（材料加工工程专业论文）新型混合驱动机械压力机的研究.pdf

新型混合驱动机械压力机的研究 摘要 混合驱动压力机的基本思想是采用常规电机和伺服电机作为其动力源 两种类型的输入通过一个二自由度机构合成后产生所需要的输出运动 常规 电机为系统提供主要动力 伺服电机起运动调节作用 这使得混合驱动压力 机既具有传统机械式压力机的大功率 运行平稳等优点 又具有可控性 可 调性 即具有柔性 能够提供多组输出运动规律 本文将凸轮连杆机构应用 于混合驱动机械压力机 提出了混合驱动凸轮连杆机械压力机的概念和意 义 首先根据混合驱动机械压力机的设计要求 提出了混合驱动凸轮连杆机 械压力机的结构形式 从机构的奇异性分析入手 较为深入地分析了混合驱 动凸轮连杆机构的可动性条件 在此基础上 使用图解法 得出了混合驱动 压力机滑块的工作行程范围 并指出混合驱动凸轮连杆压力机滑块实现的运 动规律应满足的条件 然后运用回路矢量法对混合驱动凸轮连杆压力机进行了逆运动学 正运 动学分析 分别求出了混合驱动机械压力机机构中各构件的位移 速度和加 速度的解析表达式 在假定常规电机作等速回转运动 伺服电机按给定的运 动规律运动的情况下 列出了各构件的力和力矩平衡方程 并把这些方程进 行综合 建立了混合驱动机械压力机机构系统的动态静力分析模型 在已知 构件的运动状态和工作阻力时 可求出常规电机 伺服电机的平衡力矩 各 运动副中的反力及其变化规律 其次 对混合驱动压力机进行了机构运动仿真 设计了滑块实现余弦 线性运动规律的计算机仿真实例 仿真结果表明 混合驱动凸轮连杆压力机 可以实现滑块的多组输出运动规律 即具有柔性 通过对混合驱动七杆压力 机的结构特性和运动仿真分析 得出了混合驱动凸轮连杆压力机相对混合驱 动七杆压力机具有杆长条件容易满足和滑块输出运动规律特性好等优点 最后 在动力学仿真研究中 对混合驱动凸轮连杆压力机常规电机和伺 服电机的功率分配情况进行了分析 分析结果表明 在只考虑机构滑块所受 工作阻力和各构件重力的情况下 常规电机主要提供系统的能耗 伺服电机 提供系统的运动柔性 关键词 混合驱动 凸轮连杆机构 运动学分析 仿真 运动规律 s t u d yo nan e wt y p eo fh y b r i d m e c h a n i c a lp r e s s a b s t r a c t t h em a r ef e a t u r eo fh y b r i dm e c h a n i c a lp r e s si st oc o m b i n et h em o t i o no fa c o n s t a n t s p e e d m o t o rw i t has e r v o m o t o rv i aat w o d e g r e eo ff r e e d o m m e c h a n i s m t h ec o n s t a n ts p e e dm o t o rp r o v i d e st h em a i np o w e ra n dm o t i o n r e q u i r e m e n t s w h i l et h es e l v o m o t o ra c t sa sam o t i o nm o d u l a t i o nd e v i c e t h e r e f o r e t h eh y b r i dm e c h a n i c a lp r e s sn o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fc l a s s i c a l m e c h a n i c a ls y s t e m b u ta l s oi sc o n t r o l l a b l ea n dh a s g r e a tf l e x i b i l i t y i nt h i sa r t i c l e t h ec a m l i n k a g em e c h a n i s mi sa p p l i e di nt h er e s e a r c ho fh y b r i dm e c h a n i c a l p r e s s a n dt h ec o n c e p t i o na n ds i g n i f i c a n c eo fh y b r i dc a m l i n k a g ep r e s si sp r o m o t e d f i r s t l y a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ec o n f i g u r a t i o no fh y b r i d c a m l i n k a g em e c h a n i s mi sp u tf o r w a r d t h ea n a l y s i so fs i n g u l a r i t ya n dm o b i l i t y c o n d i t i o no ft h eh y b r i dc a m l i n k a g em e c h a n