一種多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用

王 軍，汪立新，李振光，雷斌華

（瑞鐵機(jī)床（蘇州）股份有限公司，江蘇 太倉 215000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)外對節(jié)能減排的要求越來越高，尤其是“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，這是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革，限制CO2排放、全社會綠色低碳轉(zhuǎn)型已勢在必行，高效節(jié)能、綠色環(huán)保是企業(yè)自身設(shè)備升級、產(chǎn)品升級的必經(jīng)之路。

純電伺服折彎機(jī)由于具有節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、效率高、精度好、動作響應(yīng)快、無需液壓油等優(yōu)勢特點(diǎn)，是折彎機(jī)行業(yè)發(fā)展的新方向；從最初的扭軸同步折彎機(jī)到電液同步折彎機(jī)，再從電液同步折彎機(jī)到油電混合折彎機(jī)這幾個階段的發(fā)展歷程中，液壓傳動有著不可替代的作用。純電伺服折彎機(jī)采用伺服電機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)對滑板進(jìn)行驅(qū)動，擺脫了傳統(tǒng)折彎機(jī)對液壓傳動的依賴，同時也避免了液壓傳動中的節(jié)流發(fā)熱、無功功耗高等缺陷。

目前純電伺服折彎機(jī)主要受滾珠絲桿的載荷特性、傳動結(jié)構(gòu)等技術(shù)方面的限制，以及在折彎時受滑板和工作臺變形對絲桿傳動結(jié)構(gòu)的影響和破壞，使純電伺服折彎機(jī)產(chǎn)品大多停留在小噸位機(jī)型上，而占市場80%以上較大噸位的純電伺服折彎機(jī)，由于存在相關(guān)技術(shù)方面瓶頸，尚未得到有效普及和發(fā)展。

為解決上述問題，攻克技術(shù)瓶頸，公司開拓創(chuàng)新，發(fā)明了一種多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)，并已小批量生產(chǎn)和投入市場應(yīng)用。

2 技術(shù)方案

2.1 概述

多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)，采用多個驅(qū)動傳動組合連接的方式，將機(jī)床兩端的多個伺服傳動機(jī)構(gòu)整合成集中單點(diǎn)受力的結(jié)構(gòu)，與滑板左右兩端受力點(diǎn)采用球面鉸接式連接，避免機(jī)架、滑板在工作時的變形，對導(dǎo)向、滾珠絲桿傳動的影響和破壞，確保滾珠絲桿傳動的效率和精度，同時滑板和工作臺折彎時的變形所需的系統(tǒng)補(bǔ)償算法，符合現(xiàn)有折彎機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對補(bǔ)償機(jī)構(gòu)補(bǔ)償量的算法，該算法是折彎機(jī)發(fā)展中長期的經(jīng)驗(yàn)積累，具有準(zhǔn)確、合理、高效等優(yōu)點(diǎn)，故無需再單獨(dú)開發(fā)和測試新的補(bǔ)償算法，有效繼承傳統(tǒng)折彎機(jī)長期積累的經(jīng)驗(yàn)。

在簡化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面，通過特有的閉式機(jī)架結(jié)構(gòu)，能夠降低加工難度，對加工精度的要求也大大降低，為純電伺服折彎機(jī)的批量化生產(chǎn)和普及提供有效保證。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

如圖1 所示為多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)備主要由機(jī)架部分1、滑板部分2、左伺服驅(qū)動部分3、右伺服驅(qū)動部分4、數(shù)控系統(tǒng)部分5 等組成。

圖1 多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)架部分。如圖2 所示，無喉口式機(jī)架結(jié)構(gòu)，簡化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝，一次裝夾，可以將所有加工位置加工完成；頂部的4 個安裝驅(qū)動位置的上座板為對稱布局，有利于滑板受力均勻，避免偏載導(dǎo)致滑板產(chǎn)生扭曲變形，保證工件的折彎精度。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

（2）多驅(qū)部分。如圖3 所示，由左伺服驅(qū)動部分和右伺服驅(qū)動部分組成，可將伺服驅(qū)動數(shù)量進(jìn)行拓展，可成倍放大折彎所需的載荷，為純電伺服折彎機(jī)向大噸位折彎機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)提供一種技術(shù)解決方案。

