孟衛(wèi)校， 包松東， 魏二濤

(金豐沖壓裝備工程技術中心，浙江寧波315221)

0 引 言

沖壓機械的工作原理是利用曲柄連桿機構，通過齒輪傳遞轉矩，把圓周運動轉化成滑塊的直線運動。而沖壓機械通過模具來控制金屬流動，通過金屬體積的大量轉移來成型零件。常規(guī)的曲柄工作時速度符合余弦曲線特征，在下死點位置時滑塊速度高且不平穩(wěn)，容易引起材料的破壞性拉裂。另外隨著材料技術的不斷進步，沖壓件的厚度越來越薄，壓印和壓記等工藝就需要在冷擠壓的過程中防止翹邊，需要保壓這個工藝，因此需要沖壓機在工作過程中速度慢且平緩。滑塊的速度曲線與連桿的數(shù)量、角度和連桿的相對位置有關，如何在多種自由度的基礎上生成理想的速度曲線就成為設計工作的關鍵因素。傳統(tǒng)的多連桿機構一般采用解析法來設計，這種方法工作量大，精度難以保證。目前比較流行的多連桿機構為八連桿機構和六連桿機構，但這兩種機構多用于制作體積較大鈑金件的沖壓設備，對于小臺面沖壓設備來說，空間受限無法使用。本文主要研究的是小臺面單點高速小行程沖壓機械的多連桿結構。并通過與傳統(tǒng)曲柄壓力機的v-t曲線對比分析，該機構的滑塊在沖壓狀態(tài)時速度慢且平緩。

圖1 多連桿傳動機構的結構

1 多連桿傳動機構的結構組成

圖1為多連桿傳動機構，共由6部分組成（滑塊略）。大齒輪1以偏心軸為圓心以角速度ω做勻速圓周運動，帶動搖桿2和主連桿3做非勻速圓周運動。搖桿2以曲柄旋轉中心為圓心帶動曲柄5做非勻速圓周運動，從而實現(xiàn)曲柄5帶動滑塊在直線方向做非余弦曲線運動。

圖2 平面六連桿機構

2 數(shù)學模型的建立

如圖2所示，以O為圓心，連桿L4（主動輪）以角速度ω勻速圓周運動，通過連桿機構帶動滑塊上下運動，盡量保證滑塊在工作過程中壓力穩(wěn)定，減小滑塊的工作行程。

2.1 確定連桿變量

連桿的長度、相對角度和位置等變量，按照原動件和從動件對應關系建立以下參數(shù)：L4作為主動件，L1、L2、L3、L5、L6為 從 動 件，θ為搖桿相對曲柄和連桿的夾角（曲柄在上死點位置）。本方法是通過控制搖臂的速度來改變曲柄的運動速度曲線，故L5和L6取定值，把上述連桿機構簡化為四連桿機構，如圖3所示。

取設計變量分別為

圖3 四連桿機構

2.2 建立目標函數(shù)

根據(jù)設計目標需要滑塊在接近下死點位置時速度平緩且穩(wěn)定，根據(jù)動力分析得出θ在198°～227°范圍內(nèi)速度曲線最佳，因此建立目標函數(shù)：

根據(jù)余弦定理可以推出：

2.3 確定曲柄約束條件

即約束公式為：

為了實現(xiàn)機構具有良好的傳力性能，δ應該滿足70°≤δ≤120°時M點相對位置差值最大，即連桿L4與L2共線位置時。建立約束條件：

由此得出約束方程為：

2.4 設計變量參考范圍

綜上所述，連桿機構優(yōu)化后的數(shù)學模型為：

針對上述的非線性多元函數(shù)計算，利用MATLAB中的fmincon（）函數(shù)對約束優(yōu)化問題進行求解，得出最小值如表1所示。

表1 運算結果

3 SolidWorks運動仿真

達索公司設計的SolidWorks 軟件中無縫集成的COSMOS Motion三維動力學仿真軟件可以添加運動、約束、力等機械條件，對機械運動和動力進行仿真模擬，把零部件的運動軌跡、速度、加速度生成動畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種參數(shù)。本文所使用到的是通過二維平面草圖的形式來仿真滑塊的運動曲線。把傳動齒輪、連桿、曲柄簡化成直線，制作成塊，在布局中約束各個塊位置和角度，步驟如圖4所示。

下面以SPM30次/min 為例，設置仿真畫面時間為2 s，每秒輸出180幀，取L5=175 mm, l6=1560 mm，其他參數(shù)按表1，通過COSMOS Motion進行運動仿真計算?；瑝K行程和速度曲線如圖5、圖6所示。從圖可以得出，曲柄在211.5°時，滑塊的速度趨近于0。

圖4 仿真步驟

圖5 行程曲線

圖6 速度曲線

通過行程曲線和速度曲線以及和常規(guī)曲柄連桿機構速度曲線的對比，可以得出結論：滑塊接近下死點位置時更加平緩穩(wěn)定，而回程速度較快。

4 實 例

以金豐生產(chǎn)的單點SLS-650沖壓設備為例，分別取連桿L5=175 mm，L6=1560 mm。參數(shù)如表2所示。

圖7 與常規(guī)曲柄機構的速度曲線對比

表2 參數(shù)選擇

SPM設定為30 次/min，通過凸輪機構抓取現(xiàn)場滑塊的運動曲線如圖8所示。

圖8 運動曲線

由于加工誤差和裝配誤差的存在，SLS-650實機中曲柄在209.5°時滑塊線速度趨近于0。與參數(shù)修正前的211.5°相比，誤差為2°。另外相比常規(guī)曲柄連桿機構噪聲也由原先的72 dB減低到65 dB。根據(jù)成機實際參數(shù)與理論仿真參數(shù)的對比，誤差在可接受范圍。

5 結 論

利用計算機輔助設計和運動仿真工具組合對簡化的平面?zhèn)鲃訖C構進行優(yōu)化計算和運動仿真，完成對三維裝配體的可視化模擬，為多連桿機構設計提供了一種全新的設計思路,為多自由度連桿的設計提供設計依據(jù)。