CN102172760B - 曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机 - Google Patents

Abstract

一种锻压机械技术领域的曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，包括：机架和并联机构，其中：机架设置于并联机构的外侧，所述的并联机构包括：四支曲柄输入运动支链、动平台、输出运动支链和冲压滑块，每支曲柄输入运动支链和输出运动支链的输出杆均以镜像对称且每边各两个的排布方式分别与动平台和冲压滑块铰接，动平台与输出运动支链铰接，铰接处的轴线均互相平行。本发明结构简单、控制容易，能够提供比现有伺服电机更大的功率及输出扭矩，能够构建大吨位的伺服压力机。

Description

曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机

技术领域

本发明涉及的是一种锻压机械技术领域的装置，具体是一种曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机。

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，是设备可控化发展的必然趋势。

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。如专利U.S.Patent 2006/0156933A1，Jan.20，2006发明一种滚珠丝杆驱动多级肘杆机构实现增力效果的伺服压力机，专利ZL200820030517.5和ZL200720042169.9也将肘杆机构应用于压力机中。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。

经过对现有技术专利文献的检索发现，《一种用于压力机的冲压滑块驱动装置》(Seto，Y.and Hirose，S.Ram driving device and press machine using same US Patent 5,832,816，Nov.10，1998)提出用两个伺服电机同步驱动一个水平放置的转动轴，用传动机构(如连杆机构、滚珠丝杆机构或凸轮机构等)将转动轴的水平运动转化成冲压滑块的垂直运动。

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。如采用两个伺服电机冗余驱动，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，提供一种曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，该装置结构简单、控制容易，能够提供比现有伺服电机更大的功率及输出扭矩，能够构建大吨位的伺服压力机。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机架和并联机构，其中：机架设置于并联机构的外侧。

所述的并联机构包括：四支相同的曲柄输入运动支链、动平台、输出运动支链和冲压滑块，其中：每支曲柄输入运动支链和输出运动支链的输出杆均以镜像对称且每边各两个的排布方式分别与动平台和冲压滑块铰接，动平台与输出运动支链铰接且所有铰链的轴线均互相平行。

所述的曲柄输入运动支链包括：伺服电机、曲柄和平行四边形复合主连杆组件，其中：伺服电机与曲柄连接，曲柄与平行四边形复合主连杆组件铰接。

所述的平行四边形复合主连杆组件包括：主连杆、从连杆、四个中间连杆和四个复合转动副，其中：第一复合转动副依次连接第一中间连杆、主连杆和第二中间连杆，第二复合转动副依次连接第一中间连杆的另一端、从连杆和第二中间连杆的另一端，第三复合转动副依次连接第三中间连杆的另一端、从连杆的另一端和第四中间连杆的另一端，第四复合转动副依次连接第三中间连杆、主连杆的另一端和第四中间连杆，四个复合转动副的轴线互相平行。

所述的输出运动支链包括：平行四边形复合从连杆组件和两套镜像对称的肘杆机构，其中：两套肘杆机构分别与平行四边形复合从连杆组件铰接。

所述的肘杆机构包括：四个连杆、一个横连杆、两个输出连杆，其中：第一连杆、第二连杆的一端与机架铰接，第三连杆、第四连杆的一端与平行四边形复合从连杆组件铰接，第一输出连杆、第二输出连杆的一端与冲压滑块铰接，第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一输出连杆和第二输出连杆的另一端与第一横连杆铰接。

所述的平行四边形复合从连杆组件包括：动平台连杆、滑块连杆、四个中间连杆和四个复合转动副，其中：第五复合转动副依次连接第五中间连杆、动平台连杆和第六中间连杆，第六复合转动副依次连接第五中间连杆的另一端、滑块连杆和第六中间连杆的另一端，第七复合转动副依次连接第七中间连杆的另一端、滑块连杆的另一端和第八中间连杆的另一端，第八复合转动副依次连接第七中间连杆、动平台连杆的另一端和第八中间连杆，四个复合转动副的轴线互相平行。

所述的机架上设有冲压滑块导轨。

本发明的工作原理如下：四支曲柄输入运动支链同时工作，其中的伺服电机按设定运动规律转动，通过曲柄推动平行四边形复合主连杆组件驱动动平台运动，动平台通过平行四边形复合从连杆组件驱动对称肘杆机构，从而实现冲压滑块沿冲压滑块导轨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。

所述的对称肘杆机构在冲压滑块接近下极限位置具有大的增力比，能够增大压力机的输出压力。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，能够长期维持压力机的精度。同时，对称肘杆机构能够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。

所述的并联机构为四自由度，该机构将来自于四台伺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。由于具有机械协调功能，当四个伺服电机有输入误差时不会发生运动干涉，使得控制难度相对降低，并且能够通过控制伺服电机的运动以实现不同的锻压工艺。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明的曲柄输入运动支链的平行四边形复合主连杆组件的结构示意图。

图3为本发明的输出运动支链的平行四边形复合从连杆组件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图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和并联机构19，其中：机架1设置于并联机构19的外侧。

所述的并联机构19包括：四支相同的曲柄输入运动支链5、动平台6、输出运动支链8和冲压滑块17，其中：每支曲柄输入运动支链5和输出运动支链8的输出杆均以镜像对称且每边各两个的排布方式分别与动平台6和冲压滑块17铰接，动平台6与输出运动支链8铰接，以上铰接处的轴线均互相平行。

