專利名稱：金屬板彎曲成型機工作單元位移運動系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于先驅彎曲機工作單元的運動學移動系統(tǒng)，先驅彎曲機是用于彎曲和成形金屬薄板的自動機械。
該運動學系統(tǒng)的特征在于電致動和主運動的特殊運動學驅動，主運動的特殊運動學驅動在嚴格意義上說是造成彎曲的原因，從而使其不同于目前生產的具有液壓致動的機器。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以應用于小型彎曲機，就重量和尺寸而言，小型彎曲機能裝配在一集裝箱中，沒有嘈雜且笨重的液壓控制單元，由于它不需要加滿大量的礦物油，所以其在生態(tài)學上有優(yōu)勢，且比目前的機器更快更可靠，生產成本更低。
本發(fā)明可以應用在用于彎曲金屬薄板的彎曲機和工業(yè)彎曲機的生產中。
背景技術：
已知與生產金屬薄板產品相關的產業(yè)使用彎曲機，其允許以完全自動且受控的方式在單片金屬薄板上進行一系列彎曲，以便獲得成品，如炊具蓋或擱板。
還知道用于彎曲金屬薄板的彎曲機通常包括支撐待彎曲的材料如金屬薄板的固定床；夾緊式壓力機的支撐框架；沖頭，其是壓力機的一部分，以及相應的反向沖頭，其充當在彎曲階段期間夾緊材料的裝置；
能朝著被加工的材料移動的一個或多個彎曲刀片；合適的運動學運動機構，用來使所述一個或多個彎曲刀片沿著固定床移動以使夾在沖頭和反向沖頭之間的部件成形；用于在工作條件中使金屬薄板或成型件朝著刀片移動的裝置；控制所述過程的各種類型的信號轉換器或傳感器，它們與控制生產過程的電子單元相連。
申請人在此地市場上交易的上述已知類型的彎曲機包括具有“C”形橫截面的刀片架構件，刀片架構件可沿著兩個相互垂直的方向相對于固定床移動，(多個)彎曲刀片固定在刀片架構件上。
能用已知自動彎曲機獲得的彎曲的外形不僅僅是能用手動彎曲機獲得的典型的角度固定的外形，通過對金屬薄板的定位和施加在其上的壓力同時進行控制，能獲得輻射狀外形。
當長度或專用工具改變時，在彎曲循環(huán)中使用傳統(tǒng)刀片特別是工具和沖模也使得能在不需要操作者干涉的情況下形成特殊外形。
如同傳統(tǒng)構造觀念的情況，刀片由安裝在主框架上的承重C形構件支撐，所述單元包括兩個刀片上面的刀片用于負彎曲(向下)，下面的刀片用于正彎曲(向上)。
系統(tǒng)控制金屬薄板的角度和厚度的大小，通過比例閥調節(jié)刀片的位置。所有運動都由比例控制液壓缸實現(xiàn)。專門的機構保證彎曲單元運動的平行性。
壓力機工具安裝在具有四個臂的電焊構件上，鉸接在主框架的后部。
C形構件和工具的運動由液壓缸控制，通過控制單元使液壓缸按程序工作以便在所有的彎曲階段期間都獲得最高程度的精度。
象市場上存在的其它彎曲機那樣，傳統(tǒng)的液壓彎曲機配備有運動學構件，其確定并控制刀片架單元的運動。
該構件有時可以是五連桿機構類型的，其由具有五個元件的封閉運動鏈構成，該五個元件通過五個運動副相連。
然而，使用傳統(tǒng)的五連桿機構類型的運動鏈是為了提供具有扭轉剛度從而不具有特定機械功能的機器；另外，五連桿機構類型不由框架曲柄致動。
圖1表示用于移動刀片架單元P的傳統(tǒng)系統(tǒng)的運動系統(tǒng)圖。
參考該圖，字母A、D、L和G表示框架固定轉矩點，元件繞這些框架固定轉矩點旋轉，而字母B、C、E、F和H表示回轉聯(lián)接部，其使得元件在相對運動中具有旋轉自由度。
在這種機器中，不是通過框架曲柄而是通過液壓缸致動五連桿機構，并且五連桿機構不存在任何奇點組合。
