肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)的分析研究

許振華，迪茹俠，周 琪

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064；2.溫州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督局，浙江 溫州325000）

肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)的分析研究

許振華1，迪茹俠1，周 琪2

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064；2.溫州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督局，浙江 溫州325000）

為提高沖床柔性化制造及增力比效果，根據(jù)其動(dòng)力性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)并進(jìn)行分析。利用matlab對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，找出符合沖床性能的最佳結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，然后分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征。最后，運(yùn)用adams對(duì)此優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析的肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)具有明顯的急回特性，并且運(yùn)行過(guò)程并無(wú)結(jié)構(gòu)干涉等問(wèn)題的出現(xiàn)。因此，利用matlab與adams兩種軟件相結(jié)合，可有效分析肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)，為機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

沖床；肘桿式；伺服電機(jī)；曲柄機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)沖床柔性化制造程度低，伺服沖床又有傳動(dòng)系統(tǒng)增力比小、功耗大等缺點(diǎn)。為達(dá)到機(jī)械制造的綠色節(jié)能效果，就促使人們探索一種較好的增力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。程永奇[1]等人利用UG對(duì)肘桿式機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并分析沖床滑塊運(yùn)動(dòng)特性及其受力情況。閆興[2]對(duì)肘桿式機(jī)構(gòu)存在的誤差和滑塊運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，分析了滑塊自鎖現(xiàn)象，建立肘桿式壓力機(jī)三維模型，并進(jìn)行相關(guān)仿真分析。張同同[3]利用adams、ansys軟件對(duì)各種肘桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)三角肘桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，找出肘桿式機(jī)構(gòu)的薄弱點(diǎn)處。杜二虎[4]對(duì)上、中、下三種三角肘桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，并指出各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)。孟強(qiáng)偉等[5]利用matlab對(duì)肘桿式機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。朱新武等[6]對(duì)肘桿式伺服壓力機(jī)進(jìn)行了深入研究，并對(duì)比曲柄連桿式壓力機(jī)，從而證明肘桿式機(jī)構(gòu)的優(yōu)良性能。

通過(guò)對(duì)肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的理論研究成果局限性較大。目前，很少有針對(duì)精密型高速?zèng)_床肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)的研究分析。本文采用JC23-35型數(shù)控沖床作為參考對(duì)象，主要對(duì)精密型高速?zèng)_床肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖1 機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)基本原理

肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

如圖1 所示，模型鉸鏈點(diǎn)分別為 A、B、C、D、E、F點(diǎn)，以鉸鏈點(diǎn)A正上方距離為y的點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，則 A 點(diǎn)坐標(biāo)為 A（0，y），記桿 AB、BD、BE、DE、CD 及EF 的名稱和距離分別為 L1、L2、L3、L4、L5、L6.以曲柄 L1的逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，并以圖1所示為機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置和初始位置。建立坐標(biāo)系，假設(shè)垂直于OA的線段OC長(zhǎng)為x，并假設(shè)各桿與X軸正向瞬時(shí)夾角分別為θ0、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，瞬時(shí)角速度分別為 ω0、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6，記θ1為曲柄經(jīng)過(guò)時(shí)間t過(guò)程的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。此時(shí)，各鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)為 A（0，y）、B（L1cosθ0，y+L1sinθ0）、C（x，0）、D（x，L5）、E（x，L4+L5）、F（x，L4+L5+L6）.

1.2 優(yōu)化分析

為保證增力效果及滑塊良好工作狀態(tài)，以有效扭矩為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使平均有效扭矩最小。在一個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)，為滿足滑塊性能要求，目標(biāo)函數(shù)可定義為：

其中，vi為曲柄實(shí)際速度；vˉ為平均速度；n為曲柄的控制點(diǎn)數(shù)。按照前述要求，構(gòu)建優(yōu)化扭矩子函數(shù)，設(shè)計(jì)變量為各桿長(zhǎng)。

根據(jù)所參考JC23-35型沖床的空間尺寸要求，建立約束條件，各桿長(zhǎng) L1、L2、L3、L4、L5、L6取值范圍分別 為 ：（40，55）、（400，500）、（500，600）、（180，250）、（130，170）、（120，150），單位是 mm.

