（机械电子工程专业论文）高速精密压力机精度分析与试验研究.pdf

m e c h a n i c a la c c u r a c ya n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a ls t u d y f o rh i g hs p e e dp r e ss 拳 at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y j i a n gs h u s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f j i a f a n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 s u p p o r t e db y ：t h ep r o v i n c et r a n s f o r m a t i o no fs c i e n c e & t e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t sp r o g r a m m eo fj i a n g s u ( n o b a 2 0 0 8 0 3 0 ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：趣日期：丝! ! ：生兰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 j 研究生签名：埠导师签名：二址日 t 、， 期：垫! ! ! 生! 摘要 高速精密压力机精度分析与试验研究 研究生：蒋舒指导老师：贾方副教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 摘要 随着高速压力机向高速化方向发展，对机构运行精度也提出了更高的要求。本文以高速精密压 力机为研究对象，着重探讨运动副间隙和构件弹性两个因素对机构动态精度的影响。建立压力机的 含间隙模型和弹性连杆模型，深入研究了所建模型的动态特性，并通过试验验证模型的正确性。 本文针对高速压力机通常承受冲击载荷的特性，在比较三种常用间隙模型特性的基础上，采用 基于牛顿力学的二状态模型建立连杆和滑块间转动副的间隙模型。将间隙模型嵌入到机构的动力学 建模中，建立含间隙高速压力机机构模型。对比含间隙机构与理想无间隙机构的动态响应，分析结 果表明间隙的存在降低了压力机运行的稳定性，其影响是不容忽视的；并根据不同转速、不同间隙 大小、不同载荷大小以及不同碰撞参数下机构的响应确定上述参数合理的取值范围。 连杆是高速压力机机构中对精度影响较人的构件。将连杆视为弹性体，建立含间隙高速压力机 弹性连杆机构模型。对比在同一工况下无间隙刚性连杆、无间隙弹性连杆、含间隙刚性连杆、含间 隙弹性连杆等考虑不同影响因素的四类模型的动态响应，分析结果表明弹性构件可以在一定程度上 抵消间隙的不利影响，滑块速度和加速度对打击力的动态响应更接近实际工况；弹性构件中的结构 阻尼使运动副间的碰撞减缓，机构运动更加平稳。基于高速压力机的工作载荷特性，运动副问隙和 构件弹性形变在建模时是不可忽视的，选择合适的间隙量和构件材料可以有效降低冲击载荷对机构 的影响。 为了验证上述模型的正确性，利用下死点精度测试仪测试不同t 况滑块下死点位置曲线，测试 结果与仿真结果相吻合。通过将含不同影响因素的四类机构下死点位移曲线与试验值对比，证明了 所建模型的正确性。 关键词：高速压力机，精度，冲击载荷，间隙，弹性连杆 a b s t r a c t m e c h a n i c a l a c c u r a c ya n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a ls t u d yf o rh i g hs p e e dp r e s s c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：j i a n gs h u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i af a n g ( s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dp r e s st ot h ed i r e c t i o no fh i g h e rs p e e d ，t h er e q u i r e m e n tf o r m e c