趙升噸，張宗元，張貴成，2，張超，陳超，賈先

(1.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西西安710049;2.廣東鍛壓機床廠有限公司，廣東佛山528000)

回轉(zhuǎn)頭壓力機是傳統(tǒng)的鍛壓機械，一般由下面幾個部分組成:

(1)工作機構(gòu)。傳統(tǒng)的壓力機一般為曲柄滑塊機構(gòu)，由曲軸、連桿、滑塊等零件組成;(2)傳動機構(gòu)，包括齒輪傳動、皮帶傳動等機構(gòu);(3)操作系統(tǒng)，如離合器、制動器;(4)能源系統(tǒng)，如電機、飛輪;(5)支撐部件，如機身。按照其結(jié)構(gòu)特點可分為三類產(chǎn)品，包括機械式壓力機、液壓式壓力機以及以伺服電機直接驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式。

近年來，隨著電機調(diào)速和伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，采用伺服電機驅(qū)動主傳動系統(tǒng)的數(shù)控伺服壓力機，具有沖壓速度高、節(jié)能低噪聲、環(huán)保無液壓油等優(yōu)點。為了適應(yīng)高速發(fā)展的汽車、輕工業(yè)等工業(yè)的飛速發(fā)展，沖壓成型工藝一直在不斷地發(fā)展和改進(jìn)，作為壓力機的主傳動機構(gòu)，一直是壓力機技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一。主傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式上主要有直線電機驅(qū)動式、螺桿式、曲柄式、肘桿式、差動輪系，這幾種形式通過單一使用、兩兩組合或者3種結(jié)合使用。近年來，國內(nèi)外研究人員對此方面進(jìn)行了大量改進(jìn)和實踐，研制出了多種形式的壓力機工作機構(gòu)。在傳統(tǒng)曲柄滑塊機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了適應(yīng)不同沖壓工藝的肘桿式、多連桿式機構(gòu)，大大提高了壓力機的力學(xué)性能和運動特性。

為了深入研究肘桿機構(gòu)的優(yōu)缺點，分別設(shè)計了3種不同類型的肘桿式壓力機工作機構(gòu)，分別建立其數(shù)學(xué)模型，并分別對其桿系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并建立各自的三維結(jié)構(gòu)模型，然后分別分析對比這3種不同類型的肘桿式壓力機工作機構(gòu)的動力學(xué)性能。

1 傳統(tǒng)曲柄滑塊式結(jié)構(gòu)

圖1 曲柄滑塊壓力機的原理圖

曲柄滑塊壓力機的原理如圖1。曲柄滑塊機構(gòu)因結(jié)構(gòu)可靠、生產(chǎn)效率高、操作簡便成為傳統(tǒng)壓力機最主要的工作機構(gòu)。經(jīng)過長期的研究與使用，曲柄滑塊機構(gòu)的運動規(guī)律及受力分析都已經(jīng)很成熟，這類機構(gòu)具有以下缺點:(1)曲柄壓力機的滑塊總是按照正弦曲線的規(guī)律變化，在拉伸過程中運行的速度、加速度較大，使得滑塊速度變化規(guī)律不理想，公稱壓力行程較小;(2)上、下模合模的瞬時沖擊力較大，使得噪聲比較大，主機和模具的使用壽命降低;(3)機構(gòu)的增力效果不明顯，導(dǎo)致曲軸上所需的輸出扭矩比較大，傳動機構(gòu)的尺寸要求比較大，使得生產(chǎn)成本居高不下，生產(chǎn)效率低。

按照滑塊結(jié)點位置可將曲柄滑塊機構(gòu)分為結(jié)點正置的曲柄滑塊機構(gòu)、結(jié)點偏置的曲柄滑塊機構(gòu)，其中結(jié)點偏置的曲柄滑塊機構(gòu)還分為正偏置和負(fù)偏置機構(gòu)，見圖2。結(jié)點偏置的曲柄滑塊機構(gòu)可以改善壓力機的受力狀態(tài)和運動特性，從而提高壓力機的精度，以適應(yīng)不同的工藝要求。正偏置機構(gòu)常在平鍛機中采用，負(fù)偏置機構(gòu)則常在熱末端壓力機和冷擠壓機中采用。

