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多连杆机械式压力机动力学分析研究 摘要 随着科学技术的发展，机械行业正在向着高速、高精度、柔性自动化方向 发展。特别是近几年汽车行业的蓬勃发展，也大大地推动了锻压设备的大力发 展。机械式压力机作为锻压机械的一个类别，在工业生产中有着极其广泛的应 用。当压力机的转速不同，工作环境不同，它的受力与运动规律也会不同，这 就要求压力机的主传动机构必须为最优结构。锻压机械的动力学性能一直是设 计过程中的一个难点，也是设计人员必须要解决的一个重点。多连杆机械式压 力机的传动系统的结构比一般的压力机要复杂得多，因此对其进行动力学研究 对于设计的成功性来说就显得尤为重要。 本文将多连杆机械式压力机根据其工作原理转化成八连杆机构，再将该八 连杆机构拆分成便于分析计算的二级机构。利用解析法求出该机构的运动方程， 并采用数学计算软件m a t l a b 对方程进行求解并仿真，得到滑块的位移、速度及 加速度曲线，然后与传统的曲柄压力机滑块的位移、速度及加速度曲线进行对 比分析，得到多连杆压力机的优点；由得到的运动关系，利用达朗贝尔原理在 m a t l a b 中对最关键导柱进行力的分析，得出该导柱能够承受工作力的最小截面 面积；同时，利用三维软件p r o e 建立八连杆机构三维模型，将该模型导入到 a d a m s 中对上述导柱进行力的分析，进一步验证上述理论分析方法的正确性； 最后分析了各根杆长的尺寸误差对滑块位移精度的影响，为企业设计制造多连 杆机械式压力机提供了一定的理论依据。 关键词：机械式压力机；八连杆；动力学；a d a m s a n a l y s i so fd y n a m i c f o rm u l t i - - l i n km e c h a n i c a lp r e s s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m a c h i n e r yi n d u s t r yd e v e l o p s t oh i g h s p e e d ，h i g h p r e c i s i o n ，a n df l e x i b l ea u t o m a t i o n e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ， t h e v i g o r o u sd e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yg r e a t l yp r o m o t e t h e d e v e l o p m e n to ff o r g i n ge q u i p m e n t a sac a t e g o r yo ff o r g i n gm a c h i n e r y ，m e c h a n i c a l p r e s si sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h es t r e s sa n dm o v e m e n ts t a t eo f t h e m e c h a n i c a lp r e s sw i l lc h a n g ea st h es p e e da n dw o r k i n ge n v i r o n m e n tc h a n g e ，s oi t r e q u i r e st h a tt h et r a n s m i s s i o ns y s t e ms t r u c t u r eo f t h i sp r e s sm u s tb eo p t i m a l i nt h e d e s i g np r o c e s s ， f o r g i n gm a c h i n e r yd y n a m i c sp e r f o r m a n c e i s a l w a y s a d i f f i c u l t y ，a n di tm u s tb eo v e r c o m e t h e t r a n s m i s s i o ns y s t e ms t r u c t u r eo fm u l t i l i n k m e c h a n i c a lp r e s si sm o r ec o m p l e xt h a ng e n e r a lm e c h a n i c a lp r e s s ，s ot h ed y n a m i c s r e s e a r c hf o rt h em u l t i 1 i n km e c h a n i c a lp r e s si sp a r t i