八連桿伺服壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

李鵬，孔德宇，吳瓊

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020；2.一重集團(tuán)天津重工有限公司，天津 300301；3.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510100）

伺服壓力機(jī)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型沖壓設(shè)備，具有復(fù)合高效、高精度、高柔性和低噪環(huán)保等特點(diǎn)，是沖壓設(shè)備的發(fā)展方向. 伺服壓力機(jī)采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，其加工工藝軌跡柔性可控，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)壓力機(jī)沖壓模式固定和沖壓工藝適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，能夠顯著提高復(fù)雜形狀零件、深拉深零件以及高強(qiáng)度鋼板沖壓加工的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在模具制造廠和汽車制造廠有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]. 如汽車制造廠對沖壓生產(chǎn)效率（采用伺服壓力機(jī)可以提高生產(chǎn)效率）、生產(chǎn)成本（伺服壓力機(jī)低速拉深可以有效避免破裂缺陷，從而達(dá)到降低板材規(guī)格的目的）、節(jié)能減排（伺服壓力機(jī)采用能量管理模式，可以降低能耗）、高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用普及（采用伺服壓力機(jī)可以降低回彈，提高成形質(zhì)量）等方面的追求進(jìn)一步提高，伺服壓力機(jī)將是汽車制造廠首選的沖壓生產(chǎn)設(shè)備.

目前，德國、日本等汽車制造大國相繼推出公稱壓力25 000 kN、30 000 kN的伺服壓力機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也有曲柄滑塊、雙曲柄、六連桿等，主要應(yīng)用于寶馬、豐田等公司生產(chǎn)線上. 國內(nèi)只有一流主機(jī)廠全套引進(jìn)國外伺服沖壓生產(chǎn)線，其他主機(jī)廠都是引進(jìn)一臺作為試模壓力機(jī)使用或沖壓線首臺采用伺服壓力機(jī). 國內(nèi)具備大型伺服壓力機(jī)制造能力的廠家目前有中國一重和濟(jì)南二機(jī)床，濟(jì)南二機(jī)床為奇瑞汽車開發(fā)的伺服試模壓力機(jī)于2012年11月19日調(diào)試成功，其公稱壓力為16 000 kN，公稱壓力行程為13 mm，滑塊行程為1 000 mm，其能力較中國一重開發(fā)的25 000 kN伺服壓力機(jī)（公稱壓力行程為13 mm，滑塊行程為1 200 mm）還有一定的差距.

隨著各汽車廠對伺服壓力機(jī)技術(shù)的了解越來越深刻，對伺服壓力機(jī)提出的技術(shù)條件也很高，其中絕大多數(shù)廠家要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或六連桿和八連桿機(jī)構(gòu). 本文主要對研發(fā)的八連桿伺服壓力傳動(dòng)方案進(jìn)行分析.

1 八連桿傳動(dòng)原理

八連桿是現(xiàn)代拉延壓力機(jī)較為先進(jìn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用八連桿作為壓力機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[4-7]，滑塊工作行程較大且速度平穩(wěn)，可滿足覆蓋件拉深成形時(shí)需要滑塊速度低且等速的工藝要求；較曲柄壓力機(jī)，可使滑塊在較大曲柄轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)承受70%～80%的額定壓力；具有較大的增力比；結(jié)構(gòu)緊湊，可以減小上梁高度. 圖1為八連桿傳動(dòng)原理圖，該機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，OB桿為主曲柄，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)剛性桿CAF偏擺從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為G點(diǎn)（滑塊）的上下直線運(yùn)動(dòng).

圖1 八連桿傳動(dòng)原理圖

2 八連桿設(shè)計(jì)目標(biāo)

表1所示為本文研發(fā)的伺服壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)，其中公稱壓力、公稱壓力行程、滑塊行程次數(shù)、滑塊行程、生產(chǎn)率是影響傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[8-9]. 圖2為伺服電機(jī)特性曲線，參數(shù)中額定扭矩、最大扭矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)扭矩是影響桿系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素. 可以看出，伺服電機(jī)提供額定扭矩時(shí)，必須保證轉(zhuǎn)速在600 rpm以下；伺服電機(jī)處于最大負(fù)載狀態(tài)時(shí)，必須保證轉(zhuǎn)速在400 rpm以下. 當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，會增加拉深工作時(shí)間，降低拉深速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量；相應(yīng)的連續(xù)行程次數(shù)會下降，為了滿足生產(chǎn)效率，結(jié)合電機(jī)散熱情況、機(jī)械手送取料時(shí)間等因素，必須對系統(tǒng)傳動(dòng)比、滑塊空行程下行時(shí)間段、拉深工作時(shí)間段、滑塊返回上死點(diǎn)時(shí)間段及上死點(diǎn)停止時(shí)間段進(jìn)行合理的分配和優(yōu)化.

