专利名称：内圆切片机及其柔性自动进给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内圆切片机，并涉及一种内圆切片机柔性自动进给装置。
背景技术：
内圆切片机是专门用来切割硬脆金属及非金属材料的设备。材料通常使用粘合剂 粘接在料板架上，通过电机驱动丝杆或者使用重锤带动料板架运动，通常沿着横向或垂直 方向进给进行切割。目前广泛使用按水平方向切割(横向)的方式，存在着易掉片，产品质量差，生产 效率低下等诸多问题，主要原因是由于裁切点的切削力与材料本身重力的合力方向趋向于 自由落体方向，并且因机器本身的震动等因素的影响，造成切削过程的极不稳定。中国专利文献CN201329448于2009年10月21日公开的多刀头内圆切片机，该 多刀头内圆切片机包括由主电机带动的切割刀盘，由步进电机或手轮带动的水平移动工作 台，设在工作台上的装夹器具以及微机控制系统，工作台设有与水平垂直的升降机构，固紧 在工作台上的物件被水平移动至内圆切割刀盘内，受升降机构带动在作垂直升降运动。上述专利技术与水平切割相比，切割的平稳性和精度均有所提高，但仍不能满足 精密零件批量加工要求。同上述专利技术一样，现有的内圆切片机一般均使用电机驱动丝 杆带动料板运动实现裁切进给的方式，由于电机通常是按设定的速度旋转驱动丝杆带动螺 母移动，在勻速过程其位移可视为直线的、输出力矩是不变的。但由于内圆切片机使用的切 割刀片材料基体通常是厚度为0. 12mm的不锈钢片，其本身的抗变型能力很低，在使用过程 中由于工人的熟练程度、刀片安装工艺、刀片本身受热变形等因素的影响，刀片的张力是不 均勻的，刃口内圆的圆跳动较大，通常大于0. 02mm。另外切割刀片的电镀金刚砂刃口在切割过程中受摩擦力作用不断的磨损，致使刃 口的锋利程度不断降低，因此实际切削过程中其切削张力是不断变化的，所以使用电机驱 动丝杆带动料板运动实现裁切进给的方式导致切割效率低、裁切产品质量差、刀片易于磨 损、操作难度大等问题。使用重锤带动料板运动实现裁切进给的方式，其驱动裁切的力矩为 挂装重锤的重量所决定，虽在一定程度上能解决材料才裁切过程中的变形和刀片的磨损， 但由于使用过程中工人只能根据裁切经验不断增减重锤的重量，操作难度大，使用的效果 并不理想。综上，现有的内圆切割机因其进给进给系统是刚性的，进给力是固定的，实际切削 力则因切入深度以及材质本身机械性能的差异变化较大，加工精度有限。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，而提供一种加工精度高的内圆切 片机，及一种内圆切片机柔性自动进给装置。本发明的目的可以通过以下技术方案实现内圆切片机，包括机架，以及与机架固 定连接的动力头，动力头设置有内圆切刀；其特征在于该内圆切片机还包括柔性自动进给装置，柔性自动进给装置夹料单元和进给单元，以及作用于夹料部件和进给部件之间的 弹性单元。内圆切片机，其特征在于所述进给单元进一步包括驱动部件、导向部件，所述驱 动部件包括一齿形带。内圆切片机，其特征在于所述进给单元进一步包括驱动部件、导向部件，所述 导向部件具有直线导向元件，直线导向元件的设置方向为与水平方向的平角为大于等于 75°，小于 90°。内圆切片机，其特征在于所述弹性单元包括压缩弹簧，以及用于调节压缩弹簧预 紧力的调节螺丝钉。内圆切片机，其特征在于所述驱动部件还包括设置为恒力矩输出的伺服电机。本发明的目的可以通过以下技术方案实现内圆切片机柔性自动进给装置，其包 括传动机构、张力平衡机构、传动带连接机构、控制方法。本发明内圆切片机柔性自动进给装置的传动机构其特征是伺服电机驱动传动带 轮，传动带轮带动传动带，通过传动带连接机构的推杆、连接块来推动裁切进给滑架，裁切 进给滑架沿着安装在裁切进给座上的两条导轨上下移动。