回轉頭壓力機不同的工作機構動態特性的研究

趙升噸，張宗元，張貴成，2，張超，陳超，賈先

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

回轉頭壓力機是傳統的鍛壓機械，一般由下面幾個部分組成:

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

近年來，隨著電機調速和伺服控制技術的飛速發展，采用伺服電機驅動主傳動系統的數控伺服壓力機，具有沖壓速度高、節能低噪聲、環保無液壓油等優點。為了適應高速發展的汽車、輕工業等工業的飛速發展，沖壓成型工藝一直在不斷地發展和改進，作為壓力機的主傳動機構，一直是壓力機技術進步的標志之一。主傳動機構的結構形式上主要有直線電機驅動式、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種結合使用。近年來，國內外研究人員對此方面進行了大量改進和實踐，研制出了多種形式的壓力機工作機構。在傳統曲柄滑塊機構的基礎上，提出了適應不同沖壓工藝的肘桿式、多連桿式機構，大大提高了壓力機的力學性能和運動特性。

為了深入研究肘桿機構的優缺點，分別設計了3種不同類型的肘桿式壓力機工作機構，分別建立其數學模型，并分別對其桿系進行優化設計，并建立各自的三維結構模型，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的動力學性能。

1 傳統曲柄滑塊式結構

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。曲柄滑塊機構因結構可靠、生產效率高、操作簡便成為傳統壓力機最主要的工作機構。經過長期的研究與使用，曲柄滑塊機構的運動規律及受力分析都已經很成熟，這類機構具有以下缺點:(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)機構的增力效果不明顯，導致曲軸上所需的輸出扭矩比較大，傳動機構的尺寸要求比較大，使得生產成本居高不下，生產效率低。

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

圖2 結點偏置的曲柄滑塊機構簡圖

曲柄滑塊式壓力機工作機構經過多年的發展和進步，出現了雙驅動 (DualDrive)。曲柄壓力機，雙驅動機構可以使滑塊在上死點以非常慢的速度，而在下死點以非常快的速度運行，為了實現這種滑塊運行方式，這種壓力機配備有兩套驅動裝置。一套傳統的主驅動裝置，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動裝置，負責除鍛造過程以外時間滑塊的運行。采用被稱為DualDrive的這種驅動方式，可以使滑塊在上死點區域以6～12次/min的速度運行，而在下死點區域則以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，還延長了用于進行模具冷卻和零件傳輸的時間。這意味著，在充分利用壓力機效能的基礎上顯著提高壓力機的生產率。

2 肘桿式工作機構

肘桿式機構是一種簡單的多連桿機構，這種機構相比較曲柄連桿機構，在曲柄連桿上增加了幾個構件，從而增加了機構工作特性的可變因素。可以通過調整或改變任何一桿的長度或曲柄和擺桿鉸銷之間的距離，改變這個機構的動力和運動特性，具有工作特性優良、增力比大的優點。圖3是幾種不同的肘桿式機構原理圖。

圖3 3種不同肘桿式機構原理圖

肘桿式壓力機的工作區域比普通的曲柄連桿壓力機的工作區域長，在整個工作區域內能實現滿負荷沖壓，并且能夠適應不同加工工藝的需求。肘桿式壓力機不僅能夠實現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。根據肘桿結構的不同，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構，是典型的三角肘桿機構，伺服電機通過一級皮帶和一對齒輪減速后由肘桿機構驅動滑塊實現加工運動。

圖4 小松H1F伺服壓力機傳動系統

與曲柄連桿機構相比，在伺服壓力機設備中采用肘桿式機構，具有如下優點:

(1)根據不同的工藝要求，設計不同桿長、三角肘桿夾角，實現最理想的滑塊運動曲線，獲得足夠長的工作區域，保證沖壓工件的質量，并具有更好的急回特性，提高生產效率。

(2)可以降低滑塊在工作區域時的速度，減小了振動和沖擊，使機器工作穩定、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構尺寸和提高壓力機的結構剛性。

