技术领域
本发明涉及一种用于辗压成形设备的多组联合的液压并联进给机构。
背景技术：
在现有技术中，盘件辗压成形设备的辗压头进给都是由4组三自由度串联机构组
成。各组之间存在一定运动约束，例如对称或反对称运动要求。这种组合机构为框架式结
构。机构运动由电机驱动，由丝杠螺母付执行。由于丝杠螺母机构承载能力小、框架式结构
刚度低，多自由度串联机构运动误差叠加。为了提升辗压成形设备的载荷、主机框架刚度和
辗压头的进给精度，需要将电机驱动的串联机构改为液压驱动的并联机构。
并联液压机构虽已发展多年，但实际应用比串联机构少许多。多自由度并联机构的组
合应用更少。数控液压驱动与控制系统近年发展较快，数控液压比数控机械有更大难度，近
年来开发的专门用于数控的各类阀和执行模块给数控液压发展带来了方便。本发明应用并
联机构与数控液压技术构建盘件辗压成形设备的辗压头进给机构，实现大直径、难变形合
金、高性能盘件的辗压成形和组织性能控制。
技术实现要素：
本发明为盘件辗压成形提供了一种液压并联进给机构。该机构的技术特征是：所
述的液压并联进给机构是盘件辗压成形设备的一个重要部件，它通过专用的液压控制系统
和数控软件按盘件辗压工艺要求驱动辗压头进给；所述的每一个液压并联进给机构驱动一
个辗压头，对于有4个辗压头的辗压成形设备，则需要4个彼此相互约束的液压并联进给机
构；所述的液压并联进给机构由一个基座、多个并联的液压缸和一个辗压头动平台组成；所
述基座用于固定并联机构的位置并承受来自并联机构的所有载荷；在所述动平台上固定有
一个辗压头和一个驱动其转动的电机；所述液压缸的个数与进给机构的自由度数相等；所
述液压缸的两端分别与基座和辗压头平台球绞连接；根据盘件辗压工艺和辗压载荷设计液
压控制系统和数控软件，用这个液压控制系统和数控软件控制并联液压缸活塞的运动和油
压，进而控制液压并联机构动平台的姿态和运动，使辗压头进给运动与承受载荷最大限度
满足盘件辗压成形工艺的要求。
对于盘件辗压设备而言，这是一种全新的辗压头进给机构。其技术优势为：1）用液压缸
代替用电机驱动的丝杠螺母副，可以使辗压设备的最大成形载荷从几吨提高到几百吨。2）
用多个铰接并联的液压缸组合替代用多个丝杠螺母副串联组成的框架结构，使得机械框架
只承受拉压载荷，不承受任何弯矩载荷，从而大大提高了辗压设备的结构刚度。3）辗压头各
自由度运动由串联改为并联，消除了各自由度运动误差的叠加，从而大大提高了辗压头进
给的位置精度和速度精度。因此这种全新的驱动辗压头的液压并联进给机构特别适合大直
径、难变形合金、高性能盘件的辗压成形和组织性能控制。
所述辗压头进给机构的数目与辗压头的数目相同，根据盘件辗压工艺的要求，不同辗
压头的进给机构运动之间存在某些对称或反对称的约束。盘件辗压成形过程中盘件变形对
辗压头产生的反作用力和力矩通过辗压头平台转化为进给机构各液压缸的轴向载荷。为了
控制盘件变形与微观组织演化按设计的方向发展，严格控制辗压头的位置和速度是该进给
机构的核心目标。辗压头动平台承受作用在辗压头上的盘件辗压载荷和作用在绞接点上的
液压缸支撑载荷。如果该平台刚度足够大其变形可忽略不计。对于确定的盘件材料，盘件温
度、辗压变形和变形速率，盘件作用在辗压头上的载荷大小与方向是确定的。由于平衡方程
的约束，作用在各液压缸的载荷也是确定的。如果液压控制系统不能准确控制油压使之与
对应的载荷匹配，则辗压头动平台将失去平衡，所产生的速度和角速度变化将造成辗压头
的位置和速度偏差，进而影响成形盘件的外形和组织性能。因此需要根据辗压工艺要求设
计液压控制系统，使液压缸活塞杆的位移、速度和载荷与辗压头的荷载特性达到最优匹配。
该液压并联进给机构的设计方法是：根据盘件辗压工艺确定在辗压过程中辗压头位置
和速度随时间变化的曲线，盘件变形对辗压头产生的作用力和力矩随时间变化的曲线。将
辗压头、固定辗压头的动平台、与动平台和基座铰接液压缸视为一个组合的运动系统。以上
述两组曲线为已知边界条件，通过对该系统的运动学和动力学分析，建立液压缸活塞杆的
位置、速度时间曲线以及所承受的载荷时间曲线。这两组曲线是液压控制系统的辗压负载
