新型伺服折彎?rùn)C(jī)發(fā)展趨勢(shì)

趙升噸，崔敏超，陳 超，李 雪，景 飛

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

板料折彎?rùn)C(jī)是一種專用鍛壓設(shè)備。其采用簡(jiǎn)單的模具把金屬板料壓制成所需的幾何形狀，廣泛應(yīng)用于電器、電子、金屬結(jié)構(gòu)、儀器、儀表、日用五金、建筑裝潢等行業(yè)。

常用的折彎?rùn)C(jī)是液壓傳動(dòng)方式。采用配套的折彎模具（一般折彎?rùn)C(jī)配套供貨），可以完成各種復(fù)雜工件的折彎，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率極高，已得到廣泛應(yīng)用。形狀各異、復(fù)雜外形的工件，應(yīng)用折彎?rùn)C(jī)和配套模具可以較為簡(jiǎn)單地完成工件的制造。自動(dòng)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)已經(jīng)在鋼結(jié)構(gòu)折彎工件精密加工中投入使用[1][2]。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)板料折彎?rùn)C(jī)的要求也越來(lái)越高，為適應(yīng)不斷提高的工藝要求，各種新型結(jié)構(gòu)的板料折彎?rùn)C(jī)應(yīng)運(yùn)而生，局部的創(chuàng)新改進(jìn)更是層出不窮。市場(chǎng)對(duì)于板料折彎?rùn)C(jī)的要求也已經(jīng)從最初的手動(dòng)控制折彎變成了自動(dòng)精確控制板料折彎過(guò)程中的回彈，因而折彎?rùn)C(jī)的發(fā)展也需適應(yīng)市場(chǎng)要求的新的變化[3]。

圖1 數(shù)控液壓折彎?rùn)C(jī)實(shí)物圖

1 折彎?rùn)C(jī)的基本結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上的折彎?rùn)C(jī)從動(dòng)力源類型上分為液壓折彎?rùn)C(jī)和電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)兩類。其中液壓折彎?rùn)C(jī)發(fā)展較早，仍是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。但是隨著伺服電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)也得到了快速發(fā)展。

液壓折彎?rùn)C(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓折彎?rùn)C(jī)的下壓和進(jìn)給主要通過(guò)液壓油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，它包括主油缸、上機(jī)身、凸模、凹模、底座、進(jìn)給油缸等幾部分。主油缸安裝在上機(jī)身上，主油缸的輸出端連接凸模，當(dāng)主油缸動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)凸模下壓，凸模和凹模的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的彎曲成形過(guò)程，與此同時(shí)，進(jìn)給油缸通過(guò)絲杠來(lái)確定板料折彎的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)板料在固定位置的彎曲成形[4]。

圖2 液壓折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)的下壓和進(jìn)給主要通過(guò)伺服電機(jī)和絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，它包括伺服電機(jī)、上機(jī)身、絲杠、滑塊、凸模、凹模、底座、進(jìn)給系統(tǒng)等幾部分。伺服電機(jī)安裝在上機(jī)身上，通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠連接，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲杠一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使滑塊實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)凸模下壓，凸模與凹模配合實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的彎曲成形過(guò)程，板料的進(jìn)給過(guò)程同樣由伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。

2 新型折彎?rùn)C(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，板料折彎領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的精度要求不斷提高，新的技術(shù)在折彎?rùn)C(jī)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。以下歸納了板料折彎?rùn)C(jī)的主要發(fā)展方向。

2.1 大功率多軸同步伺服折彎?rùn)C(jī)

最近幾年來(lái)，隨著零件加工精度要求的提高，電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)得到了廣泛發(fā)展。隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平的提高，許多大型折彎件不再依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)企業(yè)也可以生產(chǎn)長(zhǎng)度超過(guò)20m的折彎件。對(duì)于長(zhǎng)度較大的折彎件，采用單軸折彎?rùn)C(jī)難以滿足成形力要求，因此多采用多軸同步式折彎?rùn)C(jī)。對(duì)于液壓折彎?rùn)C(jī)，解決多液壓缸同步問(wèn)題比較困難，在實(shí)際使用中也很容易因漏油而出現(xiàn)故障。而電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)通過(guò)多個(gè)伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)滑塊的下壓，其同步控制問(wèn)題較液壓缸簡(jiǎn)單，因此電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)可以實(shí)現(xiàn)多軸同步工作，實(shí)現(xiàn)大功率折彎。

