三维数控气动左右弯管机的开发设计.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 5 0 3 0 0 3 4 0 4 三 维数 控 气 动左 右 弯 管机 的 开发 设 计 周 长 玖 宁 波 精 达 成 形 装 备 股 份 有 限 公 司 ， 浙 江宁 波3 1 5 0 3 3 摘要 三维 数控 气 动左 右 弯管机 以伺服 电机 为 动力源 ， 气缸行 程磁 性 开关 为检 测器 件 ， 摆 臂 、 主 轴和 气缸 为 执行 器件 ， 对 管件 施加 夹 紧力和 抽 芯力 ； 利用伺 服 电机 驱 动 的送 料 小车 ， 可进 行 不 同长 度送 料 ， 既 能进行 平 面 弯 管 ， 又 能进 行 三维 空间弯 管 ； 在 同一 台机器 上 ， 使 用 一个机 头 、 一 个摆臂 、 一个 靠模部 件 的情 况 下 ， 通 过对 靠 模机 构 的巧妙 设计 ， 对 摆臂 部件 的灵活运 用 ， 使 其 既能进 行左 弯 ， 又 能进 行右 弯 。 与其 他 数控左 右 弯管机 相 比 较 ， 该 机 结 构 比较 简 单 ， 性 价 比 高 ， 设 备 的 柔 性 和 自动 化 程 度 高 。 关键 词 机 械设 计 ； 数控 弯 管机 ； 气动 夹 紧 ； 伺 服 电机 驱 动送 料 ； 左 右 弯管 中 图 分 类 号 T G3 5 5 ． 3 4 文 献 标 识 码 A DOI 1 0 ． 1 6 3 1 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 0 1 2 1 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 9 0概 述 数 控 弯管 机可分 为 数控 液压 弯管 机 和数 控气 动 弯管 机 。 数控 液压 弯管 机是 由油 缸 直接 或间 接提 供夹 紧 力 。由于液 口泵可 提供很 高 的压 力 ，选 用合 适 的油 缸 ， 会产 生很 大 的夹 紧 力 ， 所 以许 多大 截 面 的 钢管 、 矩 形 管 、槽 钢 等型 材使 用数 控液 压弯 管 机进 行弯 曲 加 工 ， 能够 满 足 电力 、 石 化 、 天然 气 、 集 中供热 等输 送 工程 领域 的要 求 ， 以及 汽车 、 舰 船 、 航 空 、 航 天等 领域 的需 要 。但是 ， 对 于所 需夹 紧力 较小 的铜 管 弯 曲 ， 如 果使 用数 控 液压 弯管 机来 夹管 和 弯管 ，就 会 现严 重 的质 量 问题 ，甚至 出现 较 多的报 废 。对 于这 类 管 件 ， 应选 用数 控气 动 弯管 机 。 数 控气 动 弯管机 ，是 由气缸 直接 或 问接 提供 夹 紧力 。 由于空 压机 提供 的压 力在 1 MP a以内，选用 合 适 的气 缸 ， 产 生所 需 的夹 紧 力 ， 完 成铜 、 铝 管 等 的弯 曲加 工 ， 可 满 足冰 箱 、 空调 的循环 冷 却系 统对 弯 管 的 需 求 。 1三 维 数 控 气 动 弯 管 机 技 术 现 状 『】 - 3 1 三维 数控 气 动弯管 机 主要 用来 弯 曲加 管 径较 小 的铜管 。 由于 铜管 弯 曲所需 夹 紧力小 ， 如 果用 油缸 加 之 液 压 弯 管机 弯 应 选 用 三 、弯 管机 等研 维 数控 气动 弯 管机 。 在 外 资 企 业 中 ， 意 大 利博 利 马 BL MGROUP 公 司 、 英 国 ADDI S ON公 司 、 美 国伊 顿 公 司 、 日本 大 洋 株 式 会社 、 瑞 典 HE RBE R公 司等 生 产 的数 控弯 管 机 都 具有 很高 的技术 水平 。 