圖3 多驅(qū)部分示意圖

如圖4 所示，伺服驅(qū)動部分將多組絲桿傳遞的推力合并在滑板左右兩端肩部的受力點(diǎn)上，且受力點(diǎn)為球面接觸的推力關(guān)節(jié)軸承，避免滑板工作時的變形對絲桿傳動的影響和破壞（因?yàn)闄C(jī)型規(guī)格越長，滑板的變形量越大）；滑板的變形趨勢符合現(xiàn)有折彎機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對補(bǔ)償機(jī)構(gòu)補(bǔ)償量的算法。

圖4 伺服驅(qū)動部分示意圖

如圖5 所示，伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)的兩個滾珠絲桿連接在螺母座上，滾珠絲桿軸承端采用推力角接觸球軸，在螺母座的底部設(shè)有推力關(guān)節(jié)軸承的球面受力點(diǎn)結(jié)構(gòu)與滑板兩端肩部連接，可以滿足滑板在受力變形時分別獨(dú)立調(diào)節(jié)與絲桿螺母的偏心量，同時也可以消除由于絲桿同步誤差而造成的偏載。

圖5 伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

（3）止轉(zhuǎn)彈性調(diào)節(jié)裝置。如圖6 所示，止轉(zhuǎn)彈性調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)，確保絲桿螺母座下面的受力點(diǎn)與滑板肩部位置定位的穩(wěn)定性，同時也可以有效緩解絲桿在高速正反旋轉(zhuǎn)時的沖擊震動對滑板運(yùn)行的影響。

圖6 止轉(zhuǎn)彈性調(diào)節(jié)裝置示意圖

2.4 滑板折彎受力中心線說明

如圖7 所示，折彎機(jī)在工作時，通過滑板上的上模沿受力中心線向下運(yùn)動，與下模同時作用，將板料折彎成型，工作時受力中心線是否穩(wěn)定和準(zhǔn)確，是板材成型尺寸精度高低的一個重要條件。本結(jié)構(gòu)中的多驅(qū)組合驅(qū)動結(jié)構(gòu)，能夠讓兩端的受力點(diǎn)不受滑板變形的影響，自動糾正受力中心線的偏載。

圖7 滑板折彎受力中心線說明示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 動力電機(jī)組的確認(rèn)及選型

設(shè)計(jì)折彎機(jī)能否達(dá)到既定的折彎力時，根據(jù)經(jīng)典算法，借助成熟的經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、圖形、表格來測算所需的功率范圍。由于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)一般略顯保守，因此計(jì)算結(jié)果比實(shí)際略大，對于本多驅(qū)組合式傳動結(jié)構(gòu)的力矩轉(zhuǎn)換，按照下述經(jīng)典算法測算。

折彎機(jī)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)一般是伺服電動機(jī)→減速機(jī)→絲杠→滑塊。所以，滑塊以“額定工作壓力”移動一個“螺距”所做的功應(yīng)該等于伺服電動機(jī)以“額定轉(zhuǎn)矩”帶動減速機(jī)所做的功。

式中：T 為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；F 為電動機(jī)工作扭力，N；R 為電動機(jī)軸半徑，m；P 為壓力機(jī)公稱壓力，kN；L為絲杠螺距，mm；i 為減速比。

由于T=RF

通過此公式可以得出相應(yīng)的扭矩，同時還需要滿足速度需求，傳動組帶動滑板運(yùn)行的越快則機(jī)床的效率也就越高，所以需要另外一個公式：

例如：導(dǎo)程為13 的絲桿，選用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為2800，減速比為3.75，則傳動組帶動的最大速度約為160mm/s。

設(shè)折彎機(jī)所需要達(dá)到的噸位為80t，帶入減速比系數(shù)為3.75，產(chǎn)生的傳動效率為85%。折彎機(jī)需要兩臺電機(jī)在滑塊兩側(cè)提供動力，則一臺電機(jī)的峰值扭矩需要到達(dá)310N·m 左右。通過電機(jī)的參數(shù)表中選取合適參數(shù)的電機(jī)型號如表1 所示。

表1 ISMG 系列伺服電機(jī)規(guī)格說明

3.2 控制系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

該純電伺服折彎機(jī)的控制系統(tǒng)采用EtherCat 總線通訊并預(yù)留多組輸入輸出IO 口，便于外接機(jī)器人及檢測設(shè)備，通過擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)模塊還可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程編程。

