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硕1 ：论文 高速冲下死点精度的保障技术研究 摘要 m l l l i l | | l l l | l l i i l y 2 0 6 12 6 1 随着冲床向高速度、高精度方向的发展，产生的振动愈加严重，间隙的存在也使 机构的实际运动与理想运动产生误差，由此带来的冲床下死点精度问题成为工程中急 需解决的关键问题之一。工作机构作为高速冲床的重要组成部分，其运动特性和精度 直接决定了滑块的下死点精度。本文以某型号高速精密数控冲床工作机构为研究对 象，主要针对运动副间隙和构件弹性变形对冲床工作机构下死点精度的影响进行了深 入研究。 首先，通过分析高速精密冲床下死点精度的影响因素，提出解决下死点精度的技 术方案。其次，建立冲床曲柄滑块机构的力学模型，用解析法对曲柄滑块机构进行了 运动学分析，为下面的仿真分析提供理论依据；计算比较了冲床采用动平衡装置前后 惯性力的大小，比较发现平衡后高速冲床的惯性力比平衡前下降了很多，说明动平衡 装置有效地减小高速冲床的振动。再次，建立高速冲床工作机构的多刚体虚拟样机模 型，进行了运动学仿真分析，通过与理论分析对比，说明仿真模型的正确性；以 a d a m s 软件为平台，建立含间隙机构模型，仿真研究间隙及其大小、曲轴转速对工 作机构输出的影响；连杆是高速冲床机构中精度影响较大的构件，考虑连杆的弹性变 形，建立了含间隙工作机构刚柔耦合模型，进一步研究运动副间隙和杆件弹性变形对 冲床下死点精度的影响。最后，针对影响冲床下死点精度的主要因素，提出相关改善 措施。 关键词：高速精密冲床，下死点，精度，间隙，刚柔耦合，a d a m s a b s t r a c t硕士论文 a b s t l a c t w i 廿lt h ed e v e l o p m e mo f1 1 i 曲s p e e dp r e s si i ll l i g h e rs p e e da 1 1 dh i 曲e rp r e c i s i o 玛t l l e v i b r a t i o nh a l sb e c o m em o r es e r i o u s ，m ee x i s t m go fc l e a r a n c ed e s t i d y s 廿1 ei d e a lm e c h a i l i c a l m o d e l ，b r i n g se n 0 rb e t 、) l ，e e nt l l ef a c t 虹1 e t i c s 锄di d e a lk i n e t i c s ，a n db 0 仕o md e a dc e n t e r ( b d c ) a c c u r a c yo f t 1 1 ep u i l c hi sb e c o i i l i n gi n o r e 觚dm o r ei i n p o r t a n t n ea c t l l a t o rw a st h e m o s ti i n p o r t a mc o m p o n e n to fp r e s s ，i t sm o t i o np e 响皿a n c ea n da c c u m c y 曲e c t l y 棚e c t 龇p r e c i s i o no fp r e s sb d c a sm et y p eo fl l i 曲- 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 吒 t 1 1 ec l e a r a n c e sa tj o i l l t s 觚de l a l s t i cd e f o m a t i o no fl l i 曲s p e e dp r e s sa r ei n v e s t i g a 锄i 1 1t 1 1 e p a p e r f i r s t l y ，l em e c h a i l i c a la u c c u r a c yo f1 1 i 曲s p e e dp 他s sd 印e n d so ns u c hf 砬t sa sm e v i b r a t i o no fm a c h i ，m ed e f o 衄a t i o no fp a r t sd u et om et e m p e m t u r ec h a l l g ea n dm e c l e a r a i l c e sa tj o i m s ，t t l e np r o p o s ea p p r o p r i a t em e a s u r e s s e c o n d l y ，n l em e c l l a l l i c a lm o d e lo f c m i l l ( s l i