交流伺服电机驱动的曲柄压力机滑块驱动模式研究毕业论文.doc

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1、 本科毕业论文(设计)题 目 交流伺服电机驱动的曲柄压力机滑块驱动模式研究学生姓名 学号 所在院(系) 材料科学与工程学院 专业班级 指导教师 2012 年 6 月 1 日 交流伺服电机驱动的曲柄压力机滑块驱动模式研究 摘要 传统曲柄压力机采用普通异步电机驱动，飞轮一曲柄连杆机构传递动力，其工作特性固定、无法调节、工作适应性差、能耗大。基于大功率交流伺服电机驱动的伺服曲柄压力机可以克服传统曲柄压力机的所有缺点，运动特性可变、速度可控,不但可以实现成形装备柔性化和智能化，还可以使生产率和产品质量大大提高。本文介绍了交流伺服压力机的工作原理、技术特点及发展现状，分析了机械压力机所采用的各种驱动方式

2、，并以冲裁、拉深工艺为例，对伺服压力机和通用压力机的工艺进行了比较。关键词 交流伺服电机； 交流伺服压力机； 驱动方式； 柔性； 智能化 Study on the driven mode of AC servo crank press Abstract: Driven by general asynchronous motor,transferring power through flywheel-crank system ,the conventional crank press has fixed working performances，unadjustable speed，bad ad

3、aptability and energy-hungry characterThe crank press driven byAC Servo motor has changeable movement properties and adjustable speed. It can not only realize flexibility and intelligence , but increase productivities,improve product quality. The basic p rinciples of AC servo and the current situati

4、on of AC servo presses were introduced.All kinds of driving methods were discussed.The process between servo press and general press was compared.Key words：AC servomotor; AC servo press; driving mode; flexibility; ntelligence目 录中文摘要Abstract第1章 绪论41.1 引言41.2 选题背景及意义51.3 国里外交流伺服压力机的研究现状61.4 国内外伺服压力机驱动

5、方式研究现状71.5 伺服压力机控制系统发展现状及发展趋势9第2章 交流伺服系统的原理102.1 交流伺服驱动102.1.1 交流伺服电机原理102.1.2交流伺服电机调速特点102.1.3 交流伺服电机与普通三相异步电动机的比较112.2 交流伺服控制系统12第3章 交流伺服曲柄压力机原理和特点53.1 传统曲柄压力机123.1.1 曲柄压力机工作原理及组成123.1.2 曲柄压力机曲柄滑块机构类型143.1.3 曲柄滑块机构运动分析153.2交流伺服曲柄压力机173.2.1 交流伺服曲柄压力机原理173.2.2交流伺服曲柄压力机的工作特点183.3 伺服曲柄压力机交流伺服驱动控制系统183

6、.3.1 控制系统结构及功能183.3.2 交流伺服驱动控制器203.3.3 电机驱动控制系统组成203.3.4 滑块运动控制系统20第4章 交流伺服曲柄压力机滑块驱动方式及典型产品204.1 引言214.2 交流伺服曲柄压力机滑块驱动形式及工作原理214.2.1 交流伺服电机直接驱动执行机构214.2.2 交流伺服电机间接驱动执行机构224.2.3 混合驱动234.2.4 伺服驱动小飞轮曲柄压力机244.3 本章小结24第5章 交流伺服压力机成形工艺举例255.1 冲裁加工255.1.1 静音冲裁255.1.2 精密冲裁255.1.3 盒形件拉深265.1.4 轴承垫块压制成形275.1.5

7、 镁合金挤压成形27第6章 伺服压力机驱动系统现存问题28总结29参考文献30致谢31附录1 英文资料及译文第1章 绪论1.1 引言机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动，对坯料进行成形加工的锻压设备，能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品，在所有的锻压设备中，机械压力机所占的比例达到80以上。机械压力机具有结构简单、生产率高等优点，因而被广泛用于电器机械、汽车、电子设备、仪器制造、国防工业、日用品等生产行业。它在工业中的大量应用虽已有近百年历史，但其传动形式并没有大的变化，如图11所示。 机械压力机是采用机械传动的锻压机器，通过传动系统把电机的运动和能量传给

