CN104999686B - 一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构，包括伺服电机、曲轴、连杆、滑块、机架和固定架，曲轴通过连杆与滑块相连，曲轴的输入端从机架中穿出并与电机转子刚性固定连接；电机转子和电机定子之间通过前轴承和后轴承相铰接；固定架同轴套装在电机定子的外周，且电机定子和固定架之间设有至少一个弹性组件，每个弹性组件包括若干个悬挂组件和呈对称布置的第一扭转组件和第二扭转组件。采用上述结构后，伺服电机与机架柔性连接，轴向尺寸紧凑，机构的负载惯量小；能产生任意方向上的径向变形，且径向变形的刚度不大。当任意方向径向变形时，悬挂组件能起耗能作用；不产生绕轴线方向的扭转变形，扭转刚度无穷大，能适用高速，重载的应用场合。

Description

一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构

技术领域

本发明涉及一种数控转塔冲床的主传动机构，特别是一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构。

背景技术

数控转塔冲床是金属板材加工领域的重要装备，转塔冲床按照其主传动机构的动力源类型可以分为机械式、液压式和全电伺服式三种类型。由于全电伺服式转塔冲床具有速度快、精度高、节能、环保、工艺柔性化等突出优点，近几年逐步取代传统的机械式和液压式结构，成为行业的主流产品。

现有技术中按照机构的类型可以分为曲柄滑块式、肘杆式等多种机构形式，这些机构均为平面连杆机构形式。但是这些机构形式均有一个共同的特点，即驱动伺服电机与机架固定刚性联接，同时平面连杆机构也与机架固定刚性联接，这样在实际生产装配及使用过程中会出现诸多问题，具体分析如下。

一、将曲轴的输入轴端与伺服电机的轴端通过联轴器联接

优点：联轴器为弹性部件，一方面，可以吸收曲轴与电机输出轴间的同轴度偏差，不至于产生过约束，导致轴承疲劳破坏；另一方面，弹性元件（联轴器）能够起到减振缓冲的作用，避免执行机构的冲击载荷直接传递给电机，对减振降噪有利。

缺点：1、联轴器在动力传递过程中极易损坏，使用成本高、稳定性差；2、沿伺服电机轴向的设备尺寸较大，将占据更多的空间；4、联轴器自身的转动惯量大，一方面，加速性差，给工件的加工速度带来了极大的制约；另一方面，加工过程中能耗高。

二、将曲轴的输入轴端与伺服电机的轴端直接刚性联接

相比于现有技术一，具有如下优点：1、结构紧凑；2、负载惯量较低，机构动态特性好，易于实现高速加工。

缺点：1、该机构为过约束结构，电机轴端与曲轴间的同轴度（也包括平行度）偏差不可避免，同轴度偏差会引起很大的机构内力，极易导致曲轴、轴承等零部件的疲劳破坏，过约束严重时甚至出现机构的“卡死”；2、执行机构端的冲击载荷直接作用于电机，振动和冲击较大，机床运行过程振动和噪声不可避免。

三、将曲轴的输入轴端与伺服电机的轴端刚性联接，电机的转子与定子间无轴承支撑，二者自由浮动或电机的转子与定子间仅有后轴承支撑。

优点：1、无联轴器，结构紧凑，动态特性好，易于实现高速加工；2、机构不存在过约束问题。

缺点：加工过程中，冲裁力作用下曲轴的挠度变形不可避免，会引起曲轴轴端的跳动，进而导致转子与定子间气隙的变化。对于伺服驱动电机，转子与定子间的气隙变化会直接影响电机的输出特性，是在工程应用中需严格控制的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构，该全电伺服数控转塔冲床主传动机构能使伺服电机与机架实现柔性连接，轴向尺寸紧凑，机构的负载惯量小，能实现高速加工；无过约束，无机构内力，电机转子与电机定子间的气隙恒定，且能够适用于高速，重载的应用场合。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构，包括伺服电机、曲轴、连杆和滑块，伺服电机包括电机转子和同轴套装于电机转子外周的电机定子；所述数控转塔冲床包括机架和固定设置于机架一侧的固定架；所述曲轴、连杆和滑块均设置于机架内，曲轴通过连杆与滑块相连接，且曲轴的输入端从机架中穿出并与电机转子刚性固定连接；所述电机转子和电机定子之间通过前轴承和后轴承相铰接；所述固定架同轴套装在电机定子的外周，且电机定子和固定架之间设置有至少一个弹性组件，每个弹性组件均包括至少一个悬挂组件，每个悬挂组件均包括同心布置的第一内固定环和第一外固定环、以及若干组第一柔性元件；所述第一内固定环固定套装于电机定子的外周，第一外固定环与固定架固定连接，第一内固定环和第一外固定环两者之间设置有第一环状空腔，该第一环状空腔内均匀布置有若干组所述的第一柔性元件；每组第一柔性元件的一端与与第一内固定环固定连接，每个第一柔性元件的另一端与第一外固定环固定连接，每组第一柔性元件均沿第一外固定环的径向设置。

