数控转塔冲床结构与运动控制系统设计论文本科论文Word文档格式.docx

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1.2国内外研究现状

数控转塔冲床，作为金属板材冲压加工的关键设备和钣金加工的主要设备，到今天已经有近50年的应用和发展，数控转塔冲床60年代问世，至今已经走过30年的发展历程，其结构、性能、模具和控制系统设计日臻完善，适使用范围已扩展延伸到高低压开关柜、邮电通讯设备、电梯、纺织机械制造、机车车辆制造、机床、中央空调设备、展示柜、文件柜、自动仓库等众多领域。

其中，作为冲压动力源的主传动部件，也经历了机械式主传动、液压式主传动、伺服电机驱动式主传动等几个阶段的变化和发展。

机械式主传动的传动机构也由原来的曲柄连杆机构延伸出冲压频率更高的曲柄肘杆机构，并开始与伺服电机相结合，这样就使冲床不仅保留了机械主传动结构成熟安全的优点又同时具备了许多液压主传动系统的优良特性。

济南捷迈数控机械有限公司于1983年率先开发研制出中国第一台数控机械转塔式冲床、96年中国第一台30吨四轴控制的数控液压转塔冲床，2005年5月，又推出了一款最新的冲床产品——SKYB31225C型新型无摩擦离合器的机械式数控转塔冲床。

数控转塔冲床在国外的发展也经历了几个阶段，90年代后期，世界著名的数控转塔冲床模具专业制造商——美国威尔逊国际机床工具公司，开发出数控转塔冲床使用的滚轮工具系列，在根本上发起了薄板冲压加工工艺的革命。

日本的村田机械在1994年东京工作机械展上展出了世界上第一台全伺服电机驱动的数控转塔冲床。

MOTORUM上市后，因它优异可靠的性能和新颖美观的设计，即在第二年在由日刊工业新闻社主办的工业设计奖中获得日本通产大臣奖。

而日本AMADA公司的EM2510NT型数控转塔冲床，则是将两台伺服电机分别连接于曲轴的两端，控制使其同步运转，保证对曲轴扭矩的足够输出，于此同时也可以获得很高的冲压频率。

我国锻压机械行业和钣金加工的整体水平进步较快，特别是在一些高端产品的技术性能、结构等指标方面，已接近或超越国际先进水平。

近年来，锻压机械行业不仅只停留在结构、性能、模具和控制系统等主要技术指标提高上，也开始注重机床的外观与色彩的人性化设计，随之也出现了不少精品，但是与国外许多知名品牌比较还存在着明显的差距。

综上所述，我国的数控转塔冲床研究有很大的实用意义和进步空间。

1.3设计的主要内容

当前，在锻压机械行业和板金冲压加工领域，数控转塔冲床以其冲压速度快、加工精度高、模具通用性强、产品灵活多样等特点得到广泛应用。

使用范围的扩展对机器的性能、机构加工工艺以及控制程序提出了新的要求。

例如：

现在市场需求千变万化，为增强企业的竞争力和灵敏性，适应迅速多变的市场环境需要，满足市场小批量、多品种产品的要求，加工时就需要多种型号多种规格的加工刀具，因此在更换刀具的同时刀具库参数的修改要求简单快捷。

实际的需要对数控转塔冲床结构、性能与运动控制系统有更多的要求，因此对数控转塔冲床的研究和改进是很有必要的。

毕业设计的课题是数控转塔冲床与运动控制系统设计，主要包括机械部分和电气部分两部分的内容，内容需要包括机械部分总装图及配套零部件图，电气部分相关原理图机控制程序，主要计算内容：