表1 25 000 kN伺服壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖2 交流伺服電機(jī)特性曲線

受當(dāng)前交流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)限制，桿系設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

1）為達(dá)到?jīng)_壓聯(lián)線時(shí)大覆蓋件生產(chǎn)效率10件/min、小覆蓋件14件/min的廠家要求，在滿足滑塊連續(xù)行程次數(shù)達(dá)到18 spm條件下，折算到電機(jī)軸上的扭矩應(yīng)低于伺服電機(jī)能夠提供的最大扭矩；

2）根據(jù)P=MW=FV公式，滑塊在拉深階段（一般取距離下死點(diǎn)250～300 mm為宜），設(shè)計(jì)出的桿系自然速度（即伺服電機(jī)按額定轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下滑塊在拉深區(qū)的速度）應(yīng)該較低，才能保證滑塊在拉深階段提供較大的負(fù)荷力，為拉延階段提供充足的成形力.

3）核算電機(jī)加減速階段所需的電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及電機(jī)最高轉(zhuǎn)速是否超出電機(jī)范圍；

4）核算電機(jī)負(fù)載時(shí)間段，保證電機(jī)不能長時(shí)間負(fù)載，需落實(shí)電機(jī)負(fù)載時(shí)間比例.

3 八連桿桿系設(shè)計(jì)參數(shù)

伺服電機(jī)傳遞給主軸扭矩計(jì)算表達(dá)式為

式中T為主軸扭矩，N·m；M為伺服電機(jī)負(fù)載扭矩，N·m；SM為使用的伺服電機(jī)臺數(shù)，臺；i總為主傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比.

本文八連桿主傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比i總=i1*i2= 7 .5*5 = 37.5；采用的伺服電機(jī)臺數(shù)SM=4；伺服電機(jī)最大負(fù)載扭矩Mmax= 1 1400 N· m；根據(jù)圖3，伺服電機(jī)常用負(fù)載扭矩為Mcom= 6 800 N· m . 根據(jù)式（1），得

式中Tcom為伺服壓力機(jī)主軸常用扭矩.

式中Tmax為伺服壓力機(jī)主軸最大負(fù)載扭矩.

通過分析和優(yōu)化，設(shè)計(jì)的八桿桿系參數(shù)為a= 1 550,b=- 3 00,LOB= 2 35,LOD= 2 85,L2= 1 395,L4=1395,L5= 8 05,LCF= 1 816,L6= 1 235,L7= 1 660,L8= 1 220.

1）當(dāng)公稱壓力為25 000 kN，公稱壓力行程為7 mm時(shí)，主軸所需扭矩T計(jì)算= 1 865000 N· m，即T計(jì)算＞Tmax，

2）當(dāng)公稱壓力為25000 kN，公稱壓力行程為5.5 mm時(shí)，主軸所需扭矩為T計(jì)算= 1 674 000 N· m，即T計(jì)算＜Tmax，

3）當(dāng)公稱壓力為25000 kN，公稱壓力行程為5.7 mm時(shí)，主軸所需扭矩為Tmax= 1 710 000 N· m，即T計(jì)算=Tmax.

由于桿系結(jié)構(gòu)已經(jīng)沒有優(yōu)化的空間，在保證滑塊能夠提供滿足典型覆蓋件側(cè)圍板成形力的前提下，可以將公稱壓力行程從7 mm降低到5.5 mm. 圖3分別為公稱壓力為25 000 kN、公稱壓力行程分別為7 mm、5.7 mm、5.5 mm時(shí)的滑塊負(fù)荷曲線，分析圖3可知，公稱壓力行程為5.5 mm和5.7 mm時(shí)滑塊輸出力差距不大，在拉深行程300～25 mm范圍內(nèi)，滑塊輸出力最大差25 t，最小為9 t. 圖4為公稱壓力行程分別為5.7 mm、7 mm滑塊負(fù)荷差隨位移變化曲線，從圖中可以看出，在拉深行程300～25 mm范圍內(nèi)，滑塊輸出力最大差124 t，最小為48 t，在25～5.7 mm范圍內(nèi)，滑塊輸出力最大差為213 t，但是在25 mm處，滑塊輸出力分別為1312 t，1462 t，此時(shí)滑塊提供的輸出力足以滿足拉深零件所需的成形力，此時(shí)力差距意義不大.