导轨与裁切进给座中轴线是平行 的，裁切进给座的中轴线与纵向进给滑板基准面成夹角，其夹角特征是中轴线接近于裁切 点的切削力与材料本身重力的合力方向，实际测试中夹角在小于90。大于等于75。之间其 稳定效果最理想。本发明内圆切片机柔性自动进给装置的张力平衡机构其特征是从动带轮轴安装 在裁切进给座的滑槽内与张力调整螺钉连接，张力调整螺钉内套装有恒力压簧，恒力压簧 同时承受裁切进给滑架的重力和裁切进给产生的压力，当裁切压力超过设定的压力时，恒 力压簧压缩。本发明内圆切片机柔性自动进给装置的控制方法其特征是其一是通过张力调整 螺钉调节恒力压簧的压力使其与裁切进给滑架上的重力相等，当刀刃切到材料产生裁切压 力时，恒力压簧在裁切压力作用下产生压缩，从动带轮轴随之下降，传动带放松，刀刃切到 材料产生的裁切压力也减少，从而保证裁切压力的一致。其二采用数字控制伺服系统，PLC 实时监控伺服电机力矩变化，并根据力矩的变化自动调节伺服电机的转速使裁切压力稳 定。另外本发明所选用的传动带，其材料主要是橡胶，具有一定的弹性伸缩量，在一定程度 上保证了进给的平稳性。本发明内圆切片机柔性自动进给装置的多刀头裁切方式其特征是在同一进给装 置上安装多套料板架，装载多板材料进行多刀头同时切割。内圆切片机柔性自动进给装置，包括由触摸屏(HMI)、可编程控制器(PLC)、数字 伺服驱动器构成的控制系统以及传动机构、张力平衡装置机构和传动带连接机构，其特征 是从动轮轴(10)安装在裁切进给座(18)上部的滑槽内，由张力调节螺钉(8)连接，恒力 压簧(9)套装在张力调节螺钉(8)与裁切进给座(18)顶部的压簧槽间，设定恒力压簧(9) 的预紧力，当裁切压力超过恒力压簧(9)的预紧力时，恒力压簧(9)产生压缩，从动带轮轴 (10)和从动带轮(7)随之下降，传动带(6)放松，切割刀片(13)的刃口与材料裁切压力随 之减少，从而保证裁切压力的一致。内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是由控制系统控制的裁切进给伺服电机，通过精密减速机驱动传动带轮(3)旋转，带动传动带(6)环绕从动带轮(7)运动，传动带连 接机构带动裁切进给滑架(11)沿导轨(2)上下移动实现裁切进给与退刀。内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是控制系统根据触摸屏输入的力矩目标值 SV、比例增KP、微分增益KD、积分增益KI参数与伺服驱动器反馈力矩值PV进行PID运算， 使可编程控制器(PLC)输出脉冲频率控制伺服电机转速根据反馈力矩值PV进行自我调整 保持裁切压力稳定。内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是导轨(2)安装在裁切进给座(18)对称两 侧面，并平行于裁切进给座(18)的中轴线，中轴线与纵向进给滑板(1)的基准面成夹角β， 夹角β小于90°大于等于75°。内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是在裁切进给滑架(11)的两侧和顶部同 时安装左下装料架(19)、左上装料架(21)、右上装料架(23)、右下装料架(26)和与其相对 应主轴刀盘上安装的左下刀片(20)、左上刀片(22)、右上刀片(24)、右下刀片(25)构成四 刀同时切割的布局方式，也可以在裁切进给滑架11两侧安装左下装料架(19)、右下装料架 (26)和与其相对应主轴刀盘上安装的左下刀片(20)、右下刀片(25)，或在裁切进给滑架 (11)顶部安装左上装料架(21)、右上装料架(23)和与其相对应主轴刀盘上安装的左上刀 片(22)、右上刀片(24)构成双刀同时切割的布局。本发明的内圆切片机，设置了弹性单元，可以对进给力进行缓冲，与现有技术相 比，实现切削力相对平稳，具有加工精度高的特点。本发明的具有恒力压簧和张力调节螺 钉，也可以实现切削力相对平稳，与现有技术相比，具有加工精度高的特点。在解决以上主要技术问题的同时，本发明的内圆切片机及内圆切片机柔性自动进 给装置还从根本解决了，传统切片机裁切过程中的不稳定性，切片精度差、弯片、刀痕明显， 操作复杂，切片效率低等诸多问题。