i s mi s a n a l y z e d o nt h eb a s i so f t h e s e u s i n gt h eg r a p h i cm e t h o d t h es l i d e r sw o r k i n gs t r o k ei s o b t a i n e d i t i n d i c a t e st h a tt h em o t i o ns p e c i f i c a t i o no ft h es l i d e rs h o u l ds a t i s f yt h ec o n d i t i o n o fw o r k s p a c e s e c o n d l y t h ef o r w a r d a n di n v e r s ek i n e m a t i c a n a l y s i s o ft h e h y b r i d c a m l i n k a g em e c h a n i c a lp r e s sa r ed o n eb yu s i n gl o o pv e c t o rm e t h o d a n dt h e d 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 nr e s o l u t i o ne x p r e s s i o n so fe a c hp a r ta r e w o r k e do u t u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ec o n s t a n ts p e e dm o t o rr o t a t e sw i t hi n v a r i a b l e v e l o c i t ya n dt h es e l v o m o t o rr o t a t e sw i t ht h eg i v e nm o t i o ns p e c i f i c a t i o n t h e f o r c ea n dm o m e n tb a l a n c ee q u a t i o n so fe a c h p a r ta r es t u d i e d t h e r e b y t h e d y n a m i c a ls t a t i cf o r c em o d e lo ft h eh y b r i dc a m l i n k a g ep r e s si sb u i l t t h i r d l y t h ek i n e m a t i cs i m u l a t i o no fh y b r i dp r e s si sd o n ea n dt h ee x a m p l e s 1 1 1 o fr e a l i z i n gc o s i n ea n dl i n e a rm o t i o ns p e c i f i c a t i o na r ed e s i g n e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eh y b r i dc a m l i n k a g em e c h a n i c a lp r e s sc a np r o v i d ep r o g r a m m a b l em o t i o n o u t p u t t h a ti s t h i sm e c h a n i s mh a st h ef l e x i b i l i t y b a s e do nt h es t r u c t u r ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nf o rh y b r i ds e v e n b a rm e c h a n i s m t h ec o n c l u s i o nt h a tc o m p a r e dt o t h eh y b r i ds e v e n b a rp r e s s t h eh y b r i dc a m l i n k a g ep r e s sh a st h em e r i t so fe a s y l i n kl e n g t h sr e s t r i c t i o na n dg o o dm o t i o no u t p u ti so b t a i n e d l a s t l y t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e li sd e s i g n e d t h ep o w e rd i s t r i b u t i o no f t h ec o n s t a n ts p e e dm o t o ra n dt h es e r v o m o t o ri sa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h