c u l a ri m p o r t a n t m e c h a n i c a lp r e s si ss i m p l i f i e di n t oe i g h t - l i n km e c h a n i s ma c c o r d i n g t ot h e p r i n c i p i eo f w o r ko fm e c h a n i c a lp r e s si nt h i sp a p e r ，t h e nt h ee i g h t l i n km e c h a n i s m i ss p l i ti n t ot w o 1 e v e lm e c h a n i s mt of a c i l i t a t et h ec a l c u l a t i o n t h ee q u a t i o n so f m o t i o ni ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e dw i t ha n a l y t i c a lm e t h o d ，a n dt h ed i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc u r v eo f t h es l i d e ra r eg o tb ys o l v i n gt h e s ee q u a t i o n si n m a t l a b t h ea d v a n t a g e so fm u l t i l i n kp r e s sc a nb eg a i n e da c c o r d i n gt oc o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a lp r e s s u n d e rt h ea b o v em o v e m e n tr e l a t i o n s h i p ，t h ea n a l y s i so f f o r c eo ft h em o s tc r i t i c a lg u i d ep i ni sc a r r i e do ni nm a t l a bb a s e do nd a l e m b e r t p r i n c i p l e ，t h e nt h em i n i m u ms e c t i o na r e ao f t h eg u i d ep i nw h i c hi sa b l et ob e a rt h e w o r kf b r c ei so b t a i n e d ；t h em o d e lo ft h ep r e s si sb u i l ti np r o e ，t h e nt h i sm o d ei s i m p o r t e di n t oa d a m st om a k ef o r c ea n a l y s i so f t h eg u i d ep i nt od e e p l yv e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d ；a tl a s t ，t h ed i s p l a c e m e n t a c c u r a c yc a u s e db yt h ee r r o ro fe i g h t 1 i n ks i z ei sa n a l y z e d t h i sr e s u l tc a n a f f o r d t h e o r e t i cb a s i sf o rt h ep r o d u c t i o no fm e c h a n i c a lp r e s s k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lp r e s s ；m u l t i - l i n k ；d y n a m i ca n a l y s i s ；a d a m s 致谢 光阴荏苒，硕士研究生的学习也快结束了，在c i m s 所里的三年，我学习了很多 东西，我的科研水平和工作能力得到了快速增长，至一切都得益于我的导师夏链副教 授对我的指导和关怀，在这三年里，夏老师给于我极大的鼓励。本论文是在夏链副教 授和韩江教授的悉心指导下完成的，在我近三年的硕士阶段，夏老师和韩老师在学习 和生活上给与的关怀与帮助，我将永远铭记在心! 衷心感谢c i m s 研究所的翟华老师、何高清老师、余道洋老师和丁志老师等，感 谢他们对我的关心和帮助； 衷心感谢实验室的各位已毕业师兄师姐，特别是肖传清师兄在我遇到不懂问题时 的耐心指导，在学习过程中帮助和指引； 衷心感谢我的同学李雪冬、胡春阳、黄迪淼、牛风山、张魁榜、陈静、昂金风和 杨清艳等给予我的帮助，我们在生活上情同手足，在学习上互相帮助，共同营造了良 好的实验室气氛。 