因而，就任何范圍和目的來說，這都是一種存在某些結構和功能限制的機構，例如因為整個運動學系統(tǒng)由液壓類型的回路和部件驅動，所以機器噪聲非常大；它使用相當大量的油來驅動非常復雜的液壓回路；為了整個復雜的液壓系統(tǒng)的機能，它使用相當大量的電力；因而，在噪音和油與電的消耗方面，機器對環(huán)境有極其負面的影響。
對傳統(tǒng)彎曲機進行的專門分析還顯現(xiàn)出不能用電力控制用于彎曲金屬薄板的常見機構，因為關于框架曲柄的工具的靈敏度系數太高。
因而，傳統(tǒng)彎曲機的這些高靈敏度系數不能對可在市場上獲得的減速馬達(無電刷馬達+行星減速齒輪)提供的轉矩提供所需的放大，因而用于已知運動學系統(tǒng)的唯一類型的驅動是液壓的。
由于執(zhí)行的運動規(guī)律，所以不能使用其它類型的馬達；其它的減速單元(普通的齒輪傳動鏈)與機器的重量和尺寸不相適應。
另一個問題是機器的精度不確定，這是由于在已知機器中通過兩組液壓缸實現(xiàn)兩個同步運動，該兩個同步運動能確定工具的軌線，由于這兩組液壓缸的位置，這兩組液壓缸不是完全獨立地負責工具的水平和垂直運動。
換句話說，負責刀片架單元水平運動的液壓缸也產生不必要的垂直運動，以同樣的方式，負責垂直運動的液壓缸也產生水平運動。
這是由于液壓缸的定位相對于彼此不成直角，它們也沒有相對于框架形成固定的角度。

發(fā)明內容
本發(fā)明打算提供一種驅動彎曲機的工作單元的運動學系統(tǒng)，其能消除或至少減少上述缺點。
本發(fā)明首先打算提供一種驅動彎曲機的新概念的工作單元的運動學系統(tǒng)，其預見用伺服馬達和行星減速齒輪而不是傳統(tǒng)的液壓致動器來移動刀片架單元。
伺服馬達和減速單元實際上使得能確切地獲得比液壓系統(tǒng)更高的性能水平，還確保了不斷傳遞的轉矩，而這是不能用液壓系統(tǒng)獲得的，液壓系統(tǒng)使用蓄壓器，因而其壓力在彎曲過程中必然緩慢降低。
由于其行為模式固有的直線性，伺服電動機允許用先進的控制模式實現(xiàn)自由定義的軌線和內插，并且在位置和速度方面實際上沒有誤差；這種性能水平不可能用受比例閥控制的液壓系統(tǒng)獲得，這是由于流體引起的非直線性和該驅動的通帶減少得更多。
這些優(yōu)點由用于驅動彎曲機工作單元的運動學系統(tǒng)實現(xiàn)，其特征在主要的權利要求中描述。
正被討論的方案的從屬權利要求描述了本發(fā)明的有利實施例。
該方案的主要優(yōu)點首先涉及彎曲機的刀片架單元使用鉸接機構，該鉸接機構確定地是一種變速機構。
這意味著，在驅動速度相同的情況下，能在關閉/打開之前的幾秒鐘內使用非常低的速度，在壓力機行程的其余部分中果斷地使用較高的速度。
這還允許進一步減少循環(huán)時間，從而提高機器性能。
機器由合適的電控單元電致動，并采用獨創(chuàng)的機構來移動彎曲刀片，其能將轉矩放大得足以在工具上產生一個力，該力是彎曲出按機器說明書所述厚度和長度所需的。
組成機構的鉸接系統(tǒng)在運動學術語上被認為是平面機構，這是這樣一種機構，其中元件以平面運動的方式運動，回轉副的軸線彼此平行且與運動平面成直角。
從拓撲學的觀點(元件的數量和聯(lián)接的類型)，該封閉的運動鏈具有由五個運動學回轉副連接的五個元件。
這些元件之一是機器的框架，該運動鏈具有兩個實際的自由度，也就是說它允許兩個獨立的馬達。選擇兩個框架曲柄作為馬達元件。
從幾何學的觀點，該機構具有必需的工作空間以便彎曲刀片在申請人預見的范圍中正確運動；在機構使金屬薄板彎曲的構造附近，提供了特殊的幾何構造(在運動的運動學反向的情況下，與運動學奇點的條件相應)，其足以產生所需的轉矩放大；這些構造中的兩個與所謂的正彎曲和負彎曲相對應。