h a n i c a la c c u r a c yi sm u c hh i g h e r a st h et y p eo fh i g h - s p e e dp r e c i s i o np r e s sf o rr e s e a r c ho b j e c t ，t h e e f f e c t so fj o i n tc l e a r a n c ea n de l a s t i cd e f o r m a t i o no fp a r t so nd y n a m i ca c c u r a c ya r em a i n l ys t u d i e di nt h e t h e s i s t h em o d e l sw i t hc l e a r a n c ea n df l e x i b l el i n k a g ef o rp r e s sa r ee s t a b l i s h e da n dd y n a m i cc h a c a c t e r i s t i c s o ft h em o d e l sa r ef u r t h e rs t u d i e d t h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l sa b o v ei sp r o v e db ye x p e r i m e n t s a i m i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt h ep r e s so f t e nw o r k su n d e ri m p a c tl o a d ，a n do nt h eb a s i so f c o m p a r i n gt h ef e a t u r eo ft h r e ec o m m o nc l e a r a n c em o d e l s ，t h et w o - c o n d i t i o nm o d e lb a s e do nn e w t o n i a n m e c h a n i c si su s e dt ob u i l du pt h ec l e a r a n c em o d e lb e t w e e nl i n k a g ea n ds o l i d e r e m b e d i n gt h ec l e a r a n c e m o d e li n t od y n a m i cm o d e l l i n g ，t h er i g i dm o d e lw i t hc l e a r a n c ef o rh i 【g h s p e e dp r e s sm e c h a n i s mi s e s t a b l i s h e d b yc o m p a r i n gd y n a m i cr e s p o n s e so ft h em o d e l sw i t ha n dw i t h o u tc l e a r a n c e ，i ti ss h o w nt h a t t h ee x i s t e n c eo fc l e a r a n c ed e c r e a s e st h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo fm e c h a n i s mo b v i o u s l y , w h o s ee f f e c t sa r e u n i g n o r a b l ee s p e c i a l l yi nt h em e c h a n i s mo fh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n a c c o r d i n gt od y n a m i cr e s p o n s e s o ft h em e c h a n i s ma td i f f e r e n ts p e e d ，i nd i f f e r e n tc l e a r a n c es i z e ，u n d e rd i f f e r e n tl o a da n dw i t hd i f f e r e n t c o n t a c tp a r a m e t e r s ，t h er e a s