es e r v o m o t o ri sj u s ta sm o t i o nm o d u l a rp r o v i d i n gt h ef l e x i b i l i t yo f t h es y s t e ma n dt h ec o n s t a n ts p e e dm o t o rs u p p l i e st h em a j o r p o w e ro nt h e c o n d i t i o nt h a to n l yt h es l i d e r sr e s i s t a n tf o r o ea n dg r a v i t ya r ec o n s i d e r e d k e y w o r d s h y b r i d c a m l i n k a g em e c h a n i s m k i n e m a t i ca n a l y s i s s i m u l a t i o n m o t i o ns p e c i f i c a t i o n i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立 进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 查垫彗 日 期 2 q q i 生 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 查 必导师签名 茎兰f 兰日期 2 q q2 生笪旦 新型混合驱动机械压力机的研究 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 在金属成形加工领域 特别是在板料成形 薄板拉深工艺中 机械式曲柄压力机得 到了广泛的应用 冲压加工工艺不同 加工材料的厚度和要求的塑性变形速度不同 要 求机械式压力机应具有不同的运动输出特性 随着市场经济的发展 市场需求要求产品 花样多 变化快 批量小 这就要求现代压力机不仅能够高精度 高效率 大负载地运 转 而且还应具有较好的 柔性 能迅速 方便地改变输出运动规律 以满足市场对产 品多样化的要求 而传统的单自由度曲柄滑块压力机和多连杆压力机 1 j 1 2 j 彳艮难满足这一 要求 当压力机的结构和尺寸参数确定之后 其滑块输出运动规律也随之确定 因而不 具有柔性 传统的机械压力机通常采用一个定转速电机作为动力源 通过各种传动装置 如齿 轮传动 带传动 连杆机构 凸轮机构 组合机构等 产生所需的输出运动 这类机械 具有较高的承载能力 运行速度和生产效率 能很好地满足高效率 大批量生产的需要 但传统生产机械的最大不足就是缺乏柔性 要改变系统的输出运动就得改变机构的类型 或尺寸 而这种改变通常较为困难或费用很高 甚至有时不可能改变 因此 以传统机 械为基础的自动化 大批量生产模式虽然能够质优价廉地为社会提供产品 但在瞬息万 变 竞争日益激烈的国际市场中 己越来越不能得到较高的利润和市场竞争力 由于伺服电机的转速具有良好的可控性 采用伺服电机驱动机械式压力机 通过适 当的控制方法 将能精确地控制冲锤的位置和速度 从而提高生产率 满足生产加工工 艺对冲锤速度特性的要求 日本 美国都是针对单自由度的连杆机构进行研究 这种单自由度连杆机构的唯一 驱动力矩来源于伺服电机 由于受到伺服电机功率和扭矩的限制 还无法直接运用伺服 电机驱动大中型压力机 近年来发展起来的混合驱动机构是一个值得研究和探讨的办法 混合驱动机构既兼容了传统机构和全伺服机构的优点 又避免了二者的不足 在理论上 能够比较理想地解决柔性化与高速度 高效率 高承载力这一对矛盾 为现代机械创新 设计提供了一个新思路 如图1 1 所示 混合驱动机构同时采用常规电机和伺服电机作 为其动力源 常规电机为系统提供主要动力 伺服电机起运动调节作用 两种类型的输 入运动通过一个多自由度机构合成后产生所需要的输出运动 这种系统既具有传统机械 系统的优点 又具有可控性 可调性 即具有柔性 能够提供多组输出运动规律 以满 足不同的压力加工工艺要求 2 0 世纪9 0 年代初 英国学者t o k u z 结合传统机构和可控机构的特点 首次提出 陕两科技大学硕士学位论文 h y b r i dm a c h i n e 的概念1 3 1 g r e e n o u l g h 和j o n e s 采用二自由度七杆机构作为运动合成 机构 实现可变规律的转动输出运动1 4 j 随着对混合驱动机构研究的深入 天津大学首 先提出了混合驱动压力机的设想 并进行了一系列研究 5 j 1 6 1 陆永辉等提出了一种新型 混合输入式曲柄压力机机构 采用混合输入七杆机构 同时采用恒速电机和伺服电机作 为其动力源 实现滑块速度和位置的调节 根据压力加工工艺对滑块运动速度特性的要 求 运用矢量法对该混合输入机构进行逆运动学分析 求解出伺服电机满足加工工艺要 求时的实际运转情况 通过求得的伺服电机转角函数控制滑块的运动 并对伺服电机和 恒速电机功率分配问题进行了研究 陆永辉对压力机的混合驱动方案作了理论与仿真研 究 以伺服电机速度波动最小和动力分配比最小为目标函数 优化设计了机构的尺寸参 