CN101786133A - 四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机 - Google Patents

四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机 Download PDF

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Abstract

一种锻压机械技术领域的四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机，包括：机架、直线驱动机构、并联机构、肘杆机构和冲压滑块，所述的直线驱动机构为结构相同的两组，所述的并联机构为二自由度并联机构，两组直线驱动机构分别与二自由度并联机构连接，肘杆机构分别与二自由度并联机构和冲压滑块连接，机架套接于驱动机构和冲压滑块的外侧。本发明结构简单、控制容易，制造成本低，能够很好解决现有伺服压力机受滚珠丝杠承载能力和伺服电机功率及输出扭矩较小的限制而无法构建大吨位的伺服压力机的问题。

Description

四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机
技术领域
本发明涉及的是一种锻压机械技术领域的装置，具体是一种四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机。
背景技术
压力机是金属成形加工领域中广泛使用的锻压设备，品种和数量繁多，其中以机械压力机应用最为广泛。现代制造技术的发展要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便地改变输出运动规律。传统的机械压力机运动特性单一、工艺适用性差。近年来随着交流伺服电机驱动成形装备技术的逐步发展，出现了滑块运动曲线可调的各种交流伺服驱动压力机，使得压力机的工作性能和工艺适用性大大提高，设备朝着柔性化、智能化的方向发展。
普通机械压力机一般采用各种不同的机械传动机构获得工艺所需的滑块运动规律，以满足不同的工艺要求。传统的机械压力机通过选择适当的执行机构及其构件的尺寸，得到一些满足冲压工艺要求的典型运动规律，但一种结构方案无法满足多种典型运动规律的要求。虽然采用偏置曲柄滑块机构、多连杆机构、非圆齿轮机构等可以部分改变某种驱动机构的滑块运动规律，但当各杆件的尺寸参数确定后，滑块的运动特性也随之确定，因而不具有柔性，难以用于不同的冲压工艺。将交流伺服电动机应用于机械压力机的研究始于上世纪90年代美国俄亥俄州立大学工程研究中心，该中心S.Yossifon and R.Shivpuri提出了由交流伺服电动机驱动滚珠丝杠或曲柄，通过多杆机构将运动转化为滑块所需的运动它能极方便地改变滑块的运动曲线，获得不同的工件变形速度，适用于不同的冲压工艺，保证冲压件的质量。之后，交流伺服电动机应用于机械压力机的研究迅速发展，日本、加拿大等国均进行了深入的研究，日本小松和会田等公司分别开发了各自的交流伺服电动机驱动型压力机。其中，日本著名的压力机生产厂商komatsu公司将其称为具有“free motion”的压力机，通过编制不同的程序实现工艺所需的各种运动曲线，已研发出3代不同的产品：1998年的HCP3000，2001年的H2F、H4F系列和2002年的H1F系列。交流伺服电机驱动压力机是成形装备发展的新动向，是设备柔性化发展的必然趋势。
由于交流伺服电机驱动压力机没有飞轮储蓄能量克服锻压工件时需要的成形压力，为达到所需的公称压力值，往往通过多连杆机构等传动机构可以实现一定的增力作用。受滚珠丝杠承载能力和伺服电机功率和输出扭矩较小的限制，虽然肘杆机构具有大的增力比，但难以构建大吨位的压力机。
经过对现有技术的检索发现，komatsu公司的HCP3000，伺服电动机通过皮带等传动机构驱动滚珠丝杠，通过螺母直接带动冲压滑块，其公称压力仅达到800kN，由两台12kW伺服电机驱动。komatsu公司的H1F200，伺服电动机通过皮带或齿轮等传动机构驱动曲柄，再通过多连杆机构驱动冲压滑块，其公称压力达到2000kN，由一台52kW伺服电机驱动。komatsu公司的H2F300，伺服电动机通过皮带或齿轮等传动机构驱动滚珠丝杠，再通过多连杆机构驱动冲压滑块，其公称压力达到3000kN，由两台100kW伺服电机驱动。
考察现有的伺服压力机驱动机构可以发现，从机构学的角度来看，上述压力机的传动机构都为单自由度的串联机构，伺服电机以旋转(曲柄)或移动(滚珠丝杠)方式直接或通过执行机构(多连杆机构)驱动冲压滑块。单自由度机构实现确定运动的原则是应用一台伺服电动机驱动。有的伺服压力机驱动机构采用两个伺服电机冗余驱动，但这两个伺服电机必须保证时时同步，以避免输入不同步造成的运动干涉。这样虽然可以增加输入功率，增大压机的成形压力，却增加了控制策略的难度，并且控制的稳定性变差，任一个输入误差都会造成驱动机构无法正常工作甚至发生损坏。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机，在伺服电机和多连杆机构之间增加一个并联驱动机构，以伺服电机驱动滚珠丝杠带动滑块(移动副)为输入，采用并联机构协调多个滑块的运动，并联机构的输出则为单自由度的滑块直线运动，再驱动具有增力作用的多连杆机构，最后带动冲压滑块工作。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机架、直线驱动机构、并联机构、肘杆机构和冲压滑块，其中：所述的直线驱动机构为结构相同的两组，所述的并联机构为二自由度并联机构，两组直线驱动机构分别与二自由度并联机构连接，肘杆机构分别与二自由度并联机构和冲压滑块连接，机架套接于驱动机构和冲压滑块的外侧；
所述的直线驱动机构包括：两个伺服电机、两个驱动丝杠、一个机械协调装置和一个驱动滑块，其中：伺服电机与驱动丝杠固定连接，驱动滑块和机械协调装置分别平行套接于两个驱动丝杠上；
所述的二自由度并联机构包括：两个复合支链和一个动平台，其中：两个复合支链的一端分别与两个直线驱动机构的驱动滑块连接，另一端同时和动平台连接。
所述的复合支链是指：两根相同结构平行设置的传动杆。
所述的肘杆机构包括：对称设置于动平台的两侧的六根连杆和两个输入滑块，其中：三根连杆的一端共轴连接，三根连杆的另一端分别与一个输入滑块、机架和冲压滑块连接，输入滑块与动平台固定连接。
本发明采用的二自由度并联机构的输出动平台与对称肘杆机构的输入滑块之间通过水平移动副连接。对称肘杆机构的输入滑块只能沿垂直方向运动，通过具有增力作用的肘杆机构，驱动其公共输出端(冲压滑块)，从而实现冲压滑块的锻压加工动作。
本发明采用肘杆机构具有大的增力比，同时采用对称布置可提高抗偏载能力，减少冲压滑块对导轨的载荷，可以长期维持压力机的精度。同时，对称肘杆机构可以抵消公共输入端和输出端所受的水平侧向力，减少导轨的磨损和机架的变形。因此，本发明的并联驱动机构将来自于四台服电机的运动和转矩转化为单一输出，传递、合成于冲压滑块上，使整个驱动***输出更大的成形压力，由于具有运动容错功能使得控制难度相对降低，并且可通过控制伺服电机的运动以实现不同的锻压工艺。
本发明结构简单、控制容易，制造成本低，能够很好解决现有伺服压力机受滚珠丝杠承载能力和伺服电机功率及输出扭矩较小的限制而无法构建大吨位的伺服压力机的问题。目前国内外尚未见到类似于本发明四电机并联驱动伺服压力机的文献报道。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明直线驱动机构示意图。
图3为本发明结构剖面示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：机架1、第一直线驱动机构2、第一导轨3、并联机构4、第三导轨5、肘杆机构6、第四导轨7、冲压滑块8、第二导轨9、第二直线驱动机构10，其中：第一直线驱动机构2、第二直线驱动机构10的输出端分别作为并联机构4的输入端，并联机构4的输出端和肘杆机构6的输入端之间采用移动副连接，冲压滑块8作为肘杆机构6的输出端，机架1套接于上述驱动机构和冲压滑块的外侧。
如图2所示，所述的直线驱动机构2和10具有相同的结构，包括：第一伺服电机11、第二伺服电机18、第一驱动丝杠12及其配套螺母14、第二驱动丝杠17及其配套螺母16、一个机械协调装置13和一个驱动滑块15，其中：第一驱动丝杠12和第二驱动丝杠17的两端分别与第一伺服电机11、第二伺服电机18和机架1相连接，两个配套螺母14、16的两端分别与驱动滑块15和机械协调装置13连接。
如图3所示，所述的并联机构4包括：由两个相同传动杆19构成的第一复合支链、由两个相同传动杆28构成的第二复合支链及输出动平台27，其中：第一复合支链的两端分别与第一直线驱动机构2的驱动滑块15和动平台27连接，第二复合支链的两端分别与第二直线驱动机构10的驱动滑块15和动平台27连接。
如图3所示，所述的肘杆机构6是指左右对称的六杆机构，其使用共同的输入端和输出端，包括第一连杆20、第二连杆21、第三连杆22、第四连杆23、第五连杆24和第六连杆25，输入滑块26和冲压滑块8(输出滑块)，其中：第一连杆20、第二连杆21和第三连杆22的一端用一公共转动副连接，另一端分别与输入滑块26、机架1和冲压滑块8连接，第四连杆23、第五连杆24和第六连杆25的一端用一公共转动副连接，另一端分别与冲压滑块8、输入滑块26和机架1连接。
本实施例的工作原理如下：四台伺服电机按设定运动规律转动，推动第一直线驱动机构2和第二直线驱动机构10的驱动滑块15，分别沿第一导轨3和第二导轨9运动，进而第一直线驱动机构2的驱动滑块15通过第一复合支链，第二直线驱动机构10的驱动滑块15通过第二复合支链，共同驱动动平台27运动，动平台27通过移动副驱动滑块26沿第三导轨5运动，然后滑块26驱动对称肘杆机构6，从而实现冲压滑块8沿第四导轨7进行上下运动的锻造动作。由此，来自于四台伺服电机的运动和力传递合成于冲压滑块上，完成锻压工作。