o n a b l ev a l u er a n g eo ft h er e l a t e dp a r a m e t e r sc a nb ec e r t i f i e d a st h el i n k a g eh a sm u c he f f e c to nm e c h a n i s mp r e c i s i o n i ti sv i e w da sf l e x i b l eb o d ya n dam o d e lw i t h c l e a r a n c ea n df l e x i b l el i n k a g ef o rh i g hs p e e dp r e s si se s t a b l i s h e d c o n s i d e r i n gd i f f e r e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r s ， f o u rt y p e sm o d e l sc a nb eg o t ，w h i c ha r er i g i dl i n k a g ew i t h o u tc l e a r a n c e ，f l e x i b l el i n k a g ew i t h o u tc l e a r a n c e ， r i g i dl i n k a g ew i t hc l e a r a n c ea n df l e x i b l el i n k a g ew i t hc l e a r a n c e c o m p a r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i c so ft h e f o u rm o d e l si nt h es a m ec o n d i t i o n i ti si n d i c a t e dt h a tf l e x i b l eb e d yc a nc o u n t e r a c tt h ea d v e r s ee f f e c to f c l e a r a n c ei ns o m ee x t e n t ，a n dt h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fs o l i d e rw i l lb ec l o s e rt oa c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n t h es t r u c t u r a ld a m p i n go ff l e x i b l eb o d yc a nw e a k e nt h ei m p a c te f f e c tb e t w e e nk i n e m a t i cp a i r s a n dm a k et h eo p e r a t i o np r o c e s sm o r es t a b l e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n gl o a df o rh i g hs p e e d p r e s s ，i ti su n n e g ： i e c t a b l et ot a k et h e e f f e c to fj o i n tc l e a r a n c ea n de l a s t i cd e f o r m a t i o no fk e yp a r t si n t o a c c o u n tw h e nm o d e l i n g b yc h o o s i n gp r o p e rc l e a r a n c es i z ea n dp a r t sm a t e r i a l ，t h ei m p a c te f f e c t sf r o m w o r k i n gf o r c et ot h em e c h a n i s mc a l lh ee f f e c t i v e l yd e c r e a s e d i no r d e rt op r o v et h ev a l i d a t i o no ft h em o d e l sa b o v e ，b o t t o md e a dc e n t e rt e s t e ri