衷心感谢我的师弟和师妹们给予我的帮助，特别是吴斌同学，在和你的讨论中让 我受益匪浅； 衷心感谢合肥锻压集团王玉山总工程师、张兰军经理和何亮学长在做项目期问给 予了大力支持，在此表示感谢! 感谢我的父母，感谢他们在我求学期间给予的精神和物质上的深切关怀和大力支 持，他们多年来的关心、鼓励和无私的爱，始终是我克服困难和不断前进的强大动力， 感谢你们! 衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对论文进行评阅和审议的专家学者们! 再次感谢所以曾经给予我帮助的人，谢谢你们! 作者：张进 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图2 1 曲柄滑块运动机构8 图2 2 闭式压力机9 图2 3 开式压力机9 图2 4 六连杆机构压力机简图1 1 图2 5 八连杆机构压力机简图1 2 图2 - 6 十连杆机构压力机简图1 2 图2 7 闭式双动拉伸型压力机1 3 图2 8 八连杆机械式压力机的传动部分原理图1 4 图2 - 9 八连杆机构的结构简图1 4 图2 1 0 铰链四杆机构1 4 图2 11 第一模块1 6 图2 1 2 第二模块1 6 图2 13 第三模块17 图2 1 4 曲柄机构压力机原理图1 8 图2 1 5m a t l a b 工作界面图1 9 图2 1 6 八连杆机构滑块位移图2 0 图2 1 7 曲柄滑块位移曲线图2 0 图2 18 八连杆机构滑块速度曲线图2 0 图2 1 9 曲柄滑块速度曲线图2 0 图2 2 0 八连杆机构加速度曲线图2 0 图2 2 1 曲柄滑块加速度曲线图2 0 图3 1 一般机械系统的组成2 3 图3 2 传动系统2 3 图3 3 导向机构一2 4 图3 4 执行机构一2 4 图3 5 机械系统动力学建模与求解流程图2 5 图3 - 6 构件惯性力与惯性力矩2 7 图3 7 平面四杆机构一2 8 图3 8 构件i 受力分析一2 8 图3 - 9 分析流程图3 0 图3 1 0 受力分析图3 1 图3 。11 导柱受力曲线图3 2 图3 1 2a d a m s 动力学分析流程3 3 图3 1 3 机构导入a d a m s 中的三维模型3 3 图3 1 4 导柱在a d a m s 中受力曲线图3 4 图3 1 5 下拉杆5 在a d a m s 中受力曲线图3 4 图3 1 6 摇杆3 、4 在a d a m s 中受力曲线图3 4 图4 一l 平面八杆机构3 8 图4 2 八连杆机构动力学模型3 9 图4 3 滑块位移、速度、加速度曲线图4 0 图4 4 各杆误差分析图一4 1 图4 5 机械系统运转的三个阶段4 2 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 机械行业是国民产业中极其重要的基础行业，是实现现代化的支柱行业， 是技术、资源、资金、能源密集性企业，在我国的国民经济发展中占有极其重 要的地位。随着现代科学技术的快速发展，机械行业正从以机器为特征的传统 技术时代向着高速化、高精化和柔性化的信息时代发展，即利用当代高科技信 息来装备传统的机械行业【2 】。近些年来，全球经济和市场的一体化的发展，使 制造商之间的竞争日益剧增，对市场反应能力的要求日益提高，因此生产加工 业对信息化、柔性化技术及装备的要求愈来愈迫切和强烈。众所周知，采用现 代锻压工艺生产工件具有效率高、质量好和成本低的优势，因此，许多先进工 业的国家越来越多使用锻压工艺代替切削工艺和其他工艺。在工业生产中，锻 压工业所占的比重越来越重，锻压机床的生产比例也愈来愈大。 大型机械式压力机作为当今工业领域重要的不可或缺的生产装备，在机械、 冶金、电子、家电、化工、汽车和航空等行业有着极其普遍的应用。其中汽车 工业被视为衡量一个国家工业水平的重要标志之一，当今世界上的发达国家与 新兴工业国家更将汽车业列为国民经济支柱产业【3j 。汽车业的发展主导着锻压 机械的发展，近年来随着市场的激烈竞争，使得汽车业的更新换代速度日益加 快，汽车产品的市场寿命周期明显的缩短1 4 】；与此同时，为了满足当代社会的 需求，汽车的品种日益增加，现代汽车业向着多品种化、个性化和小批量化的 方向发展【5 】。锻压机械是汽车业的最重要的生产装备，汽车上约超过六成的零 件是通过压力机生产出来的，汽车业的发展必然大大的推动了锻压设备的发展， 传统的单一的加工刚性生产线已经不适应现代技术和市场特征的需求，锻压设 备必定向着高柔性和高自动化的趋势发展着【6 j 。 随着我国经济的迅猛发展，不仅汽车业对锻压设备的需求量加大1 7j ，家电 产业、计算机产业、化工产业、仪表仪器产业和建筑产业等对锻压设备的需要 也日益加大，所以显而易见在我国的工业制造行业发展中，锻压设备占有不可 忽视的地位。