电机选型计算，齿轮选型计算，滚珠丝杠的设计计算，导轨及轴承的选用及工作台尺寸等，设计说明书：

清楚调理阐述设计过程，符合设计要求。

设计完成后，根据具体的设计方案，编写相关程序并调试、连接电路，进行仿真运行，观察设计效果，进行修改完善。

机床根据加工要求，在控制程序的协调控制下进行工作，经电动机得驱动，滚珠丝杠的传动使板料在工作的X、Y方向定位，主传动系统负责模具的冲压控制和动力提供。

进给机构由平面直角坐标系下的X轴和Y轴驱动系统所组成。

被加工的板材被夹持在固定在固定在X轴Y轴的数个夹钳上。

当X轴或Y轴按照数控系统的位置指令移动时，夹持在夹钳上的板材也跟随移动，从而在模具处按要求冲压出各种不同规格的孔。

同时为了满足夹钳保护的需求，需要有专门的夹钳保护软件和夹钳保护区位置搜索指令来满足各种工作状况下的夹钳保护要求。

数控系统主要完成回参控制、系统设置、I／O状态显示、手动加工设置、自动加工设置和加工仿真等几项功能。

刀具库管理系统实现刀具库管理（进行刀具的添加、删除和参数修改，同时对刀具库所存刀具进行排序）、刀塔设置（对刀塔工位进行设置和删除）、刀塔管理（刀塔上刀具的装卸）。

最后设计结束需要完成的工作量有：

与课题有关的外文资料翻译一份（译文字数不少于5000字）；

毕业设计任务书一份；

毕业设计方案一份；

实习笔记一份；

实习报告一份；

设计计算说明书一份（字数不少于1.2万字，含插图折合字数）；

机械部分总装图及配套零部件图（绘图量不少于折合成图幅为A0号的图纸1张，其中手工绘图不少于折合成图幅为A2号的图纸1张，计算机辅助绘图不少于折合成图幅为A2号的图纸1张）；

电气部分相关原理图及控制程序；

查阅文献

类有关资料15篇以上（其中外文文献要在2篇以上）；

应用计算机进行设计、计算。

2主传动系统设计

2.1主传动系统的几种形式

2.1.1机械式主传动

机械式主传动系统由滑块、连杆、曲轴、离合器与制动器、飞轮和电机等机构组成，曲轴和滑块经连杆连接，将曲轴的旋转运动转化成滑块的直线运动，滑块的垂直上下运动带动模具的冲头将其压入待加工板材中，完成冲压工作。

飞轮和电机通过皮带相连，飞轮储存能量。

进行冲压时，离合器闭合，飞轮储存的能量经由曲柄连杆机构传递到冲头上，冲头上下运动，完成对板材的冲压。

冲压结束时，离合器在冲头向上工作时脱开，飞轮不在给曲轴传递扭矩，于此同时制动器开始工作，使曲轴转动到上死点的位置停止。

在机械式主传动系统中，离合器和制动器的性能直接影响主传动部件的使用寿命和工作效率。

图2．1机械式主传动系统原理图

2.1.2液压式主传动

目前越来越多的数控转塔冲床采用液压式主传动系统，相比传统的机械式主传动系统，液压式主传动系统具有多方面的优点。

如通过参数化改变冲头在整个冲压循环中的速度降低冲头接触板料时的速度，可以减轻冲压过程中的震动和冲击，可以减小冲压过程中产生的噪音。

可以在电子卡程序中设定适当的上死点位置，可以减少冲头的行程，还可以用参数优化消除冲压与送料之间的间歇，以此来提高冲压频率。

因为全行程能发出最大冲压力，冲头停止精度也高，所以适合完成一些滚压和拉伸的特殊成型工艺，进一步扩展了冲压工艺，还可以进行快速冲孔和高速打标。

液压式主传动系统的结构和工作原理是连杆曲轴等机械结构，由液压站提供所需动力油缸和液压站通过主液压阀快连接，用专门的电子卡程序化控制整个系统的冲压动作，同时连接在油缸活塞杆上的电子传感器适合的给予测量和反馈，对冲头位置、行程及速度进行精确的控制。

2.1.3伺服电机驱动式主传动

现在，伺服电机驱动主传动的结构形式主要有以下两种：

（1）在传统机械主传动系统的基础上，将伺服电机直接与曲轴相连，省去离合器制动器与飞轮。

另外一种结构形式是伺服电机和曲轴通过减速机相连接，这样可以降低伺服电机的额定扭矩，但相应的最高冲压频率也会受到限制。

（2）伺服电机通过减速机与曲柄肘杆机构相连，该系统虽然结构比较复杂，但是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，其最大的优点是曲柄旋转一周，滑块上下运动两次，可以完成两次冲压动作，这样就能够达到更高的冲压频率。

