機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程

劉俊如

摘 ?要：鍛壓裝備是裝備制造業(yè)的重要組成部分，鍛壓裝備水平的高低是衡量一個(gè)國家裝備制造業(yè)水平的重要指標(biāo)之一。機(jī)械式的壓力機(jī)的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能以及其在動(dòng)力學(xué)方面的性能對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著十分重要的影響，所以合理設(shè)計(jì)機(jī)械式的壓力機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。文章通過對(duì)機(jī)械式的壓力機(jī)不同的主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究上梁結(jié)構(gòu)與主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，為主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng);設(shè)計(jì);發(fā)展

引言

機(jī)械壓力機(jī)一般采用上部異向驅(qū)動(dòng)方式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用多連桿或偏心式結(jié)構(gòu)并配有導(dǎo)向裝置。由于機(jī)械壓力機(jī)具有速度快，滑塊行程精度高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車沖壓生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用。但是這兩種類型壓力機(jī)在具體應(yīng)用上并不相同，尤其在如汽車覆蓋件拉延成形等方面，因受板材材料性能的限制，對(duì)拉延速度要求十分嚴(yán)格。普通曲柄壓力機(jī)滑塊運(yùn)行速度近似于正弦曲線，在板材深拉延初始階段，滑塊的速度及加速度均較大，易造成板材起皺，甚至拉裂，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格率較高，因此該類壓力機(jī)一般用于板材落料、沖孔等工藝。

1機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械壓力機(jī)常采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪副、螺旋副、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、肘桿、多連桿機(jī)構(gòu)等，將這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)增力比功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大幅降低大噸位伺服機(jī)械壓力機(jī)的成本。最常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有下列幾種：1）直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)如圖1所示。此機(jī)構(gòu)滑塊做直線運(yùn)動(dòng)，無齒輪、同步帶輪等減速機(jī)構(gòu)，無曲柄連桿、螺旋副等運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，無肘桿、多連桿等增力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所謂“零傳動(dòng)”，具有結(jié)構(gòu)簡單、柔性加工、精確定位、高效生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但由于受直線電動(dòng)機(jī)功率和成本的限制，壓力機(jī)的噸位很小，只有幾十千牛頓，一般應(yīng)用于微小型壓力機(jī)。2）電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后直接驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，取消了飛輪、離合器與制動(dòng)器，并縮小了齒輪，是伺服機(jī)械壓力機(jī)前期產(chǎn)品常選方案。

2機(jī)械壓力機(jī)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)的主傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1計(jì)算該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的自由度

該機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)，其曲柄繞固定點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過與其相互鉸接的連桿可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以，主要的活動(dòng)構(gòu)件就是滑塊、連桿以及曲柄，說明該機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件有3個(gè)。移動(dòng)副則主要包括機(jī)架和滑塊，而其他則都作為轉(zhuǎn)動(dòng)副。而運(yùn)動(dòng)低副則包括了以上四個(gè)部件。根據(jù)以上參數(shù)即可進(jìn)行自由度的計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)自由度等于其原動(dòng)件的數(shù)量，表明該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)具有確定性。

2.2相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的分析結(jié)果

對(duì)該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的分析后可以得出其運(yùn)動(dòng)曲線，其中滑塊的行程為1000mm，而行程的次數(shù)為每分鐘16次。根據(jù)對(duì)該運(yùn)動(dòng)曲線的分析結(jié)果可以得知，該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑塊運(yùn)行的位移曲線屬于余弦曲線，同時(shí)其速度曲線則更類似于正弦曲線。而深拉延的開始階段則位于與滑塊的下死點(diǎn)距離300mm的位置，此時(shí)滑塊的速度超過了每秒700mm，已經(jīng)相當(dāng)接近行程中最大的速度值。該速度已經(jīng)明顯超出了板材成形所需的極限速度值，所以說明曲柄壓力機(jī)無法進(jìn)行對(duì)板材的深拉延加工成形，而只能適用于淺拉延成形，且需要控制50mm的范圍以內(nèi)。另外，該機(jī)構(gòu)在曲柄轉(zhuǎn)角的360°的位置和180°的位置分別是滑塊的上下兩個(gè)死點(diǎn)，因此，其急回特性較差，導(dǎo)致其生產(chǎn)的效率也比較低。