在 国 内 ，有 少 数 厂 家 在 生 产 维 数 控 气 动 弯 管 机 ， 一 般 为单一 机 型 。 弯 管机机 型 按 主轴 回转方 向一 般分 为左 弯 和右弯 两种 。 在 三维 数控 液压 弯管 机 中 ， 也有 左右 弯 的机 型 。具备左 右 弯 的机 型其 结 构非 常 复 杂 ， 不 仅 要 求 机 头 可 旋 转 1 8 0 。 ， 而 且 在 主 轴 两 端 还要 分 别装 匕左 右弯 用 圆模 、 夹模 和靠 模 ； 在 摆臂 的 两 个 滑 块 下 面 要 布 置 下 夹 紧 油 缸 ，在 靠 模 的 两 个 滑 块 下 面也要 布置 下夹 紧 油缸 ；带 动 主轴旋 转 的伺 服 电机及 减速 机 由于 回转 半径 的原 因 ，由纵 向布 置改 为横 向布 置 ， 造 成传 动 机构 的较 大变 化 ； 还要 考 虑旋 转 1 8 0 。 前 后进 出油 管 、限位 控 制开 关 等许 多 问题 。 具备 左右 弯 的三维 数控 液 压弯管 机 ， 结 构极 其 复 杂 ， 价格 昂贵 ， 一 般是 欧美 知 名弯管 机 生产 ， 多 在 实力 雄 厚 的 国 外 企 业 使 用 。 在 国 内 ， 少 有 企 业 开 发 生 产 具 备 左右 弯功 能 的三维 数控 液 压弯 管机 。 从理 论上 看 ，把 油缸 换成 气缸 也 可设 计 开发 三维 数控 气 动左 右弯 管机 。 但 其 中的 问题 是 ① j维 数 控 液 压 弯 管 机 所 需 的 弯 曲 力 矩 、 主 夹 夹 模 夹 紧 力 、 辅 夹 靠 模 夹 紧 力都 比较 大 ， 机 身 、 机 头 、 摆 臂 、 主轴 等体积 都 比较 大 。 要 布 置下 众 多机构 相 对容 易 ； 而j 维数 控气 动左 右弯 管机 所需 弯 曲力矩 、 主 夹 夹 模 夹 紧力 、 辅 夹 靠 模 夹 紧 力 都 比较 小 ， 机 身 、 机 头 、 摆 臂 、 主轴 等 体积 都 比较小 ， 可 用 空 间也较 小 ， 布 置不 下 太多 机构 ； ② 如果 把机 身 、 机头 等相 关 零 件都 变 大 ，在 机 头 上 布 置 下 两 个 滑 块 及 两 个 滑 块 下 面 的 夹 紧气 缸 ，在摆 臂 的两个 滑块 下 面要 布置 下夹 紧气 缸 ， 还 要 让 整 个 机 头 能 够 旋 转 1 8 0 。 ， N J J 上伺 服 电 机 及 驱 动 系 统 ， 气 动换 向 系统 、 电器 及 P L C控 制 系 统 ， 整 个机 器 的制造 成本 就会 非常 高 ， 推 向市 场 的难 度 就 很 大 。 j维 数控气 动 左右 弯管 机 的原 理 是 ；将 一个 机 头 的旋 转 结 构 非 常 复 杂 ， 改 变 为 两 个 机 头 一 左 一 有 的平移 ， 就 可解 决在 同一 台弯 管机 上 既能 进行 左 弯又 能进 行右 弯 的难题 。 其动作 为 采用 一左 一 右两 个 机 头 ， 用 伺 服 电 机 驱 动 在 滑 块 上 进 行 移 动 ； 当 需 左 弯 时 ， 左 机 头 移 动到 某 一 指定 位 置 ， 进 行 左 弯 加 工 ， 左 弯完 成 ， 左 机 头要 让 开 ； 当需 右 弯 时 ， 右 机 头移 动 到某 一 指 定位 置 ， 进 行 右 弯加 工 ， 右 弯完 成 ， 右机 头 也要 让 开 ；但 又 出现 了新 的 问题 ①需 增加 一个 机 头 ； ②左 机 头 、 右 机 头 互 相让 开 需 要很 大 空 间 ， 导 轨 也要 很 长 ； ③ 同定 导轨 的机 身也 要加 大 ， 从而 造 成该 种三 维数 控气 动左 右 弯管 机体 积大 ， 成本 高 。 