圖2 結(jié)點偏置的曲柄滑塊機構(gòu)簡圖

曲柄滑塊式壓力機工作機構(gòu)經(jīng)過多年的發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)了雙驅(qū)動 (DualDrive)。曲柄壓力機，雙驅(qū)動機構(gòu)可以使滑塊在上死點以非常慢的速度，而在下死點以非?？斓乃俣冗\行，為了實現(xiàn)這種滑塊運行方式，這種壓力機配備有兩套驅(qū)動裝置。一套傳統(tǒng)的主驅(qū)動裝置，帶有飛輪、組合在飛輪中的離合器/制動器及行星齒輪減速單元。一套變頻控制的輔助驅(qū)動裝置，負(fù)責(zé)除鍛造過程以外時間滑塊的運行。采用被稱為DualDrive的這種驅(qū)動方式，可以使滑塊在上死點區(qū)域以6～12次/min的速度運行，而在下死點區(qū)域則以60～120次/min的速度運行。這樣可將模具的燜模時間減少到最低限度，從而提高了模具的壽命，此外，還延長了用于進(jìn)行模具冷卻和零件傳輸?shù)臅r間。這意味著，在充分利用壓力機效能的基礎(chǔ)上顯著提高壓力機的生產(chǎn)率。

2 肘桿式工作機構(gòu)

肘桿式機構(gòu)是一種簡單的多連桿機構(gòu)，這種機構(gòu)相比較曲柄連桿機構(gòu)，在曲柄連桿上增加了幾個構(gòu)件，從而增加了機構(gòu)工作特性的可變因素?？梢酝ㄟ^調(diào)整或改變?nèi)魏我粭U的長度或曲柄和擺桿鉸銷之間的距離，改變這個機構(gòu)的動力和運動特性，具有工作特性優(yōu)良、增力比大的優(yōu)點。圖3是幾種不同的肘桿式機構(gòu)原理圖。

圖3 3種不同肘桿式機構(gòu)原理圖

肘桿式壓力機的工作區(qū)域比普通的曲柄連桿壓力機的工作區(qū)域長，在整個工作區(qū)域內(nèi)能實現(xiàn)滿負(fù)荷沖壓，并且能夠適應(yīng)不同加工工藝的需求。肘桿式壓力機不僅能夠?qū)崿F(xiàn)很理想的滑塊運動曲線，以及較大的增力特性，更重要的是能夠大大降低伺服電機的輸出扭矩，從而避免大功率伺服電機存在的成本高、高耗能、伺服控制困難等問題。根據(jù)肘桿結(jié)構(gòu)的不同，可分為等長肘桿型和三角肘桿型。圖4為日本小松公司H1F系列伺服壓力機傳動結(jié)構(gòu)，是典型的三角肘桿機構(gòu)，伺服電機通過一級皮帶和一對齒輪減速后由肘桿機構(gòu)驅(qū)動滑塊實現(xiàn)加工運動。

圖4 小松H1F伺服壓力機傳動系統(tǒng)

與曲柄連桿機構(gòu)相比，在伺服壓力機設(shè)備中采用肘桿式機構(gòu)，具有如下優(yōu)點:

(1)根據(jù)不同的工藝要求，設(shè)計不同桿長、三角肘桿夾角，實現(xiàn)最理想的滑塊運動曲線，獲得足夠長的工作區(qū)域，保證沖壓工件的質(zhì)量，并具有更好的急回特性，提高生產(chǎn)效率。

