征在于电致动和主运动的特殊运动学驱动，主运动的特殊运动学驱动在严格意义上说是造成弯曲的原因，从而使其不同于目前生产的具有液压致动的机器。

本发明的***可以应用于小型弯曲机，就重量和尺寸而言，小型弯曲机能装配在一集装箱中，没有嘈杂且笨重的液压控制单元，由于它不需要加满大量的矿物油，所以其在生态学上有优势，且比目前的机器更快更可靠，生产成本更低。

本发明可以应用在用于弯曲金属薄板的弯曲机和工业弯曲机的生产中。

背景技术

已知与生产金属薄板产品相关的产业使用弯曲机，其允许以完全自动且受控的方式在单片金属薄板上进行一系列弯曲，以便获得成品，如炊具盖或搁板。

还知道用于弯曲金属薄板的弯曲机通常包括：

支撑待弯曲的材料如金属薄板的固定床；

夹紧式压力机的支撑框架；

冲头，其是压力机的一部分，以及相应的反向冲头，其充当在弯曲阶段期间夹紧材料的装置；

能朝着被加工的材料移动的一个或多个弯曲刀片；

合适的运动学运动机构，用来使所述一个或多个弯曲刀片沿着固定床移动以使夹在冲头和反向冲头之间的部件成形；

用于在工作条件中使金属薄板或成型件朝着刀片移动的装置；

控制所述过程的各种类型的信号转换器或传感器，它们与控制生产过程的电子单元相连。

申请人在此地市场上交易的上述已知类型的弯曲机包括具有“C”形横截面的刀片架构件，刀片架构件可沿着两个相互垂直的方向相对于固定床移动，(多个)弯曲刀片固定在刀片架构件上。

能用已知自动弯曲机获得的弯曲的外形不仅仅是能用手动弯曲机获得的典型的角度固定的外形，通过对金属薄板的定位和施加在其上的压力同时进行控制，能获得辐射状外形。

当长度或专用工具改变时，在弯曲循环中使用传统刀片特别是工具和冲模也使得能在不需要操作者干涉的情况下形成特殊外形。

如同传统构造观念的情况，刀片由安装在主框架上的承重C形构件支撑，所述单元包括两个刀片：上面的刀片用于负弯曲(向下)，下面的刀片用于正弯曲(向上)。

***控制金属薄板的角度和厚度的大小，通过比例阀调节刀片的位置。所有运动都由比例控制液压缸实现。专门的机构保证弯曲单元运动的平行性。

压力机工具安装在具有四个臂的电焊构件上，铰接在主框架的后部。

C形构件和工具的运动由液压缸控制，通过控制单元使液压缸按程序工作以便在所有的弯曲阶段期间都获得最高程度的精度。

象市场上存在的其它弯曲机那样，传统的液压弯曲机配备有运动学构件，其确定并控制刀片架单元的运动。

该构件有时可以是五连杆机构类型的，其由具有五个元件的封闭运动链构成，该五个元件通过五个运动副相连。

然而，使用传统的五连杆机构类型的运动链是为了提供具有扭转刚度从而不具有特定机械功能的机器；另外，五连杆机构类型不由框架曲柄致动。

图1表示用于移动刀片架单元P的传统***的运动***图。

参考该图，字母A、D、L和G表示框架固定转矩点，元件绕这些框架固定转矩点旋转，而字母B、C、E、F和H表示回转联接部，其使得元件在相对运动中具有旋转自由度。

在这种机器中，不是通过框架曲柄而是通过液压缸致动五连杆机构，并且五连杆机构不存在任何奇点组合。

因而，就任何范围和目的来说，这都是一种存在某些结构和功能限制的机构，例如：

因为整个运动学***由液压类型的回路和部件驱动，所以机器噪声非常大；

它使用相当大量的油来驱动非常复杂的液压回路；

为了整个复杂的液压***的机能，它使用相当大量的电力；

因而，在噪音和油与电的消耗方面，机器对环境有极其负面的影响。

对传统弯曲机进行的专门分析还显现出不能用电力控制用于弯曲金属薄板的常见机构，因为关于框架曲柄的工具的灵敏度系数太高。

因而，传统弯曲机的这些高灵敏度系数不能对可在市场上获得的减速马达(无电刷马达+行星减速齿轮)提供的转矩提供所需的放大，因而用于已知运动学***的唯一类型的驱动是液压的。