能觀察到，本發(fā)明的機構使得在上述兩個構造附近處于雙運動學奇點的條件中(涉及反向運動)。
通過同時使第一馬達曲柄與第一連桿排成直線和使第二馬達曲柄與第二連桿排成直線來實現(xiàn)該雙奇點。
這個原理與元件的幾何尺寸或框架運動副的位置無關，即使似乎很明顯，放大效果在某種程度上取決于這些尺寸和取決于機器的工作空間。
由于通過具有兩個自由度的鉸接系統(tǒng)使本發(fā)明機器的刀片移動，鉸接系統(tǒng)存在明顯的運動學非直線性，所以使得特征在于定義明確的彎曲軌線的彎曲刀片運動成為可能，且可通過非迭代類型的專用的獨創(chuàng)反向運動學算法給該彎曲刀片運動編程。該算法被嵌入數控裝置中或用作預處理器，使得能實現(xiàn)定義明確的軌線，該軌線具有已經在其它成果中使用的內插軸線，如典型的環(huán)形內插法。
特別地，以合適的方式將機器人技術領域中典型的方法和算法應用于機床，以便允許通過除工具座標之外的變量進行彼此不垂直但彼此無關的運動控制。
該算法精確地而不是近似地確定了運動規(guī)律，該運動規(guī)律與所需的工具軌線相應，與在液壓彎曲機中出現(xiàn)的情況不同，在液壓彎曲機中，軌線傳統(tǒng)上被設定在不同于笛卡兒空間的致動器空間中，因而與控制器質量近似地無關。
該算法以非迭代的方式解決了位置運動學，從而具有零誤差。
根據本發(fā)明，反向運動學算法包括兩個封閉的聯(lián)動裝置的連續(xù)解答，每個解答都與具有兩個未知量的兩個非線性閉方程相應。
非迭代方案通過幾何類型的因素進行。
該反向運動學算法與對電軸起作用的控制器的高精度結合，使得能實現(xiàn)除了圓形軌線之外的具有特定特征和用途的特定軌線。
特別地，根據本發(fā)明的機器可以預見，使用與已知方案不同的新的獨創(chuàng)的彎曲軌線允許彎曲刀片在金屬薄板上轉動而不滑動。
該軌線在處理具有保護膜的材料時是特別有用的，因為它防止膜被劃破和隨之對金屬薄板的傷害。
在這種情況下，刀片和金屬薄板象兩個共軛齒廓那樣運轉，最后得到的軌線是一種圓形漸開線。能觀察到，通過在刀片和金屬薄板之間算術地施加非滑動約束，在事實上確定了軌線的兩個自由(或廣義)座標之間實現(xiàn)了結合。
由本發(fā)明的機器加工的半成品零件的質量優(yōu)秀，與之前的機器相比其由安靜得多的機器實現(xiàn)，并且由于液壓回路簡單得多，所以使用的油的數量減少。
由于它的噪音較小且使用少得多的油，所以相對于已知的背景技術的方案，新機器對環(huán)境的影響完全不同。


通過結合附圖閱讀下面對本發(fā)明一個作為無約束力的例子給出的實施例的說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得很明顯，其中圖1表示傳統(tǒng)類型的彎曲機的示意側視圖；圖2表示本發(fā)明運動學系統(tǒng)的普通模型的三維示意圖，運動學系統(tǒng)驅動彎曲機的刀片架單元；圖3是以平面圖表示的同一運動學模型的示意圖，表示聯(lián)動裝置的軌線線路；圖4到6表示刀片架驅動單元的運動學模型的圖；圖7是本發(fā)明的機器中的彎曲軌線發(fā)生系統(tǒng)的框圖；圖8和9表示在第一和第二工作階段中刀片在待彎曲的金屬薄板上的軌線的示意圖；圖10和11分別以示意圖和框圖的形式以解析形式表示本發(fā)明彎曲機的反向運動學系統(tǒng)的計算步驟。
具體實施例方式