8、曲柄滑块机构，从而使坯科获得确定的变形，制成所需的工件。目前国内外广泛使用的机械压力机在驱动方式上仍沿用不可调速的普通交流异步电动机、离合器制动器、飞轮组合，这种驱动方式简单、易生产，但由于飞轮转动惯量很大，加之交流异步电动机额定滑差率很小，位于飞轮之后的旋转系统的转速在一个工作周期中近似不变，从而使得通过这种传动系统实现变速难度很大，工艺适应性差，只适合于薄板冲裁和浅拉深，不能适应深拉深。在一些对工艺有较高要求的场合，常使用液压机或特殊的压力机。液压机虽然工作性能可控，但又有速度慢、生产效率低、结构复杂、易污染等缺点，应用范围受到较大限制。压力机普遍采用的控制系统仍是简单的PLC控制，但这些

9、数控系统的功能集中在工作台X、Y轴上的移动定位、冲压速度、送料装置、工件夹钳等的控制上，而对于滑块位置、速度和冲压力的控制却无能为力1。近年来，电子、通讯、家电及汽车工业等行业中板料加工生产的产品种类越来越丰富，形状也越发复杂，改型频繁，为提高生产效率，降低成本，同时也要提高加工精度，对压力加工设备的性能和自动化水平要求也越来越高，为适应及时生产的要求，开发更为先进的驱动模式和数字控制系统已迫在眉睫。计算机技术、集成电路技术、智能控制技术等技术的进步带动了伺服控制技术的发展，使新型控制系统应用到机械压力机成为可能。采用交流伺服电机代替传统的交流异步电机直接驱动，取消飞轮和离合器制动器，结构简化

10、，传动精度高，伺服电机与新型的控制系统相配合，可使滑块在运行的过程中能随时加速、减速或停止，动作灵活自由，下死点重复精度高，压力机械的柔性和适应性更好。因此，在采用交流伺服电机驱动的基础上，根据压力机加工特点，研究相匹配的专用控制系统，以期达到成形加工过程的完美控制，为压力机自动化生产带来全新的突破2。 1.2 选题背景及意义机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动，对坯料进行成形加工的锻压设备，能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品，在所有的锻压设备中，机械压力机所占的比例达到80%以上。机械压力机具有结构简单、生产率高等优点，因而被广泛应用于汽车、航空航天、

11、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品领域板壳零件的生产，是成形机械中不可缺少的组成部分。伴随着制造业朝着生产规模化、产品个性化的方向发展，产品型号变化加快，生产批量相对变小，多种型号共线生产，覆盖件大型化一体化趋势日益明显，因此要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载运转而且应具有更大的柔性，更高的精度和生产率，能迅速方便地改变输出运动规律。而传统的机械压力机在驱动方式上仍沿用不可调速的普通交流异步电动机、离合器一制动器、飞轮组合，这种驱动方式简单，易生产，但由于飞轮转动惯量很大，加之交流异步电动机额定滑差率很小，位于飞轮之后的旋转系统的转速在一个工作周期中近似不变，从而使得通过这种传动系统

12、实现变速难度很大，工艺适应性差，只适合于薄板冲裁和浅拉深，不能适应深拉深，且无法满足对滑块工作曲线柔性可调的要求，所以迫切需要开发新一代柔性机械压力机1。近年来，随着现代电机、智能控制技术、和计算机技术的飞速发展、各种电机调速与伺服控制技术获得了突飞猛进的发展，使新型控制系统应用到机械压力机成为可能，采用交流伺服电机代替传统的交流异步电机直接驱动，取消飞轮和离合器一制动器，结构简化，传动精度高，伺服电机与新型的控制系统相配合，可使滑块在运行的过程中能随时加速、减速或停止，动作灵活自由，下死点重复精度高，压力机械的柔性和适应性更好，使得用同一种机械结构实现多种运动输出成为可能。国外近年来出现的数

