数控伺服电液折弯机随动前托料机构

2015-11-27周妍

精密制造与自动化 2015年4期

周妍

数控伺服电液折弯机随动前托料机构

周妍

（上海机床厂有限公司上海200093）

数控折弯机的发展方向为在主机上配置多功能的辅助部件，随动前托料机构需要在板料折弯过程中贴合板料上翻动作，与之保持动作的一致，和机床的工作速度也保持一致。从而保证随着机床运动部件滑块在工作、保压和回程的整个过程，随动前托料都紧紧跟随待折弯板料或是已经完成折弯的板料。通过设计一种新型的伺服电机驱动机械结构进行动作，实现托料机构的左右移动、上下运动及圆周翻转运动。

数控折弯机随动前托料机构伺服系统

折弯机因其应用领域广泛，所以发展极其迅速。从早期的机械式，到普通液压式到后来的数控系统控制液压回路，如今数控伺服电液式成为现在主要发展方向，当折弯机加工精度越来越高，用户对数控折弯机附加功能有了更多要求，随动前托料机构越来越受到广大用户的青睐。当数控折弯机在工作过程中，在折弯薄板或是较宽的钣金件时，为了防止工件变形保证加工精度，往往需要操作工进行人工托料，而有时依靠人工也无法得到比较满意的效果，此时随动前托料机构就显得尤为重要。

为了迎合市场需求，各大品牌的钣金类折弯机相继推出了各种模式的随动前托料机构。综合来看，随动前托料机构大多采用电液伺服控制的曲柄连杆机构。曲柄连杆机构的动作依靠数控系统控制比例伺服阀的开口大小来调节油缸进油量的多少，从而控制托料运动速度与板料折弯速度的同步。相对来说其机械动作复杂，还需液压油缸进行电液控制，制造成本较高，运动轨迹较难控制。作为全新开发的新一代数控伺服电液折弯机，设计初衷即为不采用液压控制前托料机构的相关动作，取而代之为全部使用伺服马达来直接驱动机械结构进行动作，从而实现前托料机构的运动，统一由数控系统对各个伺服马达统一匹配各自的参数，来使各个相关动作匹配并合乎要求。

随动前托料机构需要注意以下两个方面：随动托料机构的运动轨迹必须与板料的上翻的轨迹基本保持一致，即为其要紧密贴合需折弯的钣金材料，无论在运动初始时期、还是折弯进行中、亦或是最终折弯成型和折弯机滑块回程，随动机构托住折弯板料回到初始位置。这就需要随动前托料机构在整个运动过程中对钣材实时追踪。另一方面就要考虑此机构的通用性，其使用范围更加广泛，对于不同吨位的折弯机，不同折弯钣材厚度和模具开口大小需有一定的通用性，才更有良好的互换性，以便更能被用户接受，得到市场的认可。

1 随动前托料机构的结构组成和工作原理

前托料机构的整个结构组成如图（1）所示。该机构的动力驱动主要是由两个伺服电动机给予。针对不同高度的模具，为使前托料机构翻板的上平面始终和下模的上平面在同一水平面上，即可伺服电机通过带轮传递动力驱动丝杠，带动整个滑座做上下运动。

图1 初始状态结构示意图

另外一个伺服电机安装在滑座上，通过带轮传递动力驱动丝杠做旋转运动，为使翻板绕滑座的固定端做圆周运动，在丝杠上开了长形键槽并在键槽的上死点位置安装插销，故而使丝杠的旋转运动演变为丝杠在插销的作用下沿着在自身所开的长形键槽做上下运动，从而驱动翻板完成绕固定点做圆周运动，以能时刻贴紧折弯钣材，跟踪钣材完成一个完整的折弯过程。

前托料机构的左右运动是通过手动的方式推动整个随动前托料机构沿数控折弯机工作台前端安装的直线导轨做运动，操作人员可随意的推动该机构到工作台的任意位置进行钣材折弯工作，当待加工钣材的宽度较宽时，也可成对的使用前托料机构，如使用其中之一时，也可将暂时闲置的一个机构推至工作台的一侧。

