機械壓力機傳動方案設(shè)計的發(fā)展歷程

劉俊如

摘 ?要：鍛壓裝備是裝備制造業(yè)的重要組成部分，鍛壓裝備水平的高低是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平的重要指標之一。機械式的壓力機的主傳動結(jié)構(gòu)的運動學性能以及其在動力學方面的性能對產(chǎn)品的質(zhì)量有著十分重要的影響，所以合理設(shè)計機械式的壓力機的主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義和應用價值。文章通過對機械式的壓力機不同的主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行分析，研究上梁結(jié)構(gòu)與主傳動結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，為主傳動系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：機械壓力機傳動;設(shè)計;發(fā)展

引言

機械壓力機一般采用上部異向驅(qū)動方式，傳動機構(gòu)采用多連桿或偏心式結(jié)構(gòu)并配有導向裝置。由于機械壓力機具有速度快，滑塊行程精度高等優(yōu)點，在汽車沖壓生產(chǎn)線中得到了廣泛應用。但是這兩種類型壓力機在具體應用上并不相同，尤其在如汽車覆蓋件拉延成形等方面，因受板材材料性能的限制，對拉延速度要求十分嚴格。普通曲柄壓力機滑塊運行速度近似于正弦曲線，在板材深拉延初始階段，滑塊的速度及加速度均較大，易造成板材起皺，甚至拉裂，導致產(chǎn)品不合格率較高，因此該類壓力機一般用于板材落料、沖孔等工藝。

1機械壓力機傳動機構(gòu)的運動學分析

機械壓力機常采用的傳動機構(gòu)有齒輪副、螺旋副、曲柄滑塊機構(gòu)、肘桿、多連桿機構(gòu)等，將這些傳動機構(gòu)進行組合，實現(xiàn)增力比功能的優(yōu)化設(shè)計，可大幅降低大噸位伺服機械壓力機的成本。最常用的傳動機構(gòu)有下列幾種：1）直線電動機直接驅(qū)動滑塊機構(gòu)如圖1所示。此機構(gòu)滑塊做直線運動，無齒輪、同步帶輪等減速機構(gòu)，無曲柄連桿、螺旋副等運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)，無肘桿、多連桿等增力機構(gòu)，實現(xiàn)所謂“零傳動”，具有結(jié)構(gòu)簡單、柔性加工、精確定位、高效生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。但由于受直線電動機功率和成本的限制，壓力機的噸位很小，只有幾十千牛頓，一般應用于微小型壓力機。2）電動機經(jīng)一級齒輪減速后直接驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，取消了飛輪、離合器與制動器，并縮小了齒輪，是伺服機械壓力機前期產(chǎn)品常選方案。

2機械壓力機的曲柄連桿結(jié)構(gòu)的主傳動系統(tǒng)

2.1計算該機構(gòu)在運動中的自由度

該機構(gòu)在運行時，其曲柄繞固定點進行旋轉(zhuǎn)運動，這種旋轉(zhuǎn)運動通過與其相互鉸接的連桿可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復運動。所以，主要的活動構(gòu)件就是滑塊、連桿以及曲柄，說明該機構(gòu)的活動構(gòu)件有3個。移動副則主要包括機架和滑塊，而其他則都作為轉(zhuǎn)動副。而運動低副則包括了以上四個部件。根據(jù)以上參數(shù)即可進行自由度的計算。經(jīng)過計算，可以發(fā)現(xiàn)該機構(gòu)自由度等于其原動件的數(shù)量，表明該機構(gòu)的運動具有確定性。

2.2相關(guān)運動學方面的分析結(jié)果

對該主傳動機構(gòu)進行動力學方面的分析后可以得出其運動曲線，其中滑塊的行程為1000mm，而行程的次數(shù)為每分鐘16次。根據(jù)對該運動曲線的分析結(jié)果可以得知，該主傳動機構(gòu)中滑塊運行的位移曲線屬于余弦曲線，同時其速度曲線則更類似于正弦曲線。而深拉延的開始階段則位于與滑塊的下死點距離300mm的位置，此時滑塊的速度超過了每秒700mm，已經(jīng)相當接近行程中最大的速度值。該速度已經(jīng)明顯超出了板材成形所需的極限速度值，所以說明曲柄壓力機無法進行對板材的深拉延加工成形，而只能適用于淺拉延成形，且需要控制50mm的范圍以內(nèi)。另外，該機構(gòu)在曲柄轉(zhuǎn)角的360°的位置和180°的位置分別是滑塊的上下兩個死點，因此，其急回特性較差，導致其生產(chǎn)的效率也比較低。

