上三角肘杆式压力机主驱动机构的运动学分析_赵仁峰.pdf

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AbstractAiming at the kinematics characteristics of the main drive mechanism of the pressure machine，a triangular toggle rod main driving mechanism of the pressure machine was proposed． According to the working principle of the mechanism，the working principle schematic diagram and simulation model of the triangular toggle rod main driving mechanism were established． According to the geometric relations between connecting rods，the kinematic simulation of connecting rods 17 was pered in sequence by kinematics analysis software ADAMS． The curves of displacement， velocity and acceleration of connecting rod with different length were obtained． The motion characteristics of each rod with different lengths were obtained，the influence of each connecting rod on the working state of the main driving mechanism was analyzed，the motion law of the main driving mechanism of pressure machine was revealed． The study provides a theoretical basis for determining the parameters of the mechanism under actual working conditions，and lays a foundation for more in- depth and detailed research on the toggle rod mechanism． Key wordspress;triangular toggle rod;kinematics;ADAMS;simulation 机械压力机是一种广泛使用的冲压加工装备， 针 对机械压力机的特性要求主要分为运动学特性和动力 学特性研究 ［1 －5 ］。由于肘杆机构的具有显著的增大压 力的优势， 所以肘杆式伺服压力机的研究依然是该领 域的研究热点 ［6 －9 ］。 针对肘杆机构， 国际和国内上均有较多的研究。 Seok 等 ［10 ］提出了一种基于梯度的平面肘杆机构综合 方法， 得到了在设计空间内的多种候选机构。Sumin 等 ［11 ］应用一种肘杆机构分析求解了三种设计方案的运 动学， 并利用虚功原理建立了角速度比值， 以输出关节 角度小于 1时输出扭矩最大为目标对其各杆件尺寸进 行了分析。在国内， 杨春红等 ［12 ］应用矢量方程解析法， 针对曲柄肘杆机构建立了非线性运动学方程， 基于 MATLAB 软件对其进行了数值求解， 得到了该机构的 运动学的解并对计算结果进行图形化处理。赵升吨 等 ［13 ］在某单肘杆机构的基础上设计出了应用于压力机 的三种类型的三角肘杆机构， 并分别对其运动学特点 进行了分析。张亮等 ［14 ］借助 ADAMS 建立了优化仿真 模型， 对机构进行了分析。胡建国等 ［15 ］在对肘杆机构 进行定性分析后， 基于 ADAMS 进行了相应的分析和研 究。莫健华等 ［16 ］提出了一种新型的三角肘杆式伺服压 力机的传动机构， 并对其进行了仿真分析。方雅 ［17 ］针 对肘杆机构在速度、 力、 加速度等方面的性能虽好但不 突出的问题， 提出三角肘杆机构是在普通肘杆机构基 础上的改良。 ChaoXing 本文提出了一种上三角肘杆式连杆机械压力机结 构， 对压力机的上三角肘杆式主驱动机构进行了建模， 并对每一个杆件尺寸的变化所引起的运动学特性都进 行了仿真计算， 得到了肘杆机构的所有杆件在不同杆 长条件下其位移、 速度和加速度的变化曲线， 进而获得 了上三角肘杆机构各个杆长的运动特征， 揭示了上三 角肘杆式压力机主驱动机构在工作过程中的运动规 律， 为后续更深入和详细的进行肘杆机构的研究奠定 了一定基础。 