国内外传统锻压机械大都是曲柄压力机，它是由电机带动曲柄， 使曲柄按照设计进行有规律的转动，然后由曲柄带动连杆从而驱动连杆上的滑 块对生产坯料进行锻压加工，得到所需要的工件【8j 。锻压机械的生产和使用， 是一个先进发达国家工业发展的趋势。随着经济一体化的发展，我国已经成为 了许多大型跨国锻压机床公司的重要生产基地。锻压机械有着广阔的市场天地， 但由于我国在研究和生产方面的水平远远落后于先进国家p j ，我国的锻压机床 一直处于低价位和低档次，主要表现在，机床生产的质量不高，机床的精度不 高，机床的种类不全，与国外先进发达国家的机床相比，我国的机床处于刚起 步阶段，高、精、尖端产品基本被国外垄断。据调查统治表明，目前国内有能 力生产销售超5 0 0 万元的企业约在2 0 0 家左右，大都是中小企业，且大都分布 在江苏、安徽、山东和上海地区。据统计，生产机械式压力机的公司比例约为 4 0 以上，生产液压机的公司比例约为15 ，生产弯曲、剪切、校正机的比例 约为3 0 ，生产其他种类的锻压机的约为15 左右。按生产产品的质量计，高、 中、低档锻压机的构成比约为1 ：1 9 ：8 0 ，按此数据看，我国生产的锻压机床 明显成金字塔分布，即抵挡产品占到8 0 ，中档产品占到1 9 ，高档产品仅仅 占到1 左右。国外发达国家生产锻压机床的高、中、低档的构成比例约为1 0 ： 6 5 ：2 5 ，呈橄榄球状分布。由此对比，我国设计生产锻压机床的水平远远落 后于发达国家，因此，我们要加大资金投入，加快技术改造、加强人才培养， 设计、开发、制造出高精度、高质量和高可靠性的锻压机床，提高我国生产锻 压设备的竞争力，实现我国机械行业飞速发展，在竞争日趋激烈的市场中占的 主动地位10 1 。 近年来，由于对锻压工件的质量要求越来越高，传统的四杆传动机构一曲 柄连杆压力机，在运行的过程中，加速度不恒定，从而造成速度不平稳且较大， 在冲压成型中易使工件撕裂或者起皱，造成的废品较多。因此研究多连杆压力 机，以提高锻压机床的速度、精度、强度和刚度，是压力机的发展趋势所在。 故对多连杆压力机的动力学分析具有重要的现实意义j 。 1 2 压力机的发展概况和趋势 现代工业中，锻压机床作为基础装备的重要组成部分之一，在汽车产业、 家电产业、航空航天和冶金化工产业中得到了广泛的应用。特别近几年来，国 内汽车业的崛起，大大的推动了锻压设备的发展。国产大型的高精成套设备、 自动化生产线、柔性生产线以及带有高附加值的冲压设备正装备着我国的制造 业，为将我国从制造大国发展成制造强国打下坚实的基础 1 2 1 。现代的锻压技术 主要向着锻压设备自动化、高复合高速化相结合、锻压控制功能集成化、锻压 制造环保化及锻压生产柔性化这几个方面发展。 1 2 1 国外压力机的发展现状及应用 日本、美国等发达国家的汽车产业远远领先于其他国家，在世界的汽车工 业中占据着霸主地位，这很大程度上是由于他们拥有全球领先的锻压装备技术。 锻压生产已经有了很长的一段历史了，但锻压机械运用于实际生产中的历史并 不长。19 世纪8 0 年代，第一台简易的平锻机和蒸汽锤才出现在工业生产中， 知道1 9 世纪末，大规模的曲柄压力机和液压锻造机才得到发展和使用，2 0 世 纪初期，由于汽车工业的蓬勃发展【l 引，与其密切相连多连杆压力机及其他冲压 设备也得到了快速发展。19 0 0 年德国的舒勒( s c h u l e r ) 压力机公司发明生产出 世界第一台自动化压力机，随着科学的发展，技术的革新，压力机的品种越来 越多，质量越来越好，压力越来越大，精度也越来越高。 当今发达国家锻压机床基本已经实现了自动化，在冷冲压上，根据加工的 条件和环境，国外基本形成了两大类冲压自动化生产线，一类是单机联系自动 化。其主要工作特点是：在一条加工线上，装有多台加工机器，同时配有自动 化的机械手对坯料进行传递和下料，此类加工线能够很好的保证一线操作工人 的安全和生产加工工件的质量【1 4 】。第二类是大型多工位压力机，其最大的优点 是生产效率高，是上面提到的将单个机械联系起来的自动化生产线的2 倍左右。 2 0 1 0 年4 月，在江苏省南京市举办的第六届中国数控机床展览会，日本的 山田冲床( y a m a d a b o b y ) 和瑞士的博瑞达机械有限公司( b r u d e r e r ) 等 公司都展出了他们最新研究投入生产的产品，无论是机床的精度还是性能都达 到了极高的水平。如由日本的k y o r i 公司设计制造的超高速精密压力机m a c h 系列，其最高行程次数能够达到4 0 0 0 s p m ；瑞士的博瑞达公司( b r u d e r e r ) 生产的2 5 t 压力机，行程次数也能达到1 5 0 0 s p m ，压力机的下死点位置精度能 够控制达到0 0 1 m m 左右：日本的小松和会田公司也分别展出了他们最新开发 和研究的以交流伺服电机为驱动的1 5 0 0 k n 的曲柄压力机5 。