数 7 1 卢宗武通过对可控压力机机构型综合方法 可控参数变化时对滑块运动规律的影 响 尺寸综合 动力和功率分配等基本问题的研究 初步建立了可控压力机混合驱动机 构的设计框架 j 图1 1 混合驱动机械系统原理 f i 9 1 1t h ep r i n c i p l eo fh y b r i dm e c h a n i c a ls y s t e m 综上所述 国内外已经对混合驱动可控机构这一领域进行了大量的研究 并且得出 了许多有益的结论 在现有的混合驱动可控压力机研究中 针对连杆机构的研究较多 还没有对将凸轮连杆机构应用于混合驱动曲柄压力机这个领域进行研究 而凸轮连杆机 构在精确实现给定的运动规律和轨迹以及刚体导引等方面具有其它机构无可比拟的优越 性 且在相同的设计条件下 机构总体尺寸可以大大减小 随着我国机械产品的逐步更 新换代 走向国际市场 机械的高速化 精密化与设备智能化 生产柔性化相结合的要 求变得同益迫切 混合驱动可控压力机在现代化生产中将具有广阔的发展前景 因此 将凸轮连杆机构应用于混合驱动曲柄压力机的研究具有重要的理论和现实意义 也将具 有良好的应用前景 2 新型混合驱动机械压力机的研究 1 2 国内外相关课题研究现状 1 2 1 混合驱动机构基础理论的研究 2 0 世纪九十年代初 英国利物浦工艺学校的j o n e s 和t o k u z 结合传统机构和可控机 构的特点 提出一套界于二者之间的机械系统方案 这种机械同时具有两类机构的特点 因此称为 h y b r i dm a c h i n e 这就奠定了混合驱动机构的思想 然后 j o n e s 和t o k u z 进一步研究了这类机构 他们建立了完整的系统模型和实验方案 通过理论和实验结果 验证了这类机构的一些预期特性 1 9 9 2 年 为了验证混合驱动机构的各项性能及其特点 针对变规律的输出运动要求 例如升 降 r i s e r e t u r n 简称r r 升 停 降 r i s e d w e l l r e t u r n 简称r d r 升 降 停 r i s e r e t u r n d w e l l 简称r r d 运动 j o n e s 和t o k u z 在研究中采用了全伺服驱动和混合驱动两种方案 第一种方案如图1 2 a 所示 直接采用伺服电机驱动一个曲柄滑块机构产生所需的输出运动 第二种方案 如 图1 2 b 所示 常规恒速电机和伺服电机的输出运动经差动轮系合成后 驱动一个曲 柄滑块机构来实现变规律的往复运动 通过对这两类机构在模型 输出力矩及伺服电机 的位移 速度 加速度 力矩 功率等方面进行对比得到 m 邑 图1 2 全伺服驱动可控机构和混合驱动可控机构 f i g l 一2t h es e r v o d r i v e nc o n t r o l l a b l em e c h a n i s ma n dt h eh y b r i dc o n t r o l l a b l em e c h a n i s m 1 全伺服驱动机构的柔性较大 能够满足所给定的各种运动规律要求 并且可以很 容易地满足停歇运动规律的要求 但由于在整个工作过程中只由伺服电机来提供动力 因此 伺服电机的功率必须足够大 以满足实际加速度和力矩要求 由于目前所生产的 伺服电机的功率较小 因此全伺服驱动机构很难适应较大功率需求的情况 3 陕两科技大学硕士学位论文 2 混合驱动机构在实现r r 输出运动时 其伺服电机的功率需求比全伺服驱动机 构中伺服电机的功率需求要小的多 但对于r d r 和r r d 输出运动 特别是停歇阶段 伺服电机的功率需求不但没有减小 反而有显著的增加 他们提出减小伺服电机与输出 运动之间的传动比 可以有效地减小伺服在停歇阶段的调节量及输出功率 为克服j o n e s 和t o k u z 研究中 停歇阶段对伺服电机功率需求的影响较大 的问题 g r e e n o u g l l 与j o n e s 采用两自由度七杆机构作为运动合成机构 同样可以实现上述变规律 输出运动 他们以减小伺服电机的功率为目标函数 通过优化综合得到七杆机构的尺寸 参数 可以把伺服电机的功率减小约5 0 七杆机构之所以能够减小伺服电机在停歇阶 段的功耗 是因为七杆机构本身可以实现近似停歇的输出运动规律 而不是单纯依靠两 个原动件之间的运动相互抵消来实现近似停歇运动的 因此选用合理的结构方案可以改 善 停歇阶段对伺服电机功率需求的影响较大 的问题 此后 众多学者开始用多杆机构作为两电机运动的合成机构来进行研究 a l i 9 j 应用混合驱动理论 设计了一个混合驱动装置 两个输入分别由常速电机和伺 服电机驱动 以实现可变的转动输出运动 并通过实验表明 通过设计输出运动规律 可以使得常速电机的功率需求是伺服电机功率需求的3 5 倍 h e r m a n 1 0 j 运用混合驱动理论 采用一个差动轮系作为混合驱动系统 该轮系驱动一 个凸轮机构实现可变的变近 远休止时间的柔性输出运动 其计算机仿真结果表明 采 用混合驱动系统比单独运用伺服电机驱动 伺服电机的最大输出功率和力矩减小7 0 c o n n o r j i j 建立了一种实现轨迹创成的混合驱动五杆机构 并用遗传算法优化研究 