1上三角肘杆机构仿真模型的建立 上三角肘杆式连杆机构的原理如图 1 所示。去除 机构的虚约束， 机构自由度为 f 3n －2p13 5 －2 7 1。因此， 当使用伺服电机给杆 6 施加以确定驱动， 机构具有确定运动。 图 1上三角肘杆机构原理图 Fig． 1 Schematic diagram of upper triangular bracket mechanism 其完整工作运动过程是 伺服电机驱动杆 6 沿竖 直方向上下运动， 带动杆 1 以及杆 1运动， 三角肘杆机 构通过铰链与杆 1 杆 1 连接， 从而带动两个三角肘 杆做平面运动， 同时带动杆 5 和杆 5运动， 从而带动杆 7 输出端 做上下往复运动， 实现压力机对材料的冲压 工艺过程。 为方便分析起见， 定义各角度为连杆所在直线与 X 轴正向所构成的逆时针夹角， 那么上三角肘杆机构的 各个杆分别对应为连杆 l1～ l5， 并在各连杆之间添加旋 转运动副， 进而在 ADAMS 环境中建立仿真模型如图 2 所示。杆 6 与杆 7 输出端 分别与大地添加移动副 Joint1 和 Joint2， 并在 Joint1 上添加移动驱动 yO 39t， 其中 t 为机构运行时间。 图 2 ADAMS 仿真模型 Fig． 2 ADAMS simulation model 2上三角肘杆机构杆长变化对运动学特性的 影响分析 2． 1连杆 1 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆 1 为与驱动杆相铰接的连杆， 考虑改变连杆 1 的结 构 尺 寸 l1， 选 取 5 组 数 据 90 mm， 100 mm， 120 mm， 140 mm 和 160 mm， 其中， l1 100 mm 为机构 原始尺寸。计算出取不同杆长尺寸时其他相关联的铰 接点坐标， 如表 1 所示， 根据表中数据建立仿真模型并 仿真， 得到 l1尺寸变化时连杆 7 输出端 所对应的位 移、 速度和加速度曲线， 如图 3 所示。 表 1连杆 1 尺寸变化对应的各铰接点坐标 Tab． 1 Coordinate changes of hinge points caused by dimension change of connecting rod 1 铰接点 坐标值 l190 mml1100 mml1120 mml1140 mml1160 mm O 0， 172． 7， 0 0， 183． 49， 0 0， 204． 63， 0 0， 225． 42， 0 0， 246． 01， 0 O－135． 5， 172． 7， 0－135． 5， 183． 49， 0－135． 5， 204． 63， 0－135． 5， 225． 42， 0－135． 5， 246． 01， 0 B－100， 90， 0－100， 90， 0－100， 90， 0－100， 90， 0－100， 90， 0 A－350， 0， 0－350， 0， 0－350， 0， 0－350， 0， 0－350， 0， 0 C－100， 0， 0－100， 0， 0－100， 0， 0－100， 0， 0－100， 0， 0 D－300， －181． 38， 0－300， －181． 38， 0－300， －181． 38， 0－300， －181． 38， 0－300， －181． 38， 0 D 0， －181． 38， 0 0， －181． 38， 0 0， －181． 38， 0 0， －181． 38， 0 0， －181． 38， 0 681振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 图 3连杆 1 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 3 Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 1 观察位置图 3 a 可知， 随着 l1的增大， 连杆 7 输 出端 的位移曲线几乎完全重合， 没有对其产生较大影 响; 在速度图 3 b 中， 在机构初始位置附近， 连杆 7 输 出端 的速度随着 l1的增大而减小， 在机构运行到下终 了位置附近时， 连杆1 尺寸变化引起连杆7 输出端 速 度更早接近于 0 mm/s， 说明增加连杆 1 的尺寸， 有利于 主传动系统低速冲压的要求; 观察加速度图谱3 c ， 连 杆 1 的尺寸变化对连杆 7 输出端 在初始位置的加速 度影响较小， 在两峰值处的值均随 l1的增大而减小， 在 机构下终了位置附近， 加速度的大小变化规律较不明 显， 只有当连杆 1 取 160 mm 的曲线， 加速度有趋于平 缓的变化趋势。 2． 2连杆 2 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆 2 为三角肘杆中的一个连杆， 考虑改变连杆 2 的结构尺寸， l2选取 5 组数据 245． 