由于执行的运动规律，所以不能使用其它类型的马达；其它的减速单元(普通的齿轮传动链)与机器的重量和尺寸不相适应。

另一个问题是机器的精度不确定，这是由于在已知机器中通过两组液压缸实现两个同步运动，该两个同步运动能确定工具的轨线，由于这两组液压缸的位置，这两组液压缸不是完全独立地负责工具的水平和垂直运动。

换句话说，负责刀片架单元水平运动的液压缸也产生不必要的垂直运动，以同样的方式，负责垂直运动的液压缸也产生水平运动。

这是由于液压缸的定位相对于彼此不成直角，它们也没有相对于框架形成固定的角度。

发明内容

本发明打算提供一种驱动弯曲机的工作单元的运动学***，其能消除或至少减少上述缺点。

本发明首先打算提供一种驱动弯曲机的新概念的工作单元的运动学***，其预见用伺服马达和行星减速齿轮而不是传统的液压致动器来移动刀片架单元。

伺服马达和减速单元实际上使得能确切地获得比液压***更高的性能水平，还确保了不断传递的转矩，而这是不能用液压***获得的，液压***使用蓄压器，因而其压力在弯曲过程中必然缓慢降低。

由于其行为模式固有的直线性，伺服电动机允许用先进的控制模式实现自由定义的轨线和内插，并且在位置和速度方面实际上没有误差；这种性能水平不可能用受比例阀控制的液压***获得，这是由于流体引起的非直线性和该驱动的通带减少得更多。

这些优点由用于驱动弯曲机工作单元的运动学***实现，其特征在主要的权利要求中描述。

正被讨论的方案的从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

该方案的主要优点首先涉及弯曲机的刀片架单元使用铰接机构，该铰接机构确定地是一种变速机构。

这意味着，在驱动速度相同的情况下，能在关闭/打开之前的几秒钟内使用非常低的速度，在压力机行程的其余部分中果断地使用较高的速度。

这还允许进一步减少循环时间，从而提高机器性能。

机器由合适的电控单元电致动，并采用独创的机构来移动弯曲刀片，其能将转矩放大得足以在工具上产生一个力，该力是弯曲出按机器说明书所述厚度和长度所需的。

组成机构的铰接***在运动学术语上被认为是平面机构，这是这样一种机构，其中元件以平面运动的方式运动，回转副的轴线彼此平行且与运动平面成直角。

从拓扑学的观点(元件的数量和联接的类型)，该封闭的运动链具有由五个运动学回转副连接的五个元件。

这些元件之一是机器的框架，该运动链具有两个实际的自由度，也就是说它允许两个独立的马达。选择两个框架曲柄作为马达元件。

从几何学的观点，该机构：

具有必需的工作空间以便弯曲刀片在申请人预见的范围中正确运动；

在机构使金属薄板弯曲的构造附近，提供了特殊的几何构造(在运动的运动学反向的情况下，与运动学奇点的条件相应)，其足以产生所需的转矩放大；这些构造中的两个与所谓的正弯曲和负弯曲相对应。

能观察到，本发明的机构使得在上述两个构造附近处于双运动学奇点的条件中(涉及反向运动)。

通过同时使第一马达曲柄与第一连杆排成直线和使第二马达曲柄与第二连杆排成直线来实现该双奇点。

这个原理与元件的几何尺寸或框架运动副的位置无关，即使似乎很明显，放大效果在某种程度上取决于这些尺寸和取决于机器的工作空间。

由于通过具有两个自由度的铰接***使本发明机器的刀片移动，铰接***存在明显的运动学非直线性，所以使得特征在于定义明确的弯曲轨线的弯曲刀片运动成为可能，且可通过非迭代类型的专用的独创反向运动学算法给该弯曲刀片运动编程。该算法被嵌入数控装置中或用作预处理器，使得能实现定义明确的轨线，该轨线具有已经在其它成果中使用的内插轴线，如典型的环形内插法。