2.3機(jī)械壓力機(jī)的曲柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于曲柄式機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)全部設(shè)置在了上梁的本體里面，所以在設(shè)計(jì)上梁的本體時(shí)應(yīng)全面考慮主傳動(dòng)系統(tǒng)中曲柄以及連桿的長度、主齒輪的直徑等各項(xiàng)參數(shù)。主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的曲柄長度是該機(jī)械式壓力機(jī)的滑塊行程的二分之一，這是一個(gè)定量參數(shù)。而對(duì)滑塊的運(yùn)行速度有較大影響的參數(shù)則是連桿的長度。所以要結(jié)合機(jī)械式壓力機(jī)在生產(chǎn)工藝方面對(duì)滑塊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度所提出的要求，還要考慮機(jī)械式壓力機(jī)在上梁剛度方面的具體要求，以及壓力角的最佳值等各種基礎(chǔ)參數(shù)來合理選擇連桿的設(shè)計(jì)長度。確定了曲柄長度和連桿長度后，再根據(jù)這兩項(xiàng)數(shù)值來設(shè)計(jì)主齒輪的直徑值。如果機(jī)械式壓力機(jī)中具有導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱的高度是一個(gè)定值。同時(shí)，機(jī)械式壓力機(jī)的上梁高度將與其曲柄以及連桿的長度直接相關(guān)，所以在對(duì)上梁本體以及主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮這兩方面的因素，應(yīng)兼顧好二者各自的設(shè)計(jì)要求。

2.4機(jī)械壓力機(jī)六連桿結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)

該機(jī)械式壓力機(jī)的六連桿的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及其導(dǎo)柱和導(dǎo)套都被設(shè)置在上梁的本體內(nèi)。由于壓力機(jī)的上梁結(jié)構(gòu)內(nèi)，其高度是定值，所以壓力機(jī)的上梁高度與桿R1和L2、L3的長度密切相關(guān)。在對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的分析后可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)內(nèi)影響滑塊的運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移的因素包括支點(diǎn)位置以及相關(guān)各桿長度。所以，在對(duì)機(jī)械壓力機(jī)的上梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮板材的拉延成形加工工藝在滑塊運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移方面的具體要求，從而首先對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)支點(diǎn)位置和各桿長度進(jìn)行初步的確定。另外，因?yàn)闄C(jī)械式壓力機(jī)的上梁高度會(huì)受到桿R1以及桿L2、L3長度的影響，所以在設(shè)計(jì)滑塊的運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移時(shí)，對(duì)各桿長度的具體取值還需要考慮這方面的因素，盡量減少以上3個(gè)桿的長度，從而對(duì)上梁高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

3機(jī)械壓力機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

3.1混合驅(qū)動(dòng)

混合伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)將成為機(jī)械壓力機(jī)未來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為商品機(jī)械壓力機(jī)主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)方式，這是因?yàn)槎杂啥锐詈蟼鲃?dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜，很難對(duì)滑塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。但同時(shí)優(yōu)勢(shì)也比較明顯，比如，能夠降低電機(jī)容量，節(jié)約成本等。

3.2驅(qū)動(dòng)源與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的性能更高，但造價(jià)也高，對(duì)推廣應(yīng)用造成不便。采用新傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是解決這一問題的關(guān)鍵，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又存在一定復(fù)雜性，容易使制造成本增加。還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行開發(fā)，包括開關(guān)磁阻電機(jī)、變頻電機(jī)等。

3.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械壓力機(jī)比起傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜，需要使用到肘桿、多連桿、差動(dòng)輪系等。且對(duì)這些機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即組合設(shè)計(jì)后，主要是為了將伺服電機(jī)的輸出扭矩降低，進(jìn)而降低伺服電機(jī)容量及成本，而不再是簡單將滑塊特殊曲線獲得。但是，當(dāng)前組合設(shè)計(jì)時(shí)效性不高，設(shè)計(jì)方法缺乏。為此，使用動(dòng)力學(xué)分析軟件、CAD軟件就顯得非常必要。

3.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性設(shè)計(jì)與位置控制

在設(shè)計(jì)中，通過組合方式將增力功能提升，但是剛性仍不足，不僅沒有提升反而降低了很多，這就是伺服機(jī)械壓力機(jī)在組合設(shè)計(jì)后暴露出的問題，在設(shè)計(jì)后，控制的內(nèi)容也增多了，包括滑塊運(yùn)動(dòng)速度、滑塊位移等，同時(shí)還要考慮機(jī)身彈性變形、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變化問題，因?yàn)檫@些都是關(guān)系到使用效果的問題。為此，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)上，剛?cè)狁詈蟿?dòng)力分析是必不可少的。

結(jié)束語

在裝備的制造行業(yè)中，機(jī)械壓力機(jī)具有重要的地位。機(jī)械壓力機(jī)所加工的零部件具有更高的質(zhì)量，且在制造的過程中作業(yè)的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于這些比較明顯的優(yōu)勢(shì)，該設(shè)備在機(jī)械制造行業(yè)具有較高的應(yīng)用的價(jià)值。而隨著我國科技水平的不斷進(jìn)步，以及相關(guān)的制造業(yè)對(duì)設(shè)備要求的提高，機(jī)械壓力機(jī)在設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行進(jìn)一步的完善和創(chuàng)新。

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