伺服壓力機(jī)三角連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特性的仿真分析

王宗強(qiáng)，莫健華

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢430074）

0 前言

伺服壓力機(jī)因取消了飛輪和離合器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊變速運(yùn)動(dòng)的任意控制，但要求伺服電機(jī)具備大扭矩和在高負(fù)荷時(shí)的瞬間變速能力。許多學(xué)者希望改進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以減輕伺服電機(jī)的負(fù)擔(dān)，因而具有良好增力功能的傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)成為機(jī)械伺服壓力機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。國內(nèi)外現(xiàn)有的伺服壓力機(jī)傳動(dòng)形式，大致分為曲柄連桿傳動(dòng)、螺桿直接驅(qū)動(dòng)和多連桿傳動(dòng)三種類型。各類型可單獨(dú)應(yīng)用，也可組合成曲柄加多連桿、螺桿加多連桿等多種形式構(gòu)成、各種性能不同的傳動(dòng)形式[2][3]。多連桿傳動(dòng)形式的特性在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性較高[4]，同時(shí)具有較高的合模和回程速度、較大的成形力和一定的保壓時(shí)間[5]。目前國內(nèi)已有多家車企引入日本網(wǎng)野公司開發(fā)的機(jī)械多連桿式伺服壓力機(jī)，并得到很好應(yīng)用，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖如1a 所示[6]。

中間三角板結(jié)構(gòu)原理圖如圖1b 所示，其特點(diǎn)是將日本網(wǎng)野公司傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連桿設(shè)計(jì)成三角連桿，將上、下肘桿及驅(qū)動(dòng)螺母連接在一起，從而將驅(qū)動(dòng)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得該機(jī)構(gòu)具有較好的載荷放大功能及公稱壓力行程大的優(yōu)點(diǎn)[7]。本文主要對(duì)中間三角板的工作特性進(jìn)行分析，探討適合不同加工工藝需求的中間三角連桿的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 多連桿機(jī)構(gòu)原理圖

圖2 B 點(diǎn)縱坐標(biāo)不同的中間三角連桿模型示意圖

1 三角連桿工作特性分析

1.1 建模

分析采用虛擬樣機(jī)分析軟件MSC.ADAMS，為方便研究上述連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，將圖1 中左右完全對(duì)稱的機(jī)構(gòu)取半邊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，建立模型如圖2所示。將機(jī)構(gòu)高度和寬度分別設(shè)為900mm 和363mm。為方便建模和分析，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，則各鉸鏈點(diǎn)初始位置及結(jié)構(gòu)尺寸如表1 和表2[8]。圖中設(shè)定，OA 桿、AC 桿與CD 桿共線時(shí)為機(jī)構(gòu)下死點(diǎn)，且機(jī)構(gòu)下死點(diǎn)時(shí)為運(yùn)動(dòng)分析的起始點(diǎn)。結(jié)構(gòu)初始模型建立后，如圖2 所示，以固定步長d 來調(diào)節(jié)B 點(diǎn)縱坐標(biāo)進(jìn)而改變中間三角連桿的結(jié)構(gòu)形式，從而測(cè)量B 點(diǎn)不同位置處的機(jī)構(gòu)速度與載荷放大系數(shù)曲線圖。

表1 各鉸鏈點(diǎn)的初始位置值

表2 各連桿鉸鏈間的長度尺寸

1.2 中間三角連桿結(jié)構(gòu)對(duì)載荷及速度的影響

按照上述機(jī)構(gòu)形式和尺寸，在ADAMS 中建立虛擬樣機(jī)模型，設(shè)定驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)速均為300r/min，導(dǎo)程為20mm，滑塊行程設(shè)為300mm，從而計(jì)算出螺母的運(yùn)動(dòng)速度為100mm/s。為方便計(jì)算伺服電機(jī)扭矩，同時(shí)在滑塊端施加一個(gè)大小為1T（10kN）、方向豎直向上的反作用力。虛擬樣機(jī)模型建立后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，建立滑塊速度、載荷放大倍數(shù)的測(cè)量函數(shù)，如圖3 所示，得到機(jī)構(gòu)在相同驅(qū)動(dòng)條件下的載荷放大系數(shù)—滑塊行程曲線（圖3a）和滑塊速度—行程曲線（圖3b）。同時(shí)，滑塊向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺桿扭矩[5]為：

式中：Fa——螺桿的軸向推力；

圖3 不同中間三角板形狀下的機(jī)構(gòu)特性曲線

Ph——螺桿的導(dǎo)程；

η——傳動(dòng)效率（本文取效率η=0.8）。

結(jié)合上述公式及ADAMS的后處理功能繪制出驅(qū)動(dòng)螺桿所需扭矩曲線圖（圖3c）。

如圖3a 所示，圖中BY為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中B 點(diǎn)縱坐標(biāo)?？梢婋S著BY值在負(fù)方向的增加，載荷的放大系數(shù)成正比增加，當(dāng)BY絕對(duì)值達(dá)到250mm 以上后，載荷放大系數(shù)增量較大；達(dá)到300mm 后在距離下死點(diǎn)110mm 內(nèi)開始出現(xiàn)載荷平臺(tái)；達(dá)到300mm 時(shí)，載荷平臺(tái)更明顯。而從圖3b 和圖3c 可以看到，隨著BY絕對(duì)值的增加，滑塊的速度與驅(qū)動(dòng)螺桿所需扭矩都呈反比下降，并且滑塊速度和驅(qū)動(dòng)螺桿扭矩的值，在接近下死點(diǎn)之前一段行程范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，BY絕對(duì)值為300mm 時(shí)平穩(wěn)的行程達(dá)110mm。這種特性適合板材沖壓加工的需要。

