基于ADAMS的多連桿高速壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線分析

袁丁益，鹿新建，陸文淵，袁 林，孫云飛，繆華濱

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

隨著國(guó)內(nèi)壓力機(jī)械技術(shù)的迅猛發(fā)展以及精密引線框架等精密件的沖壓技術(shù)需求，傳統(tǒng)的曲柄連桿壓力機(jī)已無(wú)法滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的需求。壓力機(jī)正朝著高速度、高精度、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單化方向發(fā)展。基于這樣的發(fā)展背景，多連桿壓力機(jī)在精密零件的沖壓方面得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)曲柄連桿壓力機(jī)相比，多連桿壓力機(jī)具有下死點(diǎn)附近沖壓速度低、加速度小的特點(diǎn)，并且具有明顯的急回特性。這使得多連桿壓力機(jī)有著較高的沖壓效率，減小了沖壓時(shí)產(chǎn)品的振動(dòng)，提高了下死點(diǎn)精度。

本文研究多連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所具有的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真。研究了不同曲柄長(zhǎng)度對(duì)滑塊位移、速度及加速度的影響，有助于多連桿壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 模型的建立

1.1 多連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

圖1為一種多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。該機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，D和D′為肘桿CD、C′D′與機(jī)架的鉸接點(diǎn)，H和H′為三角板FHC和F′H′C′與機(jī)架的鉸接點(diǎn)。OA為曲柄，繞O點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿AB將運(yùn)動(dòng)傳遞到滑塊上的B點(diǎn)，B點(diǎn)所在的滑塊沿垂直方向做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿BC（BC′）繞B點(diǎn)擺動(dòng)，與此同時(shí)，肘桿 CD（C′D′）繞 D（D′）點(diǎn)擺動(dòng)，通過(guò)連桿 CE（C′E′）將運(yùn)動(dòng)傳遞到滑塊上的 E（E′）點(diǎn)，滑塊受滑道約束在水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)連桿EF（E′F′）將運(yùn)動(dòng)傳給三角板 FHC（F′H′C′），使得三角板繞著 H（H′） 點(diǎn)擺動(dòng)。連桿 GI（G′I′） 一端與三角板 FHG（F′H′G′）上的 G（G′）點(diǎn)相連，一端和連桿 IJ（I′J′）上的I（I′）點(diǎn)相連，將三角板的運(yùn)動(dòng)傳遞給連桿IJ（I′J′），連桿 IJ（I′J′）受到連桿 II′和滑塊 JJ′的約束，只能在豎直方向上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并將運(yùn)動(dòng)傳遞給滑塊JJ′?；瑝KJJ′在滑道的約束下，實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 多連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.2 MBS模型建立

MBS模型主要由剛體、約束及驅(qū)動(dòng)組成。由于本文研究滑塊的位移、速度和加速度，剛體的質(zhì)量屬性參數(shù)不影響仿真結(jié)果，故建模時(shí)只考慮各桿的幾何特征，采取ADMAS的幾何建模工具，選取圖1中的O點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸水平向右，Y軸豎直向上，建模過(guò)程中自動(dòng)生成的質(zhì)量屬性參數(shù)不變；定義機(jī)架和剛體上各關(guān)鍵點(diǎn)（鉸接點(diǎn)），輸入各特征點(diǎn)坐標(biāo)值；在各桿件之間、桿件和機(jī)架之間添加鉸鏈約束，滑塊與機(jī)架之間添加棱柱約束；在O點(diǎn)鉸鏈約束處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為600次/min。所建立模型如圖2所示，包括21個(gè)剛體、19個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值如表1所示）和一個(gè)驅(qū)動(dòng)。

表1 多連桿機(jī)構(gòu)桿件幾何參數(shù)

圖2 仿真模型

由于模型左右對(duì)稱，為了建模的方便，故只建立了左半邊的模型，并對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

2 仿真結(jié)果及影響因素分析

2.1 仿真結(jié)果

曲柄旋轉(zhuǎn)角速度取600次/min，對(duì)多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真，獲取了滑塊的位移曲線、速度曲線以及加速度曲線。為便于比較，構(gòu)建了具有相同滑塊位移、滑塊行程，上死點(diǎn)位置相同的曲柄連桿機(jī)構(gòu)仿真模型，獲取了滑塊位移、速度以及加速度曲線。仿真結(jié)果如圖3～5所示。