結(jié)合四桿機(jī)構(gòu)成立條件，利用matlab相關(guān)函數(shù)及算法，得到 L1、L2、L3、L4、L5以及 L6的最優(yōu)解分別為：47.6 mm、431.55 mm、517.08 mm、194.29 mm、152.74 mm、133.33 mm. 此時(shí)，θ0值為 249.709°，y的值為 85.6 mm，x的值為400 mm.

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

依據(jù)JC23-35型沖床的總體結(jié)構(gòu)尺寸以及優(yōu)化分析結(jié)果，對(duì)各桿分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。基于機(jī)構(gòu)本身特點(diǎn)和幾何結(jié)構(gòu)正余弦定理，建立各桿初始角度與最優(yōu)解各桿長(zhǎng)度之間的關(guān)系，從而求出各桿的初始角度值。然后，關(guān)于時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，就可得到各桿初始位置時(shí)的瞬時(shí)角速度值。最后，再對(duì)t進(jìn)行求導(dǎo)，就可得到初始位置時(shí)的瞬時(shí)角加速度。于是，可求得各個(gè)桿件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

若已知各桿的質(zhì)量，根據(jù)最優(yōu)解結(jié)果，定義各桿慣性力、慣性力矩以及各桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)采用三角肘桿式，質(zhì)心在形心位置，其余構(gòu)件質(zhì)心在y軸正向2/5長(zhǎng)處。在理想狀態(tài)下，可通過(guò)各桿的受力分析和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立加速度方程和力矩方程，從而對(duì)各桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

利用matlab對(duì)滑塊在一個(gè)周期內(nèi)隨曲柄運(yùn)動(dòng)的特性進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 滑塊特性分析

由圖2可知，鉸鏈點(diǎn)F即滑塊具有明顯的急回特性，工作過(guò)程緩慢而平穩(wěn)。

3 驗(yàn)證分析

利用adams進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證，初選曲柄速度為30 r/min，提取鉸鏈點(diǎn)D驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

圖3 adams驗(yàn)證分析

由圖3可知，機(jī)構(gòu)工作過(guò)程穩(wěn)定，且無(wú)機(jī)構(gòu)干涉問(wèn)題存在。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用matlab和adams對(duì)肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析得出最優(yōu)解的三角肘桿式伺服曲柄機(jī)構(gòu)具有良好的增力沖壓效果，沖壓過(guò)程緩慢平穩(wěn)，符合實(shí)際沖床的工作要求。

[1]程永奇，張 鵬，魏良模.基于UG的肘桿式伺服壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)分析方法研究[J].機(jī)械工程師，2009（11）：61-63.

[2]閆 興.1250噸廣義肘桿式冷鍛壓力機(jī)設(shè)計(jì)及仿真[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

[3]張同同.250噸數(shù)控伺服壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性及機(jī)架有限元分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[4]杜二虎.三角肘桿式伺服壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[5]孟強(qiáng)偉，葉春生，莫健華，等.基于Matlab-Simulink的肘式伺服壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，282（6）：27-30.

[6]朱新武，聞開(kāi)斌，任東杰.肘桿式伺服壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011（4）：29-32.

Analysis of Elbow Servo Crank Mechanism

XU Zhen-hua1，DI Ru-xia1，ZHOU Qi2
（1.Chang’an University，Engineering Machinery Institute，Xi’an Shaanxi 710064，China；2.Wenzhou Traffic Engineering Quality Supervision Bureau，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

In order to improve the flexible manufacturing and force ratio effectof punch，according to its dynamic performance parameters and structural characteristics，a elbow servo crank mechanism is designed and analyzed.Using matlab to optimize the mechanism，the best structure size parameter that accords with the performance of the punch machine is found out，and then its kinematics and dynamics characteristics are analyzed.Finally，adams is used to verify and analyze the optimized structure.The results show that after the elbow servo crank mechanism optimization analysis with quick return characteristics obviously，and there are no structural interference during operation.Therefore，the use of matlab and adamscan effectively analyze the elbow servo crank mechanism，provide the reference for the design and analysis of mechanical structure.

punch；elbow；servo motor；crank mechanism

TG315.5

A

1672-545X（2017）10-0214-03

2017-07-02

許振華（1989-），男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究機(jī)械制造及其自動(dòng)化。