71 mm， 265． 71 mm， 285． 71 mm， 295． 71 mm 和 305． 71 mm， 其中， 其中， l2 265． 71 mm 为机构原始尺寸。计算出取不同杆长尺寸 时其他相关联的铰接点坐标， 根坐标数据建立仿真模 型并仿真， 得到 l2尺寸变化时连杆 7 输出端 所对应 的位移、 速度和加速度曲线， 如图 4 所示。 图 4连杆 2 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 4 Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 2 观察位置图 4 a 可知， l2的变化没有引起连杆 7 输出端 总行程的变化， 到达下终了位置的时间也相 同， 但在机构运动初期， 连杆 7 输出端 的下降速度随 着 l 2的增大而减慢; 在速度图谱中依然可见这一规律， 如 4 b 所示。随着 l2的增大， 初始速度有明显较小趋 势， 速度峰值有增大趋势， 在下终了位置， l2越小， 曲线 平台越明显， 因此， 为得到压力机具有较好的冲压速 度， 可以适当减小连杆 2 尺寸， 以得到较小冲压速度; 在加速度图 4 c 中， 连杆 7 输出端 的初始加速度和 终止加速度均没有太大变化， 但是加速度峰值随 l2的 增长而增大。 2． 3连杆 3 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆 3 为三角肘杆中的一个连杆， 考虑改变连杆 3 781第 10 期赵仁峰等上三角肘杆式压力机主驱动机构的运动学分析 ChaoXing 的结构尺寸， l3选取 5 组数据 230 mm， 250 mm， 270 mm， 290 mm 和 310 mm， 其中， l3250 mm 为机构 原始尺寸。计算出取不同杆长尺寸时其他相关联的铰 接点坐标， 根据坐标数据建立仿真模型并仿真， 得到 l3 尺寸变化时连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和加 速度曲线， 如图 5 所示。 图 5连杆 3 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 5 Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 3 观察图5 可知， 连杆3 的尺寸对连杆7 输出端 的 运动学性能均有较大影响。在位置图 5 a 中， 随着 l3 的增加， 连杆 7 输出端 的位移显著增加， 这与连杆 7 输出端 的尺寸变化引起自身运动学性能的变化规律 一致但更为明显， 而速度图 5 b 中， 连杆7 输出端 的 初始速度随着 l3 的增大而有所增大， 但速度峰值增大 的效果更突出， 在加速度图 5 c 中， 在 l3为 310 mm 时， 初始加速度突然增大， 不利于电机控制， 但在机构 下终了位置附近， 出现加速度变化平缓趋势， 在曲线峰 值处， 加速度随着 l3的增加而增大。 2． 4连杆 4 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆4 为三角肘杆中的一个连杆， 考虑改变连杆4 的 结构尺寸， l4选取 5 组数据 70 mm， 90 mm， 110 mm， 130 mm和150 mm， 其中， l490 mm 为机构原始尺寸。计 算出取不同杆长尺寸时其他相关联的铰接点坐标， 根据坐 标数据建立仿真模型并仿真， 得到 l4尺寸变化时连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和加速度曲线， 如图6 所示。 图 6连杆 4 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 6Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 4 观察位置图 6 a 可知， 大约在 1． 4 ～ 3 s 的过程 中， 连杆 7 输出端 的下降位移随着 l4的增大而减小， 但在初始阶段和终止阶段没有明显变化; 在速度图 6 b 中， l4的增大使得连杆 7 输出端 的速度峰值减 小且有向右移动的趋势， 在下终了位置附近， l4的增大 会导致连杆 7 输出端 速度更接近于 0 mm/s; 观察加 速度图 6 c 可知， 随着 l4的增大， 加速度峰值向右偏 移。当 l4取值 150 mm 时， 连杆 7 输出端 的初始加速 度为正， 因此可知在机构行程内连杆 7 输出端 做变 加速减速运动， 机构的速度在下终了位置附近偏小。 881振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 2． 