了给定轨迹的混合驱动五杆机构的尺度综合 s e s h a j 用混合驱动五杆机构的运动输出代替变廓线凸轮 在国内关于混合驱动机构的研究较少 东南大学程光蕴 1 5 j 等人提出用含移动副的混 合驱动五杆机构实现精确轨迹的输出 采用两步设计 即先将调节滑块固定 则该机构 就成为一个单自由度四杆机构 通过优化综合设计该机构的几何尺寸使其能近似实现给 定的轨迹 然后在该四杆机构的基础上加上调节滑块 依靠可控电机进行微运动补偿和 调节 使该混合输入双自由度五杆机构精确实现给定的轨迹 武汉冶金科技大学的孔建益 1 6 1 8 j 对此类机械系统的研究 主要是应用五杆机构 并 依靠可控电机进行微运动补偿和调节 实现精确运动规律 实现给定的函数等方面 其 最后实现的运动一般都是单一的运动规律 目前其研究只限于运动学仿真方面 未见有 动力学研究和实验验证 周洪 周双林 1 9 l 一 驯对混合输入型机电系统的设计 建模和控制进行了研究 提出了 平面闭链五杆机构工作空 日j 的求解算法 刘建琴pj 做了混合驱动的 弹性连杆机构创成轨迹精度控制的理论与实验研究 4 新型混合驱动机械压力机的研究 改变曲柄的长度 实现降低弹性连杆机构的动态响应 实现了运动轨迹的误差动态补偿 并且通过优化曲柄长度的变化规律精确实现平面四杆机构的轨迹创成 并通过实验进行 了验证 田汉民1 2 5 1 的硕士论文 混合输入五杆机构的分析与综合 对混合输入五杆机构的工 作空间 运动学 动力学进行了分析研究 在此基础上进行了尺寸综合 并以生成椭圆 正方形和椭圆族曲线作了优化设计 张新华陋j 的博士论文 实现轨迹创成的混合驱动可控机构分析与综合 对半柔性 混合驱动机构和全柔性混合驱动机构的可动性条件 曲柄存在条件 运动耦合性 死点 位置等进行了分析 并对再现成组运动规律进行了尺寸综合 从上面的分析可以看出 尽管国内外对这一领域进行了大量的研究 但混合驱动机 械系统理论还很不成熟 还没有形成系统的理论体系 当前对混合驱动可控机构的研究 只涉及到机构学中单运动规律的运动分析和综合 再现成组运动规律的分析与综合 而 对混合驱动机构动力学 功率分配问题 最优控制 相应的仿真软件开发及实验方面的 研究 混合驱动机构的应用研究还尚未广泛展开 1 2 2 可控压力机的研究 基于伺服电机制造和控制技术 日本 美国 台湾和中国大陆的许多学者 将伺服 电机应用到压力机上 并对此进行了许多有益的研究 将伺服电机引入到压力机驱动系统有两种方式 第一种方式 用伺服电机直接驱动压力机 其机构形式与普通机械压力机相同 仅 将普通电机换成伺服电机 仍为单自由度机械系统 调节伺服电机的输入可以改善机构 输出的速度特性和动力学性能 第二种方式 采用混合驱动机构 用伺服电机与常规电机混合驱动压力机 其结构 形式与普通压力机截然不同 常规电机和伺服电机的输入通过一个二自由度机构合成之 后驱动滑块往复运动 不仅可以改善输出运动特性 而且能够改变滑块输出运动规律 以满足不同加工工艺的需要 采用第一种方式的研究有 日本会田公司和发那克公司 2 7 共同开发了一种高效率生产小型冲压件的伺服电机 的压力成型机 伺服成型设备a f 系列 这种成型设备可用于生产多种引线的引线框 手表机芯的精密齿轮 精密汽车零件等小型精密品 这种新型设备在碰到工件的瞬间 冲头的速度可以控制减缓 因此不仅减少了振动和噪声 冲头也不易损坏 同时 日本 m u t a t e c 公司生产了m o t o r u m 一2 0 0 0 转塔式冲床 采用伺服系统来改善转塔式冲床 的工作性能 据称 采用伺服马达控制冲头的工作方式 实现了较同类机械高出1 5 0 的冲压速度 同时抑制了振动和噪声 但这种由伺服电机驱动的单自由度曲柄压力机 5 陕两科技大学硕士学位论文 其最大缺点是由于受到伺服电机功率和价格的限制 只应用于小功率的小型压力机上 美国俄亥俄州大学机械制造工程中心的s y o s s i f o n 和r s h i v p u r i 驯等人以伺服电机 驱动的双肘杆压力机为研究对象 确定了一种可用伺服电机驱动的双肘杆式压力机 比 较了这种压力机和另外的连杆驱动压力机的载荷特性 优化设计了该双肘杆式压力机的 尺寸参数 使其能够满足在加工过程中保持不变的转矩和速度 以满足加工工艺的要求 通过机构的参数优化设计 载荷和扭矩分析 制造了3 0 t 双动式机械压力机 该研究工 作包括三个阶段 第一阶段通过比较 确定了伺服电机驱动的双肘杆式压力机的机构型 式 并确定其工作行程为4 英寸 第二阶段对几种不同的连杆机构进行了运动学仿真 通过比较确定了旋转双肘杆式压力机方案及其各部分尺寸参数 第三阶段 设计并制造 了一种压力机模型 通过采用适当的控制方案 控制电机的转向和冲锤的速度 该研究 结果表明 运用伺服电机控制的双肘杆式压力机 其机械增益在加载过程中几乎保持不 变 这种特性适用于拉深加工和薄板金属的成形工艺 但由于受到伺服电机功率的限制 还不能用于大功率的压力机 台湾成功大学的r o n g f o n gf u n g 和k e n w a n gc h e n 2 9 j 等人利用永磁铁伺服电机驱动 曲柄滑块机构 精确实现了对滑块的位置控制 r o n g f o n gf u n g 等人将伺服电机和曲柄 滑块机构作为整体研究对象 