d e rh a sb e e nb u i l du p ，a i l dd i dt l l eh n e m a t i c sa i l a l y s e su s ea 1 1 a l y t i cm e t h o d ，a n d c a j c u l a t e dt h em 0 v e m e n to ft h es l i d e r 诚c hp r o v i d e d b a s i sf o rm ef o l l o 埘n gs i n l u l a t i o n 舢s o 1 em e m a lf o r c eb e 觚e e nb a l a i l c i n g 锄du n b a l 锄c i n gw e r ec o m p a r e d ，a n dm ei i l e n i a l f o r c eb a l a i l c e dd e c r e l s e dm u c hc o m p a r e dt ot l l eu n b a l a n c e db e f o r e ，t h eb a l a n c ed e v i c ec a n h e l pt 0r e d u c et i l ev i b r a t i o l l n 砌y ，e s 讪l i s hm em u l 州g i dv i m 脚p r o t o 咖em o d e l so f p r e s so p e r a t i n gm e c h a i l i s mb a s e do ns 0 1 i d 、r k sa i l da d a m s ，c o m p a r e 骶d i 触n c eo f t l l er e s u h 、i t hm et h e o 巧a 1 1 a l y s i sa f 【e r t 1 1 es i m u l a t i o l l t l l ec o n c l u s i o ns h o w e dm e f e a s i b i l i 够o fs i m u l a t i o n w 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硕士论文 高速冲下死点精度的保障技术研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 高速冲床是工业基础装备的重要组成部分之一，在机械、能源、运输、航空、航 天、海洋等重要工业领域得到了广泛的应用。随着现代科学技术的飞速发展，机械产 品正向高速化、精密化、多样化方向快速发展，对高效率、高精度的大型压力机的需 求不断增加。现代化的冲压工艺由于具有能量省、效率高、质量好和成本低的优点， 在很多工业先进的国家，越来越多的采用冲压生产工艺来代替切削等加工工艺。据不 完全统计，在汽车制造业中，冲压加工件的数量约占零件总数的7 0 ；超过8 5 的 电子产品是采用冲压工艺制成的；在航天与国防产品中，冲压件所占的比例也逐步增 大。汽车制造、能源电子、航空航天、电器机械、国防军工等行业对产品质量的提高 和生产规模的扩大，更加有力的推动了冲压技术的发展势头。与传统机械压力机相比， 高速冲床具有高速、高效、精密和智能化的基本特征，可以满足不同加工材料和产品 冲压工艺要求，完成板料的自动输送和高效率精密加工。随着大规模集成电路和电器 元件、计算机和通讯等高新技术的进一步发展，各行业对冲压件提出了精度高、质量 好、成本低等一些更高的要求，高速精密冲床的高效高精密性能很好的满足这一要求。 因此，在我国的锻压设备的制造中，高速冲床具有广泛的应用前景【l 】【2 】。 我国高速冲床的研究起步较晚，设计和制造水平较低，产品性能和国外还有较大 的差距。随着高速精密冲床向高速化、精密化、轻量化方向的发展，构件的柔性、惯 性力逐渐增大，构件间间隙的存在，也使碰撞更加剧烈，机床的振动和运动副间隙会 给冲床的运动输出精度带来不可忽视的影响。把机构视为刚性和无运动副间隙的设计 方法有助于问题的简化，但对运动精度要求较高的高速精密冲床，这种简化显然不能 达到设计的要求。合理的机构模型和正确的仿真方法是解决这一问题的关键。 本文对高速精密冲床下死点精度的保障技术进行分析，主要探讨运动副间隙和构 件弹性变形对高速精密冲床下死点精度的影响，研究可以为提高冲床下死点精度提供 一定的参考依据，对提升我国锻压设备的自主开发能力，摆脱国外技术垄断的束缚， 适应市场发展的新要求，振兴民族装备工业具有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外高速冲床的发展现状和趋势 1 2 1 国内外高速冲床的发展状况 1 9 1 0 年，美国的h e n r y & w r c h t 公司制造出世界上第一台高速压力机( 当时 称为d i e i n gm a c h i n e ) ，迄今为止已有1 0 0 年的历史。