圖3 公稱壓力行程分別為7 mm、5.7 mm、5.5 mm滑塊負(fù)荷曲線

圖4 公稱壓力行程分別為7 mm、5.7 mm滑塊負(fù)荷差隨位移變化曲線

以距離下死點(diǎn)250 mm處作為覆蓋件拉深成形開始點(diǎn)，到下死點(diǎn)為拉深成形結(jié)束點(diǎn)，生產(chǎn)大型覆蓋件時(shí)滑塊連續(xù)行程次數(shù)按16 spm計(jì)算，生產(chǎn)小型覆蓋件時(shí)滑塊連續(xù)行程次數(shù)按18 rpm計(jì)算，滑塊空負(fù)載下行、拉深工作區(qū)、滑塊返回所對應(yīng)的曲柄旋轉(zhuǎn)角度及消耗時(shí)間如圖5所示，從圖中可以看出滑塊空負(fù)載下行階段對應(yīng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為70°、拉深工作區(qū)對應(yīng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為90°、滑塊返回對應(yīng)曲柄旋轉(zhuǎn)角度為130°. 伺服電機(jī)在整個(gè)工作周期內(nèi)運(yùn)行狀況分“加速1-平穩(wěn)運(yùn)行1-減速1-平穩(wěn)運(yùn)行2-加速2-平穩(wěn)運(yùn)行3-減速2-在上死點(diǎn)停止”等8個(gè)階段，如圖5下半部分所示.

圖5中，t1、t2、t3、t4分別為伺服電機(jī)在勻速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滑塊空行程下降、拉深工作、空行程返回及上死點(diǎn)停止時(shí)間，下圖中st1、st2、st3、st4分別為電機(jī)在變速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滑塊空行程下降、拉深工作、空行程返回及上死點(diǎn)停止時(shí)間. 圖5下圖縱坐標(biāo)為電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm），橫坐標(biāo)為時(shí)間（s）.在保證生產(chǎn)效率、不超過電機(jī)性能參數(shù)、滑塊能夠提供較大輸出力條件下，根據(jù)圖5上圖時(shí)間關(guān)系調(diào)整對應(yīng)的圖5下圖時(shí)間段來發(fā)揮伺服電機(jī)性能. 按大覆蓋件生產(chǎn)效率10件/min滑塊連續(xù)行程次數(shù)按16 spm、小覆蓋件生產(chǎn)效率14件/min滑塊連續(xù)行程次數(shù)按18 spm計(jì)算.

圖5 滑塊運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角

1）大覆蓋件生產(chǎn)效率10件/min，滑塊連續(xù)行程次數(shù)按16 spm

按電機(jī)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊在各階段時(shí)間分別為t1= 1 .46s,t2= 0 .94 s,t3= 1 .35s,t4= 2 .25s,t周期=6 s ，根據(jù)圖3知，電機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行2階段必須保證轉(zhuǎn)速為N= 4 00 rpm ，按比例分配關(guān)系，調(diào)整滑塊各階段時(shí)間分別為st1= 1 .22s,st2= 1 .41s,st3= 1 .12 s,st4= 2.25s,t周期=6 s，與電機(jī)廠家、自動(dòng)化廠家進(jìn)行技術(shù)交流，此時(shí)間分配關(guān)系電機(jī)能達(dá)到要求，自動(dòng)化送取料時(shí)間夠用.

2）小覆蓋件生產(chǎn)效率14件/min，滑塊連續(xù)行程次數(shù)按18 spm

按電機(jī)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊在各階段時(shí)間分別為t1= 1 .3s,t2= 0 .83s,t3= 1 .2 s,t4= 0 .95s,t周期=4.29 s ，根據(jù)圖3知，電機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行2階段必須保證轉(zhuǎn)速為N= 6 00 rpm ，按比例分配關(guān)系，調(diào)整滑塊各階段時(shí)間分別為st1= 1 .24s,st2= 0 .94 s,st3= 1 .15s,st4= 0 .95s,t周期=4.29 s，與電機(jī)廠家、自動(dòng)化廠家進(jìn)行技術(shù)交流，此時(shí)間分配關(guān)系電機(jī)能達(dá)到要求，自動(dòng)化送取料時(shí)間夠用.