13、控压力机就是伺服电机驱动的的压力机。 交流伺服压力机与普通机械压力机相比具有以下特点1.2： (1)可以实现柔性化和智能化，提高工作性能 由于使用CNC控制可任意调节的伺服电动机替代了原动机不能调节和控制的普通感应电动机，因此压力机的自动化、智能化程度和工作效率得到了提高，并且可以获得任意的滑块特性，扩大了设备的工艺适应性；针对不同的加工工艺，利用相应的优化曲线，提高压机工作性能。 (2)高精度 由于交流伺服压力机采用全封闭数控系统，可以准确地控制滑块的任意位置。伺服压力机滑块位置精度一般可以达到0.01mm。(3)传动环节得到简化，节能和减少维修 伺服压力机中没有飞轮、离合器环节，相应减少了

14、维修工作量；能量节省主要体现在以下几个方面：由于采用变频调速，伺服电动机具有高效率、少损耗的特点；与机械制动和液压传动的节流调速相比，伺服压机减速时采用电磁制动，可储存回收制动能量，能量在很大程度上得到节省； (4)生产环境得到改善 伺服压力机较液压机而言，完全消除了油液污染，又由于传动系统较一般机械压力机简单，所以减少了传动和工艺噪声。(5)模具寿命和生产率得到提高 由于振动减少，模具和设备的寿命可以得到提高；根据生产工艺需要，可以方便地调整滑块行程，使其在必要的最小行程内工作，缩短循环时间，提高生产效率总之，伺服压力机与传统机械压力机相比，不仅速度快、精度高，而且自动化程度高，可使生产具有

15、更高柔性，工艺设备有更大通用性，操作上更智能化，绿色环保，体现了未来压力机的特征，是值得研究探讨的。1.3 国里外交流伺服压力机的研究现状交流伺服电动机是一种受输入信号控制并作快速响应的电动机。其控制精度高，运转平稳，在其额定转速范围内都能输出额定转矩，过载能力强，控制性能可靠，响应迅速。因此，交流伺服电动机广泛地应用于自动控制系统、自动监测系统和计算装置、增量运动控制系统以及家用电器中。在这些系统和装置中，它主要作为执行元件16。将交流伺服电动机应用于机械压力机的研究始于上世纪90年代美国俄亥俄州立大学工程研究中心。该中心提出了由交流伺服电动机驱动滚珠丝杠或曲柄，通过多杆机构将运动转化为滑块

16、所需的运动，并制造了木头模型装置。由于普通的伺服电动机价格昂贵，功率较小，虽然通过多杆机构等传动机构可以实现一定的增力作用，但是由于没有飞轮，不能像普通机械压力机那样进行能量积蓄。因此现有的交流伺服电动机驱动的机械压力机吨位较小，主要适合于钟表等精密零件的生产。为了满足实际需要，大吨位的交流伺服电动机驱动型机械压力机的研究日益开展，因此必须研究大功率的交流伺服电动机以满足大吨位压力机的需要2。日本及美国在90年代初开始进行大变负荷重载机械驱动的研究。近年来，由于大功率伺服电机的研究开发成功(如FANIUC、安川生产了功率达150kW的交流伺服电动机系列)。随着大功率伺服电机的研制成功，机械压力

17、机的传动结构发生了很大变化，最大的创新点在于伺服电机取代了传统的主驱动电机、飞轮、离合器和制动器，国内外的研究学者和压力机制造公司在直接驱动方式上做了不少的探索。Tokuz建立了伺服电机驱动四杆机构的系统模型；REFung和K.WChen通过对压力机运动学和动力学分析，研究了伺服电扎曲柄滑块机构的动态模型；美国俄亥俄州立大学的Yossifon OShivpufi研究了使用交流伺服电动机直接驱动的双肘杆压力机，通过对其进行了参数选择及优化，制造了300KN的双动机械压力机；Yan和Chen提出一种由伺服电机驱动的变转速曲柄滑块冲床，对于不同的冲压加工冲床可提供不同的输入转速。日本AIDA和KOM

18、ATSU公司先后推出的新型数控压力机，在传动结构上采用伺服电机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构工作4.16。国内成形设备特别是锻压设备已经具有很大的生产规模，一些主要的锻压机床生产厂家，如上海锻压机床厂、徐州锻压机床厂、济南第二机床厂、合肥锻压机床厂等均以曲柄压力机为主导产品。到目前为止，国产伺服电机及其全数字式伺服驱动器在产业化方面比较滞后，尚未形成商品化和批量生产能力。国内对精密伺服电机控制系统的需求还主要依赖进口，如三菱、松下、富士和德国西门子等。近几年，华中数控、广州数控、航天数控、兰州电机等伺服驱动器及电机产品已相继进入产业化阶段，但还主要是集中在数控机床行业，没有针对整个自动化控

