一種數控轉塔沖床電伺服主傳動的優化設計

蘆鋒， 徐成， 陳林

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇揚州 225127）

0 引 言

數控轉塔沖床是一種自動化程度很高的鈑金加工設備，經過幾十年的應用發展，其主傳動結構形式經歷了機械式、液壓式和電伺服式3個發展階段。20世紀60年代開始應用的機械式主傳動存在摩擦片損耗快、穩定性差、工作頻率低、噪聲大等缺點；20世紀90年代開始廣泛應用的液壓式主傳動存在能耗大、維修成本高等不足；而從20世紀末開始研制的電伺服主傳動具有高效、節能、環保等優點，已成為市場主流。

目前電伺服主傳動的結構形式具有多樣性特點，如德國TRUMPF公司采用力矩電動機直驅重載絲桿機構，日本AMADA公司采用雙電伺服電動機直驅曲柄連桿機構、單伺服電動機驅動擺桿機構，日本MURATEC公司為單伺服電動機驅動肘桿機構，Prima Power公司采用單伺服電動機驅動斜楔機構，基本原理都是通過伺服電動機驅動增力機構，實現沖壓動作。由于增力機構結構形式的不同，必然會導致關鍵技術、制造技術、工作效率的差異，如何結合伺服電動機、增力機構、驅動系統及加工制造技術發展應用現狀，開發出適合的主傳動結構形式尤為重要。由于傳統的機械式主傳動應用經驗比較豐富，加工制造技術成熟，具備自身優點，在此基礎上進行研制工作，便于技術轉化，本文通過對伺服電動機驅動減速機帶曲柄連桿機構主傳動的優化設計，達到簡化結構、提高性能、制造維護方便的目的[1-4]。

1 原方案：單伺服電動機驅動減速機與曲柄連桿機構

伺服電動機通過減速機驅動曲柄連桿機構保留了機械式主傳動成熟穩定的優點，如圖1，又解決了傳統機械式主傳動穩定性差、柔性小、能耗大、沖壓速度不可控等問題。通過減速機、曲柄連桿機構傳遞動力，可適當降低伺服電動機的額定轉矩，21世紀初，受制于國內伺服電動機制造技術，該方案被多家國內外公司采用。

圖1 伺服電動機+減速機+曲柄連桿機構

該電伺服主傳動由于采用減速機作為中間轉換連接環節，使得整個部件傳動鏈長，效率降低，制造維護困難，最高沖壓頻率、沖壓力也受到限制，必須優化設計。

2 改進方案1：單電動機直驅曲柄連桿機構

近年來，隨著重載伺服電動機技術和驅動系統技術的突破，采用單個重載大轉矩伺服電動機直接驅動曲柄連桿機構的主傳動形式被越來越多的公司采用，如圖2所示。

曲軸一端作為伺服電動機的轉子軸，和伺服電動機同步運動，使得主傳動上下死點位置穩定，下死點位置可任意設置，工作時曲軸不作整圈回轉運動，無不必要的能源浪費，只有沖壓時才消耗能量，省電節能，高效環保。

圖2 重載伺服電動機驅動曲柄連桿機構

該主傳動電動機為框架式結構，定轉子間通過軸承剛性支撐，曲軸和電動機轉子通過脹套剛性連接，曲軸和床體之間也是通過軸承支撐，由于傳遞大轉矩、傳動響應要求快、能量轉化率要求高，整個傳動系統相應要求為剛性連接，但加工誤差、零件尺寸誤差的客觀存在，因為機構自由度的問題，系統全部剛性連接后，輕則出現摩擦副之間磨損、憋勁、電動機發熱現象，重則導致傳動系統報廢。鑒于上述原因，目前伺服電動機和機床床體之間不能采用剛性連接。該主傳動結構較方案1傳動鏈得到簡化，但仍然存在以下幾點不足：1）電動機結構較復雜，總體制造成本高。2）電動機與床體非剛性連接，裝配難。3）系統內零件數量多，故障點增多。4）系統中存在非剛性連接點，能量轉化效率降低。5）散熱性差，峰值轉矩保持性不佳。鑒于以上因素，必須對該方案進行再優化設計。