5连杆 5 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆 5 为三角肘杆中的一个连杆， 考虑改变连杆 5 的结构尺寸， l5选取 5 组数据 250 mm， 270 mm， 290 mm， 310 mm 和 330 mm， 其中， l5 270 mm 为机构 原始尺寸。计算出取不同杆长尺寸时其他相关联的铰 接点坐标， 根据坐标数据建立仿真模型并仿真， 得到 l5 尺寸变化时连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和加 速度曲线， 如图 7 所示。 在位置图 7 a 中， 连杆 7 输出端 位置随 l5的增 大而减小， 导致机构的运动总行程减小， 这将导致压力 机主驱动系统达不到工作位置， 不利于冲压; 速度图 7 b 中， 机构速度在初始位置与终了位置均没有明显 变化， 说明连杆 5 的尺寸几乎没有对初始速度和终止 速度产生影响， 只影响了速度的峰值大小， 且随着 l5的 增大而峰值减小; 加速度图7 c 中， 初始加速度以及峰 值处的加速度均随着 l5的增大而减小， 在接近下终了 位置附近， 加速度曲线基本重合。 2． 6连杆 6 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆 6 为三角肘杆中的一个连杆， 考虑改变连杆 6 的结构尺寸， l6选取 5 组数据 250 mm， 270 mm， 290 mm， 310 mm 和 330 mm， 其中， l6 270 mm 为机构 原始尺寸。计算出取不同杆长尺寸时其他相关联的铰 接点坐标， 根据坐标数据建立仿真模型并仿真， 得到 l6 尺寸变化时连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和加 速度曲线， 如图 8 所示。 观察位置图8 a 可知， 连杆7 输出端 的位移总行程 没有随 l6的变化而变化， 但是随着 l6的增大， 连杆7 输出 端 到达下终了位置的时间减短， 说明当压力机主传动系 统即将挤压工件时， 机构下降缓慢， 满足低速挤压工件的 要求; 同时速度曲线也说明了这一点， 如图 8 b 所示， 随 着 l 6的增大， 连杆7 输出端 的速度峰值增大， 而在下终 了位置处， 速度曲线的平台较之其他曲线更加明显; 对于 加速度图8 c ， 连杆7 输出端 的初始加速度没有较大变 化， 但两峰值处的加速度值会随着 l6的增加而增大， 但是 在机构下终了位置处， 连杆7 输出端 的加速度随着 l6增 大而减小， 有利于减小机构对芯盒的冲击。 图 7连杆 5 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 7 Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 5 图 8连杆 6 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 8 Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 6 981第 10 期赵仁峰等上三角肘杆式压力机主驱动机构的运动学分析 ChaoXing 2． 7连杆 7 长度的变化对压力机输出端运动学特性 的影响 连杆 7 为三角肘杆中的压力机的输出端， 考虑改 变连杆 7 的结构尺寸， l7选取 5 组数据 580 mm， 600 mm， 620 mm， 640 mm 和 660 mm， 其中， l7600 mm 为机构原始尺寸。计算出取不同杆长尺寸时其他相关 联的铰接点坐标， 根据坐标数据建立仿真模型并仿真， 得到 l7尺寸变化时其自身所对应的位移、 速度和加速 度曲线， 如图 9 所示。 观察图9 可知， 连杆7 输出端 的尺寸变化依然会 引起自身运动学特性的变化。从图 9 a 可知， 各尺寸 下连杆 7 输出端 位置的变化趋势基本一致， 且随着 自身尺寸的增大， 位移明显增大， 因此， 增加连杆 7 输 出端 的尺寸有助于提高压力机主传动系统的行程; 图 9 b 中， 初始速度没有太大变化， 速度峰值处的值随着 l7的增大而小幅度增大， 各曲线的变化规律几乎相同， 直至机构到达下终了位置; 加速度图 9 c 中， 连杆 7 输出端 的尺寸的增大对初始加速度影响较大， 且随 着 l 7的增大而增大， 之后各曲线变化幅度较小， 在机 构下终了位置， l7的增大对加速度有少许增大的 影响。 3三角肘杆三边尺寸同时变化对压力机输出 端运动学特性的影响 三角肘杆三边分别为杆 2、 杆 3、 杆 4， 当三边尺寸 同时变化时， 即保持该三角形为直角三角形， 杆 2 为斜 边。各杆的尺寸变化分别取原始杆长的 0． 8 倍、 0． 9 倍、 1 倍、 1． 