如 果 _ 三维 数 控 气 动左 右 弯 管 机具 备 以下 条 件 ①在 原 理上 既能 进行左 弯 又能进 行 右 弯 ；② 在 结构 上相 x ,l - 比较 简单 ； ③在 制造 成本 上相 对 比较低 ， 将是 一 种 比较理 想 的三维 数控 气动 左右 弯管 机 ，也 是 T 程 师们 开发 与设 计三 维数 控气 动铜 管左 右 弯管 机 的 原 因和 动力 所在 。 2三 维 数 控 气 动 左 右 弯 管 机 的 组 成 、 原 理 1 4 1 维 数 控 气 动 左 右 弯 管 机 用 来 生 产 j 维 空 间 弯 数 多 、 外 形 尺 寸 要 求 高 、 相 对 弯 曲半 径 较 大 的 空 心 管 件 。如 汽 车排气 管 、 发动机 油管等 。 其 主要 组成 部分 有 ① 机 架部分 ， 是 整个 机 器 的 基 础 ， 是 安 装 和 同定 其他 部 分 的 平 台 ； ② 机头 部 分 ， 是 C轴旋 转 及 上下 、 左 右 平 移 的部 件 ； ③摆 臂 部 分 ， 是 定 主夹 及 提供 主夹 紧力 并 随 主轴 旋 转 的部 件 ； ④ 靠模 部分 ， 是 固定 辅夹及 提 供辅 夹 紧力 的部 件 ； ⑤ 导 轨 部分 ， 装在 机 身 上 ， 进 行 导 向 的部 件 ； ⑥ 小 车 送 料 部 分 ， 是 夹 紧管 件 ， 进 行 送料 和转 料 的部 件 ； ⑦ 尾 座 部 分 ， 是 进行 抽 芯 的 部件 ； ⑧ 气 路 控 制 部分 ， 包 括 气 缸 、 气 动 换 向 阀等 气路 元 件 ； ⑨ 模 具 部 分 ， 包 括 圆 模 、 夹 模 、 靠模 、 夹头 、 芯棒 等 ； ⑩ 电气 及 P L C控 制 部 分 ， 包 括 继 电器 、 伺 服 电 机 放 大 器 、 接 近 开 关 、 行 程 开 关 、 电器箱 及T 控机 等 。 维 数 控 气 动左 右 弯 管机 的原 理 如 图 1所 示 ， 通 常 南弯 曲旋 转轴 机 构 、 小 车 送 料 机构 、 调整 机 构 、 芯 棒进 给机 构 、 左右 弯转 换机 构等 五 大机构 组成 。 整 个 系 统 南机 械 系 统 、 气 路 系 统 、 润 滑 系 统 和 电 气 控 制 图 1 左弯型三维数控气动弯管机工作原理图 1 ．芯棒进给装置2 小 车送料机构3 ． 芯棒拉杆4 ． 靠模装 置5 ． 夹模夹 紧装置6 ． 弯 曲回转装置 系统组 成 。可实 现对 管件 的运 送 、 翻转 、 弯 曲 的空 间 控 制 ， 完成具 有 复杂形 状 的空 间管 件 的弯 曲加 工 。 弯 曲旋转 装 置 围绕 旋转 中心 D转 动 ， 其 转 动 角 度 ， 角 速度 和转 动力 矩 是 计 算 、 设计 、 控 制 的 主要对 象 ； 摆臂 上 的夹模 将管 件压 紧在 圆模 上 ， 圆模 随弯 曲旋 转主轴 一 起转 动 ，从而使 管 件弯 曲到需 要 的 角 度 ； 弯 曲旋 转 主 轴 的 转 速 、 转 角 以 及 转 矩 是 通 过 C轴 伺 服 电机及 减速 机 系统来 实现 的 。 3三维数 控气 动左 右 弯管 机结构 设计 15 ] 3 ． 1 坐标 轴 数量 的确 定 坐标 轴数量 的确定 是机 械设计 方 案 、电气 控 制 及编 制程 序 的基础 ， 是 能否 达到 预定 目标 的前 提 ， 由 下列 几个 轴组 成 ① 管件 需 沿机 身长 度方 向送 进 ， 定 为 l ， 轴 ； ② 管 件 弯 了一 个 弯 后 ， 一 般 需 旋 转 一 个 角 度 ， 定 为 曰轴 ； ③ 管 件 需 弯 曲旋 转 的轴 ， 定 为 C轴 ； ④弯 曲前 ， 需要 把 管件通 过 夹模压 在 网模 上 ， 夹模 前 进 、 后 退 的 水 平 方 向定 为 轴 ； ⑤ 管 件 弯 曲 半 径 或 方 向不 同时 ， 需 要从 一层 模换 到 二层模 ； 机 头 在上 下 方 向的运 动定 为 z轴 ； ⑥ 左右 弯转换 时 ， 靠模 机构 的 旋转 轴 ， 定 为 D轴 。