(2)可以降低滑塊在工作區(qū)域時的速度，減小了振動和沖擊，使機器工作穩(wěn)定、噪聲降低，同時提高了模具壽命。

(3)用較小的曲柄半徑就可獲得較大的滑塊行程，擴大了壓力機的加工范圍，有利于減小壓力機的結(jié)構(gòu)尺寸和提高壓力機的結(jié)構(gòu)剛性。

(4)具有較好的增力特性，能夠大大降低伺服電機的輸出扭矩，有利于減小伺服電機容量，提高壓力機噸位。

3 3種類型的肘桿式工作機構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計

上一節(jié)提到肘桿機構(gòu)具有眾多優(yōu)點，已經(jīng)在伺服壓力機上得到廣泛的應(yīng)用。多連桿式機構(gòu)相比較肘桿機構(gòu)桿數(shù)多，參數(shù)復(fù)雜，設(shè)計思路和計算方法也就相應(yīng)復(fù)雜，但是多連桿機構(gòu)可通過非獨立構(gòu)件尺寸參數(shù)的設(shè)計計算，優(yōu)化出最合理的參數(shù)，使伺服壓力機精確滿足理想的技術(shù)參數(shù)和運動曲線，特別是外滑塊的位移波動量精確地控制在拉延工藝方面的應(yīng)用，從而提高壓力機的使用性能。

現(xiàn)代伺服壓力機廣泛采用多連桿機構(gòu)作為其工作機構(gòu)。按照多連桿的機構(gòu)形式，內(nèi)滑塊多連桿機構(gòu)可分為曲柄做變速運動的曲柄滑塊機構(gòu)、雙驅(qū)動多連桿機構(gòu)、“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)、復(fù)合多連桿機構(gòu)等;外滑塊多連桿機構(gòu)可分為串聯(lián)四連桿機構(gòu)等。下面結(jié)合3種典型的多連桿式工作機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，然后分析對比這3種多連桿式工作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性及運動特性。圖5是3種不同肘桿機構(gòu)的工作機構(gòu)圖。

圖5 3種不同肘桿機構(gòu)的工作機構(gòu)圖

3.1 三角連桿機構(gòu)

三角連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較簡單，由曲柄、三角連桿、上肘桿、下肘桿及滑塊組成。建立三角形連桿機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，如圖5(a)所示。

整個機構(gòu)的運動參數(shù)為時間和曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)。假設(shè)曲柄以ω的角速度勻速轉(zhuǎn)動，通過平面機構(gòu)運動分析當(dāng)中的解析法可求得:

(1)滑塊位移方程為:

(2)滑塊速度方程為:

式中:

(3)滑塊加速度方程為:

3.2 “連桿曲線”型六連桿機構(gòu)

“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)運動特性與受載特性較好，通用性好，是目前肘桿機構(gòu)中用的較多的一種?！斑B桿曲線”型六連桿機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，如圖5(b)所示。

滑塊位移、速度、加速度均是曲柄轉(zhuǎn)角α的函數(shù)，假設(shè)曲柄R以逆時針方向等角速度ω旋轉(zhuǎn)，下死點位置是曲柄R，桿l4，桿l5共線時刻。由圖中可以看出，滑塊位移方向通過曲柄的旋轉(zhuǎn)中心O。由分析法計算得出“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)的運動學(xué)方程。

(1)滑塊位移方程為:

(2)滑塊速度方程為:

(3)滑塊加速度方程為:

3.3 串聯(lián)四連桿機構(gòu)

串聯(lián)四連桿機構(gòu)一般采用三組四連桿機構(gòu)串聯(lián)。由于四連桿機構(gòu)在曲柄與連桿共線位置附近，主動曲柄與從動搖桿間有較大的瞬時減速比，因此當(dāng)被串接的四連桿機構(gòu)數(shù)增加，并且均在共線位置附近工作時，機構(gòu)可獲得很大的降速比?！按?lián)四連桿機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，如圖5(c)所示。同樣，曲柄以順時針方向等角速度ω旋轉(zhuǎn)。以下為建立的機構(gòu)運動學(xué)方程。

(1)滑塊位移方程為:(2)滑塊速度方程為:

(3)滑塊加速度方程為:

4 3種類型的肘桿式工作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

利用MTALAB軟件對3種不同類型肘桿機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型編程，并以滑塊行程為25 mm作為約束條件，以滑塊在4 mm公稱壓力行程內(nèi)的最大速度最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，利用MTALAB軟件編寫程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)最終優(yōu)化結(jié)果分別確定3種類型的三角肘桿式壓力機工作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