特别地，以合适的方式将机器人技术领域中典型的方法和算法应用于机床，以便允许通过除工具座标之外的变量进行彼此不垂直但彼此无关的运动控制。

该算法精确地而不是近似地确定了运动规律，该运动规律与所需的工具轨线相应，与在液压弯曲机中出现的情况不同，在液压弯曲机中，轨线传统上被设定在不同于笛卡儿空间的致动器空间中，因而与控制器质量近似地无关。

该算法以非迭代的方式解决了位置运动学，从而具有零误差。

根据本发明，反向运动学算法包括两个封闭的联动装置的连续解答，每个解答都与具有两个未知量的两个非线性闭方程相应。

非迭代方案通过几何类型的因素进行。

该反向运动学算法与对电轴起作用的控制器的高精度结合，使得能实现除了圆形轨线之外的具有特定特征和用途的特定轨线。

特别地，根据本发明的机器可以预见，使用与已知方案不同的新的独创的弯曲轨线允许弯曲刀片在金属薄板上转动而不滑动。

该轨线在处理具有保护膜的材料时是特别有用的，因为它防止膜被划破和随之对金属薄板的伤害。

在这种情况下，刀片和金属薄板象两个共轭齿廓那样运转，最后得到的轨线是一种圆形渐开线。能观察到，通过在刀片和金属薄板之间算术地施加非滑动约束，在事实上确定了轨线的两个自由(或广义)座标之间实现了结合。

由本发明的机器加工的半成品零件的质量优秀，与之前的机器相比其由安静得多的机器实现，并且由于液压回路简单得多，所以使用的油的数量减少。

由于它的噪音较小且使用少得多的油，所以相对于已知的背景技术的方案，新机器对环境的影响完全不同。

附图说明

通过结合附图阅读下面对本发明一个作为无约束力的例子给出的实施例的说明，本发明的其它特征和优点将变得很明显，其中：

图1表示传统类型的弯曲机的示意侧视图；

图2表示本发明运动学***的普通模型的三维示意图，运动学***驱动弯曲机的刀片架单元；

图3是以平面图表示的同一运动学模型的示意图，表示联动装置的轨线线路；

图4到6表示刀片架驱动单元的运动学模型的图；

图7是本发明的机器中的弯曲轨线发生***的框图；

图8和9表示在第一和第二工作阶段中刀片在待弯曲的金属薄板上的轨线的示意图；

图10和11分别以示意图和框图的形式以解析形式表示本发明弯曲机的反向运动学***的计算步骤。

具体实施方式

首先参考图1，可以注意到刀片架单元P的所述驱动方法，液压驱动***用致动器使刀片架单元P移动，它的点A、D、L和G指的是固定框架转矩点，元件绕固定框架转矩点旋转，而B、C、E、F和H表示回转联接部，其使得元件在相对运动中具有旋转自由度。该***存在上面提到的所有问题，本发明打算解决这些问题。

参考图2，本发明的弯曲机改为配有刀片架单元10，其用伺服马达和行星减速齿轮而不是传统的液压致动器来控制刀片架单元的运动。

从结构的观点，刀片架单元的后部与多个支撑件11成一整体，而底座12固定在其下部上。依靠分别由13和14表示的两个机械单元，支撑件11和底座12被卷入特定的运动学***的动作中，其链具有两个实际的自由度。

组成该机构的铰接***在运动学上被认为是一平面机构，平面机构是这样的一种机构，其中元件以平面运动的方式移动，回转副的轴线彼此平行且与运动平面成直角。

从拓扑学的观点，即元件的数量和联接的类型，其是具有由五个运动学回转副连接的五个元件的封闭运动链。

这些元件之一是机器的框架，该运动链具有两个实际的自由度，也就是说它允许两个独立的马达，每个马达都安装在相应的机械单元上。

第一独立伺服马达15是第一机械单元13的一部分，曲柄16安装到第一独立伺服马达上，并与连杆17相连，连杆17的另一端铰接到杆18。

该杆18配备有轴19上的枢轴点，而其与与连杆17的联接点相反的另一端分支成一系列元件18a和18b，元件18a和18b与同样数量的销20a和20b相联，销20a和20b位于与刀片架单元10成一整体的支撑件11的端部上。