su s e dt ot e s tt h e d i s p l a c e m e n tc u r v e so fs o l i d e ra tb o t t o md e a dc e n t e ri nd i 位r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s w h i c ha 他c o i n c i d e d w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s b yc o m p a r i n gt e s t i n gr e s u l t so ft h ef o u rm o d e l sw h i c hc o n s i d e rd i f f e r e n t i n f l u e n c i n gf a c t o r sw i t ht e s t i n go n e s ，t h em o d e l se a t a b l i s h e da b o v ea r ep r o v e dt ob ev a l i d k e y w o r d s ：h i g hs p e e dp r e s s ，a c c u r a c y , i m p a c tl o a d ，c l e a r a n c e ，f l e x i b l el i n k a g e i i 日录 目录 摘要1 a b s t r a ( 了1 l e jj j 乏1 l l 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 国内外高速压力机精度研究现状一2 1 2 1 高速压力机结构简介2 1 2 2 含间隙运动副动力学建模3 1 2 3 构件弹性变形动力学模型4 1 2 4 存在问题分析5 1 3 课题来源及意义。5 1 4 课题研究的主要内容。6 第二章含间隙机构动力学分析方法7 2 1 含间隙刚体机构的动力学分析方法7 2 1 1 三状态模型7 2 1 2 二状态模型9 2 1 3 连续接触模型1 0 2 2 运动副元素分离的判断准则1 2 2 3 含间隙机构动力学微分方程求解方法1 3 本章小结1 4 第三章含间隙高速压力机刚性机构动态特性分析。1 5 3 1 含间隙高速压力机机构动力学统一模型。1 5 3 1 1 机构运动方程1 5 3 1 2 机构动力学方程1 6 3 1 3 碰撞分离过程的统一模型。1 7 3 2 基于虚拟样机技术的动力学方程求解1 7 3 2 1a d 舢订s 对间隙的处理1 8 3 2 2 间隙运动副碰撞参数的确定。1 9 3 3 高速压力机工作载荷特性分析2 1 3 4 高速压力机动态特性分析与讨论2 2 3 4 1 理想无间隙机构与含间隙机构的动态特性分析。2 3 3 4 2 含间隙机构在不同转速时的动态特性分析2 5 3 4 3 含间隙机构在不同间隙时的动态特性分析。2 7 3 4 4 含间隙机构在不同打击力下机构动态特性分析3 0 3 4 5 含间隙机构在不同接触刚度时的动态特性分析。3 2 3 4 6 含间隙机构在不同阻尼时的动态特性分析3 3 本章小结3 5 第四章含间隙压力机弹性连杆机构动力学分析。3 6 4 1 机构弹性动力学简介3 6 4 2 含间隙弹性机构k e d 分析3 6 4 2 1 间隙机构k e d 建模3 6 4 2 2 求解动力学微分方程3 8 东南大学硕上学位论文 4 3a d a m s 中柔性体建立和连接3 9 4 4 高速压力机机构仿真分析3 9 4 4 1 理想无间隙弹性连杆机构动态特性分析4 0 4 4 2 含间隙弹性连杆机构动态特性分析4 2 4 4 3 结论4 6 本章小结4 6 第五章压力机动态精度试验研究。4 7 5 1 试验目的和方法4 7 5 2 试验平台一4 7 5 2 1 涡流传感器原理4 7 5 2 2 测试系统的组成。4 8 5 2 3 工作力显示装置4 8 5 3 试验结果分析4 9 5 3 1 测试结果分析4 9 5 3 2 测试结果与仿真结果对比5 0 本章小结5 1 第六章结论与展望。5 2 6 1 结论5 2 6 2 展望5 2 致谢 参考文献 作者简介 i v 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论帚一早瑁化 锻压机械是指在锻压加t 中用于成形和分离的机械设备。1 8 4 2 年，英国一i ：程师史密斯创制第一 台蒸汽锤，开始了蒸汽动力锻压机械时代。