多連桿伺服壓力機實驗平臺的設計

陳修龍， 李躍文， 姜 帥， 宋 浩

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

0 引 言

伺服壓力機具有高精度、高效率和節(jié)能環(huán)保等特點，在現代制造業(yè)中具有良好的發(fā)展前景[1]。伺服壓力機采用伺服電動機直接驅動多連桿機構，結構更簡單，傳動精度高，能耗低；可實現對滑塊位置的精確控制，改善壓力機的性能，提高了設備的柔性。因此，數控伺服壓力機的研發(fā)對提高我國制造裝備的水平具有重要的意義。

宋清玉[2]對大型機械伺服壓力機的重載傳動機構構型設計與優(yōu)化,并對高效拉深工藝軌跡優(yōu)化設計和主傳動系統(tǒng)參數標定等問題進行了研究。鹿新建等[3]分析了多連桿高速壓力機傳動系統(tǒng)的運動過程，研究了曲柄半徑和固定支點對滑塊曲線形態(tài)和行程的影響。齊全全等[4]運用矢量方程法對伺服壓力機傳動系統(tǒng)動態(tài)特性進行了分析與研究。程永奇等[5]對伺服壓力機傳動系統(tǒng)設計的基本原則進行了探討，并對2 MN小松式肘桿機構伺服壓力機的傳動系統(tǒng)進行了優(yōu)化；乃舜峰等[6]對三角肘桿傳動機構進行優(yōu)化設計；葛歆揚[7]建立了對稱直動肘桿機構的數學模型，并對直動肘桿機構進行優(yōu)化設計。

本文基于三角肘桿機構，設計了一種100 kN伺服肘桿式壓力機實驗平臺，擬應用于機械類專業(yè)的實驗教學。

1 壓力機的參數設計

根據結構的不同，肘桿機構可分為等長肘桿和三角形肘桿，考慮到在實際運行過程中，若使用等長肘桿機構，3根桿鉸接處會產生較大的摩擦力，加速機構的磨損破壞，因此本文設計了一種三角肘桿機構，與普通肘桿壓力機相比，其主要不同表現在：肘桿的兩臂不等長且由三角桿代替直線連桿。此外三角肘桿機構還有以下特點：①在下死點附近具有更好的低速運動特性；②具有一定的急回特性；③具有更優(yōu)的增力特性，可以降低伺服電動機的容量和成本[8]。因此本設計采用三角肘桿式機構，擬定的壓力機實驗平臺主要技術參數如下:公稱壓力100 kN,公稱壓力行程8 mm,滑塊行程200 mm,最大沖壓次數40次/min,最大高度≤1 500 mm。

根據以上技術參數進行設計，經過優(yōu)化改進，最終確定機構尺寸如圖1所示。其中L1=150 mm，L2=60 mm，L31=250 mm，L32=220 mm，L33=364.46 mm，L4=200 mm，X=186.19 mm，Y=177.89 mm。

圖1 壓力機機構簡圖

Adams軟件是集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件[9]，可以對機械系統(tǒng)進行運動學和動力學虛擬仿真分析[10-11]。根據初步確定的桿長，在Solidworks中建立壓力機主要桿件的三維模型，按照合理的配合方式進行裝配，之后將三維模型導入Adams中，設置合適的約束及驅動，進行運動學仿真，得到機構的位移、速度、加速度曲線。根據機構位移及速度曲線選擇工作行程，在工作行程時間內施加100 kN的載荷，進行動力學仿真，得到機身支撐點上的合力及曲軸上所需要的轉矩曲線。圖2～7分別為滑塊的位移、速度、加速度，上部支撐桿合力，曲軸支撐處合力及曲軸上扭矩曲線。

選擇電動機時應綜合考慮各方而要求，以充分發(fā)揮伺服電動機的工作性能[12]。伺服電動機的選型原則主要包括以下幾個方面：①連續(xù)工作扭矩小于伺服電動機額定扭矩;②瞬時最大扭矩小于伺服電動機最大扭矩;③負載慣量要與轉子慣量相匹配;④連續(xù)工作速度小于電動機額定轉速。

整個運行過程中，除工作行程外，伺服電動機的負

圖2 滑塊位移曲線

圖3 滑塊速度曲線

圖4 滑塊加速度曲線

圖5 加載時上部支撐桿處合力

圖6 加載時曲軸支撐處合力

圖7 加載時曲軸上扭矩

載主要為各個連桿的重力及運行過程中的摩擦力，因此在該過程中，電動機的連續(xù)工作扭矩肯定小于伺服電動機的額定扭矩；工作行程中，要求伺服電動機的瞬時最大扭矩大于所需要的扭矩。通過測量曲軸上的扭矩曲線最大值可知，曲軸上所需扭矩必須大于892.41 N·m。若選擇傳動比為36，則,

(1)

式中：Mq為電動機扭矩；Md為曲軸上的扭矩；i為傳動比。

根據式(1)得到電動機上的最大轉矩不小于24.78 N·m。對于電動機的大致功率，有:

P=Fv

(2)

式中：P為電動機功率；F為工作壓力；v為工作行程速度。

若控制v≤25 mm/s，F=100 kN，根據式(2)可得電動機功率約為2.5 kW?？紤]在運行時鉸接處的摩擦，因此選擇電動機功率必須大于2.5 kW。根據所得功率與最大扭矩可以初步選擇則安川SGMGH-30A伺服電動機，具體參數如下:額定電壓200 V,額定功率2.9 kW,額定轉矩18.6 N·m,瞬時最大轉矩45.1 N·m,額定轉速1 500 r/min,最高轉速3 000 r/min,轉子慣量46.0×10-4kg·m2,電動機慣量在5倍以下。同時可以選擇配套的二級行星齒輪減速機，減速比為36∶1。