图1为本发明第一个实施力的结构图。图2为本发明第一个实施力的机构位置说明图。图3为本发明第一个实施力的张力平衡装置机构放大图。图4为本发明第一个实施力的传动带连接机构放大图。图5为本发明第一个实施例配合的多刀头裁切方式布局示意图。图6为本发明第一个实施力的力矩跟踪速度控制框图。
具体实施例方式参考图1至图6，本发明的第一个实施例是一种内圆切片机柔性自动进给装置。本实施例中，内圆切片机柔性自动进给装置是由触摸屏(HMI)、可编程控制器 (PLC)、数字伺服系统、传动机构、张力平衡装置机构、传动带连接机构组成。裁切进给伺服 电机通过精密减速机驱动传动带轮3旋转，传动带轮3带动传动带6环绕从动带轮7运动。 如图4所示，扣带夹5与连接块16夹紧传动带6，连接块16与连接板17和导柱15连接，从 而带动裁切进给滑架11，裁切进给滑架11上固定的导轨滑块4沿导轨2上下移动实现裁切 进给与退刀。
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图1所示，导轨2安装在裁切进给座18对称两侧面，并平行于裁切进给座18的中 轴线，中轴线与纵向进给滑板1的基准面成夹角β，夹角β小于90。大于等于75。。夹角β的计算公式如下:
中F是切削方向的切削力、G是滑架11与安装的部件重量和、α是F与G的夹角、R是F与 G的合力。由于裁切不同材料、裁切速度的变化、刀片刃口锋利程度直接影响切削力F的大 小，夹角β也有所不同，所以夹角β采用优选法则，保证常用材料切割时的裁切进给座18 的中轴线接近合力R的方向。图3所示，从动轮轴10安装在裁切进给座18上部的滑槽内，由张力调节螺钉8连 接，恒力压簧9套装在张力调节螺钉8与裁切进给座18顶部的压簧槽间。在静止时调节张 力调节螺钉8，使恒力压簧9的压缩量张力与裁切进给滑架11及其安装的部件重量相等， 即传动带6刚好绷直，测量恒力压簧9的高度记为Α，在裁切进给滑架11中央位置放置IKG 砝码，测量恒力压簧9的高度记为B，计算A-B结果应介于0. 3mm与0. 5mm之间，小于0. 3mm 旋拧张力调节螺钉8放松恒力压簧9，大于0. 5mm旋拧张力调节螺钉8张紧恒力压簧9，使 恒力压簧9具有一定预紧力。图6所示，PLC通过RS232端口与数字伺服驱动器进行通讯，读取伺服驱动器内部 力矩参数，并根据触摸屏输入的力矩目标值SV、比例增KP、微分增益KD、积分增益KI参数与 伺服驱动器反馈力矩值PV进行PID运算，实现PLC输出脉冲频率控制伺服电机转速的自我 调整，从而使裁切压力稳定。其运算公式如下
正向偏差
，反向偏差E(t) =PV-SV式中:MV为输出速度值，E(t)为偏差量，PV (t) S为PV (t)的 微分值，忍为E(t)的积分值。整体运行过程如下通过触摸屏(HMI)输入或直接调用程序库内相关的切割进给 速度、退刀速度、定位坐标、产品规格、力矩值、裁切数量、刀片参数等切割参数和相关的PID 运算参数。