1 倍、 1． 2 倍这五组数据。三角肘杆三边尺 寸同时变化时连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和 加速度曲线， 如图 10 所示。 图 9连杆 7 尺寸变化时对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 9 Kinematics characteristic curve of output port corresponding to size change of connecting rod 7 图 10三角肘杆三边尺寸同时变化对应的输出端运动学特性曲线图 Fig． 10 Kinematics characteristic curve of output of triangular toggle with simultaneous change of three sizes 观察图10 c 谱分析可知， 在三角肘杆尺寸倍数为 0． 8 时， 连杆 7 输出端 的加速度在下终了位置附近急 剧增加; 速度曲线也与其他曲线走势不一致， 如图 10 b 所示， 可以推测此杆系尺寸已经导致了结构错 误， 但是不影响分析其他曲线特点。而在三角肘杆尺 寸倍数为 1． 2 时， 机构出现了更严重的结构错误， 故在 091振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 此没有做仿真分析。 观察其余尺寸倍数下的位置图谱10 a 可知， 三角 肘杆整体尺寸变化对连杆 7 输出端 的位置影响程度 较大， 且随着倍数的增大而增大; 速度图 10 b 中， 会 随着倍数的增大会导致速度峰值增大; 观察图10 c 可 知， 加速度的两处峰值也出现了与速度峰值变化规律 相一致的变化趋势， 在到达机构下终了位置处归为 一值。 4结论 1 提出了一种上三角肘杆式伺服压力机主驱动 机构， 建立了上三角肘杆式伺服压力机的主驱动机构 仿真计算模型。 2 得到了肘杆机构的每个连杆在尺寸单独变化 情况下连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和加速度 的变化曲线图和其运动特点， 获得了三角肘杆三边尺 寸同时变化时连杆 7 输出端 所对应的位移、 速度和 加速度的变化曲线图。揭示了上三角肘杆式压力机主 驱动机构在工作过程中的运动规律。 3 针对滑块的运动学特征， 该机构在非工作行程 内具有急回特性， 且滑块在冲压作业过程中速度变化 平缓， 接触工件时冲击性小， 满足先进冲压成形的工艺 要求。 参 考 文 献 ［1］ 程超， 丁武学， 孙宇． 八连杆压力机传动机构的优化设计 ［ J］ ． 锻压技术， 2017， 42 8 88 －92． CHENG Chao，DING Wuxue，SUN Yu． Optimization design on transmission mechanism for eight- bar linkage press［J］ ． Forging ＆ Stamping Technology， 2017， 42 8 88 －92． ［2］ 杜威， 赵升吨， 金利英． 采用 NSGA_II 多目标优化算法的 机械压力机三角形肘杆机构优化设计［J］ ． 锻压技术， 2018， 43 11 77 －82． DU Wei，ZHAO Shengdun，JIN Liying． Optimization design on triangle elbow bar mechanism of mechanical press using NSGA_Ⅱmulti- objective optimization algorithm［J］ ． Forging ＆ Stamping Technology， 2018， 43 11 77 －82． ［3］ 王中双， 韦静． 肘杆式压力机机构动力学建模与分析向量 键合图法［ J］ ． 振动与冲击， 2019， 38 11 140 －145． WANG Zhongshuang，WEI Jing．Dynamic modeling and analysis of elbow- bar press mechanism by vector bond graph ［ J］ ． Journal of Vibration and Shock ， 2019， 38 11 140 －145． ［4］ 贾先， 赵升吨， 范淑琴， 等． 新型 200 kN 双电机螺旋副直驱 式回转头压力机运动学和动力学研究［ J］ ． 机械科学与技 术， 2017， 36 8 1205 －1211． JIA Xian，ZHAO Shengdun，FAN Shuqin，et al． Research on kinematics 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