第二机械单元14包括两个伺服马达21和22，伺服马达21和22驱动相应的曲柄23和24，曲柄23和24又铰接到相应的连杆25和26，连杆25和26的另一端与刀片架单元10的底座12相连。

应该注意，在结构上，所有曲柄都能由具有相同功能的偏心件代替，并且选择两个框架曲柄作为马达元件。

从几何学的观点，该机构：

具有必需的工作空间以便弯曲刀片在申请人预见的范围中正确运动；

在机构使金属薄板弯曲的构造附近，提供了特殊的几何构造(在运动的运动学反向的情况下，与运动学奇点的条件相应)，其足以产生所需的转矩放大。这些构造中的两个与所谓的正弯曲和负弯曲相对应。

能观察到，该机构使得在上述两个构造附近处于双运动学奇点的条件中(涉及反向运动)。

通过同时使第一马达曲柄23、24与第一连杆25、26排成直线和使第二马达曲柄16与第二连杆17排成直线来实现该双奇点。

图3表示联动装置的轨线，特别地，标记Z表示下面的运动学连接：

Z1-第一联动装置在马达21、22和连杆25、26之间的曲柄23、24；

Z2-第一联动装置的连杆25、26的轨线；

Z3-第一联动装置在连杆25、26和刀片架单元10的铰接点与杆18的铰接点20之间的轨线；

Z4-第一联动装置在杆18的铰接点20与该杆的枢轴点19之间的轨线；

ZB1-第二联动装置在杆18的枢轴点19和一铰接点之间的轨线，该铰接点处于曲柄18和连杆17之间；

ZB2-第二联动装置在曲柄18和连杆17的铰接点与连杆17和曲柄16的铰接点之间的轨线；

ZB3-第二联动装置在连杆17和曲柄16的铰接点与马达15的轴的轴线之间的轨线。

示意图4和5表示元件的位置，其由向量表示，其在弯曲构造的附近引起机构的双奇点。

特别地，图4表示处于正弯曲的开始的第一单独构造，而图5表示处于负弯曲的开始的第一单独构造。

图6表示曲柄16和连杆17的第二单独构造：正或负弯曲从细虚线开始并在长实线结束。

还应该指出，这个原理与元件的几何尺寸或框架运动副的位置无关，即使似乎很明显，放大效果在某种程度上取决于这些尺寸和取决于机器的工作空间。

由于通过具有两个自由度的铰接***使本发明机器的刀片移动，铰接***存在明显的运动学非直线性，所以使得特征在于定义明确的弯曲轨线的弯曲刀片运动成为可能，且可通过非迭代类型的专用的独创反向运动学算法给该弯曲刀片运动编程。该算法被嵌入数控装置中或用作预处理器，使得能实现定义明确的轨线，该轨线具有内插轴线，如典型的环形内插法。

如能在图8和9中看到的，示出了特别的新弯曲轨线，其允许弯曲刀片在金属薄板上转动而不滑动。该轨线在处理具有保护膜的材料时是特别有用的，因为它防止膜被划破和随之对金属薄板的伤害。

图8中的标记X1表示待弯曲金属薄板的端部与支撑件之间的初始间隙，而X2表示刀片的半径。

在图9中，X3表示该间隙，X4表示弯曲角度。

刀片和金属薄板象两个共轭齿廓那样运转，最后得到的轨线是一种圆形渐开线。能观察到，通过在刀片和金属薄板之间算术地施加非滑动约束，在事实上确定了轨线的两个自由座标之间实现了结合。

所述运动学运动导致许多优点，最明显的是，伺服马达和减速单元使得能确切地获得比液压***更高的性能水平，还确保了不断传递的转矩，而这是不能用液压***获得的，液压***使用蓄压器，因而其压力在弯曲过程中必然缓慢降低。