直到1 9 5 5 年，该机仍为高速 l l 绪论硕士论文 压力机的代表机型。瑞士的b r i j d e r e r 公司根据金属冲压行业的生产需要，在1 9 5 3 年研制出了世界上第一台高速精密新概念冲床。2 0 世纪6 0 年代以后，随着电子技术、 计算机技术的飞快发展，锻压机械改变了1 9 世纪开始的向“重型化和大型化 的发 展趋势，转而向高速、高效、精密、专用及多品种的生产方向迈进，在此基础上，高 速精密冲床迅速发展起来。各国纷纷开始研制高速冲床，高速冲床的速度不断被刷新。 1 9 7 4 年，美国明斯特公司研制的h b 2 6 0 型闭式双点高速冲床，行程次数达到1 6 0 0 m 酊1 ，次年研制成功的h b 2 3 0 型机床，行程次数提高到2 0 0 0i i l i n 1 。步入8 0 年代后， 高速冲床的加工精度问题被各国生产厂家所重视。日本三菱公司开发研制的h p 系列 超高速精密压力机，采用了可调式动力平衡机构和滑块下死点位置自动检测及控制技 术，将滑块在下死点的位置误差控制在5p 所以内，在3 0 0 1 0 0 0m i l l 。1 范围内高速运 转时，床身振幅低于5 0p 聊。日本小松公司研制生产的复合型a c 伺服压力机，采用 线性光栅尺的闭环反馈控制下死点精度，保证其在微米级范围变化1 3 j 。美国明斯特公 司研制的p u l s a r 2 0 型2 0 0 k n 的高速精密数控冲床，运用液力静压轴承导向和液压离 合器制动器新机构，使下死点精度控制在0 0 1 i i 吼内。德国舒勒公司生产的s a - 8 0 型高速冲床采用了反对称副滑块平衡机构，使得冲床行程次数达8 0 0m 计1 时，竖立 在工作台上的硬币不会倾倒。目前，高速精密数控冲床的核心技术主要被日本趾d a 公司、y a m a d a d o b b y 公司、k o u 公司，瑞士b r u d e i 汪r 公司和i s i s 公司， 美国m n s t e r 公司，德国i 认s t e r 公司等所掌握，其系列产品性能达到相当高的 水平【4 】。 我国高速精密冲床是上世纪8 0 年代开始从国外引进技术而发展起来的l 引。目前， 国内生产高速冲床的厂家主要有上海第二锻压机床厂、徐州锻压机床厂、通辽锻压机 床厂、扬州锻压机床有限公司等。1 9 8 2 年，济南铸锻机械研究所和北京低压电器厂 共同研制出我国第一台高速冲床，该冲床公称力为6 0 0 l 洲，最高速度达到4 0 0m 试1 ： 随后在此基础上又成功研制出公称力为3 0 0 k n 、最高速度可达6 0 0m 计1 的高速精密 压力机。齐齐哈尔第二机床厂从德国舒勒公司引进的s a 系列中的8 0 0 k n 、1 2 5 0 k n 和2 0 0 0 k n 的高速精密数控冲床的设计制造技术，先后成功的制造了s a 系列的上传 动闭式双点高速精密数控冲床，该系列高速冲床的行程次数分别高达9 0 0m 计1 、7 0 0 m 酊1 和5 6 0 而n 。上海第二锻压机床厂从德国豪立克罗斯( h a u l i c k r o o s ) 公 司引进了r v d 3 2 5 4 0 和1 w d 6 3 8 0 两种制造技术成功研制出两种新型的高速精密冲 床，下死点精度一般都在2 0 5 0 历。进入2 l 世纪后，国内企业高速冲床的生产开始 形成规模。2 0 0 2 年，由徐州锻压机床厂和济南铸锻所合作研制成功的腰7 5 g 系列闭 式高速精密冲床开始批量生产，次年其独立研制的v h 系列高速精密冲床也开始批量 生产上市；2 0 0 4 年，徐州锻压机床厂成功研制出国内首台s h 系列s h 2 5 型开式高速 精密冲床，该冲床冲程次数高达1 2 0 0m i n - 1 。我国金丰、高将精机、江苏扬锻、徐州 硕上论文高速冲下死点精度的保障技术研究 锻压、江苏扬力和通辽锻压等公司都有高速冲床产品上市。其中，扬州锻压机床有限 公司独立开发的j b 7 6 系列闭式双点高速精密数控冲床，冲床公称压力为8 0 0 k n ，最 高速度达6 0 0m i n ，代表了国内高速冲床的先进水平。目前，国内生产的高速精密 数控冲床与国际先进水平相比，还有一定的差距，主要表现为产品自动化程度较低， 检测、调试和试验手段落后，生产率、稳定性及工作精度差，缺乏自主创新能力以及 自主知识产权的相关设备等【6 】【7 1 。 1 2 2 高速冲床的发展趋势 高速精密冲床是一种重要的冲压设备，已广泛应用于机械电子、家用电器、计算 机通讯及汽车等行业。目前，高速冲床正向数控化和柔性自动化方向发展，尤其是数 控技术在高速冲床上的应用，使整个冲压过程实现了高速冲床的自动化。综合国内外 高速冲床的现有技术水平及发展状况，其发展趋势可以总结为以下几个方面： ( 1 ) 实现生产高效性，性能柔性化。 ( 2 ) 继续向高速度、高精密和高效率的方向发展。 ( 3 ) 在滑块上采用更加先进的导向方式，获得更高的加工精度。 ( 4 ) 监测、调试、控制方式更灵活，宜人化。 ( 5 ) 向节能、环保和降噪的方向发展，高速冲床在研发方向上，开始向“五绿 看齐。 总之，未来高速冲床的发展趋势将是速度和吨位，振动和噪声控制，惯性力平衡， 热平衡，间隙补偿控制，下死点精度等方面的全方位协调发展【7 1 【8 1 。 1 3 含间隙机构动力学的发展 含间隙机构动力学的系统研究是从2 0 世纪7 0 年代开始的，在此之前，多运用机 构运动误差分析来考虑构件间运动副间隙。1 9 7 1 年，美国学者d u b o w s k y 和 f r e u d e n s t e i n 提出一维冲击副模型，对运动副元素接触表面的刚度、接触力及冲击等 特性进行了理论和试验研究，在此基础上，他们又提出一维冲击杆模型和二维冲击环 模型9 j 【l ，并对其进行了试验研究和数值分析，以研究转动副元素的运动和碰撞特性。 此后，国内外许多学者对含间隙机构动力学进行了大量的研究。张智升【l l 】运用主元分 析法对冲压力信号进行自动特征提取并分类，为在线监测冲压过程提供依据；童雷【1 2 】 考虑滑块与导轨之间的间隙，在a d a m s 软件中建立含间隙的曲柄滑块机构模型， 并对其进行动力学仿真。含间隙机构动力学方程求解的难易程度取决于间隙模型的建 立，在间隙机构动力学研究中，先后提出三类运动副间隙模型：二状态运动模型，三 状态运动模型以及连续接触模型。目前，含间隙机构动力学已经向空间弹性机构方向 发展。一般情况下，即使不考虑运动副间隙和构件弹性，机构动力学方程也是比较复 l 绪论 硕十论文 杂的非线性方程，运用解析法求解也是比较困难的，当考虑机构的运动副间隙和构件 弹性变形后，方程形成了大规模的强非线性、病态和刚性方程组。所以，数值计算方 法的选择决定了含间隙机构刚柔耦合模型的求解精度和求解效率。 1 4 机械弹性动力学的发展 机械弹性动力学( m e c h a l l i c a le l a s t i cd y n 眦i c s ) 是机械动力学的新发展。它是研 究把机械的构件看作是弹性体时的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机械的方法。由于机械动力学研究的复杂性，为使研究问题 简化，在初始设计阶段常引入一些假设。随着科学技术的发展，在动力学分析中，为 了使分析更接近机械系统的客观实际情况，需要新的理论和手段逐步将假设抛弃。在 机械系统动力学的发展过程中，先后出现了静力分析、动态静力分析、动力分析以及 弹性动力分析等四种不同水平的分析方法。前三种分析方法中，机械构件均被认为是 刚性的，随着现代机械产品向高速化、精密化、轻量化和大功率化方向的发展，出现 了计入构件弹性变形的弹性动力学分析方法一弹性动力分析，这种分析方法考虑了构 件的弹性变形对机构运动输出的影响，用来提高机构分析的精度，替代传统的把构件 视为刚体的分析方法。现代机械产品的结构设计中，需要考虑更多的影响因素，同时 对节能、节材的要求非常严格，材质的改善和产品的轻量化，对产品结构的动态特性 和稳定性提出了更高的设计要求，由此推动了机械弹性动力学的发展【l 引。目前，对 轴和轴系的振动分析，凸轮机构和连杆机构的动力学分析，齿轮机构的动力学分析等 均已发展到弹性动力学研究阶段。在运用弹性动力学理论建立机构的模型时，通常有 两种方法：有限元建模法和集中参数建模法。有限元模型通用性广，适合于各种复杂 构件及结构的振动分析。采用有限元法已经成为求解弹性动力学问题的主要手段。 1 5 论文的研究内容及组织结构 1 5 1 论文的研究内容 本课题以国内某企业生产的某型高速精密数控冲床工作机构为研究对象，以提高 冲床的下死点精度为目标。主要从高速冲床的运动副间隙和构件弹性变形方面利用仿 真软件进行分析研究，并提出一系列改善冲床精度的技术措施。论文的主要研究内容 包括以下几个方面： ( 1 ) 研究分析高速精密冲床下死点精度的影响因素，针对这些影响因素提出相 关解决方案。 ( 2 ) 分析高速冲床的关键结构，建立曲柄滑块机构运动学分析模型，并进行理 论计算，计算对比高速冲床在有无动平衡装置时的惯性力大小。 4 硕i j 论文高速冲下死点精度的保障技术研究 ( 3 ) 建立高速冲床工作机构模型，将所有构件视为刚性体，利用a d a m s 软件 对机构进行运动学仿真，只考虑曲轴与主连杆之间的转动副存在间隙，建立含间隙机 构模型并对其仿真，对比有无间隙机构动态响应的差别，分析间隙对机构运动输出的 影响，分别讨论曲轴转速和间隙半径对含间隙机构运动输出的影响。 ( 4 ) 将机构中的连杆视为柔性体，建立高速冲床工作机构的刚柔耦合模型，分 别对比无间隙的刚性机构与刚柔耦合机构、含间隙的刚性机构与刚柔耦合机构动态响 应的区别，讨论曲轴转速与间隙半径对含间隙刚柔耦合机构运动输出的影响，得出运 动副间隙和构件弹性变形对机构性能的不同影响程度。 ( 5 ) 针对影响高速冲床下死点精度的主要因素，提出改善冲床下死点精度的技 术措施。 1 5 2 论文的组织结构 根据论文的研究内容，本文共分七章内容，组织结构安排如下： 第一章为绪论，分析课题的研究背景以及国内外相关领域的研究现状。 第二章分析高速精密冲床下死点精度的影响因素，并提出整体解决方案。 第三章研究分析高速冲床的关键结构，应用解析法对高速冲床工作机构进行了 运动学分析，为后面的仿真分析提供参考依据。 第四章运用s o l i d w o r k s 和a d m s 软件建立高速冲床工作机构的多刚体虚拟样 机模型，在不考虑杆件弹性变形和运动副间隙的前提下，对其进行了运动学仿真分析， 将仿真计算所得结果与上一章的理论计算进行比较；建立含间隙机构模型，针对曲轴 转速不同和间隙半径不同对机构运动输出的影响进行了研究。 第五章借助a n s y s 软件建立柔性体的模态中性文件，建立工作机构的刚柔耦 合模型并进行仿真分析，对比刚性模型和刚柔耦合模型的运动特性，改变机构的运动 参数分析连杆的弹性变形对含间隙机构滑块运动输出精度的影响，并对仿真曲线进行 分析。 第六章针对高速精密冲床下死点精度的主要影响因素，提出控制冲床振动、热 变形和间隙等改善精度的技术措施。 第七章总结了本文研究内容的相关成果，指出课题研究中有待解决和完善的问 题，并对今后的工作方向进行了展望。 2 高速冲床下死点精度影响因素的分析硕上论文 2 高速冲床下死点精度影响因素的分析 2 1 高速冲床下死点精度的影响因素 目前，国家标准中对冲床下死点精度还没有相应的规定，国际上也没有统一的标 准，但其在设备使用过程中却是十分关键的技术数据。一般情况下，零件成形的精度 越高，要求冲床的下死点精度也越高。例如通讯电子、精密仪器、电机等行业要求高 速精密冲床不但要有高的运转速度，还要有较高的下死点精度。下死点精度是高速精 密冲床关键的性能指标，关系到冲压加工件的精度和模具的使用寿命，是评定产品制 造水平、技术水平的一项重要指标【1 4 1 。冲床下死点精度是指冲床工作过程中，滑块 运动到最低点的实际位置与理想位置的接近程度。日本能率机械制作所( l e m ) 根 据以往高速冲床加工的经验提出高速精密冲床应具备的基本精度，如表2 1 所示。 表2 1 高速精密冲压加工要求高速精密冲床的基本精度 影响高速冲床下死点精度的因素有很多，如机床工作时产生的振动、摩擦和磨损； 温度变化引起零部件的变形；机床各零部件的制造误差和装配误差、各运动部位的间 隙；惯性力、冲裁力引起的床身变形和导向变形；机床是否使用减振装置以及机床锁 紧部分是否可靠等。 2 1 1 冲床振动对下死点精度的影响 曲柄滑块机构是曲柄压力机的工作机构，高速冲床曲柄滑块机构运转时不可避免 地会产生惯性力，其惯性力主要有：曲柄旋转运动产生的惯性力；连杆作复合平面运 动产生的惯性力；滑块做往复运动产生的惯性力【1 5 】。冲床实际工作中，由于加工需 要，冲床模具可能远离滑块几何中心，使滑块质心偏离其几何中心，从而造成两连杆 所承受的惯性力以及滑块对导轨的作用力不同，并且对机身产生前后、左右方向上的 惯性力矩，增加冲床振动，导致冲床滑块下死点精度下降。高速冲床在工作过程中， 由于曲轴材料组织不均匀、零件形状局部不对称、关键件的加工及装配误差等因素， 使得曲轴在旋转时产生不平衡惯性力。惯性力通过作用在曲轴支撑端处的水平、垂直 作用力使机身发生振动。如果回转运动部件和往复运动部件不能达到很好的动态平 衡，其惯性力的作用就会变得非常明显，此力还会作用于基础上，引起冲床机身的剧 烈振动，造成冲床下死点精度下降。由于惯性力按速度的平方增大，这样高速度必然 6 硕十论文 高速冲下死点精度的保障技术研究 导致了过大的惯性力。鹿新建【i6 】等利用下死点检测仪对高速精密压力机的下死点精 度测量发现，压力机冲压速度从1 0 0m i n 。1 增加到3 0 0m 讨1 时，下死点位置变化了 6 0 “聊。郑安俊【l7 j 等利用电涡流传感器对机械j b 4 0 台式压力机的下死点精度进行测 量，压力机行程次数4 0m i n 。1 时，下死点位置最大偏移量为1 8p 坍，压力机行程次数 1 0 0m i n - 1 时，下死点位置最大偏移量达到1 2 5 m 。 2 1 2 冲床热变形对下死点精度的影响 冲床在正常运转时受到多种热源的影响，热源产生的热量通过各种不同的方式传 递给冲床，造成床身翘曲、导轨弯曲等，即冲床热变形。冲床的热变形是导致热误差 的直接原因，而根本原因在于冲床内部产生大量的热能。高速冲床的内部热源主要包 括：轴承的发热、电机的发热、以及曲轴与连杆之间的相对运动产生的热量。这些热 量打破了高速冲床内部的热平衡，使整个冲床形成一个复杂的温度场，冲床内部各部 件会产生一定的热位移和热应力，从而引起高速冲床的不均匀变形，进而使整个冲床 的加工性能降低。