精密高速數控沖床的運動分析和設計

顧磊 萬晨 高逸麒

摘 要：沖壓制品在我們的生活中被廣泛使用著，如儀器儀表、家用電器、生活器皿等等。相比于傳統的沖床，數控沖床更加具有優勢。隨著國內外數控技術，機械設計與制造技術，計算機等技術的快速發展，數控沖床技術發展迅速。我們現在對于他的精密性與高速性有著一定的要求。本文重點對精密高速數控沖床的運動結構進行分析和簡單設計。

關鍵詞：精密高速沖床；運動分析；機構簡單設計

中圖分類號：TG385.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

國內外所使用的鋼材，有60～70%是板材，其中大部分是經過沖壓制成成品。汽車的車身、底盤、散熱器片，容器的殼體、電機、電器的鐵芯硅鋼片等都是沖壓加工的。儀器儀表、家用電器、自行車、辦公機械、生活器皿等產品中，也有大量沖壓件。這推動了現今沖床技術的快速發展。

傳統的機械沖床具有成本低、可靠性高等優點，其以普通異步電動機作為動力源，滑塊速度為剛性輸出，不能控制速度曲線，缺乏柔性，難以滿足柔性化制造的需求[1]。與通常沖床比較，精密高速沖床加工精度高，具有安穩的加工質量，可進行多坐標的聯動，加工零件改動時，通常只需要更改數控程序，可節約出產準備時間，沖床主動化程度高，能夠減輕勞動強度。

1 沖床主機床身結構簡介

沖床可以按床身結構的不同，分成開式壓力機和閉式壓力機。如果是開式壓力機，那么它的床身的工作區域有三面是沒有封閉，操作空間相當大，但是有床身的剛度差這個問題，這就導致了沖床在工作負荷下會產生角變形，這可能會對精度產生影響，現代加工很難滿足所需要的精度； 閉式壓力機左右兩側則是封閉的，雖然操作空間較小，但是剛性好，壓力機精度能顯著提高，能滿足精度要求。本文所分析的壓力機要適用于高精度的零件進模的沖壓，所以床身采用閉式結構。

2 沖床設計簡介

2.1 沖床原理

沖床的設計原理是將曲軸的圓周運動轉換為滑塊的直線運動，由電機轉動帶動曲軸轉動，經過連桿來傳遞運動，來達成滑塊的直線運動。連桿和滑塊之間需有圓周運動和直線運動的接點，設計上一般會有兩種機構，一種為球型，一種為銷型（圓柱型）。

2.2 運動結構分析

曲軸的轉動的動力可以由伺服電機直接提供。由于本文曲軸所需的實際轉速相對于伺服電機的額定轉速較小，而且所分析設計的沖床沖壓能力較大，雖然曲軸連桿機構在滑塊往下運動過程中能夠增大沖壓力，為了伺服電機能夠正常驅動曲軸轉動，故采用了雙曲柄機構的設計。而在雙曲柄機構中，當主動曲柄做勻速轉動時，從動曲柄則作變速運動，在如圖2所示的機構中，就利用了這種特性，可使沖頭（滑塊）F在沖壓行程時慢速前進，在空程時快速返回，以利于沖壓工作的進行。通過機構設計使連桿2盡可能保持水平，保證運動穩定性。桿4上半部分實際長度較短，便于連桿4的橫向轉動。

整個機構上部需安裝配重塊（對運動的方向并沒有影響作用），有使整個機構能夠達到平衡，穩定的效果。如果是單連桿沖床，滑塊會受到連桿傳動機構在水平方向的分力，從而可能使滑塊兩端受力不平衡，從而對床身增加額外的力矩 ，可能導致機床震動，從而導致加工精度下降。該機構為了讓滑塊的受力更加平衡，從而設計出對稱的連桿機構。本文簡圖1采用了等速有同根軸相連接的轉軸驅動，使雙曲軸能夠等速對稱的旋轉，進而使得機構運作，完成對滑塊的傳力。

2.3 沖床部分數據預設

本文對沖床的沖壓力進行模擬設定，沖床沖壓力計算公式P=kltГ，其中：k為系數，一般約等于1，l沖壓后產品的周長，單位mm； t為材料厚度，單位mm；Г為材料抗剪強度。單位MPa。

算出的結果是單位是牛頓。這個只能算大致的，為了安全起見，把以上得到的值乘以2就可以了，這樣算出的值也符合復合模的沖壓力。

3 精密高速沖床的運動設計與分析

3.1 力分析

（1）根據圖3，兩個基座座位置受力，分別為Fax，Fgx，Fay，Fgy，它們的關系式為Fax=Fgx，Fay=Fgy 受力根據圖4進行受力分析，Fgy=F=400KN（一般設定值），F3d=Fgx。

（2）根據圖5，F2，Fn，Fax，Fay兩這四個力構成了平衡力系，它們在X方向上與Y方向上分力矢量和為零。

（3）根據圖6.F3d，F4d，F4d三個力構成三角形。力的大小取決于連桿上半部分與下半部分的夾角和初始力的大小。

（4）根據圖7，連桿5處為二力桿機構，只受兩個大小相等，方向相反，在一條直線上的力

（5）根據圖8，三個力構成直角三角形，F2b，F3t的夾角取決于實時的運動。

3.2速度分析

根據圖9的沖床速度分析圖可知各個連桿交點處速度的部分關系式：

V絕=R×ω，且與連桿1垂直，V相=V絕C，V相C=V絕f，V絕i=V絕d。

V絕，V牽，V相可以根據各個位置的角度關系，利用三角函數解出具體的數值進行求解。

例如設連桿4桿夾角為β，V相d=V絕d×cosβ，V牽d=V絕d×sinβ。

其他就不一一舉例。

3 結語

（1）床身采用閉式球墨鑄鐵鑄造結構，保證床身精度、提高床身剛度； 側立框架采用空心槽型結構，從而極大地提高了床身剛度； 下床身設計成采用帶筋板的箱體結構以提高剛度。[2]

（2）由伺服電機、調節螺桿和油缸組成的閉合高度調節系統，能夠無需人力，靠機器操作來對上床身的位置進行控制。

（3）使用了增加配重的機械機構，可使滑塊平衡地施壓，整個機構運作平穩。運動死點位置可以依靠慣性通過。

參考文獻

[1]鄭雄.伺服壓力機控制系統關鍵技術研究 [D].武漢：華中科技大學，2012.

[2]龍曉斌.精密高速伺服數控沖床主機結構設計[J].廣東：鍛壓技術，1996.

收稿日期：2018-06-21

作者簡介：顧磊（1997—），男，江蘇南通人，本科，研究方向：機械工程；萬晨（1996—），男，江蘇泰州人，本科，研究方向：機械工程；高逸麒（1997—），男，江蘇常州人，本科，研究方向：機械工程。