基于Inventor六連桿機械壓力機主傳動的設計方法

齊齊哈爾二機床(集團)有限責任公司 （黑龍江 161005） 余發國 劉 磊

多連桿壓力機是在曲柄壓力機的基礎上發展而來的，其與曲柄壓力機相比具有更好的曲線控制能力，能以較高的效率實現較大行程的拉深，但是由于桿件數的增加，其運動分析的難度也相應加大。在多連桿壓力機的設計中，多連桿機構的滑塊運動特性是由各桿件的尺寸與相對位置確定的。因為桿件數目較多，所以如何選擇各桿件的長度及有關角度、位置參數，借以保證滑塊具有符合工藝要求的最佳運動特性，成為設計工作中的關鍵。

傳統確定桿件尺寸的方法一般有圖解法與解析法。圖解法是利用手工作圖的方法，從有限幾個方案來確定桿件尺寸。這種設計方法形象、直觀，但設計工作量大，精度不高，不能保證機構具有最佳的運動特性。解析法是將機構中已知的尺寸參數和運動變量與未知的運動變量之間的關系用數學式描述出來，列出相應的方程組，用解方程的方法來確定桿件的未知變量。一般情況下所列的方程組是高度非線性的，且由于設計變量和約束條件較多，要直接解出待定參數是很困難的，甚至是不可能的，因此很難獲得滿足約束條件的最優方案。

本文主要介紹一種基于Inventor三維設計軟件的六連桿壓力機主傳動結構的計算機設計方法。以24MN，1100mm行程六連桿壓力機為例，傳動結構及零件名稱如圖1、圖2所示。

打開Inventor，在菜單中新建一個standard.ipt文件，新建“草圖”，將圖1所示傳動部分簡化為結構簡圖，省略導套4和導柱5結構，如圖2所示。將oa'，a'b'，b'p，c'a'，c'd'按尺寸給出“尺寸約束”，將O點作“固定約束”，d'點與O點作“垂直約束”，p點相對O點作尺寸位置約束，如圖3所示。此時，用鼠標拖動a'點繞O點轉動，可以看出連桿及偏心輪的運動狀態。

圖1 六連桿機械壓力機桿系結構

圖2 六連桿機械壓力機桿系機構簡圖

根據運動狀況可知，導柱5運動為上下垂直往返運動，且只有兩個點的運動速度為0，也即導柱到達上下死點位置，在此瞬時導柱處于瞬時靜止狀態，此時可以假設d點為固定點，六連桿機構可以看作由Oacd和Oabp兩套四桿機構組成。因此，根據機械原理中的四桿機構速度瞬心的確定方法，可以分別得到兩個瞬心，因為ac和ab為同一剛性構件，因此此時這兩個瞬心必須重合。利用Oacd和Oabp兩套四桿機構中ac和ab桿瞬心重合的特點，可以用作圖法快速地得到六連桿壓力機桿系的上下死點位置。

根據以上闡述的原理，定義六桿機械壓力機導柱在上下死點時，桿cab的瞬心分別為m及m'。首先將連桿3下端拖至接近上端d'點處，如圖3所示，新建點m'，使用重合約束約束m'點與c'd'、Oa'、b'p同時共線，此時m'即為桿c'a'的瞬心，所有線條將會被完全約束固定； 然后，將Oa'，a'b'，b'p，c'a'，c'd'線段改為構造線。在同一個草圖中，重新作結構簡圖，如圖4所示。將線段c'd'與cd、Oa'與Oa、c'a'與ca、a'b'與ab、b'p與bp作等長約束。同理，將連桿3下端拖至接近下端d點處，新建點m，用重合約束約束m與cd、Oa、bp同時共線，此時m即為桿ca的瞬心，所有線條亦將會被完全約束固定。如此求得d點及d'點，即為導柱上下死點位置。

圖3

此時將圖3中任何一個約束改為聯動尺寸，發現簡圖中桿系不被完全約束，用通用尺寸約束d和d'之間的距離，桿系重新被約束固定。如此，便可按客戶需求，利用Inventor草圖確定桿系局部尺寸，對待改動尺寸進行微調，即可滿足設計需求。同時，可根據結構需要，將每個桿系外形相對桿系進行約束，解放瞬心自由度，拖動a點便可以觀察每個桿系外形干涉情況，同時通過運動仿真還可以快速得到導柱的運動曲線是否滿足要求，以便及時調整。

這種通過Inventor實現的桿系設計方法，省去了很多通用設計過程中反復計算的麻煩，節省了大量設計時間，不僅方便且對結構是否干涉也能做到一目了然。

圖4