(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及其優化設計

上一節提到肘桿機構具有眾多優點，已經在伺服壓力機上得到廣泛的應用。多連桿式機構相比較肘桿機構桿數多，參數復雜，設計思路和計算方法也就相應復雜，但是多連桿機構可通過非獨立構件尺寸參數的設計計算，優化出最合理的參數，使伺服壓力機精確滿足理想的技術參數和運動曲線，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用，從而提高壓力機的使用性能。

現代伺服壓力機廣泛采用多連桿機構作為其工作機構。按照多連桿的機構形式，內滑塊多連桿機構可分為曲柄做變速運動的曲柄滑塊機構、雙驅動多連桿機構、“連桿曲線”型六連桿機構、復合多連桿機構等;外滑塊多連桿機構可分為串聯四連桿機構等。下面結合3種典型的多連桿式工作機構的數學模型，并對其進行優化設計，然后分析對比這3種多連桿式工作機構的結構特性及運動特性。圖5是3種不同肘桿機構的工作機構圖。

圖5 3種不同肘桿機構的工作機構圖

3.1 三角連桿機構

三角連桿機構的結構比較簡單，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的數學模型，如圖5(a)所示。

整個機構的運動參數為時間和曲柄轉角的函數。假設曲柄以ω的角速度勻速轉動，通過平面機構運動分析當中的解析法可求得:

(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

“連桿曲線”型六連桿機構運動特性與受載特性較好，通用性好，是目前肘桿機構中用的較多的一種。“連桿曲線”型六連桿機構的數學模型，如圖5(b)所示。

滑塊位移、速度、加速度均是曲柄轉角α的函數，假設曲柄R以逆時針方向等角速度ω旋轉，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中心O。由分析法計算得出“連桿曲線”型六連桿機構的運動學方程。

(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 串聯四連桿機構

串聯四連桿機構一般采用三組四連桿機構串聯。由于四連桿機構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，因此當被串接的四連桿機構數增加，并且均在共線位置附近工作時，機構可獲得很大的降速比。“串聯四連桿機構的數學模型，如圖5(c)所示。同樣，曲柄以順時針方向等角速度ω旋轉。以下為建立的機構運動學方程。

(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的優化設計

利用MTALAB軟件對3種不同類型肘桿機構的數學模型編程，并以滑塊行程為25 mm作為約束條件，以滑塊在4 mm公稱壓力行程內的最大速度最小化作為優化目標，利用MTALAB軟件編寫程序進行優化設計，根據最終優化結果分別確定3種類型的三角肘桿式壓力機工作機構的結構尺寸。

利用MATLAB軟件，對3種類型的肘桿機構數學模型分別編寫運動特性仿真程序，設定滑塊行程次數400次/min，對其運動學特性進行模擬仿真，并將仿真結果進行分析對比。可得出三種不同類型的肘桿機構的滑塊位移、速度、加速度曲線如圖6、7、8所示。

圖6 三角連桿機構運動特性曲線圖

圖7 “連桿曲線”型六連桿機構運動特性曲線圖

由圖6可見，三角連桿機構位移變化規律為類正弦曲線，需要關注的是在壓力行程內三角連桿機構的位移、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，三角連桿機構的最大速度為108.5 mm/s，最大加速度為1 653.8 mm/s2。

圖8 串聯四連桿機構運動特性曲線圖

由圖7、圖8可以看出，“連桿曲線”型六連桿機構和串聯四連桿機構位移變化規律與三角連桿機構具有明顯不同，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”型六連桿機構在工程壓力范圍內，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可以看出串聯四連桿機構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。可以看出此機構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”型六連桿機構在壓力行程內的最大速度最小，加速度也最小，滑塊速度變化最平穩，工作情況最穩定，有利于提高零件加工質量，減小零件對模具的沖擊，延長模具使用壽命。

5 結論

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

(2)三角連桿機構是相對簡單的肘桿機構，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)串聯四連桿機構主動曲柄與從動搖桿間有較大的瞬時減速比，因此當被串接的四連桿機構數增加，并且均在共線位置附近工作時，機構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，希望回轉頭壓力機在壓力行程內的最大速度最小，當以壓力行程內的最大速度最小為優化目標時，“連桿曲線型”六連桿機構相對于三角連桿機構、串聯四連桿機構性能更好。

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