首先參考圖1，可以注意到刀片架單元P的所述驅動方法，液壓驅動系統(tǒng)用致動器使刀片架單元P移動，它的點A、D、L和G指的是固定框架轉矩點，元件繞固定框架轉矩點旋轉，而B、C、E、F和H表示回轉聯(lián)接部，其使得元件在相對運動中具有旋轉自由度。該系統(tǒng)存在上面提到的所有問題，本發(fā)明打算解決這些問題。
參考圖2，本發(fā)明的彎曲機改為配有刀片架單元10，其用伺服馬達和行星減速齒輪而不是傳統(tǒng)的液壓致動器來控制刀片架單元的運動。
從結構的觀點，刀片架單元的后部與多個支撐件11成一整體，而底座12固定在其下部上。依靠分別由13和14表示的兩個機械單元，支撐件11和底座12被卷入特定的運動學系統(tǒng)的動作中，其鏈具有兩個實際的自由度。
組成該機構的鉸接系統(tǒng)在運動學上被認為是一平面機構，平面機構是這樣的一種機構，其中元件以平面運動的方式移動，回轉副的軸線彼此平行且與運動平面成直角。
從拓撲學的觀點，即元件的數量和聯(lián)接的類型，其是具有由五個運動學回轉副連接的五個元件的封閉運動鏈。
這些元件之一是機器的框架，該運動鏈具有兩個實際的自由度，也就是說它允許兩個獨立的馬達，每個馬達都安裝在相應的機械單元上。
第一獨立伺服馬達15是第一機械單元13的一部分，曲柄16安裝到第一獨立伺服馬達上，并與連桿17相連，連桿17的另一端鉸接到桿18。
該桿18配備有軸19上的樞軸點，而其與與連桿17的聯(lián)接點相反的另一端分支成一系列元件18a和18b，元件18a和18b與同樣數量的銷20a和20b相聯(lián)，銷20a和20b位于與刀片架單元10成一整體的支撐件11的端部上。
第二機械單元14包括兩個伺服馬達21和22，伺服馬達21和22驅動相應的曲柄23和24，曲柄23和24又鉸接到相應的連桿25和26，連桿25和26的另一端與刀片架單元10的底座12相連。
應該注意，在結構上，所有曲柄都能由具有相同功能的偏心件代替，并且選擇兩個框架曲柄作為馬達元件。
從幾何學的觀點，該機構具有必需的工作空間以便彎曲刀片在申請人預見的范圍中正確運動；在機構使金屬薄板彎曲的構造附近，提供了特殊的幾何構造(在運動的運動學反向的情況下，與運動學奇點的條件相應)，其足以產生所需的轉矩放大。這些構造中的兩個與所謂的正彎曲和負彎曲相對應。
能觀察到，該機構使得在上述兩個構造附近處于雙運動學奇點的條件中(涉及反向運動)。
通過同時使第一馬達曲柄23、24與第一連桿25、26排成直線和使第二馬達曲柄16與第二連桿17排成直線來實現(xiàn)該雙奇點。
圖3表示聯(lián)動裝置的軌線，特別地，標記Z表示下面的運動學連接
Z1-第一聯(lián)動裝置在馬達21、22和連桿25、26之間的曲柄23、24；Z2-第一聯(lián)動裝置的連桿25、26的軌線；Z3-第一聯(lián)動裝置在連桿25、26和刀片架單元10的鉸接點與桿18的鉸接點20之間的軌線；Z4-第一聯(lián)動裝置在桿18的鉸接點20與該桿的樞軸點19之間的軌線；ZB1-第二聯(lián)動裝置在桿18的樞軸點19和一鉸接點之間的軌線，該鉸接點處于曲柄18和連桿17之間；ZB2-第二聯(lián)動裝置在曲柄18和連桿17的鉸接點與連桿17和曲柄16的鉸接點之間的軌線；ZB3-第二聯(lián)動裝置在連桿17和曲柄16的鉸接點與馬達15的軸的軸線之間的軌線。
示意圖4和5表示元件的位置，其由向量表示，其在彎曲構造的附近引起機構的雙奇點。
特別地，圖4表示處于正彎曲的開始的第一單獨構造，而圖5表示處于負彎曲的開始的第一單獨構造。