有學(xué)者提出一種四軸同步大功率全電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)同步控制方法，在折彎?rùn)C(jī)滑塊空載高速下行階段，采用偏差耦合同步策略，該策略是基于速度同步控制設(shè)計(jì)的，其主要思想是將某一臺(tái)電機(jī)的速度反饋同其他電機(jī)的速度反饋值相減，然后得到的偏差疊加到該電機(jī)的給定速度指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償，達(dá)到電機(jī)同步的目的；在折彎?rùn)C(jī)加壓折彎階段，由于速度低且存在負(fù)載阻抗力，滑塊各軸間機(jī)械耦合影響變小，四臺(tái)電機(jī)根據(jù)負(fù)荷壓力大小自適應(yīng)輸出力矩，直到保壓完畢，在夾緊點(diǎn)處，可將驅(qū)動(dòng)方式從同步控制切換為相互獨(dú)立位置環(huán)PID控制，從而保證折彎角度的精度控制[5][6]。

又有學(xué)者將開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)和伺服折彎?rùn)C(jī)相結(jié)合，提出了一種互為主從的三軸同步控制策略，如圖4所示。它將控制信號(hào)分別與三個(gè)軸的反饋信號(hào)作比較，然后將相鄰兩個(gè)軸（Y1和Y2、Y2和Y3）的比較結(jié)果再作比較送入調(diào)節(jié)模塊，調(diào)節(jié)模塊再生成調(diào)節(jié)信號(hào)送入控制器中，實(shí)現(xiàn)Y1、Y2、Y3軸的互為主從同步控制[7]。

2.2 應(yīng)用新型減速機(jī)構(gòu)的伺服折彎?rùn)C(jī)

圖4 互為主從同步控制原理

隨著電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)的快速發(fā)展，許多新型的減速機(jī)構(gòu)在折彎?rùn)C(jī)上得到了應(yīng)用。由于電機(jī)適于在較高轉(zhuǎn)速下工作，因此電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)需要采用減速機(jī)構(gòu)來(lái)提高折彎?rùn)C(jī)的輸出力。許多學(xué)者將新型的減速機(jī)構(gòu)與折彎?rùn)C(jī)相結(jié)合，提出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、控制性能好的新型折彎?rùn)C(jī)。

有學(xué)者將擺線針輪減速器和伺服折彎?rùn)C(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型的折彎?rùn)C(jī)[8]，擺線針輪減速器可以達(dá)到極高的減速比，在折彎?rùn)C(jī)上有很好的應(yīng)用前景。其能夠達(dá)到90%以上的效率，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，可與折彎?rùn)C(jī)的上機(jī)身做成一體。在電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)上應(yīng)用擺線針輪減速器，有利于減小折彎?rùn)C(jī)對(duì)電機(jī)容量的需求，同時(shí)擺線針輪運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)可減少折彎?rùn)C(jī)維修次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。其主要結(jié)構(gòu)如圖5、6所示。

圖5 擺線針輪伺服折彎?rùn)C(jī)

又有學(xué)者將航空航天領(lǐng)域中的諧波減速器與電機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，然后應(yīng)用到伺服折彎?rùn)C(jī)中，設(shè)計(jì)了一種新型的諧波減速折彎?rùn)C(jī)[9]。諧波減速器是在航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一種新型機(jī)械傳動(dòng)方式，其主要結(jié)構(gòu)包括剛輪、柔輪和波發(fā)生器，波發(fā)生器為橢圓截面結(jié)構(gòu)，柔輪為薄壁筒狀的外齒輪，剛輪為剛度很大的內(nèi)齒圈。當(dāng)諧波減速器工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使柔輪發(fā)生可控的彈性變形，由于波發(fā)生器為橢圓狀，因此將使柔輪發(fā)生長(zhǎng)軸不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的橢圓形彈性變形，這將使得柔輪在剛輪上發(fā)生錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，柔輪軸線發(fā)生緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速。諧波減速折彎?rùn)C(jī)適合用于精度較高的小型電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)板料彎曲過(guò)程的精確控制，如圖7、圖8是采用諧波傳動(dòng)的伺服折彎?rùn)C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 擺線針輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 采用諧波減速機(jī)構(gòu)的伺服折彎?rùn)C(jī)