2 中間三角連桿鉸接點(diǎn)O點(diǎn)位置的影響

2.1 建模

參照表1、表2 各鉸鏈點(diǎn)初始位置和結(jié)構(gòu)尺寸建立初始ADAMS 模型，如圖4 所示。以AD 桿與CD 桿豎直時(shí)為下死點(diǎn)，設(shè)定為運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)。為便于確定O點(diǎn)不同位置時(shí)各鉸鏈點(diǎn)位置，以各桿桿長（LOA、LAB、LAC、LBC、LCD）及O點(diǎn)橫坐標(biāo)（e）為參數(shù)化變量對(duì)中間三角連桿進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，得到各鉸鏈點(diǎn)位置如表3 所示。樣機(jī)模型建立后，在確保ADAMS 模型結(jié)構(gòu)尺寸不變（即各桿長不變）的情況下，通過改變固定鉸鏈O點(diǎn)的橫坐標(biāo)，研究對(duì)載荷和速度的影響。

2.2 固定鉸鏈O點(diǎn)位置對(duì)載荷和速度的影響

圖4 固定鉸鏈點(diǎn)不同位置示意圖

表3 參數(shù)化機(jī)構(gòu)中各鉸鏈點(diǎn)的位置坐標(biāo)

虛擬樣機(jī)模型建立后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，建立滑塊速度、載荷放大倍數(shù)的測(cè)量函數(shù)，如圖5 所示，改變O點(diǎn)橫坐標(biāo)，得到機(jī)構(gòu)在相同驅(qū)動(dòng)條件下O點(diǎn)不同位置處的載荷放大系數(shù)—滑塊行程曲線（圖5a），滑塊速度—滑塊行程曲線（圖5b）及驅(qū)動(dòng)螺桿扭矩—滑塊行程曲線（圖5c）。

圖5 鉸鏈點(diǎn)O點(diǎn)不同位置處的機(jī)構(gòu)特性曲線

由圖5 可看出：鉸接點(diǎn)O點(diǎn)從中心線向左偏移量越大，載荷的放大系數(shù)值成正比增加；當(dāng)O點(diǎn)從中心線向右偏移量越大，載荷的放大系數(shù)值成反比下降。而滑塊速度及機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)螺桿扭矩值則與載荷系數(shù)相反，在O點(diǎn)從中心線向左偏移時(shí)，成反比下降，當(dāng)O點(diǎn)從中心線向右偏移時(shí)，成正比增加。因此有必要對(duì)O點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，使載荷系數(shù)與滑塊速度和螺桿扭矩獲得合理的匹配，滿足加工工藝要求。

3 滑塊沖量對(duì)載荷放大系數(shù)的影響

伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，必然存在著機(jī)構(gòu)沖量對(duì)載荷的影響。由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑塊的質(zhì)量往往遠(yuǎn)大于其他各部分質(zhì)量之和，因而在這部分中主要探討滑塊的沖量對(duì)機(jī)構(gòu)載荷放大系數(shù)的影響。

根據(jù)沖量公式，在任意極短時(shí)間△t內(nèi)所產(chǎn)生的力可表示為：

式中：I——物體沖量；

F——物體因沖量而產(chǎn)生的壓力；

m——物體質(zhì)量；

△v——物體某一時(shí)間段△t 內(nèi)的速度；

a——物體加速度。

因此，滑塊沖量產(chǎn)生的力可以用滑塊質(zhì)量與滑塊加速度的乘積計(jì)算。采用MSC.ADAMS軟件對(duì)設(shè)計(jì)完成的壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性曲線如圖6 所示。

由設(shè)計(jì)完成的SolidWorks 模型，已知滑塊質(zhì)量為42t，同時(shí)由圖6 知，滑塊下死點(diǎn)處載荷放大系數(shù)為6.1 倍，螺母端所受力為450kN，滑塊加速度為491.5mm/s2。經(jīng)計(jì)算得，滑塊沖量所產(chǎn)生的載荷放大系數(shù)為0.023 倍，因而，在該壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中滑塊沖量對(duì)載荷的影響可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

（1）通過改變伺服壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三角連桿的形狀，可以提高滑塊的載荷輸出，同時(shí)減小伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩。但此時(shí)滑塊速度減慢，可通過提高伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變此狀況。

（2）通過對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三角連桿形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使滑塊的工作行程增加，并提高工作載荷，使載荷與行程的關(guān)系曲線形成一個(gè)顯著的載荷平臺(tái)，這正是板材塑性加工工藝需要的特性。

（3）連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定鉸接點(diǎn)的位置，從中心線向左偏移時(shí)可以降低驅(qū)動(dòng)扭矩，同時(shí)也降低了滑塊移動(dòng)速度。當(dāng)該固定鉸接點(diǎn)的位置從中心線向右偏移時(shí)，滑塊速度增加了，同時(shí)也會(huì)使驅(qū)動(dòng)扭矩增加。因此需要優(yōu)化固定鉸接點(diǎn)的位置使之滿足加工工藝需要。

圖6 該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性曲線

（4）從對(duì)滑塊沖量對(duì)機(jī)構(gòu)載荷輸出的仿真分析結(jié)果看，滑塊沖量所產(chǎn)生的力對(duì)載荷輸出的影響可以忽略不計(jì)。

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