利用MATLAB軟件，對3種類型的肘桿機構(gòu)數(shù)學(xué)模型分別編寫運動特性仿真程序，設(shè)定滑塊行程次數(shù)400次/min，對其運動學(xué)特性進(jìn)行模擬仿真，并將仿真結(jié)果進(jìn)行分析對比?？傻贸鋈N不同類型的肘桿機構(gòu)的滑塊位移、速度、加速度曲線如圖6、7、8所示。

圖6 三角連桿機構(gòu)運動特性曲線圖

圖7 “連桿曲線”型六連桿機構(gòu)運動特性曲線圖

由圖6可見，三角連桿機構(gòu)位移變化規(guī)律為類正弦曲線，需要關(guān)注的是在壓力行程內(nèi)三角連桿機構(gòu)的位移、速度、加速度的大小及變化情況。由圖中可以看出，在4 mm壓力行程內(nèi)，三角連桿機構(gòu)的最大速度為108.5 mm/s，最大加速度為1 653.8 mm/s2。

圖8 串聯(lián)四連桿機構(gòu)運動特性曲線圖

由圖7、圖8可以看出，“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)和串聯(lián)四連桿機構(gòu)位移變化規(guī)律與三角連桿機構(gòu)具有明顯不同，在很大程度上改變了滑塊運動特性曲線。由圖6可以看出“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)在工程壓力范圍內(nèi)，滑塊的位移、速度、加速度都有明顯的改善，其最大速度為92.8 mm/s，最大加速度為1 457.9 mm/s2。由圖7可以看出串聯(lián)四連桿機構(gòu)滑塊只有在工程壓力范圍附近，滑塊才有明顯的位移和速度?？梢钥闯龃藱C構(gòu)具有明顯的急回特性，其最大速度為123.2 mm/s，最大加速度為1 872.2 mm/s2。

由此可以得出，在此工作情況下“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)在壓力行程內(nèi)的最大速度最小，加速度也最小，滑塊速度變化最平穩(wěn)，工作情況最穩(wěn)定，有利于提高零件加工質(zhì)量，減小零件對模具的沖擊，延長模具使用壽命。

5 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)的曲柄滑塊機構(gòu)相比，采用肘桿式機構(gòu)能夠大大降低回轉(zhuǎn)頭壓力機所選用的交流伺服電機的輸出扭矩及功率。

(2)三角連桿機構(gòu)是相對簡單的肘桿機構(gòu)，在這種小行程、高頻率的工作壓力機中，其對滑塊運動特性的改變不是很明顯。

(3)串聯(lián)四連桿機構(gòu)主動曲柄與從動搖桿間有較大的瞬時減速比，因此當(dāng)被串接的四連桿機構(gòu)數(shù)增加，并且均在共線位置附近工作時，機構(gòu)可獲得很大的降速比。

(4)為了減小模具的沖擊，延長模具使用壽命，希望回轉(zhuǎn)頭壓力機在壓力行程內(nèi)的最大速度最小，當(dāng)以壓力行程內(nèi)的最大速度最小為優(yōu)化目標(biāo)時，“連桿曲線型”六連桿機構(gòu)相對于三角連桿機構(gòu)、串聯(lián)四連桿機構(gòu)性能更好。

［1］何德譽.曲柄壓力機［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1985.

［2］蘇敏，王隆太.幾種伺服壓力機傳動機構(gòu)方案的分析與比較［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43(5):35 －38.

［3］董桂偉，欒貽國，孫琳琳，等.拉延壓力機多連桿機構(gòu)運動分析與優(yōu)化設(shè)計［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，46(1):27－30.

［4］趙升噸，張學(xué)來，高長宇，等.高速壓力機的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40(1):17－25.

［5］莫健華，張正斌，呂言，等.三角肘桿式伺服壓力機傳動機構(gòu)的仿真與優(yōu)化［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46(1):21－25.

［6］朱新武，聞開斌，任東杰.肘桿式伺服壓力機的運動分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，27(4):29 －32.

［7］方喜峰，陸宇平，吳洪濤，等.肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運動和動力學(xué)分析與設(shè)計優(yōu)化［J］.機械與電子，2007(11):3－6.