本 系统 的运 动 主要 由这六 个 轴 的运 动 构 成 。 3 ． 2 左 右弯 管机 结构 设计 1 机架设 计 。在 弯管 机 的各个 部件 中 ， 机架 是 极其 重要 的大 件 ， 是整 台机 床 的基 础 ， 是 安装 和 固定 其他 部分 的平 台。 机架 的布 局形式 和结 构尺 寸 ， 影 响 其 自身 的强度 、 刚 度及 整 台机器运 行 的稳定 性 。 合 理 的结 构 、 优 化 尺 寸 的 机 架 不 仅 可 节 约 原 材 料 、 减 轻 重 量 ， 降 低 机加 工 成本 ， 而 且 可增 强 机 器 耐磨 性 、 装 配 维修 方便 性 以及 成 台机 器 的观 赏性 。如 果机 架 设 计 不 合 理 或 刚 度 不 足 ，会 引 起 机 架 的 各 种 变 振动 ，严 重影 响 整机性 能 。本机 架 采用 焊接 箱 构 ， 经 消 除 应 力 处 理 1 6 ] 。 2 机头 。如 图 2所示 ， 机 头是 最重 要 的执 件 ， 承受 弯 曲力矩 、 夹 紧力 、 抽芯 力等 的作 用 ， 其 装靠模 部 件 ， 连接 摆臂部 件 。机 头结 构较 复杂 ， 6三 维数 控气 动左 右弯 管机 电气 及控 制 系统简 述 三维数 控气 动左 右 弯管 机 的电气 控制 系统 由控 制 柜 、 操 作 台 、 走 线 盒等 部 分 组 成 ， 数 控 系统 采 用 工 业 控 制 计 算 机 主 板 作 为 C NC 平 台 ， 该 系 统 由 国 内 某 一 数 控 系统经 验丰 富 的公 司开发 ，其 适 用性 、操 作 性 、 可维 护性 、 功 能再 开发性 均较 好 。 7三维 数控 气动 左右 弯管 机左 、 右 弯机 型 的转换 一 个 需 弯 曲加工 的管件 选 择什 么机 型 的弯 管机 是 由该 管件 的形 状决 定 的 ，在 较 复杂 的多 弯管 件如 同一 管件 既 有左 弯又 有右 弯 的情况 下 ， 就 涉 及到 左 、 右 弯 的转 换 问题 。右 弯机 型 的T作 原理 图 如 图 6所 示 。 比较 图 1和 图 6可 知 ， 除 机 头 端 结 构 不 同 外 ， 机 身 上 的 送 料 小 车 部 分 、 抽 芯 部 分 等 均 相 同 。 A ＼ 、 6 X 7 4 3 2 1 ／ ／／ ]／、 广 图 6 右弯型j维数控气动弯管机 T 作 原理图 1 ． 芯棒进给装置2 ． 小车送料机构3 ． 芯棒拉杆4 ．靠 模装 置5 ． 夹模夹紧装置6 ． 弯曲 回转装置 设 基本 型 为左 弯机 型 ， 左 弯 的圆模 为第 一层 ， 靠 模 滑 块 支 承 在 A 处 ，摆 臂 及 夹 模 滑 块 支 承也 在 A 处 ， 左 弯时 ， 按 国家 标 准有 关 规 定 ， 实 际 弯 曲 的最 大 角度 为 1 8 0 。 回弹 除外 ， 铜 管 回 弹量极 小 。左 弯 管 时 ， 靠 模 座 不 动 ， 仍 在 A 处 ， 摆 臂 机 构 随 弯 曲旋 转 轴 ， 旋 转1 8 0 。 到 B 处 也 可 旋 转 规 定 范 围 内 的 任 意 角 度 到 c处 ， 松 夹 、 送 料 ， 摆 臂 机 构 旋 转 回到 原 位 A处 ， 一 弯T 序完 成l 8 l。 当需 右 弯时 ， 主 夹 、 辅 夹全 部松 开 ， 后 退 到位 ， 小 车将 料前 送 一段距 离 ，整 个机 头 由伺 服 电机 驱 动在 z轴方 向下 移一 段距 离 。 靠 模部 件旋 转 1 8 0 。 到 曰处 ， 摆 臂 部 件 也旋 转 1 8 0 。 