圖6表示曲柄16和連桿17的第二單獨構造正或負彎曲從細虛線開始并在長實線結束。
還應該指出，這個原理與元件的幾何尺寸或框架運動副的位置無關，即使似乎很明顯，放大效果在某種程度上取決于這些尺寸和取決于機器的工作空間。
由于通過具有兩個自由度的鉸接系統(tǒng)使本發(fā)明機器的刀片移動，鉸接系統(tǒng)存在明顯的運動學非直線性，所以使得特征在于定義明確的彎曲軌線的彎曲刀片運動成為可能，且可通過非迭代類型的專用的獨創(chuàng)反向運動學算法給該彎曲刀片運動編程。該算法被嵌入數控裝置中或用作預處理器，使得能實現(xiàn)定義明確的軌線，該軌線具有內插軸線，如典型的環(huán)形內插法。
如能在圖8和9中看到的，示出了特別的新彎曲軌線，其允許彎曲刀片在金屬薄板上轉動而不滑動。該軌線在處理具有保護膜的材料時是特別有用的，因為它防止膜被劃破和隨之對金屬薄板的傷害。
圖8中的標記X1表示待彎曲金屬薄板的端部與支撐件之間的初始間隙，而X2表示刀片的半徑。
在圖9中，X3表示該間隙，X4表示彎曲角度。
刀片和金屬薄板象兩個共軛齒廓那樣運轉，最后得到的軌線是一種圓形漸開線。能觀察到，通過在刀片和金屬薄板之間算術地施加非滑動約束，在事實上確定了軌線的兩個自由座標之間實現(xiàn)了結合。
所述運動學運動導致許多優(yōu)點，最明顯的是，伺服馬達和減速單元使得能確切地獲得比液壓系統(tǒng)更高的性能水平，還確保了不斷傳遞的轉矩，而這是不能用液壓系統(tǒng)獲得的，液壓系統(tǒng)使用蓄壓器，因而其壓力在彎曲過程中必然緩慢降低。
另外，由本發(fā)明的機器加工的半成品零件的質量優(yōu)秀，與之前的機器相比其由安靜得多的機器實現(xiàn)，并且由于液壓回路簡單得多，所以使用的油的數量減少。
由于它的噪音較小且使用少得多的油，所以相對于已知的背景技術的方案，新機器對環(huán)境的影響完全不同。
圖7是關于彎曲機控制程序的框圖。特別地，該框圖使得能確定數學運算方法，該數學運算方法用來設定刀片在待彎曲金屬薄板上回轉但不滑動的條件。
上面參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但很明顯，在技術等價方案的框架內，容易對本發(fā)明進行許多改變。
權利要求
1.一種用于驅動彎曲機工作單元的運動學系統(tǒng)，所述彎曲機用來使金屬薄板彎曲和成形，所述彎曲機包括具有“C”形橫截面的刀片架單元(10)，該刀片架單元可沿著兩個相互垂直的方向相對于固定床移動，所述刀片架單元配備有一個或多個彎曲刀片，其特征在于伺服馬達(15，21，22)和行星減速齒輪用于移動刀片架單元(10)；刀片架單元(10)使用由兩個機械單元(13，14)組成的鉸接機構，該兩個機械單元形成封閉的運動鏈，該運動鏈具有由五個運動學回轉副連接的五個元件。
2.如權利要求1所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于第一機械單元(13)包括獨立的伺服馬達(15)，其配備有曲柄(16)，所述曲柄又與連桿(17)相連，所述連桿的另一端鉸接到桿(18)，桿(18)配備有軸(19)上的樞軸點，而其與與連桿(17)的聯(lián)接點相反的端部與若干銷(20)相聯(lián)，銷(20)位于與刀片架單元(10)成一整體的支撐件(11)的端部上。
3.如前述權利要求中任一個所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于第二機械單元(14)包括兩個伺服馬達(21，22)，該兩個伺服馬達驅動相應的曲柄(23，24)，所述曲柄又鉸接到相應的連桿(25，26)，連桿(25，26)的另一端與刀片架單元(10)的底座(12)相連。
