数控转塔冲床结构设计概要.docx

浙江工业职业技术学院毕业论文（2008届）（数控转塔冲床结构设计）学生姓名 周恒丰 学 号 080206149 院 系 数字控制工程分院 专 业 数控设备应用与维护 指导教师 王媛媛 完成日期     数控转塔冲床结构设计摘 要 数控转塔冲床(冲模回转头压力机)是压力加工设备中最具生命力的集机、电、液一体化的前沿产品，是广泛用于各类金属薄板零件加工、一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉深成型的板材加工关键设备。转塔型数控冲床是用来对板材进行冲孔和步冲的压力机，在其上滑块与工作台之间，有一对可以存放若干套模具的回转头(即转盘)。把待加工的板材夹持在夹钳上，使板材在上、下转盘之间相对于滑块中心沿x，y轴方向移动定位，按规定的程序选择所需要的模具，并由滑块冲击模具，从而冲出所需尺寸和形状的孔来。这是一种通用、高效、精密的冲压机械，也是板材加工中的主要设备。关键词 数控 冲压机械 冲床Design of CNC turret punch pressAbstract CNC turret punch press (turret punch presses) is the pressure processing equipment in the most vigorous set of mechanical, electrical, fluid integration of cutting-edge products, Is widely used in various types of sheet metal parts processing, auto-complete a variety of complex time hole and light sheet metal forming process drawing critical equipment.Turret type .CNC punch press is used to plate for punching and nibbling the press, in its slide and the table between a pair of sets of molds can be stored back .Turned around (ie turntable). Gripping the sheet to be processed in the clamp, so that plate in the upper and lower relative to the slider between the center wheel along the x, y-axis direction .Position, according to the procedure to select the desired mold, die by the impact of the slider, so out of the required size and shape of the holes. This is a pass Use, efficient, precision stamping machinery, sheet metal processing is the main equipment. Key words CNC punch press machinery目 录第一章 数控转塔冲床概述31.1 数控转塔冲床的分类31.2 数控转塔冲床的优点31.3 国内外数控转塔冲床现状41.4 数控转塔冲床应用以及意义5第二章 数控转塔冲床的方案分析和设计62.1 方案一的分析62.2 方案二的分析82.2 方案三的分析9第三章 数控转塔冲床的各个详细部分113.1 主传动部分113.2 转塔电机及减速器153.3 床身部分16结 论17致 谢18参考文献19 引 言数控转塔冲床是压力加工设备中最具生命力的集机、电、液一体化的前沿产品，是广泛用于各类金属薄板零件加工、一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉深成型的板材加工关键设备。