数控转塔冲床主传动系统浅析

文／王菁华·济南铸造锻压机械研究所

数控转塔冲床主传动系统浅析

文／王菁华·济南铸造锻压机械研究所

数控转塔冲床是对金属板材进行冲孔及成形加工的装有程序控制系统的自动化机床，至今已有近五十年的应用和发展，广泛适用于多品种、小批量的金属板材加工行业。该类机床的主要结构包括床身、主传动系统、转盘选模系统、送进工作台、控制系统等，其中，控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，从而使冲床动作进而加工零件。板件沿X、Y方向高速度准确定位，并能任意选择安装在转盘中的模具，按板材加工要求，通过编程，自动加工出不同尺寸、形状和孔距的孔；也能选用小冲模以步冲方式冲出大的圆孔、方孔、腰形孔及任何形状的曲线轮廓；也可以完成某些特种工艺的加工，如百叶窗、浅拉伸、压窝、翻孔、加强筋、步冲成形、步冲弯边、光洁挤孔、压印、标志孔及备用孔等。

机械离合器、液压动力头、伺服电机是当今数控冲床的三大驱动方式。最初的机械式主传动系统由电机、飞轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和滑块等组成，电机通过曲柄连杆机构使滑块垂直上下运动，下压模具对金属板料进行冲孔，通过离合器与制动器的结合与脱开，控制动力扭矩的传递及滑块动作的起停。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，最早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，噪声大。上世纪八十年代，推出了液压离合器与制动器，它具有性能稳定、噪声低、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，液压式主传动部件被越来越多地采用，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实时测量和反馈，最终实现对冲头位置、行程及速度的精确控制。

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公司的数控转塔冲床产品中，由于其高速、高效、高精和节能环保的优势明显，国内厂商也在竞相研制和推出该类伺服主传动的产品。

目前，国内外伺服电机驱动式主传动的结构形式主要有以下几种：

一是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、离合器及制动器。如日本AMADA公司的EM系列双伺服电机主传动系统，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，保证了曲轴有足够的扭矩输出，同时可以获得很高的冲压频率。

二是伺服电机通过丝杠传动副与曲柄肘杆机构相连，如日本AMADA公司的AC单电机系列数控转塔冲床的主传动结构形式。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，这样能够提高冲压频率，但仍不及前者。

此外，日本MURATEC公司也具有单伺服电机滑枕驱动及采用全新碳纤维增强塑料的连杆机构的主传动形式，后者实现了轻量化和高刚性；芬兰FINN-POWER公司采用伺服电机通过传动机构带动推块及双边楔块机构，再推动压头的传动形式；德国TRUMPF公司采用了双伺服电机驱动丝杠螺母机构的主传动形式。

如上所述，采用伺服电机驱动主传动系统的数控伺服转塔冲床具有冲压速度高、节能、控制精度高、工艺性强、噪声小、节能环保等优势，代表了数控转塔冲床的发展方向，已成为国外著名厂商的技术研发重点，并相继开发出拥有各自专利技术的产品，作为主导机型推向国际市场，数控伺服转塔冲床将作为换代型产品，逐步成为金属板材冲压加工的主要装备。国内数控伺服转塔冲床技术发展相对滞后，与国外先进水平相比有一定差距，但主要厂家也将其作为换代新产品竞相研制，并有样机相继推出。

在伺服电机驱动主传动系统技术方面，济南铸造锻压机械研究所（捷迈机械）进行了持续深入的研究，不同于其他产品所采用的国外已有技术的主传动模式，创新提出了连杆长度可变的曲柄连杆传动机构及数控转塔冲床主传动系统，形成了独有的伺服主传动专利技术。

该专利技术的主传动采用数控伺服电机通过减速器与曲轴直连，驱动连杆长度可变的曲柄连杆机构运行的传动方式。将一种连杆长度可变的装置，应用于小偏心距的曲柄连杆机构中，采用通用高速低扭矩伺服电机，在满足数控转塔冲床所需较大的模具提升及换位行程的同时，能够通过较小的加工行程实现满载荷冲压及快速步冲等功能，在提高效率、降低能耗的同时，使得机床工况更为合理。

该技术应用于数控转塔冲床主传动，其不同于国内外同类产品的独特性在于将主流的高性能、低成本的通用伺服电机与传统的完善可靠的曲柄连杆机构相结合，并通过连杆长度可变的技术创新，解决了采用小惯量、低扭矩伺服电机取代高成本、大功率力矩电机的难题，实现了以伺服电机按照板厚、步距等参数自动调整转速并连续运转，不仅提高了步冲速度，也避免了其他同类产品的伺服电机以间歇摆动方式运转所产生的额外损耗。

在该主传动系统支持下，转塔冲床可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、成形等（图1）。

纵观数控冲床在行业中的发展，可以看出产品应跟随市场变化而不断更新，并顺应当下“创新、智能、绿色”的制造业主流，才能使产品的广泛应用得以保持。目前，《中国制造2025》的发布成为整个制造业的焦点话题，制造业的转型升级已成共识，中国在从“制造大国到制造强国角色转变”的道路上已经迈出了第一步，钣金加工设备制造商也应紧跟行业发展步伐，以振兴中国制造为己任，实现强盛制造业的中国梦。