李憲芝, 王漫潼, 于傳琳, 劉 威, 張占英

(營口理工學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,遼寧 營口 115014)

0 引 言

變胞機(jī)構(gòu)是1998年首次提出的一種能從一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式變換到另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，通常是在工作中自由度和有效構(gòu)件數(shù)也跟著發(fā)生變化的機(jī)構(gòu)[1]。工作時(shí)該機(jī)構(gòu)可高度折疊和展開，具有結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化和自動(dòng)組合等特點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)還可根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)功能的需求或環(huán)境等的變化，進(jìn)行重新組建和重新架構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)中改變結(jié)構(gòu)構(gòu)態(tài)，從而構(gòu)件自由度或構(gòu)件數(shù)量發(fā)生改變，以達(dá)到不同工作要求環(huán)境下所需要機(jī)構(gòu)的任務(wù)需求，應(yīng)用于不同場合。

在沖壓加工中，沖床的送料機(jī)構(gòu)是極其重要的組成部分。送料機(jī)構(gòu)需要作往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)周期小于沖模的上下運(yùn)動(dòng)周期，在沖模下降進(jìn)入工作階段之前，送料機(jī)構(gòu)要將板材送入指定位置(即下模之上)，當(dāng)沖壓加工完成之后，進(jìn)入下一次加工之前，送料機(jī)構(gòu)再進(jìn)行下一次送料，如此往復(fù)進(jìn)行。在此，為了滿足一些特定的加工要求，減少設(shè)計(jì)成本，對(duì)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中進(jìn)行了機(jī)構(gòu)重新組合變化，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的組合即可滿足此需求。

在此，對(duì)自動(dòng)送料沖壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)送料沖壓一體化操作，又能保證停歇運(yùn)動(dòng)要求，簡化了送料沖壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 自動(dòng)送料沖壓機(jī)構(gòu)組成

自動(dòng)送料沖壓機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)部分組成：送料部分和沖壓部分。其裝配圖如圖1所示。沖壓部分主要由沖頭、連桿、搖桿組成，實(shí)現(xiàn)沖壓功能。送料部分主要由曲柄、滑塊、導(dǎo)桿、連桿、推塊組成，實(shí)現(xiàn)間歇送料。

1.沖頭 2. 擋板 3. 出料口 4. 推塊

1.2 沖壓機(jī)構(gòu)中平面變胞機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，將導(dǎo)桿CD由直桿件改為空心槽，滑槽的長度與機(jī)架AC等長，AB桿的A點(diǎn)、DC桿的C點(diǎn)、E點(diǎn)都鉸接在固定機(jī)架上，此時(shí)機(jī)構(gòu)自由度F=3n-2PL-PH=3×9-2×13=1 ，見圖2(a)。當(dāng)滑塊在滑槽中運(yùn)動(dòng)處于推程階段時(shí)，滑塊沒有碰到限位板，此時(shí)的機(jī)構(gòu)仍是曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。但當(dāng)滑塊B受到限位板的阻擋時(shí)，滑塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，受到彈簧的阻力，滑塊在曲柄力的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n-2PL-PH= 3×8-2×11=2 ，見圖2(b )。機(jī)構(gòu)的自由度1變化為2，機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)也隨之發(fā)生了變化，形成變胞機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變胞功能。這種構(gòu)態(tài)的變化，既可以使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，又可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)。由于該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)主要是二維的，該送料沖壓機(jī)構(gòu)屬于平面變胞機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過對(duì)傳統(tǒng)的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，整個(gè)機(jī)構(gòu)可以由原來自由度為1的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)樽杂啥葹?的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)輸出構(gòu)件還能夠?qū)崿F(xiàn)有停歇的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[2]。

(a)