到 B处 ，右 弯 的 圆模 为第 二 层 ， 主夹 模 、 辅 夹 模 也设 在 第 二 层 ， 机 头 上 升并 沿 轴 移动 到预 定位 置 ， 整个 机型 就变 成 了右弯 机 型 ， 能 进 行第 二工 序 的右 弯弯 管 。 8总 结 本 三 维 数 控 气 动 左 右 弯 管 机 ，利 用 靠 模 部 件 体 积 小 、 回转 半径 小 ， 以及 铜管 弯 曲成形 后 回弹小 的特 点 ， 并 巧妙 利 用 摆 臂 可 自然 回摆 1 8 0 。 的特 点 ， 在 采 用 一 个 机头 、 一个 摆 臂 、 一 个 靠模 部 件 的情况 下 ， 即 可 实 现 在 同一 台机 器上 既 能 左 弯又 能 右 弯功 能 ， 而 且 结 构简单 ， 加 工 、 装配 、 维修 和操 作都 比较方便 ， 制 造成 本也 比较 低 ， 具 有 广 阔的市 场前景 和社 会效 益 。 【 参考 文献 】 [ 1 1 姚保富 ， 乇连硕． D B系列 C N C数控弯管机介绍『 J 1 _ 锻压装备 与制 造技术 ， l 9 9 4， 2 9 5 ． I 2 J2 巫祖 德， 李舜华 ， 刘志祯 ， 等． S W一 1 1 4数控弯管机f J 】 ． 锻乐装备与 制造技术 ， 1 9 8 0 ， 1 5 2 ． 【 3 ] 夏萼辉 ．W2 8 K 一 7 6型数控弯管机【 J J ． 锻压装备与制造技术 ， 1 9 9 6， 31 6 ． [ 4 ] 唐长平 ．数控弯管机 的研究 与开发[ D ] ． 合肥 合肥 T业大学 ， 2 0 0 2 ． 【 5 】 田 艺． S T A R 一 0 3 W数控弯管机的设计研究[ D ] ． 合肥 合肥T业 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 6 j 卢熹， 孙庆鸿 ， 孙序泉， 等． C K 1 4 1 6 型数控车床床身结构动态 分析『 J 1 ．制造技术 与机床 ， 2 0 0 3 ， 6 ． [ 7 】 闻邦椿 ．机械设计手册 第 5版 【 M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 8 ] 全国锻压机械标准化技 术委员会． J B ／ T 5 7 6 1 ． 1 1 9 9 9数控弯管 机 技术条件[ s 】 ．北京 机械丁业部标准化研究所出版社， 1 9 9 9 ． De v e l o pme nt a nd de s i g n o f 3 D CNC pne uma t i c l e f t -r i g ht be nd i n g ma c h i n e f or p i p e Z H O U C h a n g j i u J D M J i n g d a Ma c h i n e N i n g b o C o ． ， L t d ． ，N i n g b o 3 1 5 0 3 3 ， Z h e j i a n g C h i n a Ab s t r a c t T h e 3 D CNC p n e u ma t i c l e ft 。 r i g h t b e n d i n g ma c h i n e f o r p i p e e x e r t s c l a mp i n g a n d c o r e - p u l l i n g f o r c e b y us i ng s e r v o mo t o r a s p o we r s o u r c e， c y l i n d e r s t r o ke ma g n e t i c s wi t c h a s d e t e c t i o n d e v i c e ，a r m， s p i n d l e a n d c y l i n de r