19、制行业形成全系列规格标准产品。从国内外研究现状来看，通过机械上的改进来提高压力机的综合性能已经走到了极限，应该在驱动和控制上寻求突破，小松公司的HIF系列压力机反映了压力机设备的发展方向。基于交流伺服电机的数字重载机械驱动技术作为锻压装备中的一种崭新的技术，具有巨大的发展潜力，在国外发达国家也起步不久，离普及和大规模生产尚有一定距离。为缩短与世界先进水平的差距，我国在这一新兴技术刚开始发展的时候就应该在研究和开发上给与足够的支持3.11。1.4 国内外伺服压力机驱动方式研究现状将伺服电机引入机械压力机驱动系统有两种方式：第一种方式，用伺服电机直接驱动压力机，其结构形式与普通机械压力机相同，仅将

20、普通电机换成伺服电机，电动机与执行机构直接连接，推动滑块工作，这种方式传动环节少，具有结构简单、传动效率高、精度高的特点，发展前景广泛3.9。交流伺服电机直接驱动压力机的传动机构有两种典型方式：一种是由伺服电机带动丝杠旋转，通过多杆机构推动滑块完成冲压工作；另一种是由伺服电机带动曲柄旋转，利用多连杆机构推动滑块进行工作19。（1）丝杠传动的交流伺服电机直接驱动方式 美国俄亥俄州立大学工程研究中心提出了两种双肘杆式交流伺服电动机直接驱动型压力机，如图1-2所示 图1-2 通过丝杠传动的伺服压力机另外，日本小松公司推出的H2F型AC伺服压力机如图1-3所示，交流伺服电动机与飞轮连接带动丝杠旋转，进

21、而通过连杆机构推动滑块完成工作。 图1-3 型伺服压力机丝杠传动具有结构紧凑、运动精确的特点，但不适用于大吨位机械压力机，这主要是由于这种机构在传递较大的力时摩擦损耗也相应较大。（）曲柄传动的交流伺服电动机直接驱动型压力机 因为旋转传动传递的扭矩较之线性传动更大，美国俄亥俄州立大学工程研究中心研究了用曲柄代替图1-中的丝杠，以交流伺服电动机直接驱动双肘杆压力机，机构原理如图1-所示。通过进一步比较此压力机和连杆驱动压力机的载荷特性，优化设计了选定的双肘杆式压力机的尺寸参数，并制造了300kN双动机械压力机。图曲柄传动的压力机日本小松公司也推出了HIF系列AC伺服压力机，其基本结构如图1-所示。

22、这种结构的主要优点是肘杆机构有一定的增力作用，有较好的急回特性，在工作区域有较为理想的速度特性；能以较小的偏心距实现大的滑块行程长度，更好的满足加工工艺和自动化上下料的需要；同时由于肘杆和连杆吸收了压机工作时的冲击能量，避免了伺服电机直接受到工作载荷的冲击，提高模具的使用寿命；电机功耗小、传动效率高等。图型伺服冲压机第二种方式，采用混合驱入机构，用伺服电机与常规电机混合驱动压力机，普通电机提供主要的转矩和运动，对外做功,伺服电机用于完成对滑块的速度调节，这种方式不仅可以改善输出动力特性，而且能够改变滑块运动规律以满足不同加工工艺的需要22。1.5 伺服压力机控制系统发展现状及发展趋势 与传统压

23、力机相比，交流伺服压力机的主要技术优势在于更加智能化、自动化的控制系统，更加灵活方便的操作方式，能够实现多种工艺参数的自动调整，通过与机械手或机器人等自动送、卸料设备组成纵列串行冲压生产线实现自动生产等，从而更能满足现代生产节奏和生产工艺的要求。交流伺服压力机控制系统发展现状如下8.16： (1)近年来，随着大规模集成电路和计算机控制技术的应用，交流调速技术飞速发展。由于交流调速和交流电动机具有良好的使用性和可维修性，在新设备制造时，主电机的驱动系统越来越普遍地采用交流调速方式。(2)随着自动控制技术和智能传感技术的发展，现代机械压力机的控制系统也更加自动化和智能化。(3)国内外对交流永磁同步