每个所述弹性组件均包括至少两个悬挂组件和若干个第一扭转组件，相邻两个悬挂组件之间设置有至少一个第一扭转组件，每个第一扭转组件均包括同心布置的第二内固定环和第二外固定环、以及若干个第二柔性元件，第二内固定环固定套装于电机定子的外周，第二外固定环与固定架固定连接，第二内固定环和第二外固定环之间设置有第二环状空腔，该第二环状空腔内均匀布置有若干个所述的第二柔性元件；每个第二柔性元件的一端与第二内固定环固定连接，每个第二柔性元件的另一端与第二外固定环固定连接，每个第二柔性元件均与第二外固定环的径向呈一个夹角，若干个第二柔性元件形成顺时针或逆时针排列。

每个所述弹性组件均包括若干个第二扭转组件，相邻两个所述悬挂组件之间还设置有至少一个第二扭转组件，每个第二扭转组件也均包括同心布置的第二内固定环和第二外固定环、以及若干个第二柔性元件，第二扭转组件中第二柔性元件的排列方向与第一扭转组件中第二柔性元件的排列方向相反。

相邻两个所述悬挂组件之间对称布置有两个第一扭转组件和两个第二扭转组件。

所述悬挂组件有两个，分别与前轴承和后轴承的位置相对应。

所述第二柔性元件为绳状弹性部件。

所述第二柔性元件为钢片、弹簧膜片、钢丝绳和弹簧中任意一种。

每组所述第一柔性元件为弹簧、阻尼器和橡胶中一种或两种。

所述机架的中心设置有竖向通孔，机架的中心底部设置有与竖向通孔相连通的导向孔；所述滑块能与该导向孔形成滑动副连接。

所述曲轴包括所述的输入端、输出端和和偏心设置的曲拐，输入端和输出端上各设置有一个能与所述机架相铰接的轴颈；所述曲拐与连杆顶部相铰接。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

1、曲轴的输入端与电机转子采用刚性固定联接，无联轴器，一方面轴向尺寸更加紧凑，另一方面，机构的负载惯量更小，动态性能稳定，易于实现高速加工。

2、电机转子与电机定子间通过前轴承与后轴承两端进行支撑，工作过程中电机转子与电机定子的气隙不会发生变化。

3、悬挂组件中第一柔性元件，如阻尼器或阻尼C的存在，当电机相对于机架产生振动时，对振动的衰减的明显作用。也即能够对曲轴的瞬间冲击载荷进行缓冲，具有一定的减振降噪效果。也即第一柔性元件，一方面弹簧K起到支撑的作用，比如电机水平放置时需要对重力进行支撑，阻尼C起到耗能减振的作用。

4、第一扭转组件和第二扭转组件中的第二柔性元件，均为绳状弹性部件，由于绳索类力学特性非常特殊，在拉伸变形的初始阶段，拉力几乎没有变化，刚度极低。当拉伸量达到一定时，拉力急剧升高，刚度瞬间变得很高，而其他方向的刚度近乎为零。扭转组件正是基于这种力学特性而设计。