，该种型号的压力 机装备了滑块位移传感器，可以实时的监控锻压机的滑块的工作情况，从而实 现了压力机的闭环控制。随着各个国家对压力机的研究和开发投入更多的经费 与重视，越来越多的高精度、多工位和高质量的压力机装备着传统的制造业。 目前世界上能够生产出一流压力机的主要国家都是传统的制造强国，其中 以日本、美国和德国为主。日本设计生产压力机公司主要有小松公司、日立造 船公司和会田压力机工程公司【l6 1 ，其中设计和研发能力最强的是小松公司。美 国主要的威尔森( v e r s o n ) 、克利林( c l e a r i n g ) 和丹利( d a n l y ) 三家生产制 造压力机的公司。德国主要有克利林( c l e a r i n g ) 和丹利( d a n l y ) 公司两家公 司，设计开发和制造能力都已达到一流的水平。综合各方面对比起来，日本的 压力机设计与生产能力是世界上最强的。世界上已经能够设计生产出最大压下 能力为6 0 0 0 0 k n 的单动压力机、最大压下能力为3 2 0 0 0 k n 的双刀压力机以及 最大压下能力为8 5 0 0 0 k n 的多工位压力机j 。 1 2 2 国内压力机的发展现状及应用 我国设计生产大型压力机的厂商主要有济南第二机床厂、齐齐哈尔第二机 床厂、上海锻压机床厂和中国第一重型机械集团公司。我国的锻压机床发展主 要有以下几个重要时期。八十年代以前，我国的锻压机床主要是靠进口前苏联 和东欧国家五十年代生产的锻压机械，然后进行对其仿制，在一定的条件下进 行适当的设计和改进，但在总体上那时我国的锻压机床与国外的相比，其机构 和性能都相当的落后，特别是在电气、液压、气动和润滑等基础元件和关键零 部件上落后更多。在二十年代，济南第二机床厂全面引进美国威尔森锻压机床 的开发与制造技术，而到了上个世纪末，在吸收消化w i l s o n 公司的设计和生产 技术的基础上，成功的生产出了一百多台大型的机械压力机，成为国内设计生 产锻压机床的领头企业。八十年代中后期，国内很多大型企业寻求和国外公司 进行合作，如中国一重机集团、济二集团、合肥锻压集团和太原重工机器厂 等引进日本小松公司压力机和开卷落料线的设计制造技术，此类型的压力机在 机械空间、液压气动路线和电气控制上都有预留的接i s l ，为将来的半自动化和 全自动化生产做了准备。至今，根据此技术，已经生产了一百多台大型的压力 机。 现代企业对技术越来越重视，投入的研究资金也越来越多，济南第二机床 厂和美国通用公司通过合作的方式，首次生产制造出第一台具有高水平、高性 能的自动化生产线，并首次成功的将生产线推向了国内市场，成为了美国汽车 巨头通用公司长期的合作伙伴，为其生产提供了包括本土在内的中国、泰国、 英国和加拿大七条高水平、高智能化的冲压生产线，成为中国第一个打入其他 国家锻压设备市场的公司，并成为了中国其他制造公司走向世界的标兵企业。 随着汽车工业的发展，国内也涌现出了一批新的具有很强市场竞争力的锻压机 械生产厂商，合肥锻压集团经过不断的加强科技投入，已经发展成为能够设计、 制造达到国内先进水平的多种类机械式压力机和液压机的锻压设备设计制造公 司。 随着我国制造业的不断发展，我国已经能生产出最大下压能力为5 0 0 0 0 k n 的单动压力机和最大下压能力为2 0 0 0 0 k n 的双动压力机以及最大下压能力为 2 0 0 0 0 k n 的多连杆单动压力机。我国这些自主设计研发的大型冲压设备，为我 国汽车业的蓬勃发展奠定了一定的基础。但我国锻压设备的总体水平还很低， 依旧停留在发达国家8 0 年代后期的水平。由于我国对汽车行业需求越来越大， 汽车工业正迎来一个大力发展的契机i l9 1 ，这也必定能推动我国压力机制造业的 技术进步，而压力机制造业的发展必将为汽车工业提高更多、更先进的大、重 型压力机，在这样的良性的持续发展下，我国的锻压设备生产水平将逐步追赶 上发达国家的脚步，为使我国成为一个制造强国打下坚实的基础。 1 3 机械系统动力学研究现状及发展 在上个世纪6 0 年代开始，制造业的设计人员就开始分析与研究机械系统动 力学，其研究的两个核心问题是对机构的建模与求解。在研究的早期，8 0 年代 前，机械系统动力学研究的重点问题是模型的自动建立问题；到了8 0 年代中期， 机械系统动力学已经发展的比较成熟，因此它的研究重点逐渐的变为如何找到 快速且有效的求解数值方法；在8 0 年代后期，随着制造业的不断发展，机械系 统动力学的研究对象从刚体构件转移到柔性构件及刚柔混合系统上，无论是刚 性构件或者是柔性构件，机械系统的动力学研究是当今机械行业一个重要的研 究方向。 4 在当今制造业中，机械系统动力学的研究应用范围相当广泛，主要研究的 对象是多体系统，多体系统由多刚体系统、多柔性系统及刚柔混合系统组成。 现阶段机械系统动力学研究重点是多体系统的建模理论和多体系统动力学数值 求解两个方面。目前有两种比较成熟的两种建模方法：拉格朗日方法和笛卡尔 方法，与之相对应的也有两种不同的数值求解方法。