24、电机的重视开始于上世纪80年代末、90年代初，到90年代末才将它应用于成形装备。永磁同步电机比较容易实现电气制动，储存制动能量，减轻了对电网的影响，但其价格昂贵成为最大的问题。异步机虽价格便宜但是控制却相对复杂。在实际应用中，异步电机多用于大型设备中，同步电机在中小型设备中应用较多。(4)在金属加工中，控制系统的性能在一定程度上决定了压力机的生产效能。在压力机控制系统中，由电机本身的角度检测与滑块上的位移、力检测装置组成的全闭环系统可以获得更高的控制精度15。虽然控制系统在硬件上有所提高，但目前的压力机控制技术还有很大欠缺，需要朝着以下几个方向发展13.14：(1)提高数控系统的智能化程度。应

25、用自适应控制技术。根据检测到的过程中的重要信息，数控系统应能对系统的有关参数进行自动调整，以达到改进系统运行状态的目的；以工艺参数数据库为支撑，把熟练工人和专家的经验、加工的一般规律和特殊规律存入系统中，建立具有人工智能的专家系统；引入故障诊断思想，具备自诊断能力。(2)网络化，将设备接入企业网，便于工作人员进行设备管理、监控及解决技术故障，甚至实现远程维护。(3)高柔性，针对不同加工要求，对工艺参数进行自动优化，以形成最优的滑块运动模式，适应多种成形加工的目标。第2章 交流伺服系统的原理2.1 交流伺服驱动2.1.1 交流伺服电机原理 交流伺服电动机是一种受输入信号控制并作快速响应的电动机，

26、其控制精度高，运转平稳，在其额定转速范围内能输出额定转矩，过载能力强，控制性能可靠，响应迅速。因此交流伺服电动机广泛地应用于自动控制系统、自动监测系统和计算装置、增量运动控制系统以及家用电器中10。 交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）15。2.1.2交流伺服电机调速特点长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨

27、损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势15。2.1.3 交流伺服电机与普通三相异步电动机的比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进

28、电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较15。(1) 控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机

29、其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角（如果采用步进电机细分驱动器，还可以将其细分至更小，比如1.8度/512细分=0.003515625度）。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步

30、进电机的脉冲当量的1/655。(2) 低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。(3) 矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速

31、时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。(4) 过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。(5) 运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率

32、过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。(6) 速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机

33、来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。2.2 交流伺服控制系统伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便10。 伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的： 以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵

34、控制就是典型的例子。在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。第3章 交流伺服曲柄压力机原理和特点3.1 传统曲柄压力机3.1.1 曲柄压力机工作原理及组成曲柄压力机是冲压及锻压生产中广泛使用的一种压力加工设备。曲柄压力机通过曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为冲压加工生产所需要的直线往复运动，在冲压加工生产中广泛用于冲裁、弯曲、拉深及翻边等工序。因此曲柄压力机又称为通用曲柄压力机，简称通用压力机它是冲压设备中最基本和应用最广泛的冲压锻压设备。 下面以两种典型的通用压力机JB23-63通用压力机和J31-315曲

35、柄压力机为例，介绍通用曲柄压力机的工作原理和基本结构组成。图3-1为JB23-63通用压力机的外形图，图3-2为其运动原理图1.7。工作原理为：电动机1通过v带把运动传给大带轮3,再经小齿轮4、大齿轮5传给轴7。连杆9上端装在曲轴上，下端与滑块10连接，把曲柄的旋转运动转变为滑块的直线往复运动，滑块运动的最高位置称为上止点位置，而最低位置称为下止点位置。冲压模具的上模11装在滑块上，下模12装在垫板13上。将板料放在上、下模之间，即能进行冲裁或其他冲压加工。曲轴7上装有离合器6和制动器8，只有当离合器6和大齿轮5啮合时，曲轴7才开始转动。要使曲轴停止转动时，可将离合器与齿轮脱开和制动器制动。7