1 7 9 5 年，英国的布拉默发明水压机，但直到1 9 世纪中 叶，由于人锻件的需要才应用于锻造。随着电动机的发明，1 9 世纪木出现了以电为动力的机械压力 机和空气锤，并获得迅速发展。1 9 1 0 年，美国亨利拉特公司首创的四柱下传动结构的高速压力机， 标志着高速压力机的诞生。直到1 9 5 5 年，该机仍为高速压力机的代表机型。下传动方式具有重心底、 稳定性好等优点，最初阶段- 卜传动方式一直处丁主导地位。但是下传动方式的高速压力机往复运动 部件的质量大，随着高速压力机行程次数的不断提高，由惯性力引起的振动和噪声问题越来越严重。 因此，上传动方式的高速压力机得到了充分发展，而且以闭式双点高速压力机的发展最为迅速【1 1 。 1 9 5 3 年德国舒勒公司生产出首台1 2 5 0 k n 闭式双点上传动高速压力机。接着，瑞士的布鲁德勒公司 也研制了b s t a 系列上传动高速压力机。随后世界工业发达国家纷纷研制高速压力机，美国的明斯 特公司推出的p u l s a r 系列超高速压力机以及日本会田公司引进瑞士布鲁德勒公司技术生产的 a i d a b r u d e r e r 系列b s t a 型高速压力机和p d a l 系列高速压力机也均采用了上传动方式。 2 0 世纪6 0 年代前，压力机滑块行程次数较低，一般滑块的行程次数为n 4 0 0 次_ 分钟。而6 0 年代末7 0 年代初，压力机的行程次数有所提高，行程次数大致为6 0 0 8 0 0 次：分钟。到了7 0 年代初， 瑞士布鲁德勒( b r u d e r e r ) 姗发的b s l a 4 1 型4 0 0 k n 高速压力机，转速达到1 2 0 0 次_ 分钟。1 9 7 4 年美国明斯特( m i n s t e r ) 公司推出的“蜂鸟”式h b 2 6 0 型5 5 0 k n 的闭式双点高速压力机的行程次数 达到2 0 0 0 次m i n t 引。8 0 年代中期日本能率制作所研发的小型高速压力机的行程次数3 0 0 0 次分钟。 目前，日本电产京利的m a c h 1 0 0 型高速压力机在1 0 0 k n 、8 m m 的冲程下，速度可达4 0 0 0 次分钟 p j 。高速压力机带有自动送料装置，可完成板料高效率、精密加工的机械压力机，具备自动、高速、 精密三个基本要素，得到了越来越j “泛的应用1 1 1 1 4 1 。 与普通压力机相比，高速压力机的精度更高。高速压力机的精度分为静态精度和动态精度两部 分。静态精度是由制造精度决定的，动态精度是指冲压过程中，滑块相对于工作台面在纵向、横向 和垂直方向的位移。上世纪7 0 年代以前，高速压力机主要是速度的竞争，而进入8 0 年代后，各高 速压力机生产厂家则把主要目标集中在提高压力机下死点动态精度上。例如日本三菱公司生产的h p 系列超高精密压力机，采用了可调式动平衡机构和滑块下死点位置的力检测和自动控制系统，使下 死点精度控制在5 u m 以内，在3 0 0 1 0 0 0 次m i n 范围内高速运转时，床身振幅低于5 0 u m ；德国舒 勒公司研发的s a 系列高速压力机，由于采用了反对称副滑块平衡惯性力机构，使得s a 8 0 型8 0 0 k n 高速压力机行程次数为8 0 0 次r a i n 时，竖立在工作台面上的硬币不会倾倒；日本铁工所引进瑞士 e s s a 技术制造的6 0 0 k n ，1 5 0 0 次m i n 高速精密压力机生产出尺寸误差控制在1 0 2 0 t t m 的集成电路 引线框、计算机插接件和其它精密零件i l l 。日本能率制作所根据以往高速压力机加工的经验提出在 今后高速冲压加工中，高速精密压力机具备的基本精度，如表1 1 所示。 表1 1 高速精密冲压加工所要求高速压力机的基本精度 5 1 公称力( k n ) 1 5 0 0 在公称力下机床o 30 5o 5o 7 - 0 9 的总变形( 衄) 静态精度 j i s 特级精度值1 3 以下 每次行程的下死 1 52 0+ - 3 0 5 0 点精度( t m ) 与国外相比，国内高速压力机起步较晚。1 9 8 2 年，济南铸锻机械研究所和北京低压电器厂共同 1 东南大学倾l 二学位论文 研制了我国第一台高速压力机，公称压力为6 0 0 k n ，最高转速为4 0 0 次m i n ，徐州环球锻压机械有限 公司和东南大学合作研发生产的j f 7 5 g 一1 2 5 型高速压力机，公称压力为1 2 5 0 k n ，最高公称转速为4 0 0 次分钟，正常工作转速为2 0 0 3 0 0 次m i i l 。