随着高速精密冲床速度的提高，在高速冲床内部部件相对运动的摩 擦面上，存在着较大的相对速度，必然会产生更多的摩擦发热量，这样势必会加快零 件的磨损，降低高速精密冲床下死点精度，同时降低高速冲床的使用寿命。早期的热 变形研究中，英国b r i m i n g - h 锄大学的j p e u e n i k a 教授调查和测试分析后认为热变形 误差一般占加工总误差的4 0 p 7 0 【1 8 】。德国a a c h e n 工业大学的h b r a 吼i n g 教授在 对热变形研究中发现，在精密加工中，热变形误差一般约占加工总误差的5 0 【1 9 】。 2 1 3 冲床间隙对下死点精度的影响 由于机床的装配、制造误差以及正常工作运行时的磨损，使得机床内部相对运动 构件间的运动副存在一定的间隙是必要的。适当的间隙是保证机构正常运转的必要条 件，而间隙的存在，必然使机构的实际运动和设计时的理想运动之间发生偏差。实际 工作中，间隙过小会使机构运转不灵活，构件间的摩擦增大，加速磨损；随着机构长 时间的运转，间隙量也会加大，过大的问隙则会引起运动副的冲击，产生噪声，降低 机构的运动精度。机床由于长期使用和传动部件的磨损，间隙会不断增大，间隙的存 在改变了构件的结构参数，必然会影响机床的输出精度和寿命。在机构运动过程中， 因间隙的存在使得构件间交替出现接触和分离的情况，机构产生剧烈振动，碰撞时的 运动副反力高达无间隙时的十几倍【2 0 1 。蒋舒【2 1 1 对j f 7 5 g 2 0 0 b 压力机模型进行仿真计 算，考虑连杆和滑块之间的转动副间隙，当间隙半径分别为0 0 2 m m 和0 0 5 m m 时， 滑块下死点位置最大偏移量分别为0 0 5 m m 和0 0 8 m m 。构件间间隙量的大小以及配 合精度等级的设置也与机械的加工制造成本密切相关。 。 7 2 高速冲床下死点精度影响冈素的分析 硕士论文 2 1 4 其他因素影响 高速冲床运转时，工作载荷和反向负载的频繁交变产生巨大的冲击，如果机床的 刚性差，会使得冲床抵抗反向偏载的能力下降，下死点位置发生偏移；由于冲压零件 的不同而更换模具，使得滑块上模重量发生变化，必然会影响下死点精度的稳定；冲 床高速运转造成构件间的摩擦和磨损，会降低滑块运行的平稳性；冲床工作时，装模 高度调节装置是锁紧的，如果锁紧装置不可靠，也会影响下死点精度；由于冲床工作 中交变载荷的频繁作用，若静平衡气压部位结构的设计不合理，会造成螺钉松动和断 裂，进而影响冲压精度；减振装置的合理使用，很大程度上改善冲床下死点精度。 2 2 解决下死点精度的技术方案 为减小这些因素对高速冲床下死点精度的影响，在冲床设计时，主传动系统采用 稳定的单轴双拐的双点传动结构，机身采用高强度、吸振性能好的闭式两段预紧式分 体机身；系统采用具有热变形互补功能的热平衡技术；滑块重复定位精度采用下死点 高度动态调整技术控制；导轨采用高精度滚针与静压混合模式的冗余导向结构等。具 体的技术方案主要有：冲床的振动控制技术，热平衡控制技术，导向技术，零部件精 密加工技术以及机床的装配、调试技术等。 2 2 1 振动控制技术 高速冲床冲裁时的振动会引起上、下模在垂直和水平方向上产生位移误差，影响 下死点的位置精度，从而导致冲压零件的精度下降，所以在高速冲床设计中很注重高 速运转情况下的振动问题。随着高速精密冲床速度的提高，振动的影响不可忽视，解 决高速精密冲床的振动控制技术方案如下： ( 1 ) 采用闭式双点的整体结构，有助于机床实际冲压时机身变形的减小和抗偏 载能力的提高，以减小冲床振动。 ( 2 ) 采用计算机辅助技术模拟高速精密冲床的非线性载荷分布规律和偏载产生 的机制以及冲床工作时的构件变形规律，优化冲床关键件的结构，避免机床发生共振， 改善机床的动态响应性能。 ( 3 ) 结构上采取动平衡措施。利用反对称副的动平衡原理，设计高速精密数控 冲床的动平衡系统，通过在与主滑块对称位置处布置的平衡副滑块，抵消主滑块运转 时产生的惯性力。 。 ( 4 ) 机身等大构件采用高强度铸铁整体铸造，运用铸件吸振性好，精度保持性 好的优点。 8 硕七论文高速冲下死点精度的保障技术研究 2 2 2 热平衡控制技术 随着对加工精度的提高，温度的影响越来越受重视。在优化冲床各关键件的结构 基础上，尽可能减小温度变化对冲床构件变形的影响，拟采取以下热设计技术方案： ( 1 ) 利用有限元分析软件a n s y s 模拟高速精密数控冲床加工过程的热场分布 对冲床下死点精度的影响，优化高速精密数控冲床机身结构，以减小冲床的热变形。 ( 2 ) 结构上采取热平衡措施。在冲床关键结构件内合理设置温度调节装置，采 用补偿和抵消的方法，解决由于温度变化引起的下死点位置变化问题。 ( 3 ) 在冲床的一定位置上合理设置润滑系统和恒温控制系统。通过采取全稀油 强制循环润滑，并采用双制式的油冷却力口热设备确保冲床油箱内润滑油的温度恒定， 保证传动系统中各运动副间的润滑和冷却，平衡冲床系统内部结构的温度，有效的减 少各运动副间的异常机械磨损，延长使用寿命，同时控制冲床各关键件的冷热变形， 减少冷热变形对冲床下死点精度的影响，确保冲床加工精度的持久恒定。 