36、图3-1 JB23-63开式曲柄压力机图 图3-2 JB23-63开式曲柄压力机运动原理图1电动机2小带轮3大带轮4小齿轮5大齿轮6离合器7曲轴8制动9连杆10滑块11上模12下模13垫板14工作台15机身当制动器制动时，曲轴停止转动，但大齿轮仍在曲轴上自由旋转。压力机在一个工作周期内有负荷的工作时间很短，大部分时间为无负荷的空程时间。为了使电动机的负荷均匀，有效地利用能量，采用飞轮的形式储存能量，通用压力机上大带轮即起着飞轮的作用。曲柄压力机一般由以下部分组成。工作机构。即曲柄滑块机构（或称曲柄连杆机构），它由曲轴、连杆、滑块等零件组成，其作用是将曲柄的旋转运动转变为滑块的直线往复运动，由滑

37、块带动模具工作。传动系统。它包括齿轮传动、带传动等机构。将电动机的能量和运动传递给工作机构，起能量传递作用和速度转换作用。操纵系统。包括离合器、制动器等部件，用以控制工作机构的工作和停止。能源系统。包括电动机、飞轮。飞轮能将电动机空行程运转时的能量储存起来，在冲压时再释放出来。支承部分。主要指机身，它把压力机所有部分联结成一个整体。承受全部工作变形力和各种装置的重力，并保证整机所要求的精度和强度。除上述基本部分外，还有多种辅助系统和装置，如润滑系统、安全保护装置、滑块平衡装置以及气垫等。3.1.2 曲柄压力机曲柄滑块机构类型曲柄滑块机构常见的形式有曲轴式、曲拐轴式、偏心轴式和偏心齿轮式曲柄滑块

38、机构等1。如图3-3所示。1. 曲轴驱动的曲柄滑块机构特点及使用场合：曲轴式结构可以设计成较大的曲柄半径，但曲柄半径一般是固定的，故滑块的行程也不可调节。在工作中，曲轴既受弯矩又受扭矩，而且力是不断变化的。所以，加工技术要求较高，又由于大型曲轴锻造困难，因此，曲轴式的曲柄滑块机构在大型压力机上的应用受到限制。2. 曲拐轴驱动的曲柄滑块机构特点及使用场合：曲拐轴式曲柄滑块机构便于实现调节行程且结构较简单，但由于曲柄悬伸，受力情况较差，因此，主要在中小型压力机上应用。3. 偏心齿轮驱动的曲柄滑块机构特点及应用场合：偏心齿轮工作时只传递扭矩，弯矩由心轴承受，因此偏心齿轮的受力比曲轴简单，心轴只承受弯

39、矩，受力情况也比曲轴好，且刚度较大。此外，偏心齿轮的铸造比曲轴锻造容易解决，但总体结构相对复杂些。所以，偏心齿轮驱动的曲柄滑块机构常用于大中型压力机中。 图 3-3 曲柄滑块类型3.1.3 曲柄滑块机构运动分析图3-1为一通用压力机曲柄滑块机构简图，o点为曲柄回转中心，A点为连杆与曲柄的连接点，B点为连杆与滑块的连接点，曲柄半径为R,连杆长度为L，OA以角速度旋转，逆时针为正向，B点以速度v做往复运动，向下为正，s为B点距下死点的距离，为曲柄与铅垂线的夹角。由图所示的几何关系，可得滑块位移s与曲柄转角之间关系1：OB=OC+CB=R+= R+L （3-1）S=R+L-B (3-2)将式（3-1

40、）代入式（3-2），经整理得: S=R(1- )+L1- (3-3)对于通用压力机,R/L 一般在 0.10.2 范围内，这时式（3-3）中根号部分可作如下近似： 1-所以，式（3-3）变为：S=R(1-+) （3-4）式中：S 滑块位移，从下止点算起，向上方向为正；曲柄转角，从下止点算起，与曲柄旋转方向相反为正，以下相同；R 曲柄半径；L 连杆长度（当连杆长度可调时，取最短时数值）。将式（2-4）对时间求导，可得滑块的速度公式为：v=R(+) (3-5)式中：滑块速度，向下方向为正；曲柄角速度， =2 n/60,弧度 s-1; n 曲柄转速，即滑块行程次数，次 /min;L 连杆长度（当连杆

