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数控转塔冲床主传动的发展动向 |
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作者：济南铸造锻压机械研究所 李兵 |
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数控转塔冲床，作为金属板材冲压加工的关键设备，至今已有近五十年的应用和发展。其中，作为冲压动力源的主传动部件，也经历了几个阶段的变化和发展。
最初的机械式主传动部件由电机、飞轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和滑块等组成。滑块垂直上下运动，将模具的冲头压入金属板料中。连杆连接曲轴和滑块，将曲轴的旋转运动转变为滑块的直线运动。飞轮通过皮带与一直转动的电机相连，并储存一定的能量。冲压时，离合器闭合，飞轮能量通过曲轴连杆机构传递到冲头上。冲压结束时，离合器在冲头向上运动时脱开，从而解除飞轮对曲轴的扭矩传递，同时制动器开始制动，使曲轴转动至上死点时停止。机械式主传动部件中，离合器与制动器的性能很重要，直接影响到主传动部件的工作效率和使用寿命。
在上世纪六十年代，当数控技术被引入数控转塔冲床的控制时，使用一种气动离合器与制动器，虽然其结构较为简单，但缺点是摩擦片损耗快，污染性强，性能稳定性差，需要经常调整与维修，而且其工作频率较低，噪音大。直到八十年代，推出了液压离合器与制动器，它具有性能稳定、噪音低、污染小等优点，而且使用寿命比气动离合器与制动器长得多，大大减少了停机时间，降低了维修费用。
上世纪九十年代以来，液压式主传动部件被越来越多地采用，至今已成为数控转塔冲床的主流配置。与机械式主传动相比，油缸取代了曲轴连杆等机械结构，液压站提供动力，两者由主液压阀块连接，通过专门的电子卡程序化控制整个系统的动作，并由连接于油缸活塞杆上的电子传感器适时测量和反馈，最终实现对冲头位置、行程及速度的精确控制。
液压主传动的优点主要表现在以下几方面：
一、 可以根据板料厚度、冲孔类型以及送料速度和距离等因素，在程序中设定适当的上死点位置，尽量减少冲头行程，并通过参数优化消除送料与冲压的间歇时间，从而提高了冲压频率。
二、 由于冲头在整个冲压循环中的速度可以参数化改变，通过降低冲头在接触板料时的速度，减轻了冲击和振动，从而降低冲压噪音。
三、 冲压工艺性得到进一步扩展。不仅可以进行高速打标、快速冲孔，而且由于冲头停止精度高、全行程均能发出最大冲压力，因而适合于完成一些如拉伸和滚压等特殊成型。
目前，数控转塔冲床主传动采用的液压系统主要有两类：
一是德国哈雷公司的专用于冲床的系列产品（见图1），其具有技术领先、规格齐全、性能优良、低耗节能、便于维修等优点，在国内外均有较高的巿场份额。 
图1 德国哈雷HKL型液压系统示意图
是德国施耐德、力士乐公司的伺服阀控制液压冲孔系统，它具有响应速度快、位置精度高等特点，但却存在能耗及发热量大、维修成本较高等不足。
近年来，随着大扭矩伺服电机及驱动系统的改良与推广，伺服电机驱动式主传动部件已被成功应用于日本AMADA、MURATEC等公司的数控转塔冲床产品中。国内厂商也在着手对该类产品的研制和推出。
目前，伺服电机驱动式主传动的结构形式主要有以下两种：
一、在传统机械式主传动的基础上，将伺服电机直接与曲轴相连，省去飞轮及离合器与制动器。日本AMADA公司的EM2510NT型数控转塔冲床，是将两台伺服电机分别连接于曲轴的两端，控制其同步运转，保证了对曲轴足够的扭矩输出，同时可以获得很高的冲压频率。而另外一种结构形式是伺服电机通过减速机再与曲轴相连（见图2），这样可以适当降低伺服电机的额定扭矩，但最高冲压频率也被限制。
图2 数控伺服电机驱动式主传动部件
二、伺服电机通过减速器与曲柄肘杆机构相连，这是日本MURATEC公司的MOTORUM—2048LT型数控转塔冲床的结构形式（见图3）。该结构虽然比较复杂，但其利用曲柄肘杆机构特有的增力特性，可以降低伺服电机的负载扭矩，并且曲柄旋转一周，滑块上下运动两次，这样能够达到更高的冲压频率。
图3 日本MURATEC公司伺服电机驱动式主传动示意图
伺服电机驱动式主传动，不仅保留了机械式主传动结构成熟可靠的优点，而且具备了液压主传动的诸多特性，其特点主要有：
一、 节省能源。传统的机械式主传动由电机带动飞轮旋转并积聚一定的能量，工作过程中，飞轮能量冲压时消耗，并在返回上死点时重新积累。而对于伺服电机驱动式主传动，能量无需存储，伺服电机也不需要一直旋转，仅在冲压时启动并提供所需能量。另外，由于取消了飞轮及离合器与制动器，使结构简化，因此电能消耗大大降低。上述两种数控转塔冲床，与各自传统机型相比，节能分别达到60%和30%，非常显著。
二、 降低噪音。滑块冲压模具穿透板料时，会受冲压反力作用产生振动和冲击，由此带来的噪音也会随滑块速度和冲压力的增加而增大。机械式主传动冲床通常通过加强床身和提高吨位来减少噪音。而伺服电机驱动式主传动冲床却能够在行程的每时每刻对滑块的速度进行控制和调节，因此可以在冲压中段控制冲头使其停顿，并降低其进入板料时的速度，从而达到减少噪音的目的，通常降噪效果可达10分贝左右。另外，通过这种方式，在减少噪音的同时，还能减轻冲头进入板料时的冲击，进而延长模具的使用寿命。
三、 提高效率。伺服电机驱动式主传动的滑块行程和速度能够任意调整，可以选择冲压所需的最短行程，同时设定合适的速度，使其与送料同步，从而有效地提高生产率。日本AMADA公司的EM2510NT型数控转塔冲床，25mm步距下最大冲孔次数可达到500次/分钟，而压印时更高达1800次/分钟，该指标达到了目前数控转塔冲床的高端水平。
四、 优化工艺。通过精确设定滑块停止位置尤其是下死点，能够提高成型模具的加工精度。按照冲压工艺和模具类型，通过优化程序来控制滑块以适应各种冲压模式，如压印、冲孔、成型等。以下列举出几种典型的工作模式：1）高速冲。伺服电机间歇运转，根据板料厚度、冲孔大小，控制冲头以最短的行程和最快的速度进行冲压。2）步冲。伺服电机连续运转，按照一定的送料速度和步距，以合适的频率连续冲压。3）成型。精确设定冲头下死点位置及停止时间，使成型模保证材料充分的变形与流动，提高其成型精度。4）静音加工。通过程序控制冲头打击速度，采用两段式冲压，减少振动和噪音，延长模具寿命。5）模具校准。通过监测伺服电机的输出扭矩来检测上下模具的对中性。该模式下，控制滑块缓缓下降至设定位置，并监测当冲头接触下模时伺服电机的扭矩，当其超过平稳进入时的预设数值时，冲头会停止运动并报警。
虽然目前三种主传动形式的数控转塔冲床都在生产，但从近年来的销售情况看，机械式数控转塔冲床的销量正逐步萎缩，液压式数控转塔冲床在不断增加并已占据主导地位，而伺服电机驱动式数控转塔冲床，也正在以其具有的高效、节能、环保等优势，受到广大设备用户的认可和接受，成为数控转塔冲床未来发展的新趋向。
《中国机械与金属》(end)
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(8/17/2006) |
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