2 随动前托料机构的运动状态解析

2.1 机构的圆周运动

在实际生产中，当钣料折弯角度为30°时，即为所谓的尖刀模效应。故该机构设计的初始理念即为该翻板绕固定支点的圆周运动极限角度为75°，如图2所示。

图2 工作状态旋转角度示意图

在驱动翻板圆周运动的丝杠上，安装了上下两个电感式接近传感器，通过其控制丝杠沿长形键槽做上下运动的上下极限位置，从而确定翻板所能翻转的最大角度。此位置可根据不同型号的机床和用户的实际需求的加工的范围在装配中予以调整。在此选用T形丝杠作为传动部件，而非常规的滚珠丝杠，原因在于滚珠丝杠中的滚珠使运动流畅，摩擦力小。但是在此处，若使用滚动丝杠会有摩擦力不够的问题，使其无法有自锁功能，而不能支撑丝杠在任意位置停留，有自动向下滑动的趋势，从而造成翻板无法沿着预定的轨迹做圆周运动。使用T形丝杠，弊端在摩擦阻力成倍的增大，加大伺服电机的转动扭矩，在托举翻板做圆周运动的同时还需克服T型丝杠所带来的摩擦阻力，需加大保险系数，使用比理论计算后得出的电机额定扭矩更大功率的伺服电机，确保伺服电机不产生过载报警的现象。此外驱动翻板圆周运动的整套驱动装置包括电机，带轮，同步带等均固定在滑座上，确保把丝杠的旋转运动转变为丝杠的上下运动从而实现翻板的圆周运动。

翻板圆周运动伺服电机的选用，预设伺服电机选用（750 W），丝杆导程为10 mm。现需校核该伺服电机的扭矩是否大于翻板加速运动所需的扭矩。计算公式如下：

伺服电机的总扭矩：

其中为外部载荷产生的摩擦力矩：

机构圆周运动的速度计算。机床滑块工进速度1=10 mm/s，翻板的旋转半径=290 mm，由图（3）可得出，翻板需达到的运动速度2=222 mm/s。

计算可得，V翻板＞V2，翻板圆周运动速度可紧贴滑块工进速度。

2.2 机构的上下运动

该机构的上下运动同样由伺服电机通过带轮传递动力驱动丝杠，带动整个滑座做上下运动，此机构上下运动的最大行程为390 mm，如图4所示。

图4 工作状态上下运动范围示意图

滑座的上下运动即可单独进行，又可和翻板的圆周运动合成进行。在更换不同高度的下模时，由于翻板的上平面和下模的上平面在折弯初始时需保持一致，可通过单独驱动滑块上下运动来保持位置的一致性。调整后，数控折弯机进行折弯工作时，根据钣料折弯的角度，翻板和滑座同时进行圆周运动及上下直线运动，两个伺服电机由数控系统控制，匹配出两个运动各自的轨迹和相关参数，确保随动前托料机构可以时时托举折弯钣材完成一次完整的加工流程。其上下运动的传动部件也选用T形丝杠，滑座加之翻板整体做上下运动，运动部件的自重比较大，如选用滚珠丝杠也有可能产生固定在某一位置时，由于重力作用，滚珠丝杠无法使其有效自锁，会使滑座慢慢下降，丢失正确位置，影响钣料折弯精度。和驱动翻板做圆周运动的伺服电机一样，选用的驱动滑座上下运动的伺服电机也需增大保险系数，选用更大功率的伺服电机，防范过载报警产生。

2.2.1该机构滑座的上下运动伺服电机的选用

预设伺服电机选用1.0 kW，丝杆导程为10 mm。现需校核该伺服电机的扭矩是否大于滑座加速运动所需的扭矩。计算公式如下：

伺服电机的总扭矩：

其中T为外部载荷产生的摩擦力矩：

3 实际试制后发现的问题及改进方向

经过理论计算和机械结构完善后，全伺服电液数控折弯机上配置了该随动前托料机构。在实际调试中发现了以下问题：

1）该机构在上下运动时，伺服电机在瞬时启动时，会出现过载报警信号，数控系统显示伺服电机承载超过电机实际扭矩的300%，分析得出一方面由于整个机构自重过大，伺服电机承载过大；另一方面传动使用的T形丝杠本身的摩擦阻力大于滚珠丝杠，摩擦因数上的选择小于实际生产中的摩擦阻力。造成机构上下运动伺服电机过载报警。

2）翻板的圆周运动速度显示跟不上板料瞬间折弯时翻起速度，有一定的滞后现象。造成此种现象可能是翻转运动的传动部件T形丝杠，伺服电机的克服其摩擦力要耗费一定的扭矩，导致瞬时速度难以增大，滞后于板料被折弯后瞬时的圆周速度。针对实际产生的问题，可从以下几个方面予以改进：（1）减轻该随动机构运动部件的自重，在不影响运动部件刚性的基础上，根据实际计算结构优化机构。（2）提高传动部件T形丝杠的加工精度来减少摩擦力，减轻伺服电机所要克服的摩擦力。（3）改变控制翻板的运动顺序，待板料折弯后，延时信号，以托住折弯后的板料为主。