5、本发明中，悬挂组件、第一扭转组件和第二扭转组件组合，能达到如下有益效果：

1）具有较低的径向刚度，因此当曲轴与电机输出轴间存在同轴度偏差和平行度偏差时，偏差很容易被吸收掉，不会出现过约束问题。

2）扭转刚度接近无穷大，可以传递更大扭矩，负载能力强。

3）具有粘弹性阻尼特性，有利于振动的衰减。

综上所述，与现有技术相比，本发明适应于高速重载应用场合，且机构结构尺寸较小，对加工，装配的精度要求不高。无论是从技术角度还是经济角度优势均很明显。

附图说明

图1显示了本发明一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构的立体剖面结构示意图；

图2显示了本发明一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构的原理图；

图3显示了悬挂组件的立体结构示意图；

图4显示了悬挂组件的原理图；

图5显示了第一扭转组件第一种实施例的结构示意图；

图6显示了第二扭转组件第一种实施例的结构示意图；

图7显示了第一扭转组件第二种实施例的结构示意图；

图8显示了第二扭转组件第二种实施例的结构示意图；

图9显示了悬挂组件的工作原理示意图；

图10显示了第二柔性元件为绳状弹性部件时的力学特性曲线示意图；

图11-a显示了第二柔性元件拉伸时的结构示意图；

图11-b显示了第二柔性元件松弛时的结构示意图；

图11-c显示了第二柔性元件产生径向位移时的结构示意图；

图12显示了曲轴与伺服电机存在同轴度偏差时的结构示意图；

图13显示了曲轴与伺服电机存在平行度偏差时的结构示意图。

其中，图中F代表施加的外力，d代表径向位移，L代表拉绳变形量，M代表施加的扭矩。

另外有：

10.伺服电机；

11.电机转子；12.电机定子；13.气隙；14.前轴承；15.后轴承；16.固定架；

17.悬挂组件；

171.第一内固定环；172.第一外固定环；173.第一柔性元件；174.弹簧K；175.阻尼C；

18.第一扭转组件；

181.第二内固定环；182.第二外固定环；183.第二柔性元件；184.内固定点；185.外固定点；

19.第二扭转组件；

20.曲轴；

30.连杆；

40.滑块；41.顶部铰接孔；

50.机架；51.第二铰接孔；52.竖向通孔；53.导向孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中的全电伺服数控转塔冲床，包括机架50和固定架16。

固定架16优选呈圆筒状，在固定架16的一侧端面，如图1所示，优选在其左侧端面设置有联接法兰，固定架16通过联接法兰与机架50实现固定连接。

机架50的中心优选设置有竖向通孔52，机架50的中心底部设置有与竖向通孔52相连通的导向孔53；机架50的两侧各设置有一个相互对称的第二铰接孔51。

如图1和图2所示，一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构，包括伺服电机10、曲轴20、连杆30和滑块40，伺服电机10包括电机转子11和同轴套装于电机转子11外周的电机定子12。

上述曲轴20、连杆30和滑块40均设置在机架50内，优选均位于竖向通孔52内。

曲轴20包括输入端、输出端、曲拐和两个轴颈，两个轴颈分别设置在输入端和输出端上，曲拐设置在输入端和输出端之间，曲拐与输入端和输出端相平行且偏心设置。

曲轴20的输入端和输出端分别从机架50的两个第二铰接孔51中穿出，且曲轴20的输入端从机架50中穿出后，与电机转子11进行刚性固定连接。

位于输入端和输出端上的两个轴颈与机架50的两个第二铰接孔51相配合，实现曲轴20与机架50的铰接。

上述连杆30的顶部和底部优选各设置有一个第一铰接孔，连杆30通过顶部的第一铰接孔实现与曲拐之间的铰接。

上述滑块40优选呈圆柱形状，其顶部设置有顶部铰接孔41，该顶部铰接孔41优选设置在滑块40上部并经过中心线的位置；滑块40通过顶部铰接孔41和连杆30上的第一铰接孔实现与连杆30之间的铰接。

滑块40与机架50上的导向孔53形成滑动副连接。

上述电机转子11和电机定子12之间通过前轴承14和后轴承15相铰接，这种铰接方式为现有技术，这里不再赘述，电机转子11和电机定子12之间具有气隙13。

上述固定架16同轴套装在电机定子12的外周，且电机定子12和固定架16之间设置有至少一个弹性部件，该弹性部件包括若干个悬挂组件17、若干个第一扭转组件18和若干个第二扭转组件19。作为替换，弹性部件也可仅包括若干个悬挂组件17，弹性部件也可包括若干个悬挂组件17和若干个第一扭转组件18，或者其他的组合方式，也均在本发明的保护范围之内。也在本发明的保护范围之内。

上述悬挂组件17，优选为两个，分别与前轴承14和后轴承15的位置相对应。

上述前轴承14和后轴承15的设置，使得工作过程中，电机转子11与电机定子12之间的气隙13不会发生变化。

如图3和图4所示，每个悬挂组件17均包括同心布置的第一内固定环171和第一外固定环172、以及若干组第一柔性元件173。

上述第一内固定环171固定套装于电机定子12的外周，第一外固定环172与固定架16固定连接，第一内固定环171和第一外固定环172两者之间设置有第一环状空腔，该第一环状空腔内沿圆周方向均匀布置有若干组第一柔性元件173。