通过自动编程，可对板材进行X、Y方向和精确定位，自动选择转盘模具库中的模具，按要求加工板材，自动加工不同尺寸和孔距的不同形状的孔，也可用小冲模以步冲方式冲大的圆孔、方形孔、腰形孔及各种形状的曲线轮廓，也可进行特殊工艺加工，如百叶窗、浅拉伸、压窝、翻边孔、加强筋、步冲成形、步冲弯边、压印及标志孔等。第一章 数控转塔冲床概述1.1 数控转塔冲床的分类数控转塔冲床按主轴驱动工作原理来分，主要可以分为以下三大类:1)机械驱动数控转塔冲床:这类数控转塔冲床是通过一个主电机带动飞轮旋转，由离合器进行冲压控制。它的优点是结构简单，产品价格低。但同时，这类机床也存在效率较低、不适宜成型冲压、耗电量较大、冲压噪音大等缺点。2)液压驱动数控转塔冲床:这类机床通过液压缸驱动击打头，由电液伺服阀进行冲压控制。主要优点表现在加工效率高、冲压噪音小等优点:但同时也存在多种不足，如对环境要求较高、耗电量大、维护困难、占地面积大等缺点。3)伺服电机驱动数控转塔冲床:随着大功率交流伺服电机技术的进步，伺服电机已可以完全满足打击头和其运动机构对打击力，转矩和功率等参数的要求。这类机床通过伺服电机带动打击头进行冲压控制。相对液压式机床而言，其主要优点表现在机床结构紧凑、耗电量少、没有更换液压用油的烦恼，而且非常环保、噪音小、对环境要求低等。1.2 数控转塔冲床的优点l)对加工对象改型适应能力强，可适应多品种、小批量生产的需要;2)可提高生产率，在加工过程中可缩短加工时间和辅助时间; 3)可提高同批工件的重复性精度，可避免由于手工控制所产生的误差; 4)扩大机器使用范围，可加工一些手工控制无法或难于加工的复杂零件; 5)减少了在制品，加速了流动资金的周转，提高了经济效益; 6)可存贮加工用的优化程序，并可随时调用以实现最佳加工过程; 7)数控化后有可能组成板材加工柔性制造单元 (FMC)，并可以进一步组成板材加工柔性制造系统(FMS)，实现生产管理现代化。1.3 国内外数控转塔冲床现状 国外于1932年就生产出了常规电控的简易型冲模回转头压力机，直到1955年才开发出来第一台NC数控转塔冲床，1970年又开发出来第一台CNC数控转塔冲床。之后随着数控技术的不断发展，数控转塔冲床也有了很大发展，性能不断提高，功能逐渐增强。目前，德国、日本和美国等发达国家数控转塔冲床的使用已非常普遍。随着当今制造业灵活快速制造的发展，数控转塔冲床也向着具有多种复合功能，更加稳定可靠，具有更大柔性，适应多品种小批量的方向发展。目前，世界上生产数控转塔冲床的主要厂商大约有十余家，例如:美国的STRIPPIT公司，日本的AMADA，德国的TRUMPF，瑞士的RASKIN，瑞典的PULLMAX，芬兰的FINN-POWER公司等。 数控转塔冲床在我国的研究起步比较晚，随着中国钣金业的蓬勃发展和国外高端技术的引进，越来越多的生产厂家掌握了数控冲床设计、制造技术，并转换为产品进入市场。目前，国内有能力提供4轴及以上数控冲床的企业主要包括济南捷迈、江都亚威、扬州的杨力和金方圆等。虽然国内的转塔冲床得到了很大的发展，但是和发达国家相比还比较落后，很多关键技术如数控系统、大功率伺服电机等还依赖于进口。1.4 数控转塔冲床应用以及意义数控转塔冲床的应用范围相当广泛，几乎涉及到当今制造业的方方面面。从传统的电气开关柜、纺织机械、机床、电梯、空调、制冷设备、军事装备，到通讯柜、计算机、办公设备、家具、灯具、汽车、拖拉机、收割机械、航空航天、太阳能设备、环保设备、装修装饰等等。据统计，2004年国内新增数控转塔冲床约800台，2005年新增数控转塔冲床约950台，2006年新增数控转塔冲床约 1100台，2007年新增数控转塔冲床约1250台，2008年新增数控转塔冲床约1400台，可见企业对数控转塔冲床的需求量不断增大。随着我国汽车工业的如日中天，加上新兴的电子工业的强劲发展，为数控转塔冲床的发展，提供了广阔的战场。 虽然目前国内己有很多公司生产的数控转塔冲床，但是其价格都比较昂贵，且其数控系统基本上依赖于进口。同时，国内外成熟的基于PC的数控冲床系统并不多见，且多数系统没有CAM功能，人机界面功能较差。随着计算机技术的发展，PC机的软件、硬件条件都有了很大的提高，基于DOS的数控系统显然不能充分的利用现有的计算机资源。近来人们又对数控冲床系统提出了一些新的要求:人性化的界面设计，多任务并行控制能力;完善的图形接口功能及通用性;加工仿真功能，在加工之前预览加工过程和结果，避免试加工，降低生产成本;实时的加工过程显示，使操作人员随时掌握加工进度。因此，开发符合上述需求的冲床数控系统具有重要的现实意义和广阔的应用前景。