3 改進方案2：無框架力矩電動機直接驅動曲柄連桿機構

通過以上分析，改進方案1：即重載伺服電動機直接驅動曲柄連桿機構的主傳動結構較原方案有了簡化，沖壓頻次明顯提升，但電動機自身結構采用傳統方式，比較復雜，整個傳動系統安裝困難，導致故障點增多，存在諸多不足之處。鑒于以上情況，對該主傳動結構進一步優化設計，設計出改進方案2，如圖3所示，增力機構仍然采用曲柄連桿，用無框架力矩電動機代替原重載伺服電動機，由于無框架力矩電動機定轉子分離，中間無任何連接零件，定轉子之間靠“氣隙”支撐，傳動系統結構得到再簡化。

圖3 無框架力矩電動機驅動曲柄連桿機構

大型無框架力矩電動機的應用使主傳動結構更簡單，該類型電動機定轉子是分開的，并且工作氣隙比較寬，該特性比較適合工作設備有一定變形的情況下使用，工作特性上允許電動機利用機床自身的支撐，而不需要單獨的支持軸承，即曲柄連桿機構中，曲軸的支撐軸承也作為電動機轉子支撐軸承，轉子通過脹緊裝置剛性連接在曲軸一端，由于定轉子之間有間隙，零件尺寸誤差、加工誤差可以在尺寸鏈終端消除，在加工保證安裝孔同軸度的前提下，電動機定子可以直接剛性連接在床體上，安裝方便，傳動效率提升。

應用該主傳動需注意幾點：

1）由于轉子磁通會產生徑向力，所以定轉子必須盡量安裝在同一軸心線上，如轉子剛好在定子的中間，這個徑向力會完全平衡，電動機出力最大限度去驅動曲柄連桿，否則磁吸引力將隨偏心距增大而增加。例如1000 N·m、370 mm直徑、徑向氣隙為1 mm力矩電動機徑向偏差與徑向磁吸力數量級關系如圖4所示。

2）由于該主傳動力矩電動機定轉子需盡可能提高安裝后的同軸度，床體支座和電動機定子安裝孔需要保證同軸度，支持軸承等徑向間隙需控制，盡量減少徑向支撐零件，減少累積誤差，曲軸安裝好后，需測量轉子安裝端曲軸軸頸和定子安裝孔是否達到安裝要求，控制力矩電動機轉子部分的總長，提高可裝配性。

3）定轉子安裝后，定轉子轉動需靈活，轉動一周確保定轉子無互相接觸，否則電動機啟動后會產生嚴重后果。

4）由于數控沖床工作特性要求電動機適應非常短工作循環驅動場合，沖壓頻率可超過300 min-1,電動機定轉子分離，結構簡單，利于電動機散熱，該結構也方便在定子外面進行流體（水）冷卻，以達到最大性能，使電動機保持恒功率運行。

5）具有高轉矩常數KT的大型力矩電動機通常具有較大的分布電感和顯著的寄生電容，通常絕緣具有很高的品質（低損耗），但是在某些情況下電動機繞組中可能會發生諧振，會在繞組中產生非常高的電壓，為避免這種諧振，力矩電動機上需安裝諧振濾波器，必須安裝在電動機中性點和地之間，并且在距離電動機5 m的范圍之內，錯誤連接會導致電動機故障。

4 結語

電伺服主傳動已在數控轉塔沖床領域廣泛應用，但其結構形式多樣，選取了特定的結構后，如何達到最優的方案和匹配是值得深入研究的課題，關系到其性能優劣、經濟性。本文介紹的伺服電動機通過減速機驅動曲柄連桿機構的主傳動，具有節能環保等優點，但存在結構較復雜、效率差，沖壓頻率低等不足，通過優化設計，最終采用無框架力矩電動機直接驅動曲柄連桿機構的主傳動形式，結構簡化、性能提升。

圖4 徑向偏差與徑向磁吸力數量級關系

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