利用h a m i l t o n 原理和l a g r a n g e 方程建立了整个系统的运 动学和动力学模型 在系统各项参数己知的条件下 设计了自适应控制环节 在改变作 用在滑块外力载荷和滑块质量的条件下 考察了外力载荷对整个系统控制精度的影响 该研究结果表明 采用自适应扭矩控制技术 利用伺服电机驱动曲柄滑块机构 通过计 算机控制伺服电机的转速 可以精确地控制滑块相对于电机转角的位置 但这些研究只 限于用伺服电机控制单自由度机构 日本 美国 台湾的研究表明 采用伺服电机驱动机械式压力机 通过适当的控制 方法 能够精确地控制机械压力机冲锤的位置和速度 满足生产加工工艺对冲锤速度特 性的要求 从而提高生产率和产品质量 但由于伺服电机自身输出功率较小 无法满足 大中型曲柄压力机的要求 浙江大学叶云岳l 驯自8 0 年代木开始研究直线伺服电机驱动的锻压设备 成功地完 成了直线电机驱动小型压力机的研制 现在已能小批生产5 k n 1 0 k n 3 1 5 k n 6 3 k n 冲压机 1 0 0 k n 3 5 0 k n 的冲压机j 下在进行试制 理论和实践证明直线电机驱动压力机 结构简单 体积小 重量轻 易于采用智能化自动控制 冲压吨位 工作频率 冲压速 度和工作行程调节方便 非常具有发展潜力 目前其主要问题在于直线电机的设计和制 造技术还不能满足锻压设备的要求 大吨位的压力机研制还十分困难 通过以上研究表明 采用第一种方式 由于受到伺服电机功率和扭矩较小的限制 目前还很难用伺服电机直接驱动大 中吨位的压力机 随着对混合驱动机构研究的深入 6 新型混合驱动机械压力机的研究 天津大学机械工程学院张策教授领导的课题组 首先提出了混合驱动压力机的思想 即 采用第二种方式 并对此进行了系统的研究 陆永辉 7 l 在混合驱动曲柄压力机的研究中 首先根据冲压工艺对滑块的运动特性要 求 通过逆运动学分析求出伺服电机理想的运动规律 然后以伺服电机速度波动最小为 目标函数优化设计该机构的尺寸参数 卢宗武i8 通过对可控压力机机构的构型综合方法 可控参数变化时对滑块运动规律 的影响 尺寸综合 动力和功率分配等基本问题的研究 初步建立了可控压力机混合驱 动机构的设计框架 首先将基于拓扑理论的机构创新设计方法应用于可控压力机机构类 型综合 从原始机构出发 综合得到大量与之具有相同构件数和运动副数的机构 然后 根据设计要求从中选择了适于可控压力机的混合驱动机构 提出了机构正运动学尺寸综 合方法 解决了逆运动学尺寸综合方法伺服电机往复摆动的缺陷 实现了伺服电机的单 向整周转动 改善了伺服电机的工作状况 这些文献对混合驱动机构在压力机上应用的基本问题的研究以及对混合驱动压力机 的进一步研究奠定了基础 1 3 凸轮连杆组合机构口1 l 随着生产的发展以及机械化 自动化程度的提高 单一的基本机构诸如简单的连杆 机构 凸轮机构和齿轮机构等 往往不能满足复杂多样的自动机和生产自动线的要求 而需借助由多个或多种基本机构组成的组合机构来实现 目前 组合机构已在各种自动 机或自动生产线上得到广泛的应用 组合机构可以由同一种类的机构组成 如连杆机构 与连杆机构 凸轮机构与凸轮机构 齿轮机构与齿轮机构 槽轮机构与槽轮机构等 也 可以由不同种类的机构组成 如齿轮与连杆组成的齿轮一连杆机构 凸轮与连杆组成的凸 轮 连杆机构 凸轮与齿轮组成的凸轮 齿轮机构等 由基本机构组成的组合机构 型式多样复杂 其基本类型归纳起来可以分为串联式 封闭式 并联式和装载式四种 1 串联式组合机构 是由基本机构串联而成 前一个基本机构的输出构件是后一个 基本机构的原动件 2 封闭式组合机构 是利用自由度为1 的基本机构去封闭一个多自由度的基本机构 而成 3 并联式组合机构 是由n 个自由度为1 的基本机构的输出件与一个自由度为n 的基本机构的运动输入构件分别固联而成 它的n 个原动件的运动具有独立性 因此不 能保证两原动件 日j 的相对运动恒定不变 4 装载式组合机构 是将基本机构装载于另一基本机构的运动构件上而成 装载和 被装载基本机构所共有的运动构件可以为一个 也可以不止一个 7 陕西科技大学硕士学位论文 根据已有的分析可知 对于由基本机构组成的串联式组合机构和只有一个共有的运 动构件的装载式组合机构来说 各基本机构保持原来的运动关系 运动分析和设计都比 较简单 对于子机构为封闭式组合机构的串联式组合机构和共有的运动构件不止一个的 装载式组合机构来说 其运动分析和设计与封闭式组合机构相同 在现有的组合机构研 究中 绝大部分都是以封闭式组合机构为研究对象 而对于并联式组合机构来说 其自 由度一般为2 而传统的机器理论一般要求机构的自由度为1 因此 将很多并联组合机 构进行封闭 变成封闭式组合机构进行研究 简单的凸轮机构可以实现任意给定运动规律的往复运动 但在从动件作往复移动时 考虑到机构的压力角 冲程大的机构尺寸会很大 作往复摆动时 受压力角的限制 其 摆角又不能大 为此 采用可克服上述缺点的简单连杆机构 与可实现任意给定运动规 律的凸轮机构组合起来 凸轮连杆机构在实现轨迹和刚体导引方面具有无与伦比的优越 性 迄今为止将混合驱动理论应用于组合机构特别是凸轮连杆机构的研究的报道还很少 见 同其它混合驱动机构相比 混合驱动凸轮连杆机构系统具有输出精确 柔性工作空 间规范 