所述的曲柄输入运动支链5包括：伺服电机2、曲柄3和平行四边形复合主连杆组件4，其中：伺服电机2与曲柄3连接，曲柄3与平行四边形复合主连杆组件4铰接。

如图2所示，所述的平行四边形复合主连杆组件4包括：主连杆20、从连杆25、四个中间连杆(21、23、27、28)和四个复合转动副(22、24、26、29)，其中：第一复合转动副22依次连接第一中间连杆21、主连杆20和第二中间连杆22，第二复合转动副24依次连接第一中间连杆21的另一端、从连杆25和第二中间连杆23的另一端，第三复合转动副26依次连接第三中间连杆27的另一端、从连杆25的另一端和第四中间连杆28的另一端，第四复合转动副29依次连接第三中间连杆27、主连杆20的另一端和第四中间连杆28，四个复合转动副(22、24、26、29)的轴线互相平行。

如图1所示，所述的输出运动支链8包括：平行四边形复合从连杆组件7和两套镜像对称的肘杆机构9，其中：两套镜像对称的肘杆机构9与平行四边形复合从连杆组件7铰接。

所述的肘杆机构9包括：第一连杆10、第二连杆11、第三连杆12、第四连杆13、第一横连杆14、第一输出连杆15、第二输出连杆16，其中：第一连杆10、第二连杆11的一端与机架铰接，第三连杆12、第四连杆13的一端与平行四边形复合从连杆组件7铰接，第一输出连杆15、第二输出连杆16的一端与冲压滑块铰接，第一连杆10、第二连杆11、第三连杆12、第四连杆13、第一输出连杆、第二输出连杆16的另一端与第一横连杆14铰接。

如图3所示，所述的平行四边形复合从连杆组件7包括：动平台连杆30、滑块连杆35、四个中间连杆(32、33、37、38)和四个复合转动副(31、34、36、39)，其中：第五复合转动副31依次连接第五中间连杆32、动平台连杆30和第六中间连杆33，第六复合转动副34依次连接第五中间连杆32的另一端、滑块连杆35和第六中间连杆33的另一端，第七复合转动副36依次连接第七中间连杆37的另一端、滑块连杆35的另一端和第八中间连杆38的另一端，第八复合转动副39依次连接第七中间连杆37、动平台连杆30的另一端和第八中间连杆38，四个复合转动副(31、34、36、39)的轴线互相平行。

如图1所示，所述的机架1上设有冲压滑块导轨18。

本发明利用多自由度并联机构19的多输入特性，采用四自由度并联机构19合成四个伺服电机2输入的功率以得到大功率伺服压力机。该压力机以四个伺服电机2驱动曲柄3为输入，通过四支曲柄输入运动支链5共同驱动一个动平台6，该动平台6通过输出运动支链8推动冲压滑块17上下运动以完成冲压动作，其中输出运动支链8的对称肘杆机构9具有增力作用。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。

Claims (5)

1.一种曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，包括：机架和并联机构，其中：机架设置于并联机构的外侧，所述的并联机构包括：四支曲柄输入运动支链、动平台、输出运动支链和冲压滑块，其特征在于：每支曲柄输入运动支链和输出运动支链的输出杆均以镜像对称且每边各两个的排布方式分别与动平台和冲压滑块铰接，动平台与输出运动支链铰接，铰接处的轴线均互相平行；

所述的曲柄输入运动支链包括：伺服电机、曲柄和平行四边形复合主连杆组件，其中：伺服电机与曲柄连接，曲柄与平行四边形复合主连杆组件铰接；

所述的平行四边形复合主连杆组件包括：主连杆、从连杆、四个中间连杆和四个复合转动副，其中：第一复合转动副依次连接第一中间连杆、主连杆和第二中间连杆，第二复合转动副依次连接第一中间连杆的另一端、从连杆和第二中间连杆的另一端，第三复合转动副依次连接第三中间连杆、从连杆的另一端和第四中间连杆，第四复合转动副依次连接第三中间连杆的另一端、主连杆的另一端和第四中间连杆的另一端，四个复合转动副的轴线互相平行。

2.根据权利要求1所述的曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，其特征是，所述的输出运动支链包括：平行四边形复合从连杆组件和两套镜像对称的肘杆机构，其中：两套镜像对称的肘杆机构与平行四边形复合从连杆组件铰接。

3.根据权利要求2所述的曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，其特征是，所述的肘杆机构包括：四个连杆、一个横连杆、两个输出连杆，其中：第一连杆、第二连杆的一端与机架铰接，第三连杆、第四连杆的一端与平行四边形复合从连杆组件铰接，第一输出连杆、第二输出连杆的一端与冲压滑块铰接，第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一输出连杆、第二输出连杆的另一端与第一横连杆铰接。

4.根据权利要求2所述的曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，其特征是，所述的平行四边形复合从连杆组件包括：动平台连杆、滑块连杆、四个中间连杆和四个复合转动副，其中：第五复合转动副依次连接第五中间连杆、动平台连杆和第六中间连杆，第六复合转动副依次连接第五中间连杆的另一端、滑块连杆和第六中间连杆的另一端，第七复合转动副依次连接第七中间连杆的一端、滑块连杆的另一端和第八中间连杆的一端，第八复合转动副依次连接第七中间连杆的另一端、动平台连杆的另一端和第八中间连杆的另一端，四个复合转动副的轴线互相平行。

5.根据权利要求1所述的曲柄输入的四伺服电机并联驱动的多连杆压力机，其特征是，所述的机架上设有冲压滑块导轨。

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