2.3機械壓力機的曲柄結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于曲柄式機械壓力機主傳動結(jié)構(gòu)全部設(shè)置在了上梁的本體里面，所以在設(shè)計上梁的本體時應全面考慮主傳動系統(tǒng)中曲柄以及連桿的長度、主齒輪的直徑等各項參數(shù)。主傳動結(jié)構(gòu)中的曲柄長度是該機械式壓力機的滑塊行程的二分之一，這是一個定量參數(shù)。而對滑塊的運行速度有較大影響的參數(shù)則是連桿的長度。所以要結(jié)合機械式壓力機在生產(chǎn)工藝方面對滑塊的實際運動速度所提出的要求，還要考慮機械式壓力機在上梁剛度方面的具體要求，以及壓力角的最佳值等各種基礎(chǔ)參數(shù)來合理選擇連桿的設(shè)計長度。確定了曲柄長度和連桿長度后，再根據(jù)這兩項數(shù)值來設(shè)計主齒輪的直徑值。如果機械式壓力機中具有導柱結(jié)構(gòu)，導柱的高度是一個定值。同時，機械式壓力機的上梁高度將與其曲柄以及連桿的長度直接相關(guān)，所以在對上梁本體以及主傳動結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時要全面考慮這兩方面的因素，應兼顧好二者各自的設(shè)計要求。

2.4機械壓力機六連桿結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計

該機械式壓力機的六連桿的主傳動機構(gòu)以及其導柱和導套都被設(shè)置在上梁的本體內(nèi)。由于壓力機的上梁結(jié)構(gòu)內(nèi)，其高度是定值，所以壓力機的上梁高度與桿R1和L2、L3的長度密切相關(guān)。在對該機構(gòu)進行運動學方面的分析后可以發(fā)現(xiàn)，該機構(gòu)內(nèi)影響滑塊的運動速度、加速度以及位移的因素包括支點位置以及相關(guān)各桿長度。所以，在對機械壓力機的上梁結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，需要考慮板材的拉延成形加工工藝在滑塊運動速度、加速度以及位移方面的具體要求，從而首先對傳動結(jié)構(gòu)內(nèi)支點位置和各桿長度進行初步的確定。另外，因為機械式壓力機的上梁高度會受到桿R1以及桿L2、L3長度的影響，所以在設(shè)計滑塊的運動速度、加速度以及位移時，對各桿長度的具體取值還需要考慮這方面的因素，盡量減少以上3個桿的長度，從而對上梁高度進行適當?shù)目刂啤?/p>

3機械壓力機傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1混合驅(qū)動

混合伺服驅(qū)動技術(shù)將成為機械壓力機未來研究的一個熱點。目前，驅(qū)動已經(jīng)成為商品機械壓力機主導驅(qū)動方式，這是因為二自由度耦合傳動機構(gòu)設(shè)計上更為復雜，很難對滑塊進行調(diào)節(jié)。但同時優(yōu)勢也比較明顯，比如，能夠降低電機容量，節(jié)約成本等。

3.2驅(qū)動源與傳動機構(gòu)

驅(qū)動壓力機的性能更高，但造價也高，對推廣應用造成不便。采用新傳動機構(gòu)是解決這一問題的關(guān)鍵，而傳動機構(gòu)又存在一定復雜性，容易使制造成本增加。還可以對驅(qū)動源進行開發(fā)，包括開關(guān)磁阻電機、變頻電機等。

3.3傳動機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

機械壓力機比起傳統(tǒng)的機械壓力機，傳動機構(gòu)更為復雜，需要使用到肘桿、多連桿、差動輪系等。且對這些機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，即組合設(shè)計后，主要是為了將伺服電機的輸出扭矩降低，進而降低伺服電機容量及成本，而不再是簡單將滑塊特殊曲線獲得。但是，當前組合設(shè)計時效性不高，設(shè)計方法缺乏。為此，使用動力學分析軟件、CAD軟件就顯得非常必要。

3.4傳動機構(gòu)剛性設(shè)計與位置控制

在設(shè)計中，通過組合方式將增力功能提升，但是剛性仍不足，不僅沒有提升反而降低了很多，這就是伺服機械壓力機在組合設(shè)計后暴露出的問題，在設(shè)計后，控制的內(nèi)容也增多了，包括滑塊運動速度、滑塊位移等，同時還要考慮機身彈性變形、傳動機構(gòu)變化問題，因為這些都是關(guān)系到使用效果的問題。為此，在傳動機構(gòu)方案設(shè)計上，剛?cè)狁詈蟿恿Ψ治鍪潜夭豢缮俚摹?/p>

結(jié)束語

在裝備的制造行業(yè)中，機械壓力機具有重要的地位。機械壓力機所加工的零部件具有更高的質(zhì)量，且在制造的過程中作業(yè)的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于這些比較明顯的優(yōu)勢，該設(shè)備在機械制造行業(yè)具有較高的應用的價值。而隨著我國科技水平的不斷進步，以及相關(guān)的制造業(yè)對設(shè)備要求的提高，機械壓力機在設(shè)計上必須進行進一步的完善和創(chuàng)新。

參考文獻

[1] 韓長偉.機械壓力機主傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].—重技術(shù)，2012（1）：24-28.

[2] 宋清玉.大型機械伺服壓力機的關(guān)鍵技術(shù)及其應用研究[D].秦皇島：燕山大學，2014.

[3] 楊俊.雙點伺服壓力機傳動機構(gòu)設(shè)計及仿真分析[D].南京：南京航空航天大學，2015.

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