4 八連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[10-12]

4.1 滑塊行程解析

4.2 滑塊速度解析

通過對滑塊行程公式進(jìn)行求導(dǎo)，可得滑塊速度公式：

其中，V2為桿2的角速度；V3為桿3的角速度；V4為桿4的角速度；V5為桿5的角速度；V6為桿6的角速度；V7為桿7的角速度；V8為桿8的角速度；V為滑塊的運(yùn)行速度.

4.3 滑塊加速度解析

通過對滑塊速度公式進(jìn)行求導(dǎo)，可得滑塊加速度公式：

其中，a2為桿2的角加速度；a3為桿3的角加速度；a4為桿4的角加速度；a5為桿5的角加速度；a6為桿6的角加速度；a7為桿7的角加速度；a8為桿8的角加速度；a9為滑塊的運(yùn)行加速度.

4.4 桿系計(jì)算實(shí)例

將研發(fā)桿系參數(shù)編程計(jì)算，得到八連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線，如圖6所示.

5 八連桿動(dòng)力學(xué)分析[13-14]

定義各桿均受拉，O點(diǎn)扭矩為T，逆時(shí)針為正. 根據(jù)O點(diǎn)、A點(diǎn)力矩和E點(diǎn)、G點(diǎn)受力平衡關(guān)系，有如下方程組成立，將研發(fā)桿系參數(shù)編程計(jì)算，得到八連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滑塊負(fù)荷曲線如圖7所示.

圖6 八連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線

圖7 八連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滑塊負(fù)荷曲線

6 汽車側(cè)圍板成形工藝

汽車側(cè)圍板是汽車覆蓋件中拉深深度、長度、寬度及拉伸力都具有代表性的產(chǎn)品，分析其成形工藝及成形力曲線對于伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)是必要的，檢查滑塊負(fù)荷力、滑塊速度能否順利成形拉延出該零件. 圖8及表2為側(cè)圍板成形工序和參數(shù)，圖9為側(cè)圍板拉延筋及模具示意圖.

圖8 側(cè)圍板成形工序圖

表2 側(cè)圍板成形工序及參數(shù)

圖9 側(cè)圍板拉延筋及模具示意圖

采用DynaForm軟件對側(cè)圍板進(jìn)行模擬，模擬參數(shù)及板材性能參數(shù)見表3.

表3 模擬參數(shù)及材料性能參數(shù)

7 側(cè)圍板成形力與伺服壓力機(jī)滑塊負(fù)荷比較

圖10為側(cè)圍板成形力數(shù)值模擬結(jié)果和滑塊輸出力比較圖，從圖中可以看出，在拉深初期，研發(fā)的桿系滑塊輸出力比側(cè)圍板生產(chǎn)設(shè)備2 400 t壓力機(jī)力曲線低450 t，在拉深中期，輸出力差距逐漸減小，差距為275 t左右，在拉深后期輸出力差距逐漸增大，這是由于壓力機(jī)公稱壓力行程不同造成的. 通過比較伺服壓力機(jī)滑塊輸出力曲線和側(cè)圍板成形力曲線可知，伺服壓力機(jī)能提供的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過側(cè)圍板成形需要的變形力，超出平均為550 t，且在拉伸后期，壓力機(jī)輸出力曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)在于側(cè)圍板成形力曲線上面，表明設(shè)計(jì)的八連桿伺服壓力機(jī)傳動(dòng)方案能夠滿足典型汽車覆蓋件的沖壓成形過程.

圖10 側(cè)圍板成形力數(shù)值模擬結(jié)果與滑塊負(fù)荷輸出力的比較

8 結(jié)論

1）通過上述理論分析，設(shè)計(jì)的八連桿伺服壓力機(jī)傳動(dòng)方案能夠滿足典型汽車覆蓋件的沖壓成形過程，滿足重大專項(xiàng)要求；

2）在覆蓋件沖壓成形初始階段，滑塊速度不到240 mm/s，在覆蓋件拉深中期，滑塊速度平穩(wěn)且平均速度為220 mm/s直至減為 0，大大低于傳統(tǒng)壓力機(jī)速度，極大改善了拉延工藝條件，降低了工件拉裂的幾率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量.

3）基于伺服電機(jī)控制精度高且可調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率，根據(jù)八連桿設(shè)計(jì)參數(shù)，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)大覆蓋件10件/min，小覆蓋件14件/min的生產(chǎn)效率，在自動(dòng)化水平提高的條件下生產(chǎn)效率有進(jìn)一步提高的空間.