2 機(jī)構(gòu)三維建模與仿真

通過對(duì)關(guān)鍵尺寸的確定，利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模及裝配，三維模型見圖3所示。然后應(yīng)用SolidWorks自帶的Motion分析模塊，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)中的一些重要物理量的測量，進(jìn)行整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析,檢查整體設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否合適，是否存在運(yùn)動(dòng)干涉情況。分析各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位移、速度及加速度變化規(guī)律,弄清曲柄、搖桿、導(dǎo)桿、沖頭及推塊等運(yùn)動(dòng)情況, 修改設(shè)計(jì)參數(shù), 促進(jìn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

圖3 自動(dòng)送料沖壓機(jī)構(gòu)三維仿真模型

經(jīng)過運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到?jīng)_頭及推塊的位移及速度線圖見圖4-圖7所示。根據(jù)線圖可知，沖頭及推塊的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無波動(dòng)，變化連續(xù)無沖擊。

圖4 沖頭位移

圖5 沖頭速度

圖6 推塊位移

圖7 推塊速度

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)中，將擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿滑塊與限位板和彈簧結(jié)合起來，組成運(yùn)動(dòng)副變胞送料機(jī)構(gòu)，使得該機(jī)構(gòu)在送料的推程途中，限位板不與彈簧接觸，在回程途中，限位彈簧與導(dǎo)桿滑塊接觸，并開始?jí)嚎s彈簧，此時(shí)機(jī)構(gòu)自由度發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)副變胞過程。

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

具體要求為生產(chǎn)率為30件/min，送料距離為150mm，板料送進(jìn)阻力為500N，沖頭行程為100mm。取機(jī)架AC長為800mm，導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的行程系數(shù)比K=1.4，曲柄AB長為400mm，則由作圖法可做出并量得B1B2=680mm，根據(jù)實(shí)際要求的送料距離為150mm，以200/680=0.3的比例縮小機(jī)構(gòu)，即可以得到設(shè)計(jì)所要求的尺寸。

3.2 傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)與變胞機(jī)構(gòu)的比較

傳統(tǒng)沖壓機(jī)中，送料機(jī)構(gòu)和沖壓機(jī)構(gòu)是兩個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)，分別由兩個(gè)傳動(dòng)裝置去進(jìn)行控制，傳動(dòng)路線長，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。將沖壓機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)組合在一起，由一個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)送料及沖壓，既可簡化整體結(jié)構(gòu)，又可提高生產(chǎn)效率。

對(duì)于送料機(jī)構(gòu)的停歇運(yùn)動(dòng)，大都采用凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。凸輪機(jī)構(gòu)為高副機(jī)構(gòu)，不適合應(yīng)用在受力較大的場合，而且凸輪輪廓曲線加工困難、精度難以保證。如果采用平面變胞間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)及沖壓機(jī)構(gòu)的停歇，并且這種停歇可以根據(jù)需要的停歇時(shí)間，綜合相關(guān)構(gòu)件尺寸得以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，通過修改機(jī)構(gòu)尺寸還可以對(duì)機(jī)構(gòu)的停歇進(jìn)行調(diào)整[4]，這樣使得機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的設(shè)計(jì)與加工變得非常容易。

4 結(jié) 語

在傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，凸輪輪廓曲線的加工有些困難、精度保證困難，文中的設(shè)計(jì)方案克服了傳統(tǒng)送料機(jī)構(gòu)及沖壓機(jī)構(gòu)方案中的這些缺點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用變胞間歇機(jī)構(gòu)來完成自動(dòng)送料及沖壓運(yùn)動(dòng)規(guī)律，按照設(shè)計(jì)方法通過SolidWorks軟件進(jìn)行零件尺寸設(shè)計(jì)、建模，完成整體裝配，再通過運(yùn)動(dòng)仿真模擬各部件的受力狀況及強(qiáng)度要求，證明機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果可以滿足一定條件下的使用，說明此方案可以完全實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。此外，平面變胞間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)還有過載保護(hù)的作用，當(dāng)載荷比較大時(shí)，雖然機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，但在機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)行的情況下，也不至于會(huì)損壞整個(gè)機(jī)械裝置，起到保護(hù)機(jī)構(gòu)裝置的作用。