特性曲线，是液压控制系统的设计依据。通过专用数控软件使得所设计的液压控制系统最
大限度地与辗压负载特性匹配，满足不同类型盘件辗压成形的工艺要求。
液压并联进给机构的参数范围为：对于有4个辗压头的辗压设备，需要4个液压并联进
给机构，一个6自由度的进给给机构有6个并联的液压缸；对于大型高温合金涡轮盘的辗压
成形设备，液压缸最大载荷范围为50-100吨，最大行程范围为1.0-1.6米。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明
图1为本发明的驱动辗压头进给的4组液压并联机构在盘件辗压设备中位置的示意
图，说明了本发明与辗压设备、被驱动辗压头的结构关系。未接触盘件时辗压头为空载进给
可快速运动，接触盘件以后辗压头运动为带负载进给，需要按辗压工艺要求准确控制辗压
头的位置和速度。图中1为辗压成形的盘件，2为支撑盘件转动的主轴，3为辗压头，共4个锥
台形辗压头，4为驱动辗压头转动的电机，共4个，5为固定辗压头电机的动平台，与辗压
头一起进给，有6自由度，共4个动平台，6为用于固定并联进给机构液压缸的基座，4组基
座连在一起，7为驱动动平台进给运动的液压缸，每组进给机构有6个液压缸，4组共计24
个。X0,Y0分别为基座圆心距主轴轴心的距离和距盘件中面的距离，L为辗压头手臂长度。
图2为本发明的用于驱动辗压头进给的液压并联机构原理示意图。图中1为基座，2为
辗压头，3为液压缸，4为辗压头电机，5为动平台，6为铰接点，基座上有6个铰接点，动平台上
有6个铰接点。图中R0、R分别为基座圆周和动平台圆周的半径，h动平台中心到基座平面的
竖直距离，a为基座和动平台近距离铰接点的距离。图中只显示驱动一个辗压头进给的液压
并联机构。需要说明，基座上的铰接点可以不在一个平面上，动平台上的铰接点也可以不在
一个平面上。在动平台上固定的电机驱动辗压头转动迫使盘件变形。该转动不受辗压头进
给机构控制，但是盘件作用在辗压头上的反作用力和扭矩会影响液压缸上的载荷。该并联
机构的液压缸尺寸和性能参数依赖于盘件尺寸和盘件辗压载荷。各液压缸的运动与载荷参
数随时间的变化由数控液压系统控制。
具体实施方式
考虑一个盘件辗压成形设备，最大成形盘件直径800mm，最大辗压载荷为50吨。如
图1所示，该盘件辗压成形设备共有4个对称分布辗压头，辗压头半锥角为25°，手臂长度L=
0.8米，有4个相同结构的液压并联进给机构。通过专用的液压控制系统和数控软件，按对称
或反对称方式控制它们驱动相连的液压头进给。具体液压并联进给机构的主要参数如下：
1）每个液压并联进给机构选用6个相同参数的液压缸。液压缸最大载荷范围为50-100
吨，最大行程范围为1.0-1.6米。
2）6个液压缸与基座和动平台的连接方式如图2所示。基座上的6个铰接点分布在半径
R0=0.6米的圆周上。动平台的6个铰接点分布在半径R=0.3米的圆周上。考虑最大直径0.8米
的盘件成形，基座圆周中心到主轴中心距离X0=1.0米，到离盘中面距离Y0=0.5米。动平台初
始位置的圆周平面与基座圆周平面平行，两圆心距离h=0.5米。
3）如图2所示，基座和动平台的铰接点都是按3组均匀分布在对应的圆周上，每组两个
点距离较近a=0.16米。基座和动平台上的铰接点环向分布相差180°转角。调整动平台圆周
平面、基座圆周平面与盘件平面的相对位置，使液压缸工作状态更趋合理。
4）设定辗压头空载进给速度和盘件辗压时的进给速度。根据给定的辗压头运动轨迹曲
线和动平台的姿态变化曲线，通过对并联进给机构的运动学和动力学分析，计算出进给机
构各液压缸活塞杆的伸长量、伸长速度和作用力。
5）设计液压控制系统，使实际液压缸活塞杆的伸长量、伸长速度和作用力尽量接近上
述计算值。
6）设计数控软件，根据盘件成形工艺参数和载荷曲线生成液压控制系统的控制参数，
使液压控制系统和液压并联机构具有一定的通用性，在一定范围内能够适合不同类型的盘
件成形。
7）进行硬件组装和软硬件联合调试，制造完成用于盘件辗压成形的辗压头液压并联进
给机构系统。