也因此，数控转塔冲床的结构设计也显得非常重要。第二章 数控转塔冲床的方案分析和设计早期的数控转塔冲床工作原理常见有两种形式：一种是利用飞轮，电动机驱动曲柄连杆滑块机构，使滑块上下往复运动， 而转塔是由链传动驱动；第二种是电机通过蜗轮蜗杆驱动连杆肘杆机构，使滑块上、下往复运动，转塔是由齿轮传动驱动。2.1 方案一的分析图2 JK9240数控冲床的传动原理图第一种是电动机驱动曲柄连杆滑块机构，使滑块上下往复运动，如图2所示： JK9240数控冲床的传动原理图。 它采用开式机身，工作台外置。主电动机1通过皮带2带动飞轮3转动，再通过主离合器4、偏心轮5和滑块6带动打击器7以最高270次分的行程次数冲孔。 上、下转塔14、13装有32套模具，分内、中、外三圈布置。为此装有一个三位置的打击器气缸22，推动打击器，选择内中外位置。 上下转塔14、13由转塔伺服电机10驱动，它通过转塔减速箱9，转塔离合器11和链传动8带动上下转塔同时转动，选择模具冲孔。为使上下转塔定位准确，保证凸模与凹模在同一轴线上，在转塔圆柱面上设有20对锥形定位套，由转塔气缸12推动锥销定位。 板料的进给机构由x、y轴和夹钳三部分组成。Y轴伺服电机17通过皮带18、滚珠丝杆16带动移动工作台15做Y向运动。移动工作台装有X向移动机构、由X轴伺服电机21驱动，通过相应的滚珠丝杆(图中未画出)使其上的溜板(图中未画出)做X向运动，溜板上装有两副夹钳19，由夹钳气缸20推动夹紧，弹簧复位，以夹紧和松开工件。优点： 利用飞轮，可以用比较小的电机功率达到所要求的冲压力；在转塔中，不仅只有一圈的模具，配合打击器气缸，通过杆驱动打击器，来选择内、中、外三圈的模具。这样可以在保证多模具的前提下，减少转塔的直径，减小转塔在机床中所占的体积。转塔定位气缸的使用，可以在很大程度上保证转塔的精度。缺点：由于使用飞轮，就不得不使用离合器和制动器。离合器和制动器会消耗比较大的功率，不利于提高效率，同时它们又是噪声的主要来源之一，它们的使用对降低噪声不利。为了保证打击器能在一定范围内移动，那么冲头的直径就必须比较大，这样增大了冲头的质量，不利简化机床。2.2 方案二的分析此方案是电机通过蜗轮蜗杆驱动连杆肘杆机构，使滑块上、下往复运动，JK9230型数控冲床就是这种结构。其运动简图如图22所示。主电机通过皮带传动机构、蜗轮蜗杆机构和曲柄肘杆机构，驱动滑块上下运动，进行冲裁。转塔12支承和悬挂在机身的下部和上部，电液脉冲马达11通过两级锥齿轮和一级正齿轮的传动，使上、下转塔同步回转，以选择模具，并用液动定位销6使转塔最终定位，保持上、下模同心。被加工的板料用夹钳13夹紧，放置在移动工作台2上。电液脉冲马达14和另一电液脉冲马达通过滚珠丝杆传动，使移动工作台及夹钳做x、y向送进，以选择冲孔的坐标。图22 JK9230型数控冲床的传动原理图优点：取消了飞轮的使用，在一定程度上简化了机床，取而代之的是使用了一个曲柄肘杆增力机构，使一个比较小的力，反应到冲头上是较大的力，但反过来，冲头的反冲力，通过；同时通过蜗轮副的使用，对主电机的要求较低。缺点：转塔的转动是靠齿轮副驱动，与上一种方案相比，其局限性比较大，在制造工艺上，对转塔的要求相对较高，因为要保证转塔上轮齿的精度；又由于转塔时常受到冲击力，其变形的可能性比较大，这样也会影响到轮齿。蜗轮副的使用，会使传动效率降低。2.2 方案三的分析根据以上两种方案，以及当今伺服系统的不断完善，借鉴于日本村田（MURATEC）的动力机构，如图23所示：图23 日本村田（MURATEC）数控转塔冲床的动力机构图设计了如图24所示的主传动图。图24 数控转塔冲床结构方案设计由伺服电机传递动力到偏心轮3，偏心轮上装有偏心套1，偏心套随着偏心轮的转动而将力传递到活动板12，活动板安装在导轨上的滑块上，因此活动板只能做直线运动。连杆13几乎水平地带动肘杆14和15运动。连杆13、肘杆14和15构成了曲柄肘杆机构， 此机构具有增力特性。伺服电机驱动式主传动，不仅保留了机械式主传动结构成熟可靠的优点，而且具备了液压主传动的诸多特性，其特点主要有： 1、节省能源。传统的机械式主传动由电机带动飞轮旋转并积聚一定的能量，工作过程中，飞轮能量冲压时消耗，并在返回上死点时重新积累。而对于伺服电机驱动式主传动，能量无需存储，伺服电机也不需要一直旋转，仅在冲压时启动并提供所需能量，因此电能消耗大大降低，节能非常显著。 2、大大精简了结构。由于此结构取消了飞轮及离合器与制动器，使结构简化。 