柔性较大 设计容易等优点 特别是在精确实现柔性轨迹 成组运动轨迹及复 杂运动规律等方面 更具有独一无二的优势 因此 对混合驱动凸轮连杆机构系统的研 究具有重要的理论意义和良好的应用前景 1 4 课题的主要研究内容 在国内外学者对混合驱动机构领域研究的基础上 本论文首次提出将凸轮连杆机构 应用于混合驱动机械压力机的概念和意义 并将对混合驱动凸轮七杆压力机进行研究 涉及到混合驱动压力机机构选型 运动学分析和机构运动仿真等内容 本论文重点研究了混合驱动凸轮连杆机械压力机的可行性 平面闭链五杆机构的类 型以及混合驱动压力机机构的可动性条件 滑块运动行程分析以及机构运动学和动力学 仿真等内容 全文具体研究内容如下 1 混合驱动机械压力机的可行性分析与机构构型选择 分析了机械式压力机滑块的 典型运动规律 并对传统机械式曲柄滑块压力机 肘杆式压力机以及八杆 十杆等多连 杆压力机的机构方案和特点进行了分析 在此基础上 对混合驱动压力机的可行性进行 了论证分析 并选择了一种最简形式的混合驱动七杆压力机的结构形式 由于凸轮机构 有其独特的优越性 将其引入混合驱动七杆机构 得到了本论文将要重点研究的混合驱 动凸轮七杆压力机的机构形式 2 混合驱动凸轮连杆机械压力机机构的结构特性分析 由于混合驱动压力机的机构 构型是一个凸轮七杆机构 而该凸轮七杆机构是由一个凸轮二连杆机构 一个平面闭链 五杆机构和一个二级杆组组成 因此对这几部分结构分别进行了研究 对平面闭链五杆 8 新型混合驱动机械压力机的研究 机构的特性进行研究 得到了平面闭链五杆机构无条件双曲柄存在的充要条件 从机构 的奇异性分析入手 对存在滑块机构的五杆环路进行可动性分析 得出了满足该环路可 动性条件的杆长关系 运用图解法 对滑块可到达的行程范围进行了研究 由于该机构 是由伺服电机和常速电机混合驱动 两个电机驱动的杆组机构对滑块的运动都起了贡献 作用 通过单独分析各部分对滑块行程的影响 综合起来得出了滑块的运动行程范围 3 混合驱动机械压力机机构的运动学和动态静力分析 应用回路矢量法对混合驱动 凸轮连杆压力机机构进行正运动学 逆运动学分析 分别求出混合驱动凸轮连杆压力机 机构中各构件的位移 角位移 速度 角速度 加速度 角加速度 的解析表达式 在假定常规电机作等速回转运动 伺服电机按给定的运动规律运动的情况下 列出各构 件的力和力矩平衡方程 并把这些方程进行综合 建立混合驱动机械压力机机构的动态 静力模型 在己知构件的运动状态和冲压阻力时 可求出常规电机 伺服电机的平衡力 矩 各运动副中的反力及其变化规律 从而为混合驱动凸轮连杆压力机机构的优化设计 与综合打下了基础 4 混合驱动机械压力机的机构运动仿真研究 对虚拟样机技术进行了概述 对机构 运动仿真用到的软件p r 0 e n g 胍e r 及其p r o m e c h a n i s m 模块进行了简单介绍 详细说 明混合驱动机械压力机机构运动仿真模型的建立过程 并给出混合驱动凸轮连杆压力机 的正运动和逆运动仿真实例 证明混合驱动凸轮连杆机械压力机可以实现滑块的多组输 出运动规律 最后 建立混合驱动七杆机构运动仿真模型 对混合驱动七杆压力机的滑 块工作行程 滑块输出运动规律进行分析 并将其与混合驱动凸轮连杆机构进行对比分 析 5 建立了实现运动规律的混合驱动机械压力机的机构动力学仿真模型 在只考虑各 构件重力和滑块所受工作阻力的情况下 对常规电机和伺服电机的功率分配进行了初步 研究 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 混合驱动机械压力机的可行性分析与机构构型选择 在金属成形加工领域 特别是在冲裁 板料成型 薄板拉深工艺中 机械式曲柄压 力机得到了广泛的应用 冲压加工工艺不同 加工材料的厚度和要求的塑性变形速度不 同 要求机械式压力机应具有不同的运动输出特性 随着市场经济的发展 市场需求要 求产品花样多 变化快 批量小 这就要求现代压力机不仅能够高速度 高精度 大负 载地运转 而且应具有更大的柔性 能迅速 方便地改变输出运动规律 而单自由度系 统的曲柄滑块压力机或多连杆压力机很难满足这一要求 近年来发展起来的混合驱动机 构是一个值得研究和探讨的办法 混合驱动机构同时采用常速电机和伺服电机作为其动 力源 常速电机为系统提供主要动力 伺服电机起运动调节作用 两种类型的输入运动 通过一个二自由度机构合成后产生所需要的输出运动 这种系统既具有传统机械系统的 优点 又具有可控性 可调性 即具有柔性 能够提供多种输出运动规律 2 1 机械压力机输出运动构件的典型运动规律1 6 曲柄压力机执行机构输出构件的运动 可以用四种有代表性的规律来说明 如图2 1 和图2 2 所示 图中口为曲柄转角 s 为滑块相对于极限位置的位移 h 为滑块的行程 曲线1 是最常见的情况 此时 函数s h a 1 与余弦曲线相符合或相差很小 它广 泛应用于没有特殊运动学要求的各种执行机构上 例如大多数曲柄热模锻压力机 平锻 机和一般用途的板冲压力机上的主执行机构 曲线2 描述的运动规律与曲线1 描述的运动规律的差别在于 滑块在工作行程末端 的位移大大减慢 并在极限工作位置上停留一段时间 停留的时间取决于机构的方案和 构件的相对尺寸 一般取口一3 0 冷锻用压力机 如精压机 