上海第二锻压机床厂从德国豪立克罗斯 ( h a u u c k - r 0 0 s ) 公司引进了r v d 3 2 5 4 0 和r v d 6 3 8 0 两个品种的设计制造技术现已开始小量生 产，。卜夕匕点精度一般都在2 0 5 0 9 i n 之间。我国的高速压力机与国际水平相比，还存在不小的差距， 表现为生产规模小，监测和实验手段落后，生产率、动态性能、工作精度及其稳定性、振动及其隔 离等方面差距较大。 影响高速压力机精度的因素比较复杂，主要有机床各零部件的制造误差和装配误差、运动构件 间的问隙；_ t 作力引起的床身变形；温度变化引起零部件的尺寸变化和变形；机床t 作时产生的振 动、摩擦和磨损。而机床的精度首先取决于运动链中各零件的制造和装配精度，如果机械零件本身 的精度不高，则任何先进检测和控制系统也很难发挥其应有作用，机床的精度也无法保证【6 j 。另外， 压力机在高速运行时，构件在外力或惯性力作用下的弹性变形已经不容忽视，考虑传动轴的扭转变 形以及机构中细长构件的拉压、弯曲变形对压力机动态性能的影响，探讨传动链原始误差的传递规 第一章绪论 采片j 曲柄驱动的压力机运动机构如图1 - 2 。电动机输出动力经减速器传到主轴上。主轴带动双曲 柄滑块机构运动，实现滑块的上下冲乐加t 。副曲柄滑块机构的运动与之相反，主要是对工作部件 的惯性力起平衡作用。 图1 - 1 高速闭式压力机组合机身图1 - 2 压力机机构运动简图 1 底座2 一下横梁3 一立柱1 滑块2 一主连杆3 一主轴4 一主曲柄 4 一上横梁一拉杆5 一副曲柄6 一副连杆7 一副滑块8 一飞轮 除组合机身和运动机构外，压力机还有传动系统( 皮带传动) 、操纵系统( 离合器和制动器) 等 组成。对于高速压力机机构，影响产品质量的是运动机构的运行精度，对于理想机构来说，一定的 曲柄转速下，滑块的运行应该是确定的。实际机构中，为了满足活动性要求，在运动副中存有问隙 是必要的，间隙改变了构件的结构参数，必然影响机构输出运动精度和动力学性能。随着压力机速 度、精度要求日益提高，把机构视为刚体以及不考虑运动副间隙的系统分析和设计方法已经远远不 能满足生产需要，于是机构学领域中出现了机构动态误差研究新的分支“连杆机构运动弹性动力学 和带间隙机构动力学”。 1 2 2 含间隙运动副动力学建模 从上世纪7 0 年代至今，众多学者对含间隙机构动力学进行了人量的研究，形成了一些解决这类 问题的方法和步骤。代表性的成果有：g a r r e t t f f 【l h a l l 8 l 则进一步采用最大容许公差原则，使用数理统 计的方法进行分析。d h a n d e 和c h a k r a b o r t y 9 j 将公差和间隙作为连杆长度的当量长度，提出了当量连 杆的随机模型，并应用于四杆机构误差分析；m a l l i k 和d h a n d e 1 0 j 通过使用当量连杆模型对四杆机构 运动轨迹误差进行分析综合。不过这些研究中没有考虑冈模型中运动副角度变化引起的随机性。r h ” 和k w a k 儿】提出了一个改进的当量连杆模型，虽然考虑了角度输入和输出的随机性，但是没有充分分 析运动副的角度的不同性；c h o i 1 2 】【1 3 l 提出了间隙矢量模型，通过将间隙矢量代替偏心距来考虑运动 副中的润滑膜，并基于该模型，进行了四杆机构的轨迹误差分析，使用有限差分法进行偏心的灵敏 性分析；r o g e r s 和a n d r e w s | 1 4 】使用矢量网络法实现了带润滑轴承间隙的平面机构的动态模拟仿真； r a v n 1 5 】【1 6 】提出了含间隙平面多体系统的连续分析方法，并就多体系统中含间隙含油膜的轴承进行了 研究；f l o r e s 1 1 7 1 8 】等对含间隙的多体系统进行了详细分析，还对含间隙含润滑铰接的机构动力学做 了研究，提出了几个计算模型。z h i s h e n gz h a n g 和j i o n g h u aj i l l 1 9 j 运用主元分析法对冲压力信号进行自 动特征提取，依据提取的特征对冲压过程进行分类，为在线监测不同的冲压过程提供依据。 8 0 年代开始，我国冯志友、张策、李哲等开展许多研究工作，促进了这一学科在中国的发展。 孟宪举、张策等【加】利用矩阵和随机过程理论，建立了含间隙连杆机构运动精度概率模型，对含间隙 机构进行了可靠性的分析与综合；宋黎、杨坚等【2 1 1 1 2 2 】利用蒙特卡洛方法通过计算机进行模拟实验， 采用多元线性回归方法建立曲柄滑块实验机构各运动副间隙的误差传递系数回归方程，通过修正系 数，得到机构的误差传递系数回归方程；董霞和王恪典【冽用概率统计概念建立了考虑运动副间隙和 杆长误差的“随机杆”机构模型，并研究了各尺寸参数误差对位移、速度、加速度精度的敏感度。 