3、降低噪音。滑块冲压模具穿透板料时，会受冲压反力作用产生振动和冲击，由此带来的噪音也会随滑块速度和冲压力的增加而增大。机械式主传动冲床通常通过加强床身和提高吨位来减少噪音。而伺服电机驱动式主传动冲床却能够在行程的每时每刻对滑块的速度进行控制和调节，因此可以在冲压中段控制冲头使其停顿，并降低其进入板料时的速度，从而达到减少噪音的目的。另外，通过这种方式，在减少噪音的同时，还能减轻冲头进入板料时的冲击，进而延长模具的使用寿命。 4、滑块行程次数显著提高。曲柄旋转一周，滑块上下运动两次，这样能够达到更高的冲压频率。第三章 数控转塔冲床的各个详细部分3.1 主传动部分1-伺服电机 2-减速器 3-固定板 4-活动板 5-偏心装置 6-滑块 7-导轨8-曲轴 9-主传动曲臂10-冲头 11-冲头支撑座图31 主传动系统图主传动系统中，伺服电机1通过减速器2，输出一较大的转矩到正弦机构。此正弦机构由一偏心机构和连接在滑块6上并在导轨7上滑动的活动板4组成。减速器输入到偏心装置的圆周运动转变成直线运动，转矩也转变成沿着导轨方向的力，作用在活动板上。活动板经一连杆，几乎水平地将力作用在曲轴上。偏心装置反复进行圆周运动，曲轴也随之在一定角度内摆动。曲轴的摆动带动主传动曲臂9，主传动曲臂9将力传递到冲头10，由于冲头受到冲头支撑座的限制，只作上下直线运动，因此，最后冲头将力作用在模具上。 在此传动系统中，关键是如何将电机的圆周运动，转变成稳定的沿一定方向的直线运动。此正弦机构，能够在往返的转折点有良好的导向性，因为根据正弦函数的性质可知，它处处可导，在转折点上也就具有良好的缓冲力的性质，因此偏心装置对活动板不会造成太大的刚性冲击，不但降低噪音，在平稳的过程中，对整个机床精度的提高也十分有益。 图32 活动板移动距离图如图33所示，减速器输出轴通过键12带动齿轮连接套3转动，齿轮连接套与偏心轮13通过螺钉连接在一起，偏心轮销10就嵌入它们之间。偏心套8套在偏心轮销上，由于偏心轮中心与电机轴在同一轴线上，它们同时绕着此轴转动，因此偏心轮销也绕此轴做圆周运动，但由于偏心轮销与此轴有一偏心距e，所以偏心轮销就带动了活动板，活动板与滑块连接，滑块只能沿着导轨做直线运动，活动板就随着滑块做直线运动。1-伺服电机 2-减速器 3-齿轮连接套 4-连接套支撑座 5-固定板 6-滑块 7-活动板 8-偏心套9-轴承外挡圈 10-偏心轮销 11-圆锥滚子轴承 12-键 13-偏心轮图33 正弦机构图图34 主传动曲臂为了能很好地将水平力传递到曲轴，将主传动曲臂与主传动曲臂盖设计成斜方向（如图34所示），同时也能保证装卸的简易性。图35 冲头和冲头支撑座从机床的精简考虑，只要冲头的强度和刚能满足要求，则尽量使用最小的直径。而起导向作用的冲头支撑座也能随着冲头直径的减小而精减。3.2 转塔电机及减速器图3.2 转塔电机及减速器为了保证上下转塔同时转动，那么就将电机的功率输入到一减速器中，而减速器的输出轴是能够同步转动的两根轴，通过链轮与链条来驱动转塔。3.3 床身部分图414 床身床身的设计主要是根据普通冲床作为基本构架，为主传动系统和转塔提供支撑，配合数控转塔冲床的实际需要，对床身部分进行改进，为使床身更人性化，仍需在实践中提出改进方案。结 论 本文通过对数控转塔冲床结构的设计和分析，得出以下结论： 数控转塔冲床的设计，只是在机械部分总体进行了设计，伺服电机、正弦机构和曲柄肘杆机构的采用，发挥了普通冲床上离合器和制动器的功能，使此设计的的结构大大的精简，稳定性能大为提高，噪音大幅降低，在实际的应用过程中，能耗显著下降。致 谢本论文是在我的导师王媛媛的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。这么长时间以来，王老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的5501的各位朋友，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位领导和老师，由于首次数控转塔冲床结构设计，错误、漏洞一定不少，望各位老师不吝赐教。 最后感谢母校给与本人深造的机会。 参考文献1 于卫红. 数控转塔冲床横梁结构的分析与优化设计.南京师范大学学报，2010. 2 翟敏焕. 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