冷挤压压力机和某些冷镦 自动机 的主执行机构的滑块是按照上述规律运动的 它在工作行程末端的很小一段位 移上变形力急剧增大 6 0 1 2 01 8 02 4 0 3 0 0 奈 i f p 7 给n 3 弋 i 兮引 一 沁钐儿 图2 1 滑块的相对位移曲线 f i 9 2 lt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n tc h i v e so fs l i d e r 1 0 o 眈 弘 嘶 咐 她 新型混合驱动机械压力机的研究 r 乃 2衫1 1 kv 筇 譬 n k 图2 2 滑块的相对速度曲线 f i 9 2 2t h er e l a t i v ev e l o c i t yc u r v e so fs f i d e r 曲线3 描述的运动规律特点是 滑块在很大一段向下位移中 将近o 3 h 速度低 而且比较稳定 而在空行程阶段的速度要大于上述两种情况下的滑块速度 光洁冲裁压 力机和许多双动板冲压力机上 工作阻力急剧增大不是在滑块工作行程的末端 而是在 离极限位置以前很大一段行程上 设计这些压力机的主执行机构时 要采用曲线3 的运 动规律 深度拉深时 滑块在工作行程阶段的位移速度要受到变形板料表面上所允许的 接触应力 冲头和板料接触时在张紧的板料上所发生的应力以及液压气垫所允许的速度 的限制 采用曲线3 所示滑块运动规律的主执行机构 不提高变形速度 就可以将压力 机的生产率提高一倍 曲线4 所示的运动规律的特点是 滑块没有达到极限工作位置以前 在1 0 0 2 0 0 的曲柄转角内滞留不动 在双动的板冲和热模锻压力机 平锻机 带有可分凹模的冷锻 自动机上的闭合凹模以及压紧毛坯的辅助执行机构中 广泛采用这种运动规律 传统压力机通过选择适当的执行机构的型式及其构件的相对尺寸 就可以得到上述 四种典型运动规律的任何一种 但一种结构方案无法满足多种典型运动规律的要求 2 2 传统曲柄压力机的机构型式 在板料成形 薄板拉深工艺中 最早用于生产的机械压力机均采用曲柄滑块机构 如图2 3 所示 其中 a 为结点j 下置形式 b 为结点正偏置形式 常在平锻机中采用 c 为结点负偏置形式 常在挤压机中采用 人们在长期的使用过程中 特别是在薄板深 拉深工艺过程中 发现采用曲柄连杆机构的机械压力机有以下缺点 滑块在拉深过程中 运行的速度 加速度较大 使拉深成形中的零件易撕裂或起皱 产品合格率低 造成的 废品较多 上 下模合模的瞬时冲击力较大 使得主机 模具的使用寿命降低 负荷工 作区域的行程较短 不适应深拉深工艺负荷区域长的要求 这类压力机主机结构上的缺 陷极大地限制了深拉深工艺的发展 使得生产成本居高不下 生产效率很低 陕西科技大学硕士学位论文 为了满足高速发展的汽车 轻工等工业中薄板冲压成形 深拉深等工艺的需要 人 们不断地改造压力机使用的模具结构 使之能够克服压力机的缺陷 研制新型材质的钢 板 提高钢板的拉深性能 使之适应拉深工艺的特殊要求 研制各种有利于拉深工艺要 求的油脂 以减小模具与钢板之间的摩擦力 利用液压机代替曲柄连杆式的机械压力机 来完成拉深工艺 但这些努力均未能得到完全满意的结果 而机械压力机制造厂的工程 技术人员也在不断地探讨 从改变主传动的结构形式上来改善机械压力机的工作性能 研制出了多种适应于板料冲压 成形 拉深等工艺需要的机械压力机 最早的多连杆机械压力机出现在五十年代的德国 他们生产出我们称之为六杆 肘杆机构的机械压力机 其主要代表是s h l o m m a n 公司生产的闭式单动双点六杆3 0 0 0 吨机械压力机 可以在一次冲压工作行程中完成载重汽车大梁的落料 弯曲成形 冲孔 等工序 到了现在 世界上已生产出六杆 八杆 十杆等不同杆系 不同吨位 专用于 薄板成形 拉深工艺的多杆单 双动 单 双 四点机械压力机1 3 2 j 传统的曲柄压力机多采用曲柄滑块机构 肘杆机构 对于较为复杂的滑块运动规律 要求 则可能采用双肘杆 八杆 十杆等多杆机构 厂 一 i a b 图2 3 曲柄滑块机构 f i 9 2 3t h ec r a n k s l i d e rm e c h a n i s m c 1 曲柄滑块压力机 曲柄滑块机构是曲柄压力机工作机构中的主要类型 这种机构将旋转运动转变为往 复运动 并直接承受工件的变形力 它代表曲柄压力机的主要特征 这种结构的压力机 主要适用于板料的冲孔 落料 切边 整形 局部成形等 属于通用性冲压机床 这种 结构的压力机结构简单 适用的范围比较广泛 能满足一般冲压工艺要求 1 2 新型混合驱动机械压力机的研究 2 六杆机构的机械压力机 肘杆压力机 肘杆机构如图2 4 所示 分为三种形式 a 为肘杆式 b 为双肘杆式 c 为拉力 肘杆式 它一般用于较大工艺力的冲压工作 主要用于钢板的冲孔 落料 成形等冲压 工艺 这种结构的压力机机身结构紧凑 刚性强 其冲压和工艺力比相同尺度的曲柄滑 块压力机大 满负荷的工作区域较长 故工作效率高 a b 图2 4 肘杆机构 f i 9 2 4t h ee l b o w b a rm e c h a n i s m 3 八杆机构压力机 这种结构的压力机特别适应薄板冲压成形 深拉深等工艺 多用于大型薄板覆盖件 的大批量生产 如轿车 面包车 卡车的车顶 门