一種新型的直線電機(jī)驅(qū)動肘桿－杠桿二次增力數(shù)控壓力機(jī)

王金娥

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021)

壓力機(jī)是一種對坯料進(jìn)行成形加工的壓力加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于沖剪、彎曲、拉伸和擠壓等工藝中，可直接生成成品或半成品。目前市場上由直線電機(jī)驅(qū)動的壓力機(jī)一種是直接驅(qū)動式，即由直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動滑塊，完成相應(yīng)的壓力加工。這種壓力機(jī)，當(dāng)要求很大的壓力輸出時，就需要大功率的伺服電機(jī)，成本高、能源消耗大。另一種是直線伺服電機(jī)經(jīng)一級肘桿后驅(qū)動滑塊輸出力。后一種較前一種盡管增加了一級增力機(jī)構(gòu)，使輸出力增大，但是兩種壓力機(jī)都有一個突出的缺點(diǎn)，就是其動力系統(tǒng)均上置。動力系統(tǒng)的上置導(dǎo)致壓力機(jī)重心高，壓力機(jī)的動力學(xué)性能不好，穩(wěn)定性差，噪聲大，外觀也比較笨重。鑒于上述原因，文中提出一種新型的直線電機(jī)驅(qū)動式肘桿－杠桿二次增力數(shù)控壓力機(jī)。

1 工作原理

壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，它由直線伺服電機(jī)、肘桿、L形杠桿、連桿、滑塊、工作臺和床身等(圖中未畫出)組成，并且直線伺服電機(jī)固連在工作臺的底部。運(yùn)動及力的傳遞過程為:直線伺服電機(jī)的輸出力先經(jīng)過肘桿進(jìn)行一次力放大、再經(jīng)過L形杠桿進(jìn)行二次力放大后，通過連桿作用于輸出件滑塊上輸出工作力Fo，實(shí)現(xiàn)所要求的加工任務(wù)。

圖1 直線電機(jī)驅(qū)動肘桿－杠桿二次增力數(shù)控壓力機(jī)

2 力學(xué)計(jì)算及性能分析

2.1 輸出力及增力系數(shù)的計(jì)算

設(shè)直線伺服電機(jī)的驅(qū)動力為Fi，根據(jù)力學(xué)原理，壓力機(jī)的輸出力Fo為

其中:η為杠桿的效率，通常取0.95［1］;

α為肘桿的理論壓力角;

壓力機(jī)輸出力與輸入力的比值，即增力系數(shù)i為

若取 α =7°，r=15 mm，f=0.1，l=300 mm，L1/L2=5，則根據(jù)式 (2)，增力系數(shù)i≈35.7，即輸出力是輸入力的35.7倍。并且，壓力角α的變化較L1/L2的變化對增力系數(shù)影響大［2］。

2.2 工作臺及其底座的受力分析

如圖2所示，若壓力機(jī)的輸出力為Fo，絲杠的軸向驅(qū)動力為Fi，忽略滾珠絲杠副的效率，則工作臺及其底座的實(shí)際受力為

由此可見，由于動力系統(tǒng)下置，電機(jī)對工作臺的反作用力Fi與部分工作載荷相平衡，使壓力機(jī)工作臺及其底座所受的實(shí)際載荷較工作壓力小。這樣，與同類產(chǎn)品相比，該壓力機(jī)的工作臺及其底座更容易滿足強(qiáng)度和剛度要求。

圖2 壓力機(jī)底座力學(xué)模型

2.3 性能分析

(1)動力系統(tǒng)下置

由于壓力機(jī)的動力系統(tǒng)下置并且去掉了傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)所使用的飛輪，從而使壓力機(jī)的重心降低。而壓力機(jī)的重心對其低階固有頻率影響很大，重心越低，低階固有頻率越高，越容易避開壓力機(jī)的工作頻率［3］。這樣，不僅可以避免共振的發(fā)生，也保證了壓力機(jī)工作的穩(wěn)定性，改善了壓力機(jī)的動態(tài)性能。此外，也可使壓力機(jī)的整體結(jié)構(gòu)尺寸減小，質(zhì)量減輕，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

(2)對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該壓力機(jī)在結(jié)構(gòu)上沿鉛錘方向相對于中心線呈對稱布置，因此作用在電機(jī)輸出軸及滑塊上的水平分力相平衡。理論上，對稱分布的肘桿對電機(jī)輸出軸以及滑塊對滑道不會產(chǎn)生附加的橫向載荷，在一定程度上減小了壓力機(jī)傳動零件的摩擦磨損，提高了傳動系統(tǒng)的效率，延長了相關(guān)零件的使用壽命。

(3)伺服電機(jī)驅(qū)動

由于采用伺服電機(jī)驅(qū)動，一方面滑塊的工作位移和速度曲線以及沖裁力可以根據(jù)工藝要求，通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的速度進(jìn)行設(shè)定。也就是說，可以根據(jù)加工過程中被加工材料的變形與沖裁力的關(guān)系來制定滑塊的工作曲線［4］，控制沖頭的速度、沖裁力，使其在接近底部時有一段減速，讓沖裁力變化緩慢，從而延長貯存在機(jī)身內(nèi)彈性變形能所釋放的時間，降低機(jī)器的振動與噪聲，達(dá)到?jīng)_裁工藝中靜音沖裁的目的。另一方面，由伺服電機(jī)驅(qū)動的壓力機(jī)可以依靠電機(jī)的瞬時過載克服短時沖擊性負(fù)載［5］，即用“電子飛輪”取代原機(jī)械飛輪，由此避免了因機(jī)械飛輪引起的機(jī)床振動與噪聲。

3 結(jié)束語

直線電機(jī)驅(qū)動式肘桿－杠桿二次增力數(shù)控壓力機(jī)由于其動力系統(tǒng)的下置、結(jié)構(gòu)對稱、使用二次增力機(jī)構(gòu)和采用伺服電機(jī)驅(qū)動，彌補(bǔ)了目前直線電機(jī)驅(qū)動式壓力機(jī)的不足，即重心偏高、動態(tài)穩(wěn)定性差和噪聲大的缺點(diǎn)，因此該壓力機(jī)具有重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

［1］蘇東寧，鐘康民，李國平.對稱布局的鉸桿－杠桿－鉸桿三級串聯(lián)力放大機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(8):94－96.

［2］WANG Jine，CUI Zhilei，ZHONG Kangmin.Pneumatic Press Based on Toggle-Lever Force Amplifier［C］//International Conference on Manufacturing Science and Engineering(ICMSE 2011)，2011:1464 －1468.

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