Claims (3)

1.一种四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机，包括：机架、直线驱动机构、并联机构、肘杆机构和冲压滑块，其特征在于：所述的直线驱动机构为结构相同的两组，所述的并联机构为二自由度并联机构，两组直线驱动机构分别与二自由度并联机构连接，肘杆机构分别与二自由度并联机构和冲压滑块连接，机架套接于驱动机构和冲压滑块的外侧；
所述的直线驱动机构包括：两个伺服电机、两个驱动丝杠、一个机械协调装置和一个驱动滑块，其中：伺服电机与驱动丝杠固定连接，驱动滑块和机械协调装置分别平行套接于两个驱动丝杠上；
所述的二自由度并联机构包括：两个复合支链和一个动平台，其中：两个复合支链的一端分别与两个直线驱动机构的驱动滑块连接，另一端同时和动平台连接。
2.根据权利要求1所述的四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机，其特征是，所述的复合支链是指：两根相同结构平行设置的传动杆。
3.根据权利要求1所述的四电机并联驱动机械多连杆伺服压力机，其特征是，所述的肘杆机构包括：对称设置于动平台的两侧的六根连杆和两个输入滑块，其中：三根连杆的一端共轴连接，三根连杆的另一端分别与一个输入滑块、机架和冲压滑块连接，输入滑块与动平台固定连接。
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