由拉格朗日法建立的方程， 一般利用符号和数值相结合或者全数值的方法对动力学方程进行求解，此类方 法目前应用的较多且比较成熟；而由笛卡尔法建立的动力学方程，一般采用的 是微分一代数方程组积分法，此方法是目前求解动力学方程领域的热点。 机械动力学分析随着计算机技术的发展也在不断的发展与成熟，出现了以 a n s y s 、a d a m s 等为代表的动力学分析软件，在静力学分析、运动学分析及 动力学分析上，计算机技术得到了充分应用。利用计算机技术，我们可以在动 力学虚拟软件中建立机械系统的动力学模型，并对模型进行分析与处理，找到 最优的数值计算方法对动力学方程进行求解，得到运动学与动力学的分析结果， 在软件中，可以对分析结果进行后处理，可以将处理结果以图表、动画或者其 他方式呈现出来。 1 4 课题的来源及研究的主要内容 本论文研究课题来自于合肥锻压集团与合肥工业大学现代集成制造与装备 ( c i m s ) 研究所共同承担的安徽省“十一五”重大科技攻关项目“多连杆机械压 力机的设计与研究”。 文章将机械式压力机根据其工作原理转化成八连杆机构，再将该八连杆机 构拆分成便于分析计算的二级机构，利用解析法求出该机构的运动关系；由得 到的运动关系，利用达朗贝尔原理在m a t l a b 中对关键导柱进行力的分析，得出 该导柱能够承受工作力的最小截面面积；同时，由于多连杆机械压力机的模型 比较复杂，所以利用三维软件，对多连杆的主传动机构进行建模，然后将模型 导入动力学分析软件a d a m s 中，对虚拟模型进行动力学仿真，得到主传动机构 关键杆上的受力分析，从而得到各杆承受工作力的最小截面面积；最后分析了 各根杆长的尺寸误差对滑块位移精度的影响，具体的工作如下所示： 1 将多连杆拆分成便于分析的二级机构，利用解析法分别建立运动学方程 组，使用数学计算软件m a t l a b 对运动学方程求解，从而得到滑块的位移曲线、 速度曲线及加速度曲线。 2 利用达朗贝尔原理，对八连杆机构上关键杆导柱进行动力学分析，建立 动态静力学方程组，利用数学计算软件m m l a b 进行求解，得到导柱上的受力曲 线，由此得到该导柱能够承受工作力的最小截面面积。 3 利用三维软件p r o e ，对多连杆的主传动机构进行建模，然后将模型导 入动力学仿真软件a d a m s 中，对虚拟模型进行动力学仿真，得到主传动机构关 键杆上的受力分析，将所得结果与在m a t l a b 中计算出的结果进行对比分析，来 验证分析计算方法的正确性。 4 利用动力学仿真软件a d a m s 建立与实际传动机构相似的运动学模型， 改变杆长，多次模拟仿真，在大量的数据中找到规律，最终得到比较可靠的滑 块位移误差与杆长误差的曲线图。 1 5 本章小结 本章详细的介绍了本课题的研究背景及研究意义，综述了锻压机床在国外 和国内的应用现状及未来的发展方向，介绍了机械系统动力学研究的发展及现 阶段研究的，介绍了本论文的课题来源，并由此阐述了作者工作的主要内容， 解决的方法和步骤。 6 第二章主传动机构运动学分析研究 2 1 压力机的介绍 压力机是一种结构简单、运转灵巧的机械，它的工作原理是通过对坯件进 行一定压力的冲压，使坯件产生预设的变形或断裂，得到特定的形状使其成为 所需的零件，工艺比较简单且生产效率很高，因此在工业生产中，它的运用相 当广泛，如冲裁下料，冲孔，拉伸成型等。按主运动的传动方式，一般可以将 压力机分为两大类：液压压力机和机械式压力机 ( 1 )液压压力机是通过液压泵产生的带压力的液体通过控制回路液压执 行件来传递动力，液体介予有水，乳化液，液压油等。特点是工作压力大，运 行平稳，工作行程可以自由控制，调节范围大，工作空间较大，工作效率适中， 可以完成机械压力机绝大部分的工作，适用面广。液压压力机配置较为复杂， 稍微大一点压力机一般都配有独立的泵站，控制部分和回路较为复杂，造价相 对较高，本文主要研究的对象是机械式压力机，所以液压机就简单的介绍下， 下面着重介绍机械式压力。 ( 2 )机械压力机的特点主要有：运行快，效率高，造价低，控制部分较 为简单，易维护保养；为了能够增加压力机的传递效率，一般都为机械式压力 机配有特定的飞轮，因此机械压力机在工作时易产生较大的噪声并伴有一定的 振动。 机械压机力机分为两类：曲臂式机械式压力机( 俗称冲床) 和螺杆式机械 式压力机( 亦可称为摩擦压力机) 。下面简单的介绍下这两类不同的机械式压力 机。 1 )曲臂式压力机一般是由电机带动曲柄转动，由连杆将曲柄上的力传递 到坯料上，从而使坯料成型得到所需的工件。它的优点是传动机构灵巧、工艺 简单且有着较高的生产效率；其缺点是一旦固定安装，则不容易轻易地调整压 力机的工作行程。一般用来冲裁下料，冲孔，拉伸成型等。 2 )摩擦压力机一般是靠储存在摩擦轮中的力带动螺杆来传递工作力。它 的有优点是能够传动很大的力，在工作时压力机的整个系统比较平稳且它的工 作行程可以根据需求进行适当的调整；其缺点是它对操作者的要求比较高。