3 东南人学硕1 ：学位论文 近年来，随着计算机技术的快速发展，更多的学者开始利用计算机仿真技术来研究含间隙运动副对 机构动态性能的影响。青岛大学杨倩、师忠秀等1 2 4 l 建立含问隙运动副的碰撞分离过程的统一模型， 利片j s i m u l i n k 仿真得出间隙对机构动力学性能的影响；东南大学王磊【2 5 j 【2 6 】等人用无质最杆代替运 动副间隙，建立含间隙运动副的连续接触模型；襄樊学院的童雷和王华杰【2 7 】考虑滑块和导轨之间的 移动副间隙，运用虚拟样机技术枷a m s 中建立了曲柄滑块机构含间隙移动副模型，并进行了动力 学仿真。 对于含间隙刚性机构的建模，从7 0 年代至今，国内外的研究成果主要以三类方法为代表 2 8 1 2 9 j ： 1 ) 用拉格朗日方程和阶段运动模型推导机构的动力学方程；2 ) 用牛顿定律和二状态运动模型推导含 间隙机构的动力学方程；3 ) 利用连续接触模犁推导机构动力学方程。我国从8 0 年代末开始了这方面 的工作，在机构动力学方程建模，低阶谐振现象和该理论的工程应用方面取得可喜的进展【6 】。张启 先、杨基厚p o i 提出通过求解人量的线性方程来确定误差的灵敏度从而研究机构的运动误差。徐卫良 m j 提出了微小位移合成法，成功地解决了空间机构和机器人机构的位置误差分析问题。刘深厚等【3 2 j 提出了环路增量法，解决了复杂平面机构和简单空间机构的运动误差分析问题。 许多文献提供了研究含间隙机构的一系列方法，但由丁间隙对运动误差的影响十分复杂，且难 以在机构的运动方程解析式中加以考虑，现有方法未能考虑结构参数误差和间隙的随机性对机构运 动误差的影响，所以尚需凭经验来确定运动副配合精度。随着高速压力机向高速度、高精度方向发 展，引入现代机构精度设计理念与手段，对高速压力机的运动机构作全面的机构精度分析和设计， 研究冲击载荷作用下含间隙机构的动态精度问题十分必要。 1 2 3 构件弹性变形动力学模型 机构弹性动力学是研究把机械构件看作是弹性体时构件真实运动和受力状态，以及为抑制弹性 动力响应而采取的措施和相应的设计方法p 3 1 。随着机械向轻量化方向发展，构件的柔度加大；随着 机械向高速化方向发展，惯性力急剧增大。在这种情况下，构件的弹性变形可能给机械的运动输出 带来误差。对于一些高精度机械，就必须计入这种弹性变形对精度的影响。机械系统柔度加大，会 导致系统i 司有频率下降；而机械运转速度的提高，也导致了激振频率上升。机械激振频率利固有频 率的这种变化，使许多机械产生较强振动的危害性增加，而振动不仅破坏机械的运动精度，还影响 构件的疲劳强度，并加剧运动副中的磨损。所以，传统把构件看成刚体的分析方法已不能满足要求， 于是出现了计入构件弹性的弹性动力学分析方法一弹性动力分析( e l a s t o d y n a m i ca n a l y s i s ) 。早 期的研究者仅把部分构件看成是柔性的，且一般只考虑构件的一种变形形式，在方程推导中也常引 入许多假设，所建立的模型与实际情况相距较远【2 8 j 。上世纪7 0 年代初，e r d m a n 等人将有限元法引 入到机构分支中来，才使这一领域的研究克服了模型过于简化的缺陷，走向了日趋成熟的发展道路。 在机构学领域，主要由于连杆机构高速化的要求，开创了机构弹性动力学，在宇航领域首先兴起了 多柔体动力学。到了上世纪8 0 年代，我国学者提出了将共轭理论、弹性力学和动力学结合起来，建 立共轭弹性动力学( c e d ，c o n j u g a t e e l a s t od y n a m i c s ) 的建议。张策在机械动力学一书中指出： 进行弹性动力分析方法的关键是动力学模型的建立，系统方程的建立和动力学响应的分析，参数影 响的分析。 目前，研究弹性动力学主要是集中在连杆机构，凸轮机构以及仅含传动比机构的机械系统这些 方向。在运用弹性动力学理论进行系统的建模时，有集中参数建模和有限元方法建模。集中参数法 是将结构的质量用离散在有限个适当点上的集中质量来置换，结构的弹性用一些不计质量的等截面 当量弹性梁来置换，结构的阻尼假设为迟滞型的结构阻尼，则整个结构就简化为一系列集中的惯性 元件、弹性元件和阻尼元件组成的动力学模型，这种模型简称集中参数模型。最终建立的模型可用 下列微分方程组表示： 【l ，f + 【c 弦+ 【k x f ( 1 1 ) 式中：眦】为结构的质量矩阵；【c 】为结构的阻尼矩阵； q 为结构的刚度矩阵；f 为结构的力向量 列阵。 