装好材料，开启冷却和主轴，启动运行，可编程控制(PLC)控制纵向伺服驱动纵 向进给滑板1带动裁切进给座18移动至裁切位置，裁切进给滑架11沿导轨2向上移动，同 时可编程控制(PLC)启动PID运算指令，在切割刀片13的刃口没有切割到材料时，伺服驱 动器反馈力矩值PV最小，裁切进给伺服电机按设定进给速度值运行；当在切割刀片13的 刃口切割到材料时，伺服驱动器反馈力矩值PV也随之变化，可编程控制(PLC)根据触摸屏 (HMI)输入的力矩目标值SV、比例增KP、微分增益KD、积分增益KI参数与伺服驱动器反馈 力矩值PV进行PID运算，实现PLC输出脉冲频率控制裁切进给伺服电机转速的自我调整， 最终通过改变裁切进给伺服电机的转速使裁切压力保持在稳定的范围，与此同时当裁切压 力超过恒力压簧9的预紧力时，恒力压簧9产生压缩，从动带轮轴10和从动带轮7随之下 降，传动带6放松，切割刀片13的刃口与材料裁切压力随之减少，从而保证裁切压力的一 致。裁切完成后可编程控制(PLC)停止PID运算指令，裁切进给伺服电机以高转速完成退 刀，准备下次裁切。
由于采用了自适应的PID速度控制方法和张力平衡机构，保证在切削过程中能针 对材料硬度、刀片本身性能、受力变化以最理想速度进行裁切。自适应的自动调节的过程由 控制系统和张力平衡机构自动完成，其过程受人为的因素影响少，操作简单。切片速度是常 规的一到两倍，产品的厚度公差、平行度、变形量、光洁度、刀片使用寿命都有明显提高。在 以下条件，主轴转速2880转/分钟，使用246刀片，冷却液为85% 0号柴油、15%菜籽油、 温度25C。至38C。，刀片刃口内圆跳动0. 03mm,刀片刃口端面跳动0. Olmm,刀片内径张量 0. 28mm,裁切N46H钕铁硼，最薄可切到0. 08mm,速度达到18Cm2/分钟，刀片寿命是常规的1 倍以上，使用20Cm2/分钟的速度裁切lmmX50mmX40mm方块，产品的平行度、厚度公差、直 线度均在士 0. 005mm内。图5所示，在裁切进给滑架11的两侧和顶部同时安装左下装料架19、左上装料架
21、右上装料架23、右下装料架26和与其相对应主轴刀盘上安装的左下刀片20、左上刀片
22、右上刀片24、右下刀片25构成四刀同时切割的布局方式，也可以在裁切进给滑架11两 侧安装左下装料架19、右下装料架26和与其相对应主轴刀盘上安装的左下刀片20、右下刀 片25，或在裁切进给滑架11顶部安装左上装料架21、右上装料架23和与其相对应主轴刀 盘上安装的左上刀片22、右上刀片24构成双刀同时切割的布局。在使用上既降低设备投入 成本又提高生产效率、降低劳动强度并且占用面积少的优点。经发明人测试，采用本实施例的方式切片效率比传统方式提高100% -200%，单 个动力头(也称切削头或刀头)节电72%，冷却油消耗下降72%，刀片消耗成本下降72%。本发明第二个实施例是一种内圆切片机，本实施例中，内圆切片机包括机架和动 力头(也称切削头或刀头)，动力头与机架固定连接，动力头设置有内圆切刀；该内圆切片 机还包括柔性自动进给装置，柔性自动进给装置夹料单元和进给单元，以及作用于夹料部 件和进给部件之间的弹性单元。所述进给单元进一步包括驱动部件、导向部件，所述驱动部 件包括一齿形带。所述进给单元进一步包括驱动部件、导向部件，所述导向部件具有直线导 向元件，直线导向元件的设置方向为与水平方向的夹角为大于等于75°，小于90°，本实 施例中该角度是82. 5°。所述弹性单元包括压缩弹簧，以及用于调节压缩弹簧预紧力的调 节螺丝钉。参考本发明的第一个实施例，很容易实现本实施例，不再重复述描。
权利要求
内圆切片机，包括机架，以及与机架固定连接的动力头，动力头设置有内圆切刀；其特征在于该内圆切片机还包括柔性自动进给装置，柔性自动进给装置夹料单元和进给单元，以及作用于夹料部件和进给部件之间的弹性单元。
2.根据权利要求1所述的内圆切片机，其特征在于所述进给单元进一步包括驱动部 件、导向部件，所述驱动部件包括一齿形带。