每组第一柔性元件173的一端与与第一内固定环171固定连接，每个第一柔性元件173的另一端与第一外固定环172固定连接，每组第一柔性元件173均沿第一外固定环172的径向设置。

每组第一柔性元件173优选为弹簧、阻尼器和橡胶等弹性材料中一种或两种，本实施例中，优选为橡胶，其结构原理可以简化为弹簧K 174和阻尼C 175的组合，如图4所示。

相邻两个悬挂组件17之间设置有至少一个第一扭转组件18和至少一个第二扭转组件19。本实施例中，优选为两个第一扭转组件18和两个第二扭转组件19，且两个第一扭转组件18和两个第二扭转组件19在两个悬挂组件17之间呈对称布置，如图1和图2所示，从左至右的排列顺序依次为：悬挂组件17——第一扭转组件18——第二扭转组件19——第二扭转组件19——第一扭转组件18——悬挂组件17。这种对称布置的方式，能使各组件的受力平衡。

如图5-图8所示，每个第一扭转组件18和每个第二扭转组件19，均包括同心布置的第二内固定环181和第二外固定环182、以及若干个第二柔性元件183。其中，第二扭转组件19中第二柔性元件183的排列方向与第一扭转组件18中第二柔性元件183的排列方向相反。如图5和图7为第一扭转组件18，图6和图8为第二扭转组件19。

第二内固定环181固定套装在电机定子12的外周，第二外固定环182与固定架16固定连接，第二内固定环181和第二外固定环182之间设置有第二环状空腔，该第二环状空腔内沿圆周方向均匀布置有若干个第二柔性元件183。

第二内固定环181的外圆周上均匀设置有若干个内固定点184，第二外固定环182的内圆周上沿圆周方向均匀设置有若干个外固定点185。内固定点184和外固定点185均优选为三角形，且内固定点184与外固定点185交错布置。

每个第二柔性元件183的一端与第二内固定环181固定连接，也即与内固定点184固定连接。每个第二柔性元件183的另一端与第二外固定环182固定连接，也即与外固定点185固定连接。

每个第二柔性元件183均与第二外固定环182或第二内固定环181的径向呈一个夹角，若干个第二柔性元件183则形成一个顺时针或逆时针的排列。

第二柔性元件183优选为绳状弹性部件，进一步优选为钢片、弹簧膜片、钢丝绳和弹簧中任意一种。

第一扭转组件18，第二柔性元件183具有两种优选实施例：第一种取钢片或弹簧膜片时，如图5所示。第二种取钢丝绳和弹簧时，如图7所示。

第二扭转组件19，第二柔性元件183也具有两种优选实施例：第一种取钢片或弹簧膜片时，如图6所示。第二种取钢丝绳和弹簧时，如图8所示。

当上述第二柔性元件183采用绳状弹性部件时，由于绳索类力学特性非常特殊，如图10所示，在拉伸变形量L较小的初始阶段，所施加的外力F，这里为拉力，几乎没有变化，刚度极低。当拉伸变形量L达到一定时，拉力将急剧升高，刚度瞬间变得很高，而其他方向的刚度近乎为零。第一扭转组件18和第二扭转组件19正是基于这种力学特性而设计。

另外，第一扭转组件18和第二扭转组件19二者呈反向对称布置，目的是为获得对称的力学特性，即同时获得顺、逆时针两个方向无穷大的扭转刚度，具体见下述分析。

如图11-a所示，当给伺服电机10施加一个逆时针的扭矩M时，第二柔性元件183被拉伸，此时刚度很大，此时刚度可以理解为无限大。

如图11-b所示，当给伺服电机10施加一个顺时针的扭矩M时，第二柔性元件183处于松弛状态，此时刚度很小，可以理解为刚度为零。

如图11-c所示，当给伺服电机10施加一个外力F，这里主要为径向力（忽略扭转的影响），这时，将会产生一个径向位移d，而第二柔性元件183的长度变化不大，也即施加一个很小的外力F，即能产生一个较大的径向位移d，即刚度很小。