另外，由本发明的机器加工的半成品零件的质量优秀，与之前的机器相比其由安静得多的机器实现，并且由于液压回路简单得多，所以使用的油的数量减少。

由于它的噪音较小且使用少得多的油，所以相对于已知的背景技术的方案，新机器对环境的影响完全不同。

图7是关于弯曲机控制程序的框图。特别地，该框图使得能确定数学运算方法，该数学运算方法用来设定刀片在待弯曲金属薄板上回转但不滑动的条件。

上面参考优选实施例描述了本发明，但很明显，在技术等价方案的框架内，容易对本发明进行许多改变。

Claims (12)

1.一种用于驱动弯曲机工作单元的运动学***，所述弯曲机用来使金属薄板弯曲和成形，所述弯曲机包括具有“C”形横截面的刀片架单元(10)，该刀片架单元可沿着两个相互垂直的方向相对于固定床移动，所述刀片架单元配备有一个或多个弯曲刀片，其特征在于：

伺服马达(15，21，22)和行星减速齿轮用于移动刀片架单元(10)；

刀片架单元(10)使用由两个机械单元(13，14)组成的铰接机构，该两个机械单元形成封闭的运动链，该运动链具有由五个运动学回转副连接的五个元件。

2.如权利要求1所述的运动学***，其特征在于第一机械单元(13)包括独立的伺服马达(15)，其配备有曲柄(16)，所述曲柄又与连杆(17)相连，所述连杆的另一端铰接到杆(18)，杆(18)配备有轴(19)上的枢轴点，而其与与连杆(17)的联接点相反的端部与若干销(20)相联，销(20)位于与刀片架单元(10)成一整体的支撑件(11)的端部上。

3.如前述权利要求中任一个所述的运动学***，其特征在于第二机械单元(14)包括两个伺服马达(21，22)，该两个伺服马达驱动相应的曲柄(23，24)，所述曲柄又铰接到相应的连杆(25，26)，连杆(25，26)的另一端与刀片架单元(10)的底座(12)相连。

4.如前述权利要求中任一个所述的运动学***，其特征在于在机构使金属薄板弯曲的构造附近，铰接机构(13，14)提供了与反向运动相关的特殊几何构造，其与运动学奇点的条件相应，以便产生必需的转矩放大。

5.如权利要求4所述的运动学***，其特征在于有铰接机构的两个这种构造，它们与所谓的正弯曲和负弯曲相对应。

6.如权利要求4或5所述的运动学***，其特征在于所述机构在上述两个构造附近处于与反向运动相关的双运动学奇点的条件中。

7.如权利要求6所述的运动学***，其特征在于通过同时使第一马达曲柄(21，22)与第一连杆(25，26)排成直线和使第二马达曲柄(16)与第二连杆(17)排成直线来实现该双奇点。

8.如前述权利要求中任一个所述的运动学***，其特征在于它包括用于控制各机械单元相应运动的中央电控单元，且该控制单元执行反向运动学算法，该算法允许工具在金属薄板上转动而不在其上滑动。

9.如权利要求1到7中任一个所述的运动学***，其特征在于它包括用于控制各机械单元相应运动的中央电控单元，且该控制单元执行反向运动学算法，该算法使得能精确地确定工具的轨线。

10.如权利要求9所述的运动学***，其特征在于这些反向运动学算法是非迭代类型的。

11.一种用来使金属薄板弯曲和成形的弯曲机，所述弯曲机包括具有“C”形横截面的刀片架单元(10)，该刀片架单元可沿着两个相互垂直的方向相对于固定床移动，一个或多个弯曲刀片固定在所述刀片架单元上，其特征在于它包括用于驱动工作单元的运动学***，其中伺服马达(15，21，22)和行星减速齿轮用于移动刀片架单元(10)，和其中该刀片架单元(10)使用由两个机械单元(13，14)组成的铰接机构，该两个机械单元形成封闭的运动链，该运动链具有由五个运动学回转副连接的五个元件。

12.如权利要求11所述的弯曲机，其特征在于它包括如权利要求1到10中任一个所述的用于驱动工作单元的运动学***。

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