以沖壓1.2mm厚的零件為例，定量分析多連桿壓力機(jī)與曲柄壓力機(jī)沖壓過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。從圖3中可以看出，曲柄連桿機(jī)構(gòu)接觸零件時(shí)對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角約為153°，工作角為27°，而多連桿機(jī)構(gòu)接觸零件時(shí)對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角約為131.4°，工作角為48.6°?？梢?jiàn)，使用多連桿機(jī)構(gòu)大幅度地增加了工作角，延長(zhǎng)了沖壓過(guò)程中的工作時(shí)間，有利于減小沖壓過(guò)程中的沖擊。

圖4比較了兩種機(jī)構(gòu)的滑塊速度曲線，在下死點(diǎn)附近的工作角度范圍內(nèi)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平均沖壓速度為186.93mm/s，多連桿壓力機(jī)的平均沖壓速度為94.86mm/s，多連桿機(jī)構(gòu)的沖壓速度與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相比要小得多，意味著只要送料速度和精度能夠保障，還可以進(jìn)一步提高多連桿壓力機(jī)的沖壓速度，而不會(huì)超出材料的允許沖壓速度。此外，下死點(diǎn)附近的速度降低有利于壓印等精密加工。在離開(kāi)材料的回程階段，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的最大速度為719.11mm/s，多連桿機(jī)構(gòu)的最大速度為987.22mm/s。因此，多連桿機(jī)構(gòu)具有急回特性。

圖3 滑塊位移曲線比較

圖4 滑塊速度曲線比較

圖5 滑塊加速度曲線比較

圖5比較了兩種機(jī)構(gòu)的滑塊加速度曲線。曲柄連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)的滑塊加速度在工作角度范圍內(nèi)由44.99m·s-2逐漸增加到50.91m·s-2，在非工作角度范圍內(nèi)最大加速度為50.91m·s-2，基本上在一窄小高水平范圍內(nèi)變化。多連桿壓力機(jī)的滑塊加速度在工作角范圍內(nèi)由31.84m·s-2逐漸減小到10.69m·s-2，而在非工作角范圍內(nèi)達(dá)到-103.65m·s-2，在工作角范圍較小的滑塊加速度有助于消除滑塊高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力對(duì)下死點(diǎn)精度的影響，減小沖壓過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。

2.2 影響因素

在設(shè)計(jì)桿系結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以將曲柄OA的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的，以此增強(qiáng)高速多連桿壓力機(jī)的柔性。

如圖6～圖9所示為曲柄半徑取20mm、25mm、30mm、35mm、40mm時(shí)，滑塊的位移曲線、速度曲線、加速度曲線以及不同的曲柄半徑對(duì)滑塊行程的影響。

從圖6中可以看出，隨著曲柄半徑的增加，滑塊的行程不斷增大，滑塊位移曲線的底部逐漸隆起，這種曲線形態(tài)表明，滑塊在下死點(diǎn)附近出現(xiàn)了波動(dòng)。波動(dòng)量過(guò)大不利于精密沖壓，因此曲柄半徑的增大會(huì)降低沖壓精度。從圖7可以看出滑塊在下死點(diǎn)速度為零。隨著曲柄半徑的增大，滑塊在下死點(diǎn)附近的速度減小，變化也更加平穩(wěn)，更接近沖壓工藝的需求。從圖8可以看出，隨著曲柄半徑的增大，滑塊在下死點(diǎn)附近的加速度減小，在非工作區(qū)域的加速度增大。

圖6 不同曲柄半徑時(shí)滑塊的位移曲線

圖7 不同曲柄半徑時(shí)滑塊的速度曲線

圖8 不同曲柄半徑時(shí)滑塊的加速度

圖9 不同曲柄半徑時(shí)滑塊的行程曲線

圖9為滑塊行程隨曲柄半徑變化的規(guī)律。從圖中可以看出，隨著曲柄半徑的增大，曲柄連桿機(jī)構(gòu)滑塊的行程線性增加。而多連桿壓力機(jī)構(gòu)滑塊的行程增加相對(duì)較小。因此，對(duì)于多連桿壓力機(jī)而言，行程的增加不能單靠增加曲柄的半徑，而且在結(jié)構(gòu)上也存在一定難度。

3 結(jié)論

分析了多連桿壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，利用ADAMS軟件建立了多連桿傳動(dòng)系統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，同時(shí)對(duì)影響滑塊位移、速度及加速度曲線形態(tài)的因素進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：

（1）與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相比，多連桿機(jī)構(gòu)有利于提高沖壓精度和沖壓速度。

（2）隨著曲柄半徑的增大，滑塊行程逐漸增大，滑塊速度曲線及加速度曲線表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。

（3）曲柄半徑的增加引發(fā)滑塊行程變化不顯著。設(shè)計(jì)此類(lèi)多連桿高速精密壓力機(jī)時(shí)，應(yīng)綜合考慮上述因素的影響，以便獲得最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。