本发明中悬挂组件17的设计，工作原理如图9所示，在外力F的作用下，伺服电机10相对于固定架16产生了一个径向位移d。另外，由于阻尼C 175的存在，当伺服电机10相对于机架50产生振动时，对振动的衰减有明显作用。也即能够对曲轴的瞬间冲击载荷进行缓冲，具有一定的减振降噪效果。也即第一柔性元件，一方面弹簧K起到支撑的作用，比如电机水平放置时需要对重力进行支撑，阻尼C起到耗能减振的作用。

本发明中，上述悬挂组件17、第一扭转组件18和第二扭转组件19的组合，能达到如下有益效果：

1）具有较低的径向刚度，因此当曲轴与电机输出轴间存在同轴度偏差和平行度偏差时，偏差很容易被吸收掉，不会出现过约束问题。

2）扭转刚度接近无穷大，可以传递更大扭矩，负载能力强。

3）具有粘弹性阻尼特性，有利于振动的衰减。

综上所述，与现有技术相比，本发明适应于高速重载应用场合，且机构结构尺寸较小，对加工，装配的精度要求不高。无论是从技术角度还是经济角度优势均很明显。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全电伺服数控转塔冲床主传动机构，包括伺服电机、曲轴、连杆和滑块，伺服电机包括电机转子和同轴套装于电机转子外周的电机定子；所述数控转塔冲床包括机架和固定设置于机架一侧的固定架；其特征在于：所述曲轴、连杆和滑块均设置于机架内，曲轴通过连杆与滑块相连接，且曲轴的输入端从机架中穿出并与电机转子刚性固定连接；所述电机转子和电机定子之间通过前轴承和后轴承相铰接；所述固定架同轴套装在电机定子的外周，且电机定子和固定架之间设置有至少一个弹性组件，每个弹性组件均包括至少一个悬挂组件，每个悬挂组件均包括同心布置的第一内固定环和第一外固定环、以及若干组第一柔性元件；所述第一内固定环固定套装于电机定子的外周，第一外固定环与固定架固定连接，第一内固定环和第一外固定环两者之间设置有第一环状空腔，该第一环状空腔内均匀布置有若干组所述的第一柔性元件；每组第一柔性元件的一端与第一内固定环固定连接，每组第一柔性元件的另一端与第一外固定环固定连接，每组第一柔性元件均沿第一外固定环的径向设置。

2.根据权利要求1所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：每个所述弹性组件均包括至少两个悬挂组件和若干个第一扭转组件，相邻两个悬挂组件之间设置有至少一个第一扭转组件，每个第一扭转组件均包括同心布置的第二内固定环和第二外固定环、以及若干个第二柔性元件，第二内固定环固定套装于电机定子的外周，第二外固定环与固定架固定连接，第二内固定环和第二外固定环之间设置有第二环状空腔，该第二环状空腔内均匀布置有若干个所述的第二柔性元件；每个第二柔性元件的一端与第二内固定环固定连接，每个第二柔性元件的另一端与第二外固定环固定连接，每个第二柔性元件均与第二外固定环的径向呈一个夹角，若干个第二柔性元件形成顺时针或逆时针排列。

3.根据权利要求2所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：每个所述弹性组件均包括若干个第二扭转组件，相邻两个所述悬挂组件之间还设置有至少一个第二扭转组件，每个第二扭转组件也均包括同心布置的第二内固定环和第二外固定环、以及若干个第二柔性元件，第二扭转组件中第二柔性元件的排列方向与第一扭转组件中第二柔性元件的排列方向相反。

4.根据权利要求3所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：相邻两个所述悬挂组件之间对称布置有两个第一扭转组件和两个第二扭转组件。

5.根据权利要求4所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：所述悬挂组件有两个，分别与前轴承和后轴承的位置相对应。

6.根据权利要求2所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：所述第二柔性元件为绳状弹性部件。

7.根据权利要求2所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：所述第二柔性元件为钢片、弹簧膜片、钢丝绳和弹簧中任意一种。

8.根据权利要求1所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：每组所述第一柔性元件为弹簧、阻尼器和橡胶中一种或两种。

9.根据权利要求1所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：所述机架的中心设置有竖向通孔，机架的中心底部设置有与竖向通孔相连通的导向孔；所述滑块能与该导向孔形成滑动副连接。

10.根据权利要求9所述的全电伺服数控转塔冲床主传动机构，其特征在于：所述曲轴包括输入端、输出端和偏心设置的曲拐，输入端和输出端上各设置有一个能与所述机架相铰接的轴颈；所述曲拐与连杆顶部相铰接。