2.3 應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)對(duì)彎曲回彈在線矯正

近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)得到快速發(fā)展，并在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是用機(jī)器（攝像機(jī)）代替人來(lái)進(jìn)行測(cè)量和判斷工作，通過(guò)圖像攝取裝置將被測(cè)物體轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，瞬間采集到大量信息，將這些信息經(jīng)過(guò)圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、高度和顏色等信息的計(jì)算，得到被測(cè)物體的特征，如尺寸、形狀和顏色等[10]。機(jī)器視覺(jué)特別適合應(yīng)用于不適于人工測(cè)量和危險(xiǎn)工作環(huán)境的場(chǎng)合。在板料折彎過(guò)程中，人工測(cè)量難于進(jìn)行，同時(shí)測(cè)量的誤差較大，這使得機(jī)器視覺(jué)有廣泛的應(yīng)用前景。采用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行彎曲角度監(jiān)測(cè)的折彎?rùn)C(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)折彎角度的在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)和矯正。

圖8 諧波減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

有學(xué)者提出了在板料折彎過(guò)程中采用雙目視覺(jué)進(jìn)行全長(zhǎng)檢測(cè)，通過(guò)雙目相機(jī)瞬間獲取上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用改進(jìn)曲面生長(zhǎng)法、改進(jìn)特征值法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對(duì)齊法處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得高精度的測(cè)量角度值[11]，其處理過(guò)程如圖9所示。

采用雙目視覺(jué)測(cè)量方法，能夠快速完成折彎件的角度精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)折彎?rùn)C(jī)折彎角度的在線檢測(cè)和修正。這種檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、安全、迅速、精確，單次運(yùn)行時(shí)間僅為0.5s左右，測(cè)量誤差小于0.5%，能夠滿足板料折彎精度要求。在折彎?rùn)C(jī)上應(yīng)用雙目視覺(jué)在線測(cè)量方法，配合折彎?rùn)C(jī)的伺服系統(tǒng)，能夠大大提高折彎?rùn)C(jī)的折彎精度和速度，為高精度折彎件的國(guó)產(chǎn)自主供應(yīng)提供了技術(shù)保障。

圖9 雙目視覺(jué)全長(zhǎng)彎曲角度測(cè)量工作流程

3 結(jié)論

（1）最近幾年我國(guó)板料折彎件生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)能力不斷提高，對(duì)于大功率折彎?rùn)C(jī)需求量增加，電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)可以較容易地實(shí)現(xiàn)多軸同步工作，獲得較大的折彎功率，因而有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。在大功率多軸同步伺服折彎?rùn)C(jī)中，伺服電機(jī)可采用相互間互為主從同步控制方式，使各電機(jī)工作同步，獲得較大的折彎力。

（2）在電動(dòng)伺服折彎?rùn)C(jī)上應(yīng)用新型減速機(jī)構(gòu)，提升折彎?rùn)C(jī)折彎力，使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，效率提高。擺線針輪減速折彎?rùn)C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長(zhǎng)，在一些要求維修次數(shù)少的場(chǎng)合有巨大優(yōu)勢(shì)；諧波減速折彎?rùn)C(jī)精度高，能夠制作高精度折彎件，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量板料折彎件的國(guó)產(chǎn)自主生產(chǎn)。

（3）采用機(jī)器視覺(jué)代替人工測(cè)量的折彎?rùn)C(jī)，可采用雙目視覺(jué)方法對(duì)折彎件進(jìn)行全長(zhǎng)測(cè)量，快速、準(zhǔn)確獲得折彎角度，在線反饋和矯正回彈。高精度板料折彎件的生產(chǎn)不再需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)積累設(shè)備工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，而是通過(guò)全閉環(huán)方式提高折彎?rùn)C(jī)折彎精度。這種全閉環(huán)折彎?rùn)C(jī)比同等精度的伺服折彎?rùn)C(jī)價(jià)格低，在高精度折彎?rùn)C(jī)市場(chǎng)上很有競(jìng)爭(zhēng)力。

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