伺服电机驱动的主传动系统，不仅保留了机械式主传动系统成熟可靠的优点，而且具备了液压主传动系统的许多特性，其优点主要有以下几点：

（1）提高效率。

伺服电机驱动的主传动系统的速度和滑块行程都能够任意调整，可以设定合适的速度并选择冲压所需的最短行程，同步送料，有效的提高生产率。

（2）优化工艺。

通过精确设定滑块的停止位置，可以提高成型模具的加工精度。

通过优化程序来控制滑块以适应各种冲压模式。

（3）节省能源。

传统的机械式主传动系统由电机带动飞轮旋转并积聚能量，在冲压过程中，飞轮能量消耗，在返回上死点位置时又重新积累。

对于伺服电机驱动的主传动系统，则无需储备能量，伺服电机不需要一直工作，只在冲压时启动并提供能量。

而且，由于没有了离合器制动器和飞轮，整个系统的结构更简单，电能消耗便大大降低。

通过上述对数控转塔主传动系统各种类型的分析和比较，确定在本次设计中采用伺服电机驱动的主传动系统。

2.2伺服电机主传动系统的结构类型

机械式主传动系统最早采用的是曲柄滑块机构。

但是在长期的实践工作过程中，逐渐发现这类机构存在很大的缺点：

（1）滑块在上下运动的过程中加速度和速度较大，容易导致零件在拉伸成型过程中撕裂或起皱；

（2）上下模和模的瞬间冲击力较大，会造成主机和模具的使用寿命降低；

（3）负荷工作区域的行程短，不适应深拉伸工艺的要求。

为了满足锻压机械行业和钣金加工行业的需求，人们在主传动系统的机构形式上进行了大量的改进和实验，研制出了更多形式的机械传动机构。

（1）偏置式曲柄滑块式

按滑块与曲柄回转中心位置的不同可以分为三种形式，如图2.2所示，分为结点正置式、结点正偏置和结点负偏置。

其中正偏置和负偏置都能改变压力机的行程曲线。

这类偏置式曲柄滑块结构主要用于板料的落料、冲孔、整形、切边和局部成型等。

机构简单，使用范围广，但是仅能满足一般的冲压工艺要求。

图2.2曲柄滑块机构三种类型

（2）肘杆式机构

肘杆式机构在压力机中也是应用的比较早并且比较广泛的结构。

相对于曲柄滑块机构，肘杆机构适合更大范围面的工艺要求，我们可以通过对多种方案的比较，选择合适的力能特性以及符合速度曲的机线构型和参数。

此外肘杆式机构简单可靠、易于维护、传动效率高。

图2.3肘杆式机构三种类型

如图2.4所示，在这三种肘杆主传动机构中，滑块行程从大到小的排列顺序依次是肘杆式机构，双肘杆式机构，拉力肘杆式机构。

图2.4肘杆机构滑块位移曲线

（3）多杆式主传动结构

多杆式主传动结构是由多杆驱动机构按特定的组合关系构成的，利用多杆机构的连杆曲线和急回特性，可以使滑块得到一个较为理想的压力曲线。

在一个行程中，滑块能够从上死点位置快速运行到工作区域，到达工作区域后滑块速度缓慢，滑到到达下死点位置时，在较长的时间内能够几乎处于停止的状态，完成整个冲压拉伸的工作。

冲压工作完成后，能够快速返回到上死点位置。

通过对上述主传动系统结构的分析比较可以看出：

选用偏置的曲柄连杆机构作为伺服电机的转传动系统，结构简单，工件的变形形态可以通过调整连杆的结点偏置值来改变。

肘杆机构相对于曲柄滑块机构增加了两个杆件，却大大的改变了主传动系统的动力特性和运动特性。

多连杆机构能够产生所需的保压时间和急回曲线，满足不同的延伸冲压工艺的要求。

2.3伺服电机主传动系统结构选型

主传动多杆机构备选方案

由伺服电机驱动的主传动系统有几种不同的机械结构形式，我们需要选择、设计合适的机械结构，尽量使所设计的数控转塔冲床具有高运行效率，强的承载能力，平稳的工作状态，同时结构要方便调整。

伺服电机主传动系统的设计要求如下：

（1）满足冲压工作中冲床滑块工作行程的不同冲压工作速度，保证冲压的质量。

（2）尽可能高的滑