41、长度可调时，取最短时数值）其余符号同式（3-4）。 将式（2-5）对时间再次求导，可得滑块的加速度公式为: a=-R(+) (3-6)式中：a 滑块加速度，向下方向为正，m/s2，负号是因为坐标的关系而加上的。其余符号同式（3-4）和式（3-5）。 由式（3-4）、（3-5）及（3-6）可得出曲柄滑块机构的运动线图。如图3-4所示。图中表明滑块在上止点和下止点时，速度为零；滑块在行程中点时，速度最大；近似取=90和 =270的滑块速度作为最大值。由式（3-5）可得：max=R=2nR/60=nS/60 （3-7）上式表明滑块最大速度等于连杆与曲柄连接点的线速度，并与滑块行程次数和滑块行程的乘积

42、成正比。而且滑块的速度与冲压工艺有关。若滑块速度高，可以提普通冲裁件的断面质量，但对拉深工艺就不利，会引起拉深件的破裂。另外工件材料的不同，拉深时所允许压力机滑块速度也不同。目前国产通用压力机滑块的最大速度为 0.1350.435m/s。为了提高生产率，压力机滑块速度有提高的趋势。 图 3-4 曲柄滑块机构的运动特性曲线3.2交流伺服曲柄压力机3.2.1 交流伺服曲柄压力机原理交流伺服曲柄压力机式是在传统的曲柄压力机上，摒弃飞轮和离合器等耗能部件基础，用计算机控制的交流伺服电动机替代三相异步电动机，通过曲柄连杆等执行机构将电动机的旋转运动转化为滑块的直线运动，在不改变机械结构的前提下，利用伺服

43、控制技术任意更改滑块运动特性曲线，对滑块的位移和速度进行全闭环控制，实现滑块运动特性可控，工作性能和工艺适应性大大提高，更好的满足了冲压加工柔性化、智能化的需求。如图3-2所示是交流伺服曲柄压力机的结构简图17.20： 图3-2交流伺服曲柄压力机系统结构简图通过皮带齿轮减速，交流伺服电机驱动曲轴旋转，通过曲柄连杆机构获得滑块的直线运动；通过控制伺服电机的转速和扭矩，使滑块的运动特性曲线可调，压力可控；通过位移传感器以实现滑块的位移和速度反馈19.20。3.2.2交流伺服曲柄压力机的工作特点由于伺服压力机采用计算机控制的交流伺服电机直接驱动滑块的传动形式，可对压力机滑块的位置、速度、运动轨迹实现

44、控制，使压力机获得了柔性化、智能化的特点，工作性能和工艺适应性大大提高22。与传统压力机相比，伺服压力机的特征如下24：（1）滑块运动可控 由于把原动机从不能调节和控制的普通电动机改为CNC控制、可任意调节的伺服电机，自动化和智能化程度提高，设备使用者可根据工艺要求编织出适合于加工工艺的滑块运动方式，可以获得任意的滑块特性，设备的工艺适应性扩大；可以根据不同的工艺采用相应的优化曲线，提高工作性能，甚至可以扩大加工范围（如镁合金的冲压加工等）。 （2）制品精度高 通过闭环反馈控制，始终保证下死点的精度。一方面，伺服压力机的运动可以精确控制，一般均装有滑块位移检测和行程调节装置，滑块的任意位置可以准确控制（伺服压力机滑块位置精度一般可达mm）；另一方面，滑块运动特性可控、可以优化，例如拉深、弯曲及压印时，适当的滑块曲线可减少回弹，提高制件精度。 （3）提高生产率 伺服压力机行程可以方便地调整，能根据成形工艺需要，使压力机在必要的行程工作，生产效率得以提高。其工作频率不但高于液压机，而且可以高于普通机械压力机。 （4）噪声低，模具寿命长 通过低噪声模式（即降低滑块与板料的接触速度），与通用机械压力机相比，可大幅减少噪声，而且模具的振动小，寿命长长。伺服压力机的环保特性