2 2 3 高精度导向技术 高速精密数控冲床滑块的导向性能直接决定了机床的几何精度，因此导轨结构、 制造精度以及耐磨性、抗疲劳性，对高速精密冲床的性能至关重要。为了确保高速冲 压过程中上模和下模的准确定位，保证冲压工件的质量和模具使用寿命，要求高速冲 床的滑块有精确的导向，使滑块底面对工作台面保持足够的平行度，同时滑块在承受 偏心载荷时有足够的刚性，保持原来的精度，以便冲压出符合精度要求的冲压件。导 向机构采用滚动与静压的组合模式，既可以保证足够的承载刚度，又可取得较高的运 动精度。技术方案如图2 1 所示。 图2 1 导向机构技术方案 9 2 高速冲床下死点精度影响因素的分析硕士论文 2 2 4 零部件精密加工技术 高速精密冲床下死点精度首先取决于运动链中各零部件的制造精度。分析影响下 死点精度的工艺因素，主要包括：关键结构件毛坯制造、锻造和复合焊接工艺技术， 关键结构件的加工工艺技术，关键结构件的耐磨性和抗疲劳寿命技术以及关键结构件 的残余应力处理技术等。 合理的毛坯结构和良好的毛坯质量是保证关键结构件的加工精度、稳定冲床下死 点精度的首要关口。为了提高机床的刚度，减小变形，避免造成材料浪费，减少生产 成本，采用新的毛坯制造工艺技术，如图2 2 所示。 图2 2 关键结构件毛坯铸造、锻造、复合焊接工艺技术路线 对影响冲床下死点精度的的关键结构零件采用专用刀、夹、量具进行加工，以保 证零部件的制造精度。曲轴、球头连杆、滑块导向机构等既是高速精密冲床的主要传 力零件，又是关键摩擦零件，其耐磨性能不仅影响整机的使用寿命，而且直接影响整 机的几何精度和动态精度，特别是直接决定下死点精度的控制。为提高球头连杆的耐 磨性，对其进行整体调质和低温碳氮共渗处理，增强零件表面的耐磨性能和抗粘附性， 同时增加润滑以减小摩擦。可以通过对关键结构件的残余应力进行处理，提高关键零 件的承载能力和疲劳性能，通常处理技术包括：人工时效处理、振动时效处理、激光 冲击处理以及超声冲击处理等。 2 2 5 冲床整机装配、调试技术 高速精密冲床的下死点精度不仅取决于整体设计和制造水平，而且很大程度上取 决于整机装配的质量。影响整机技术指标装配环节主要有：曲轴与球头连杆构成的驱 动摩擦副；球头连杆及球碗、球形套构成的球头摩擦副；滑块与导轨间的配合间隙等。 这些装配环节的精度都需要通过装配调整予以保证。为保证高速精密数控冲床下死点 精度指标，拟采取以下技术方案，改善冲床的装配质量。 ( 1 ) 应用先进的计算机辅助技术建立高速精密数控冲床装配仿真模型，在完成 数字化预装配的基础上，对影响冲床下死点精度的关键结构进行装配仿真分析，包括 整机动态响应分析、零部件变形分析、热平衡分析，为解决冲床整机装配质量提供技 术支持，同时可以指导高速冲床的设计和制造过程。 ( 2 ) 采用先进的装配工艺装备。影响冲床下死点精度的装配关键是球头连杆及 球碗、球形套构成的球头副的装配问隙和接触面积，装配间隙影响下死点的动态精度， l o 硕士论文 高速冲下死点精度的保障技术研究 接触面积则影响球头副的使用寿命。所以，拟采用专用研磨工装对球杆及球碗等进行 装配，保证其耐磨性能和接触刚度，大大提高摩擦表面的质量。 ( 3 ) 安装装配检测装置，保证冲床装配精度。采用基于p 总线的虚拟仪器系 统搭建高速精密数控冲床装配保证测试平台，根据测量目标不同配置不同的传感器， 应用数据处理分析软件，实现滑块下死点精度的实时测量。 2 3 本章小结 本章分析了高速精密数控冲床下死点精度的影响因素，主要分析了高速冲床的振 动、热变形和构件间间隙对下死点精度的影响；为保证冲床下死点精度，提出解决冲 床下死点精度的技术方案，包括冲床的振动控制技术，热平衡控制技术，导向技术， 零部件精密加工技术以及机床的装配、调试技术等。 3 高速冲床的结构及运动学分析 硕上论文 3 高速冲床的结构及运动学分析 3 1 高速冲床的结构和工作原理 冲压是在室温条件下，利用安装在压力机上的模具对工件施加压力，使其产生分 离或塑性变形，获得所需零件的一种加工方法。高速冲床以其高精度、高效率等优点， 被广泛应用于汽车制造、航空航天、电子通讯、结构设计等研究领域。锻压机械中， 压力机种类繁多，按照不同的观点可以分为不同的类别。高速冲床按床身机构形式可 分为两种类型：开式冲床和闭式冲床。前者的工作台三面是敞开的，床身呈c 型， 有较大的喉深，可冲压较大的零件，装卸模具和操作都较为简便，但刚度较差，适用 于中小型压力机；后者的床身两侧封闭，呈框架式，刚度好，精度高，但不方便模具 的安装和调试，适用于大中型压力机及一些精度要求较高的小型压力机。高速冲床按 冲床的连杆数目可以分为：单点冲床，双点冲床和四点冲床。连杆数目越多，冲床抗 偏载能力越强。冲床按滑块驱动力形式可分为机械式和液压式两种。一般钣金类材料 的加工，大多采用机械式冲床。高速冲床主传动系统中常见的机械传力结构一般有： 曲柄连杆机构，肘杆式和多连杆式。