一 般用来材料的矫正；简单的成型；压铸行腔成型等。 机械压力机作为当今锻压设备应用最普遍的机床，大部分的冲压件都是在 机械式压力机上完成的。随着压力机多年的发展，机械式压力机已经发展成为 一个种类多样化的机床，其广泛的用于对材料进行压力加工，通过对坯件进行 一定压力的冲压，使坯件产生预设的变形或断裂，得到特定的形状使其成为所 需的零件。机械式压力机工作平稳、精度较高、容易操作和形成规模化生产， 是自动化生产线上重要的装备。机械式压力机广泛的应用于汽车生产线和船舶 7 生产线以及一些大型工业机械的生产线上。 2 1 1 机械压力机的工作原理 如图2 1 所示，机械式压力机工作时，由电机通过三角皮带带动飞轮( 亦 被称为皮带轮) ，由啮合的齿轮带动曲柄滑块机构，使滑块与上冲压模以一定规 则的速度( 一般速度较低) 直线向下冲压，使上下模具合模，这样完成了使坯 料成型，随后滑块与上模具急速回程上升，离合器自动脱开，滑块留在上死点 位置，这样就完成了一个完整的冲压过程。 i 上止点 下止点 图2 1 曲柄滑块运动机构 行业中，称每个曲柄滑块机构为单独的“点”，即一个曲柄滑块机构为一个 “点”，一般最简单的机械式压力机只有一个主传动机构，这种被称为单点式压 力机。一般的有大工作面的大型机械式压力机都是采用的是双点式或者四点式， 主要目的是为了保证压力机在工作时能够提供比较均匀的冲压力，有利于提高 工件的合格率。 机械式压力机的工作力是具有波动性的且波动的范围很大，在模具接触到 坯料时，这时整个机械系统承受的载荷是机械空载运动时的几倍甚至十几倍， 因此机械式压力机一般都配有专门的飞轮。当机械刚启动时，电机带到飞轮转 动至设计好的转速，为整个机械系统储存能量。当滑块带动上冲压模具接触坯 料时，电机的额定功率达不到载荷功率，这时飞轮速度减慢，为机械传动提供 能量，完成冲压过程，然后当滑块在急回的过程中，电机再次带动飞轮转至额 定的速度，存储能量，准备进行再一次的冲压。 在锻压生产中，为了保证工人的安全，一般会在压力机上装有双手操作式 或者近些年来用的比较多的光电式人身安全保护装置；为了能够保证机器正常 寿命，最常见的措施是给机器配置过载保护装置。 2 1 2 机械压力机的机构类型 随着机械压力机的不断发展，机械压力机也越来越多样化。 按照机床结构型式来分：机械式压力机分为闭式和开式两大类。具体的介 绍如下： ( 1 ) 闭式压力机。如下图2 2 所示：它的机身一般呈框架型，机身前后没 有封闭，它的精度高，刚度也比较好，一般它的工作台面的尺寸较大，因此特 别适合加工压制一些大型的零件。它的工作力较大，最高能够达到6 0 0 0 0 k n 。 图2 2 闭式压力机 ( 2 )开式压力机( 亦称为冲床) ，是当今最普遍的一种压力机。如下图 2 3 所示：开式压力机多为立式，它的机身一般前、左、右三面都没有闭合， 呈c 型，它的结构比较灵巧，易于操作，它还有个特点是它的机身可以相对的 倾斜一个角度，便于冲压完成后的小料。但开式压力机也有显著的缺点，它的 刚度不好、精度较低，所以它一般应用于中小型的压力机，它的工作力一般在 4 0 k n 4 0 0 0 k n 这个范围。 图2 - 3 开式压力机 机械压力机按照应用特点分一般分为：冷挤压式机械压力机、热膜锻式机 械压力机、双动拉伸式机械压力机、多工位自动式机械压力机和回转头机械式 压力机。下面是详细的介绍了他们的工作特点。 冷挤压机：冷挤压机通常是是立式的，具有较好的精度及较高的刚度，它 的挤压面通常较小且工作行程一般都较长，因此一般都用它来生产一些小金属 工件，如牙膏管和子弹壳。 热膜锻压机：它一般用来模锻件的生产，在八十年代期，它的传动机构一 般都是曲柄滑块机构，它的导向面长，能承受较大的偏载，为了提高它的刚度， 现在的热膜锻压机一般选用楔式和双滑块式。楔式结构的压力机支承面积大， 能承受较大的工作压力，( 最大工作压力能达到1 6 0 兆牛) ，比较明显的缺点是 它的传动效率比较低。模锻压力机工作时，它的滑块容易在下死点位置卡死( 俗 称闷车) ，为了能更好的便于脱模，一般的热膜压力机都设有脱出装置。 双动拉深压力机：它具有双滑块的压力机，特别适合于形状复杂的大型薄 板或者薄桶形状的拉深成型。压力机工作时，它的内滑块主要用来带动凸模， 传递工作压力，外模主要压紧工件边缘，防止边缘起皱。 多工位自动压力机：就是在单个压力机上具有多个工位，且对每个工位都 配有相配套的模具，可以使一次冲压，完成多个成型工艺。 回转头压力机：在压力机上配有多套模具的回转头，根据需求可选择模具。 回转头压力机一般采用高精度的滚珠丝杠和滚动导轨，使其具有较高的运动精 度和可靠性。它的生产率高，与普通冲孔相比，可提高生产率4 1 0 倍，尤其对 单件、小批量生产可提高生产率2 0 3 0 倍。回转头压力机可以配上自动化信息 系统，可以利用编程来操作机床，这样就使一线的操作更加的简单与方便。 2 2 多连杆机械式压力机 曲柄滑块机构在锻压的历史上占有了相当长的主流地位，直到现在，很多 厂家依然生产以四杆作为传动机构的压力机。