4 第一章绪论 有限元建模的方法其基本思想就是将一个连续弹性体看成是由若干个基本单元在结点彼此相连 接的组合体，从而使一个无限自由度的连续体变成一个有限自由度的离散系统问题。对于动力学问 题，最终可以归结为求解如下的微分方程： 【m + ；f( 1 2 ) 式中：【m 】为系统的质量矩阵；【k 】为系统刚度矩阵；u 为待求的广义坐标列阵；f 为广义力列阵。 由以上介绍可以看出两种方法在求解振动问题时，数学模型是类似的。目前较多采用的是用有 限单元法建模的思想。 1 2 4 存在问题分析 高速压力机的运行精度是由运动副间隙和构件弹性变形等因素共同作用决定的，所以需要考虑 含间隙机构的弹性动力学问题。而目前综合考虑运动副间隙和构件弹性变形的动力学建模方法还有 待进一步探讨。 1 3 课题来源及意义 随着现代工业的发展，高速压力机的使用越米越广泛，与此同时压力机滑块行程次数提高，加 工工件向小型化、精密化方向发展，滑块的运动精度也越米越受到关注。 j f 5 g 2 0 0 b 型是徐州锻压机床厂集团有限公司与东南大学联合设计开发并投入使用的压力机， 实物如图1 3 所示。该型号压力机的主要参数如下： 型号：j f 7 5 g 2 0 0 b 公称压力：2 咖赋 公称力行程： 3 m m 行程次数：2 0 0 4 0 0r m i n 滑块行程： 3 0 m m 图1 - 3j f 7 5 g 2 0 0 b 型闭式高速压力机实物图 该压力机采用曲柄滑块机构形式，利用三维c a d 设计，经有限元受力分析、模态分析，结构比 较合理，床身强度和刚度均能满足工作要求。设计中是基于经验对机床的零部件提出制造误差和装 配误差的设计要求，而间隙对压力机动态精度影响则缺少相应的理论指导，导致压力机动态精度不 稳定以及对部件精度要求过高而增加成本等问题。本课题结合徐州锻压机床厂集团有限公司与东南 大学合作开展的“j f 5 g 2 0 0 型高速精密压力机研发”项目，对影响滑块运动精度的主要因素进行深 入分析。 5 东南人学硕十学位论文 1 4 课题研究的主要内容 本论文结合徐州锻压机床厂集团有限公司j f 7 5 g - 2 0 0 b 型高速压力机的开发项目，用理论和试验 相结合的方法，建立高速压力机的执行机构曲柄滑块机构含问隙弹性连杆模型，研究打桩t 况 下机构的动态特性。运用控制变量法对比机构在不同运行参数r 卜的动态响应，得出机构动态精度随 各参数的变化关系，依此确定合理的取值范嗣。比较计入不同囚素的机构动态性能的差别，并通过 试验验证模型的有效性。具体从以下几个方面开展研究工作： 1 ) 建立包括平衡装置1 3 4 j 的含间隙高速压力机机构模型。将所有构件视为刚性体，为简化计算只 考虑连杆和滑块之间的转动副存在间隙，采用二状态模型描述间隙，并将间隙模型嵌入到动力学建 模中建立含间隙压力机机构模型； 萄利川虚拟样机技术中的a d a m s 软件对含间隙机构进行动力学仿真，对比理想无间隙机构和 含间隙机构动态响应的差别，分析间隙对机构性能的影响；分别讨论转速、打击力、间隙量以及不 同碰撞参数对含间隙机构动态性能的影响，依此确定机构运行参数和碰撞参数合理的取值范罔； 3 ) 将机构中的连杆视为柔性体，分别对比无间隙刚性连杆和弹性连杆机构、含间隙刚性连杆和 弹性连杆机构动态响应的区别，从中得出构件弹性变形和运动副间隙对机构性能不同的影响程度； 4 ) 设计试验测试压力机在不同工况下的运行状况，与仿真结果对比以验证建立模型的正确性， 并根据计算结果与实测数据的接近程度确定最接近实际工况的机构模型。 6 第一二章含间隙机构动力学分析方法 第二章含间隙机构动力学分析方法 随着现代机械向高速化和精密化发展，间隙的影响日益受到人们的重视。为了使机构运动副元 素之间能够有相对运动，运动副中留有一定的间隙是必须的。此外机构运转过程中的磨损也会使间 隙增大。因此，间隙在机械产品中普遍存在。间隙对机构的静态运动精度会产生一定的影响，即造 成构件位置的偏差。除此之外，更值得重视的是在高速机构中间隙所带米的动力学效应。由于间隙 的存在，运动过程中副元素会发生失去接触的现象，待再次接触时会发生碰撞，引起剧烈振动。碰 撞时构件加速度、运动副反力、输入力矩的峰值可达到零间隙时的儿倍甚至几十倍。在高速、重载 机械中，间隙对系统的动力响应影响更大，引起振动和噪声，加剧轴承的磨损和失效，严重恶化机 器的动态性能，降低机器运动精度和使用寿命。因此，研究含间隙机构的动力学问题具有重要的理 论和实践意义。 2 1 含间隙刚体机构的动力学分析方法 对于含间隙机构动力学的系统研究可以追溯到上世纪7 0 年代初。在此之前，考虑运动副间隙多 限于机构运动分析( 主要是误差分析) 。国内外学者在含间隙机构建模方法