PLC 控制器通過EtherCat 方式通訊如圖8 所示；EtherCAT 報(bào)文幀只能由主站進(jìn)行發(fā)送，在一個通訊周期內(nèi)，主站發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀給各個從站，數(shù)據(jù)幀到達(dá)從站后，每個從站根據(jù)尋址從數(shù)據(jù)幀內(nèi)提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并把它反饋的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀。當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到最后一個從站后返回，并通過第一個從站返回至主站，每個驅(qū)動器都為一個從站，對于像多個伺服軸執(zhí)行協(xié)同運(yùn)動等一類應(yīng)用，其對數(shù)據(jù)同步性要求甚高。而EtherCAT 可選擇使用分布式時鐘（DC）的方式同步節(jié)點(diǎn)，并采用完全基于硬件的時間校準(zhǔn)機(jī)制，使得整個系統(tǒng)抖動時間遠(yuǎn)小于1μs，能夠完全適用于這樣的應(yīng)用之下。例如100t 電伺服折彎機(jī)需要4 個主軸電機(jī)同時協(xié)作才能達(dá)到目標(biāo)的壓力值，所以對于電機(jī)之前的同步性有非常高的要求。

圖8 總線拓?fù)涫疽鈭D

在滑板運(yùn)行的過程中PLC 直接取Y 軸交流電機(jī)內(nèi)部編碼器和光柵尺反饋的信號進(jìn)行運(yùn)算，光柵尺和電機(jī)內(nèi)部編碼器形成閉環(huán)使得重復(fù)定位精度提高；電機(jī)的轉(zhuǎn)速將跟隨系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)位置而發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)速度的無極調(diào)整以及轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)結(jié)構(gòu)通過傳動組件對稱分布的受力點(diǎn)，可以確定一個穩(wěn)定的受力支撐面，設(shè)計(jì)出的驅(qū)動組件和傳動組件等機(jī)械結(jié)構(gòu)，使多個絲桿的受力點(diǎn)，按同組對稱的多驅(qū)組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個穩(wěn)定的受力點(diǎn)平面。當(dāng)工作時，兩端同組的兩個傳動件對受力點(diǎn)同時施加對應(yīng)的推力，且二力平衡、相等，通過受力點(diǎn)的關(guān)節(jié)軸承能夠自動適應(yīng)和調(diào)整由于折彎組件的偏載變形帶來的影響，也可消除傳動構(gòu)件變形量的影響，故當(dāng)折彎組件在工作時，能夠做到速度高、響應(yīng)快、且動作平穩(wěn)可靠；為解決目前純電折彎機(jī)的技術(shù)瓶頸，提供一種創(chuàng)新性思維和結(jié)構(gòu)形式。

采用多驅(qū)組合式傳動結(jié)構(gòu)與高精密大功率伺服電機(jī)，以及高實(shí)時控制性能、廣拓性的可編程控制器相結(jié)合制造出的電伺服折彎機(jī)，不但打破了電伺服折彎機(jī)實(shí)現(xiàn)較大噸位的跨越的技術(shù)瓶頸，同時繼承了伺服電機(jī)傳動帶來的高精度和高效率的優(yōu)越性，控制系統(tǒng)還采用了突破性的EtherCAT 總線通訊，信息采集傳輸更快，受到強(qiáng)電流干擾更小，使得多驅(qū)組合式傳動的同步性得到了保證。

純電伺服折彎機(jī)主電機(jī)輸出功率幾乎等于負(fù)載功率，機(jī)械傳動效率高達(dá)95%，滑塊空載回程耗電量小，節(jié)能顯著；在效率方面純電伺服數(shù)控折彎機(jī)的快慢速轉(zhuǎn)換及下死點(diǎn)定位都是通過伺服電機(jī)及絲桿來控制，整個工作循環(huán)過程響應(yīng)速度更快，效率提升將近兩倍，且絲桿傳動不會產(chǎn)生較高的熱效應(yīng)，更適合維持長時間高精度運(yùn)轉(zhuǎn)。

在環(huán)保方面純電技術(shù)更是無需液壓油，根本不存在廢油廢液的污染問題，綠色環(huán)保；特別是在當(dāng)前的國情下保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的建設(shè)已成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中必須要面對的問題，研發(fā)生產(chǎn)制造高效，節(jié)能環(huán)保的機(jī)械設(shè)備更是企業(yè)的責(zé)任和義務(wù)。

經(jīng)小批量投產(chǎn)并經(jīng)客戶使用驗(yàn)證，多驅(qū)純電伺服折彎機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，能夠達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，為純電伺服折彎機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。