精密高速数控冲床的运动分析和设计

顾磊 万晨 高逸麒

摘 要：冲压制品在我们的生活中被广泛使用着，如仪器仪表、家用电器、生活器皿等等。相比于传统的冲床，数控冲床更加具有优势。随着国内外数控技术，机械设计与制造技术，计算机等技术的快速发展，数控冲床技术发展迅速。我们现在对于他的精密性与高速性有着一定的要求。本文重点对精密高速数控冲床的运动结构进行分析和简单设计。

關键词：精密高速冲床；运动分析；机构简单设计

中图分类号：TG385.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

国内外所使用的钢材，有60～70%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品。汽车的车身、底盘、散热器片，容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。这推动了现今冲床技术的快速发展。

传统的机械冲床具有成本低、可靠性高等优点，其以普通异步电动机作为动力源，滑块速度为刚性输出，不能控制速度曲线，缺乏柔性，难以满足柔性化制造的需求[1]。与通常冲床比较，精密高速冲床加工精度高，具有安稳的加工质量，可进行多坐标的联动，加工零件改动时，通常只需要更改数控程序，可节约出产准备时间，冲床主动化程度高，能够减轻劳动强度。

1 冲床主机床身结构简介

冲床可以按床身结构的不同，分成开式压力机和闭式压力机。如果是开式压力机，那么它的床身的工作区域有三面是没有封闭，操作空间相当大，但是有床身的刚度差这个问题，这就导致了冲床在工作负荷下会产生角变形，这可能会对精度产生影响，现代加工很难满足所需要的精度； 闭式压力机左右两侧则是封闭的，虽然操作空间较小，但是刚性好，压力机精度能显著提高，能满足精度要求。本文所分析的压力机要适用于高精度的零件进模的冲压，所以床身采用闭式结构。

2 冲床设计简介

2.1 冲床原理

冲床的设计原理是将曲轴的圆周运动转换为滑块的直线运动，由电机转动带动曲轴转动，经过连杆来传递运动，来达成滑块的直线运动。连杆和滑块之间需有圆周运动和直线运动的接点，设计上一般会有两种机构，一种为球型，一种为销型（圆柱型）。

2.2 运动结构分析

曲轴的转动的动力可以由伺服电机直接提供。由于本文曲轴所需的实际转速相对于伺服电机的额定转速较小，而且所分析设计的冲床冲压能力较大，虽然曲轴连杆机构在滑块往下运动过程中能够增大冲压力，为了伺服电机能够正常驱动曲轴转动，故采用了双曲柄机构的设计。而在双曲柄机构中，当主动曲柄做匀速转动时，从动曲柄则作变速运动，在如图2所示的机构中，就利用了这种特性，可使冲头（滑块）F在冲压行程时慢速前进，在空程时快速返回，以利于冲压工作的进行。通过机构设计使连杆2尽可能保持水平，保证运动稳定性。杆4上半部分实际长度较短，便于连杆4的横向转动。

整个机构上部需安装配重块（对运动的方向并没有影响作用），有使整个机构能够达到平衡，稳定的效果。如果是单连杆冲床，滑块会受到连杆传动机构在水平方向的分力，从而可能使滑块两端受力不平衡，从而对床身增加额外的力矩 ，可能导致机床震动，从而导致加工精度下降。该机构为了让滑块的受力更加平衡，从而设计出对称的连杆机构。本文简图1采用了等速有同根轴相连接的转轴驱动，使双曲轴能够等速对称的旋转，进而使得机构运作，完成对滑块的传力。

2.3 冲床部分数据预设

本文对冲床的冲压力进行模拟设定，冲床冲压力计算公式P=kltГ，其中：k为系数，一般约等于1，l冲压后产品的周长，单位mm； t为材料厚度，单位mm；Г为材料抗剪强度。单位MPa。

算出的结果是单位是牛顿。这个只能算大致的，为了安全起见，把以上得到的值乘以2就可以了，这样算出的值也符合复合模的冲压力。

3 精密高速冲床的运动设计与分析

3.1 力分析

（1）根据图3，两个基座座位置受力，分别为Fax，Fgx，Fay，Fgy，它们的关系式为Fax=Fgx，Fay=Fgy 受力根据图4进行受力分析，Fgy=F=400KN（一般设定值），F3d=Fgx。

（2）根据图5，F2，Fn，Fax，Fay两这四个力构成了平衡力系，它们在X方向上与Y方向上分力矢量和为零。

（3）根据图6.F3d，F4d，F4d三个力构成三角形。力的大小取决于连杆上半部分与下半部分的夹角和初始力的大小。

（4）根据图7，连杆5处为二力杆机构，只受两个大小相等，方向相反，在一条直线上的力

（5）根据图8，三个力构成直角三角形，F2b，F3t的夹角取决于实时的运动。

3.2速度分析

根据图9的冲床速度分析图可知各个连杆交点处速度的部分关系式：

V绝=R×ω，且与连杆1垂直，V相=V绝C，V相C=V绝f，V绝i=V绝d。

V绝，V牵，V相可以根据各个位置的角度关系，利用三角函数解出具体的数值进行求解。

例如设连杆4杆夹角为β，V相d=V绝d×cosβ，V牵d=V绝d×sinβ。

其他就不一一举例。

3 结语

（1）床身采用闭式球墨铸铁铸造结构，保证床身精度、提高床身刚度； 侧立框架采用空心槽型结构，从而极大地提高了床身刚度； 下床身设计成采用带筋板的箱体结构以提高刚度。[2]

（2）由伺服电机、调节螺杆和油缸组成的闭合高度调节系统，能够无需人力，靠机器操作来对上床身的位置进行控制。

（3）使用了增加配重的机械机构，可使滑块平衡地施压，整个机构运作平稳。运动死点位置可以依靠惯性通过。

参考文献

[1]郑雄.伺服压力机控制系统关键技术研究 [D].武汉：华中科技大学，2012.

[2]龙晓斌.精密高速伺服数控冲床主机结构设计[J].广东：锻压技术，1996.

收稿日期：2018-06-21

作者简介：顾磊（1997—），男，江苏南通人，本科，研究方向：机械工程；万晨（1996—），男，江苏泰州人，本科，研究方向：机械工程；高逸麒（1997—），男，江苏常州人，本科，研究方向：机械工程。