这三种形式各有其优缺点，表3 1 对其特征、优 缺点进行了比较。 表3 1 机械传力机构三种形式的对比 本文所研究的高速冲床总体结构采用的是最能代表高速冲床水平的闭式双点结 构。根据高速冲床各部分零件的功能，将冲床的组成结构单元分成如图3 1 所示的几 个部分。图3 2 为某型高速冲床的结构简图，其工作原理如下：动力源电机通过皮带 把运动传递给带轮，带轮经过各级传动进一步传递给曲轴，曲轴带动主连杆、导轨和 主滑块做往复直线运动，安装在主滑块上的模具在主滑块的带动下完成工件的冲压工 作。冲床在一个工作周期内大部分时间为无载荷的空行程，为了更好地利好能量，一 般在带轮上安装飞轮，目的是在冲床冲压时为其提供能量，在冲床空程时储存能量。 硕上论文 高速冲下死点精度的保障技术研究 古 同 速 精 密 数 控 冲 床 传动系统单元 由皮带、齿轮等零件组成。目的是将动 力源的能量传递给工作机构。 i 由曲轴、连杆和滑块等零件组成。目的 工作机构单元h 是将曲轴系统的回转运动转化为导轨系 i 统的往复直线运动。 一 f 由电机和飞轮组成。电机提供冲床工作 能源系统单元h 所需的动力源，飞轮适时提供和储存能 l 量。 亟刮黪罢鼎裟孝动等多 辅助系统单元 由支撑部分、冷却滑滑系统和过载保护 装置等部分组成。支撑部分是为了将冲 床各部件连接成一个有效的整体。 图3 1 高速精密冲床的组成 1 、底座2 、模具3 、主滑块4 、导轨5 、主连杆6 、曲轴7 、滚动轴承 8 、皮带轮9 、滚动轴承1 0 、平衡连杆1 l 、平衡滑块1 2 、滑动轴承1 3 、床身 图3 2 闭式双点高速精密冲床的工作结构简图 3 2 高速冲床运动学分析 运动学在机械工程上指的是机构运动学，是机械设计领域的重要学科。运动学是 在不考虑运动件的质量和受力变形的情况下，研究某一刚体的绝对运动，并探讨机构 各组成元件间的相对运动关系，包括位置、位移、速度、加速度以及影响相对运动的 1 3 3 高速冲床的结构及运动学分析硕上论文 几何形状。曲柄滑块机构所具有的独特的优点和特性，使其日益发展成为一种用途广 泛的组合机构勿。图3 3 所示为结点正置的曲柄滑块机构的运动简图。曲柄滑块机构 作为高速冲床工作结构中的核心部分，由三部分组成：曲柄半径o a ，连杆a b ，质 量块b 。图中o 点为曲柄的旋转中心，a 点为连杆与曲柄的铰接点，b 点为连杆与滑 块的铰接点，当o a 以角速度w 作旋转运动时，滑块以速度1 ，作往复直线运动。 j ，j 一 、 厂 。、 f 弋髟歹 o 、溯a 一 。“| t砸 薹 图3 3 曲柄滑块结构运动简图 图3 4 曲柄滑块机构受力简图 在图3 3 中建立运动坐标系d 一驯，水平方向为x 轴，滑块的移动方向为y 轴。 假设曲柄0 a 和连杆a b 的长度分别为足和，冲床滑块b 位移为品。则冲床滑块与 曲柄转角之间的关系为 & = ( r + d 一( r c o s 口+ ，c o s p )( 3 1 ) 根据曲柄滑块结构的几何关系，有 s i nb ：型坠 令拿：九，上式可表示为 s i n p = 九s i n 0 【 所以有 c o s p = i s i n 2p = 1 一九2s i i l 2 a 代入式( 3 1 ) 整理得 & = 灭 ( 一c 。s 仅) + 妻( 一f 二丽) ( 3 2 ) 考虑高速精密冲床的连杆系数九小于o 3 ，用泰勒级数对( 3 2 ) 式的根号部分展 开，取其前两项得 订i 磊万1 一三九z 。i 1 1 z 仅 故式( 3 2 ) 化简为 品础 ( 1 - c o 姒) + 等( 卜c o s 抛) l ( 3 3 ) 滑块速 滑块加速度口为 根据上 以绘制出高 口：一譬：一粤粤：一胁z ( c 。s 仅+ s 缸) 口= 一一= 一= 一k 一i c o s 仅+ 丸c o s z 仪i d fd d f 、 7 述所得出的计算公式，代入高速冲床的相关参数 速冲床滑块的理论位移、速度以及加速度曲线， ，运用m a t l a b 如图3 5 所示。 ( w ) ( a ) 滑块位移时间曲线 ( b ) 滑块速度时间曲线 ( 3 5 ) 软件可 ( c ) 滑块加速度时间曲线 图3 5 理论计算滑块运动规律曲线 图3 5 中，冲床滑块的位移、速度和加速度都是周期性变化的，图3 5 ( a ) 中的位 移时间曲线可以看出，滑块的位移为3 0 m m ，同实际的冲床滑块行程是相同的。 4 0 、， 搬鸟s 九一2 +qn吼 ，l r = 堕m塑抵 | | 以一以 = 矿 为 p 度 h：z量i著e。l 3 高速冲床的结构及运动学分析硕士论文 3 3 高速冲床惯性力分析 冲床的工作机构是影响高速冲床下死点精度的关键部件。高速精密冲床工作机构 产生的不平衡惯性力，通过影响曲轴轴承支撑点处的支反力和滑块与导轨之间的摩擦 力的大小，进而影响高速冲床的下死点精度。实现工作机构的动平衡，可以平衡机构 在机