人们长期使用这类压力机，逐渐 的发现，此类压力机在工作时，它的速度和加速度较大，冲压时的速度大且不 平稳，常使拉深成型的工件裂缝或者变形，造成较高的报废率。以四杆传动机 构的压力机在工作时，在上下模合模时，它的瞬间冲击载荷较大，容易造成模 具和工件的损坏，且压力机在这种长期的工作环境下，对它的关键零部件也有 很大的损坏，造成了较高的机器折旧成本，降低了机器的使用寿命。而且曲柄 压力机的工作行程比较短，一般只能对坯料做浅拉伸工艺，满足不了现代锻压 产品的需求。近年来，汽车业的蓬勃发展，对薄板成型、冲压和深拉深的要求 大大提升了，传统的四杆传动机构已经远远的不能满足现代锻压的需求了，为 了适应现代工业的需求，设计人员对机械压力机进行不断的改进，在上世纪米， 终于设计与生产出多连杆压力机。在上世纪2 0 年代，就出现了以多连杆机构作 1 0 为传动机构的压力机，第一次出现在文献中，多连杆机构作为传动机构的这种 技术被称为“专利快返压力机”驱动技术。多连杆机械式压力机的传动机构按照 杆的根数主要分有六连杆传动机构、八连杆传动机构和十连杆传动机构。下面 比较详细的介绍这三种常见的多连杆机构的特点和用途1 2 。 ( 1 ) 六连杆机构机械式压力机 六连杆机械式压力机俗称为肘杆压力机，根据其工作原理可以将其简化成 六连杆机构如下图2 4 所示，以六杆机构做为主传动机构的压力机的主要工作 特点是：1 六连杆机构的滑块在下滑点附近有更好的运动特性，如速度较低， 比较平缓，这样能更好的满足板料最大拉伸速度的限制要求；2 六连杆机构的 滑块在向下冲压时的速度比较低，而在冲压后的回程的速度比向下冲压时的速 度要大的多，具有慢进急回的特性；3 六连杆机构的压力机具有更强的动力特 性，它的这一特性大大的降低了对伺服电机的要求，从而一定的条件下集约了 成本。六杆机构的压力机的这些特点决定了它可以用于较厚板料冲压加工。六 连杆机构具有比较强的刚性，因此可以用于一般需要较大冲压力的中厚型材料， 如重型卡车大梁的冲孔、落料等。 图2 4 六连杆机构压力机简图 ( 2 ) 八连杆机构机械压力机 根据八连杆机械式压力机的工作原理可以将其简化为八连杆机构如下图 2 5 所示，八连杆机械式压力机的主要工作特点有：1 它的工作行程较长且在行 程中基本都是满载荷，因此特别适合比较细长零件的加工；2 滑块带动的模具 工作时所受到的冲击力比较小且平缓；3 它的传动系统结构比较复杂，在对杆 件进行加工和装配时的精度要求很高：4 它的设计制造周期一般都很长，这就 造成了加工制造成本较高。以八连杆机构为主传动机构的机械式压力机特别适 用于细长零件的加工和工件的一次成型，多用于中厚板的成型件的小批量生产， 如轻型卡车、轿车和面包车的车顶和车门等等。 图2 5 八连杆机构压力机简图 ( 3 ) 十连杆机构机械式压力机 闭式双动机械压力机外滑块主传动机构通常选用的是十连杆机构，根据其 工作原理可以简化为下图2 - 6 所示，十连杆机构机械式压力机的主要特点是， 能保证滑块在冲压工作时，外滑块对坯料进行固定压边从而能保证内滑块进行 平稳的冲压，这样的工艺性能就能保证拉深体不起皱、不断裂，从而保证了工 件的合格率。 图2 - 6 十连杆机构压力机简图 上面介绍了三种不同机构的机械式压力机，根据对比分析，本论文采用的 是以八连杆机构为主传动机构的机械式压力机，其最常见的如下图2 7 所示： 闭式双动拉伸型压力机。 图2 7 | = j j 式双动拉伸型压力机 压力机的滑块部有两部分，分别为内滑块和外滑块，两部分滑块都是山导 柱进行方向导向的，且在导柱上还配有导套，这样更能滑块运动的精度；内、 外滑块导向均为4 5 导轨，可左右或者6 仃后两个方向调整，侧面向力小、精度 高、导轨镶有非金属耐磨材料，经久耐用；闭式型压力机一个最主要的优点是 它的主传动系统封闭在主横粱的内部，这样设计的主要目的是为了尽景减少压 力机在 ：作时受到外界环境对其的影响。此类型的压力机的 三传动采j j 的是能 够传递很大力矩的人字拖齿，且在- ：作时它的传递比较平稳及噪音很小；一般 在啮合的齿轮组里添加润滑油，一是为了对机器加强保养以提高其使用寿命， 二是起润滑作用，使机器的运转更加平稳。此类型的压力机的有直流f n 机和交 流电机双重驱动系统，可以满足企业的多种需求：此类型的压力机上配有先进 的信息自动化系统，配有多套不f 可的模具，可以根据小同的需求对机械进行编 程，为加工生产选择配套的模具；可以通过程序编程，自动完成压力机参数的 设计，适应现代工业的发展。此类型的压力机多用于大型金属薄板零件和薄板 覆盖件的下料、冲孔、深度拉伸、校f 、成型等冷冲压工艺。闭式双动压力机 广泛的应用于汽车、卡车、航天等。些重要的机械行业，尤其是在汽车业上的 应 j ，极其广泛 2 2 1 。 2 3 八连杆机械式压力机的传动机构运动学分析 本文所分析设计的压力机为以八连杆机构作为主传动机构的多连杆机械式 压力机，它的主传