4.如前述權利要求中任一個所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于在機構使金屬薄板彎曲的構造附近，鉸接機構(13，14)提供了與反向運動相關的特殊幾何構造，其與運動學奇點的條件相應，以便產生必需的轉矩放大。
5.如權利要求4所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于有鉸接機構的兩個這種構造，它們與所謂的正彎曲和負彎曲相對應。
6.如權利要求4或5所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于所述機構在上述兩個構造附近處于與反向運動相關的雙運動學奇點的條件中。
7.如權利要求6所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于通過同時使第一馬達曲柄(21，22)與第一連桿(25，26)排成直線和使第二馬達曲柄(16)與第二連桿(17)排成直線來實現(xiàn)該雙奇點。
8.如前述權利要求中任一個所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于它包括用于控制各機械單元相應運動的中央電控單元，且該控制單元執(zhí)行反向運動學算法，該算法允許工具在金屬薄板上轉動而不在其上滑動。
9.如權利要求1到7中任一個所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于它包括用于控制各機械單元相應運動的中央電控單元，且該控制單元執(zhí)行反向運動學算法，該算法使得能精確地確定工具的軌線。
10.如權利要求9所述的運動學系統(tǒng)，其特征在于這些反向運動學算法是非迭代類型的。
11.一種用來使金屬薄板彎曲和成形的彎曲機，所述彎曲機包括具有“C”形橫截面的刀片架單元(10)，該刀片架單元可沿著兩個相互垂直的方向相對于固定床移動，一個或多個彎曲刀片固定在所述刀片架單元上，其特征在于它包括用于驅動工作單元的運動學系統(tǒng)，其中伺服馬達(15，21，22)和行星減速齒輪用于移動刀片架單元(10)，和其中該刀片架單元(10)使用由兩個機械單元(13，14)組成的鉸接機構，該兩個機械單元形成封閉的運動鏈，該運動鏈具有由五個運動學回轉副連接的五個元件。
12.如權利要求11所述的彎曲機，其特征在于它包括如權利要求1到10中任一個所述的用于驅動工作單元的運動學系統(tǒng)。
全文摘要
用來使金屬薄板彎曲和成形的彎曲機包括具有“C”形橫截面的刀片架單元(10)，該刀片架單元可沿著兩個相互垂直的方向相對于固定床移動，一個或多個彎曲刀片固定在刀片架單元上。該機器包括用于驅動工作單元的運動學系統(tǒng)，其中伺服馬達(15，21，22)和行星減速齒輪用于移動刀片架單元(10)。此外，彎曲機的刀片架單元(10)使用由兩個機械單元(13，14)組成的鉸接機構，該兩個機械單元形成封閉的運動鏈，該運動鏈具有由五個運動學回轉副連接的五個元件。
文檔編號B21D5/04GK101052482SQ200480044283
公開日2007年10月10日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權日2004年10月22日
發(fā)明者路易吉·帕吐茲, 矛日子奧·菲利斯, 米吉爾·諾爾波特·哈戈 申請人:芬蘭電力私人有限公司