3.根据权利要求1所述的内圆切片机，其特征在于所述进给单元进一步包括驱动部 件、导向部件，所述导向部件具有直线导向元件，直线导向元件的设置方向为与水平方向的 夹角为大于等于75°，小于90°。
4.根据权利要求1所述的内圆切片机，其特征在于所述弹性单元包括压缩弹簧，以及 用于调节压缩弹簧预紧力的调节螺丝钉。
5.根据权利要求2所述的内圆切片机，其特征在于所述驱动部件还包括设置为恒力 矩输出的伺服电机。
6.内圆切片机柔性自动进给装置，包括由触摸屏(HMI)、可编程控制器(PLC)、数字伺 服驱动器构成的控制系统以及传动机构、张力平衡装置机构和传动带连接机构，其特征是 从动轮轴(10)安装在裁切进给座(18)上部的滑槽内，由张力调节螺钉(8)连接，恒力压簧 (9)套装在张力调节螺钉(8)与裁切进给座(18)顶部的压簧槽间，设定恒力压簧(9)的预 紧力，当裁切压力超过恒力压簧(9)的预紧力时，恒力压簧(9)产生压缩，从动带轮轴(10) 和从动带轮(7)随之下降，传动带(6)放松，切割刀片(13)的刃口与材料裁切压力随之减 少，从而保证裁切压力的一致。
7.根据权利要求6所述的内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是由控制系统控制的 裁切进给伺服电机，通过精密减速机驱动传动带轮(3)旋转，带动传动带(6)环绕从动带轮 (7)运动，传动带连接机构带动裁切进给滑架(11)沿导轨(2)上下移动实现裁切进给与退 刀。
8.根据权利要求7所述的内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是控制系统根据触摸 屏输入的力矩目标值SV、比例增益KP、微分增益KD、积分增益KI参数与伺服驱动器反馈力 矩值PV进行PID运算，使可编程控制器(PLC)输出脉冲频率控制伺服电机转速根据反馈力 矩值PV进行自我调整保持裁切压力稳定。
9.根据权利要求7所述的内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是导轨(2)安装在裁 切进给座(18)对称两侧面，并平行于裁切进给座(18)的中轴线，中轴线与纵向进给滑板(I)的基准面成夹角β，夹角β小于90°大于等于75°。
10.根据权利要求7所述的内圆切片机柔性自动进给装置，其特征是在裁切进给滑架(II)的两侧和顶部同时安装左下装料架(19)、左上装料架(21)、右上装料架(23)、右下装 料架(26)和与其相对应主轴刀盘上安装的左下刀片(20)、左上刀片(22)、右上刀片(24)、 右下刀片(25)构成四刀同时切割的布局方式，也可以在裁切进给滑架11两侧安装左下 装料架(19)、右下装料架(26)和与其相对应主轴刀盘上安装的左下刀片(20)、右下刀片 (25)，或在裁切进给滑架(11)顶部安装左上装料架(21)、右上装料架(23)和与其相对应主 轴刀盘上安装的左上刀片(22)、右上刀片(24)构成双刀同时切割的布局。
全文摘要
本发明涉及内圆切片机，并涉及一种内圆切片机柔性自动进给装置。内圆切片机，包括机架，以及与机架固定连接的动力头，动力头设置有内圆切刀；该内圆切片机还包括柔性自动进给装置，柔性自动进给装置夹料单元和进给单元，以及作用于夹料部件和进给部件之间的弹性单元。内圆切片机柔性自动进给装置，其包括传动机构、张力平衡机构、传动带连接机构、控制方法。本发明提供一种高效率、高精度的内圆切片机，及一种内圆切片机柔性自动进给装置。
文档编号B28D7/00GK101885085SQ201010193738
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者谢展鹏 申请人:谢展鹏;梁德华