數控轉塔沖床主傳動系統淺析

文／王菁華·濟南鑄造鍛壓機械研究所

數控轉塔沖床主傳動系統淺析

文／王菁華·濟南鑄造鍛壓機械研究所

數控轉塔沖床是對金屬板材進行沖孔及成形加工的裝有程序控制系統的自動化機床，至今已有近五十年的應用和發展，廣泛適用于多品種、小批量的金屬板材加工行業。該類機床的主要結構包括床身、主傳動系統、轉盤選模系統、送進工作臺、控制系統等，其中，控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，從而使沖床動作進而加工零件。板件沿X、Y方向高速度準確定位，并能任意選擇安裝在轉盤中的模具，按板材加工要求，通過編程，自動加工出不同尺寸、形狀和孔距的孔；也能選用小沖模以步沖方式沖出大的圓孔、方孔、腰形孔及任何形狀的曲線輪廓；也可以完成某些特種工藝的加工，如百葉窗、淺拉伸、壓窩、翻孔、加強筋、步沖成形、步沖彎邊、光潔擠孔、壓印、標志孔及備用孔等。

機械離合器、液壓動力頭、伺服電機是當今數控沖床的三大驅動方式。最初的機械式主傳動系統由電機、飛輪、離合器與制動器、曲軸、連桿和滑塊等組成，電機通過曲柄連桿機構使滑塊垂直上下運動，下壓模具對金屬板料進行沖孔，通過離合器與制動器的結合與脫開，控制動力扭矩的傳遞及滑塊動作的起停。機械式主傳動部件中，離合器與制動器的性能很重要，直接影響到主傳動部件的工作效率和使用壽命，最早使用一種氣動離合器與制動器，雖然其結構較為簡單，但缺點是摩擦片損耗快，污染性強，性能穩定性差，需要經常調整與維修，而且其工作頻率較低，噪聲大。上世紀八十年代，推出了液壓離合器與制動器，它具有性能穩定、噪聲低、污染小等優點，而且使用壽命比氣動離合器與制動器長得多，大大減少了停機時間，降低了維修費用。

上世紀九十年代，液壓式主傳動部件被越來越多地采用，已成為數控轉塔沖床的主流配置，與機械式主傳動相比，油缸取代了曲軸連桿等結構，液壓站提供動力，兩者由主液壓閥塊連接，通過專門的電子卡程序化控制整個系統的動作，并由連接于油缸活塞桿上的電子傳感器實時測量和反饋，最終實現對沖頭位置、行程及速度的精確控制。

近年來，隨著大扭矩伺服電機及驅動系統的改良與推廣，伺服電機驅動式主傳動部件已被成功應用于日本AMADA、MURATEC公司的數控轉塔沖床產品中，由于其高速、高效、高精和節能環保的優勢明顯，國內廠商也在競相研制和推出該類伺服主傳動的產品。

目前，國內外伺服電機驅動式主傳動的結構形式主要有以下幾種：

一是在傳統機械式主傳動的基礎上，將伺服電機直接與曲軸相連，省去飛輪、離合器及制動器。如日本AMADA公司的EM系列雙伺服電機主傳動系統，是將兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運轉，保證了曲軸有足夠的扭矩輸出，同時可以獲得很高的沖壓頻率。

二是伺服電機通過絲杠傳動副與曲柄肘桿機構相連，如日本AMADA公司的AC單電機系列數控轉塔沖床的主傳動結構形式。該結構雖然比較復雜，但其利用曲柄肘桿機構特有的增力特性，可以降低伺服電機的負載扭矩，并且曲柄旋轉一周，滑塊上下運動兩次，這樣能夠提高沖壓頻率，但仍不及前者。

此外，日本MURATEC公司也具有單伺服電機滑枕驅動及采用全新碳纖維增強塑料的連桿機構的主傳動形式，后者實現了輕量化和高剛性；芬蘭FINN-POWER公司采用伺服電機通過傳動機構帶動推塊及雙邊楔塊機構，再推動壓頭的傳動形式；德國TRUMPF公司采用了雙伺服電機驅動絲杠螺母機構的主傳動形式。

如上所述，采用伺服電機驅動主傳動系統的數控伺服轉塔沖床具有沖壓速度高、節能、控制精度高、工藝性強、噪聲小、節能環保等優勢，代表了數控轉塔沖床的發展方向，已成為國外著名廠商的技術研發重點，并相繼開發出擁有各自專利技術的產品，作為主導機型推向國際市場，數控伺服轉塔沖床將作為換代型產品，逐步成為金屬板材沖壓加工的主要裝備。國內數控伺服轉塔沖床技術發展相對滯后，與國外先進水平相比有一定差距，但主要廠家也將其作為換代新產品競相研制，并有樣機相繼推出。

在伺服電機驅動主傳動系統技術方面，濟南鑄造鍛壓機械研究所（捷邁機械）進行了持續深入的研究，不同于其他產品所采用的國外已有技術的主傳動模式，創新提出了連桿長度可變的曲柄連桿傳動機構及數控轉塔沖床主傳動系統，形成了獨有的伺服主傳動專利技術。

該專利技術的主傳動采用數控伺服電機通過減速器與曲軸直連，驅動連桿長度可變的曲柄連桿機構運行的傳動方式。將一種連桿長度可變的裝置，應用于小偏心距的曲柄連桿機構中，采用通用高速低扭矩伺服電機，在滿足數控轉塔沖床所需較大的模具提升及換位行程的同時，能夠通過較小的加工行程實現滿載荷沖壓及快速步沖等功能，在提高效率、降低能耗的同時，使得機床工況更為合理。

該技術應用于數控轉塔沖床主傳動，其不同于國內外同類產品的獨特性在于將主流的高性能、低成本的通用伺服電機與傳統的完善可靠的曲柄連桿機構相結合，并通過連桿長度可變的技術創新，解決了采用小慣量、低扭矩伺服電機取代高成本、大功率力矩電機的難題，實現了以伺服電機按照板厚、步距等參數自動調整轉速并連續運轉，不僅提高了步沖速度，也避免了其他同類產品的伺服電機以間歇擺動方式運轉所產生的額外損耗。

在該主傳動系統支持下，轉塔沖床可按照沖壓工藝和模具類型，通過優化程序來控制滑塊以適應各種沖壓模式，如壓印、沖孔、成形等（圖1）。

縱觀數控沖床在行業中的發展，可以看出產品應跟隨市場變化而不斷更新，并順應當下“創新、智能、綠色”的制造業主流，才能使產品的廣泛應用得以保持。目前，《中國制造2025》的發布成為整個制造業的焦點話題，制造業的轉型升級已成共識，中國在從“制造大國到制造強國角色轉變”的道路上已經邁出了第一步，鈑金加工設備制造商也應緊跟行業發展步伐，以振興中國制造為己任，實現強盛制造業的中國夢。