一般情況下,應選用電動機轉子慣量大于負載慣量的1/10。若電動機運動定位頻率較高，則電動機轉子慣量必須提高至負載慣量的1/3以上[13]。

在計算轉動慣量時，需要將所有桿件的轉動慣量折算到電動機輸出軸上，由于所有桿件的形狀不規(guī)則且不易計算其轉動慣量，因此在Solidworks中賦予桿件相應的材料屬性，在曲軸軸線為Z軸上建立直角坐標系，運用質量屬性直接測得所有運動桿件對所建立的坐標系Z軸的轉動慣量為20.42×105kg·mm2。

J=Izz/i2

(3)

式中：Izz為所有運動桿件對Z軸的轉動慣量；J為折算到電動機輸出軸上的轉動慣量。

根據式(3)可得，轉動慣量折算到電動機軸上J=1.994×10-3kg·m2，對比伺服電動機參數和電動機轉子轉動慣量，可知所選電動機滿足要求。

本次設計預采用開式焊接機身，考慮到本設計以減速機代替減速齒輪，可使機身更加緊湊，同時保持機身穩(wěn)定性，初步設計機身寬度為280 mm，長度600 mm，高度1 270 mm。至于機身各鋼板的厚度，一些受力大的地方厚度要大些，比如機身中間肋板為20 mm，兩側為15 mm，需要支撐的地方設置凸臺，在必要的地方設置加強筋防止變形過大，材料選擇為Q235鋼板。

為了加工方便，單個桿件之間主要采用螺紋連接，桿與桿之間采用銷軸、軸瓦連接，曲柄與機架之間為法蘭、軸瓦連接。在伺服電動機及減速機下方設置控制柜，對機身起到一定的支撐著作用。整體結構見圖8。

圖8 整體結構

2 主要部件的有限元仿真

壓力機的機身是封閉構件，承受工藝過程中產生的力和力矩。根據Adams仿真情況，在滑塊處于工作行程時機身受力最大，根據動力學仿真曲線，測得到上部支撐桿的支撐點最大的合力為101.930 kN，曲柄處最大支撐力為30.581 kN。根據桿件運行位置，可得到作用在機身上力的方向，在機身最底端設置固定約束，求解得到機身的應力分布云圖和總體位移圖。

取安全系數n=3，機身為Q235鋼板，則許用應力為78.33 MPa。由板材焊接而成的壓力機，考慮焊縫及動載荷的影響，一般壓力機工作時開式機身的許用應力為50 MPa左右[14]。由圖9可以看出，應力集中主要出現在工作臺支撐板與中間肋板接觸的位置，最大應力為47.466 MPa，因此在實際加工時應在此處設置圓角，減少應力集中；除應力集中處外，其他部分應力分布都較小，均低于31.63 MPa，不會引起機身的破壞。由圖10可以看出，最大變形出現在機身上部，為0.458 23 mm，變形情況可以接受。

圖9 機身應力分布云圖

曲軸是壓力機的主要零件，它往往對壓力機的剛度和工作可靠性起著決定性作用，通過有限元仿真可以更清楚地獲得曲軸的應力分布，校核每個截面上的應力。將兩端圓柱面設置為固定約束，在曲軸中部施加25.049 kN的力，進行求解。

圖10 機身整體位移云圖

曲軸材料選45號鋼，屈服強度360 MPa，考取安全系數n=3，許用應力為120 MPa。由圖11可知，應力集中出現在圓角處，最大應力值為106.26 MPa，可以通過增大圓角的方式來減少應力集中，曲軸其他部分應力均小于70.84 MPa，因此該設計可以滿足要求。由圖12可知，最大變形位于曲軸頸部，大小為99.3 μm，出現在曲軸中部。

圖11 曲軸應力分布云圖

圖12 曲軸整體位移分布云圖

壓力機工作時，連桿主要承受沿桿方向的壓力，對于下部連桿，根據其約束及受力方式，在與三角桿連接的銷軸處施加固定約束，在連桿下端施加101.930 kN的力，方向向上。連桿材料為45號鋼，屈服強度360 MPa，取安全系數n=3，則許用應力為120 MPa。由圖13可知，桿接頭未倒角處出現應力集中，大小為154 MPa，在加工時此處可以倒角來避免，大部分應力不超過120.17 MPa，因此可以滿足要求。由圖14可知，其最大變形量為0.053 477 mm，出現在連桿最下端。

對于上部連桿，在兩側圓柱面施加固定約束，在與三角桿連接處向上施加101.930 kN載荷，進行求解。

圖13 下部連桿應力分布云圖

圖14 下部連桿整體位移分布云圖

由圖15可知，與機身相連的支撐桿圓角處出現應力集中，最大值為213.24 MPa，大部分應力均低于118.48 MPa，因此在實際加工中需要增大圓角，避免應力集中，取安全系數n=3，許用應力為120 MPa，則整體不會屈服，勉強符合要求。由圖16可知，其最大變形量為87.036 μm，出現在連桿下端鉸接處。

圖15 上部連桿應力分布云圖

圖16 上部連桿整體位移分布云圖

3 結 語

本文設計了一種100 kN三角肘桿式伺服壓力機實驗平臺，用伺服電動機通過減速機驅動，與傳統(tǒng)壓力機相比具有結構簡單、效率高、噪音小等優(yōu)點，而且實現滑塊的工藝曲線可調和更高的成型要求。通過Adams對機構進行仿真，并根據仿真結果對壓力機的傳動系統(tǒng)，機身結構等進行設計，利用Ansys對主要部件進行了有限元分析，驗證了本設計能夠滿足剛度、精度、可靠性等性能要求，為物理樣機的設計制造奠定了重要的基礎。

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