張 楠，鹿新建，鄒利明

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

在日本，十幾年前開發(fā)的伺服壓力機(jī)，目前進(jìn)入了普及期。隨著其在汽車零件、電子零件等高精度、難成形加工領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)顯示出之前壓力機(jī)所無法比擬的優(yōu)越性。伺服壓力機(jī)的開發(fā)現(xiàn)狀和未來發(fā)展將十分可觀[1]。微型伺服[2]壓力機(jī)近年來發(fā)展迅速，隨著5G時(shí)代的到來，該壓力機(jī)可用于5G通訊零件的小批量多規(guī)格柔性沖壓，具有十分廣闊的發(fā)展前景。多連桿機(jī)構(gòu)是壓力機(jī)的主要傳動(dòng)系統(tǒng)，在優(yōu)化分析方面，目前已有針對雙曲柄伺服壓力機(jī)的桿系優(yōu)化分析[3]和針對閉式四點(diǎn)八連桿機(jī)械壓力機(jī)的桿系設(shè)計(jì)[4]、基于桿組法進(jìn)行多連桿壓力機(jī)的模塊化運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析[5]以及關(guān)于多連桿機(jī)構(gòu)位置點(diǎn)的仿真分析[6]，相應(yīng)的國外也有類似研究[7]，但很少有研究將壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)和一般曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作對比。本文將對滑塊位移、速度、加速度及各鉸接點(diǎn)受力情況進(jìn)行探討。

1 桿系的建立

1.1 多連桿機(jī)構(gòu)

該多連桿機(jī)構(gòu)如圖1所示，連桿1為曲柄，繞點(diǎn)P01轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2與連桿3相連，連桿3為擺桿，連桿3可繞點(diǎn)P03轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿3與連桿4相連，并與滑塊5構(gòu)成搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。該多連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)目：n=5，低副PL=7，高副PH=0，則該機(jī)構(gòu)自由度為：

因此當(dāng)連桿1為唯一原動(dòng)件時(shí)，滑塊5具有確定的運(yùn)動(dòng)。

1.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，與多連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析比較。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖2所示，連桿1可繞點(diǎn)M01轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過連桿2使滑塊3移動(dòng)。該機(jī)構(gòu)自由度為：

因此該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以連桿1為唯一原動(dòng)件時(shí)，滑塊3具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2 桿系的建立

在ADAMS中建立多連桿機(jī)構(gòu)模型。該多連桿機(jī)構(gòu)共有6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，5個(gè)構(gòu)件，并根據(jù)要求施加轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)力和載荷。該文主要研究滑塊處的位移、速度、加速度及鉸接點(diǎn)的受力情況，構(gòu)件的質(zhì)量屬性參數(shù)不參與仿真。

擬建立50kN伺服壓力機(jī)模型，在此模型下，重力加速度為9.8m/s2，滑塊工作次數(shù)為0～150spm，在最大工作次數(shù)下，為曲柄（連桿1）施加900°/s的驅(qū)動(dòng)力?；瑝K公稱力行程為1.4mm，在公稱力行程內(nèi)工作時(shí)間為0.37s～0.43s（由圖3所得），當(dāng)滑塊處于下死點(diǎn)附近時(shí)，為滑塊施加50000N的力，力函數(shù)為：

即在 0.37s～0.40s和 0.77s～0.80s內(nèi)施加 50000N的力，仿真時(shí)間為兩個(gè)周期（0.8s）。

在ADAMS中，利用點(diǎn)坐標(biāo)建立機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)單位為mm，再由關(guān)鍵點(diǎn)建立多連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型。

多連桿機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值如表2所示。

對于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，除基本結(jié)構(gòu)與多連桿機(jī)構(gòu)不同外，其余設(shè)計(jì)參數(shù)均相同。

表2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 滑塊位移分析

如圖3所示，多連桿機(jī)構(gòu)滑塊由下死點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)的過程中，位移曲線斜率大于曲柄滑塊曲線斜率，導(dǎo)致多連桿機(jī)構(gòu)滑塊向下沖壓的時(shí)間是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的1.03倍，即在作用力區(qū)間內(nèi)（縱坐標(biāo)0～1.4mm），多連桿機(jī)構(gòu)滑塊位移曲線（實(shí)線）相較于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊位移曲線（虛線）作用時(shí)間更長，有利于零件的精密加工。

3.2 滑塊速度分析

如圖4所示，多連桿機(jī)構(gòu)（實(shí)線）相較于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（虛線）在滑塊進(jìn)程與回程過程中速度較大，在下死點(diǎn)附近的速度較小，能夠延長沖壓過程中的時(shí)間，能夠減小沖壓過程中的沖擊，有利于精密成形。

多連桿機(jī)構(gòu)的平均速度大于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，說明多連桿機(jī)構(gòu)具有更加顯著的急回特性，下死點(diǎn)附近速度較小，有利于零件精密加工。在0.2s～0.4s區(qū)間內(nèi)，多連桿機(jī)構(gòu)的圖形較曲柄滑塊機(jī)構(gòu)整體左移，且更快地達(dá)到最大速度點(diǎn)，致使在0.3s～0.4s時(shí)間段內(nèi)多連桿機(jī)構(gòu)速度小于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

3.3 滑塊加速度分析

如圖5所示，在0.4s處多連桿機(jī)構(gòu)滑塊加速度為3097.60mm/s,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為4708.42mm/s，多連桿機(jī)構(gòu)（實(shí)線）相較于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（虛線）在死點(diǎn)附近加速度較小，且加速度變化更加平緩?；瑝K更小更平緩的加速度，將使零件沖壓過程中產(chǎn)生更小的振動(dòng)，有利于提高加工零件的精密性，提高加工質(zhì)量。在離開下死點(diǎn)附近后，多連桿機(jī)構(gòu)的加速度大于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，此時(shí)多連桿機(jī)構(gòu)的滑塊速度快速增加，減少了滑塊在空行程段運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

4 動(dòng)力學(xué)分析

4.1 驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩分析

在已知滑塊載荷為50kN的基礎(chǔ)上，通過仿真得出驅(qū)動(dòng)力處所需要的轉(zhuǎn)矩變化曲線，如圖6所示。根據(jù)仿真圖像，機(jī)構(gòu)滑塊在進(jìn)入公稱力行程（1.4mm）向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于施加載荷，驅(qū)動(dòng)力處轉(zhuǎn)矩突增至最大值，之后轉(zhuǎn)矩逐漸較小，到達(dá)下死點(diǎn)處為零。

多連桿機(jī)構(gòu)（實(shí)線）的轉(zhuǎn)矩值在極大值處是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（虛線）的0.67倍，即此多連桿機(jī)構(gòu)需要較小轉(zhuǎn)矩的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有利于能源的節(jié)約。

4.2 鉸接點(diǎn)受力分析

對于多連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，選取驅(qū)動(dòng)力處的鉸接點(diǎn)P01和點(diǎn)M01作對照，如圖7所示。選取滑塊端的鉸接點(diǎn)P45和點(diǎn)M23作對照，如圖8所示。多連桿機(jī)構(gòu)（實(shí)線）相較于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（虛線）在鉸接點(diǎn)處的受力明顯較小，表明此多連桿在交接點(diǎn)處可選用較小強(qiáng)度的連接件。

5 結(jié)論

建立50kN微型伺服壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)模型，且該桿系參數(shù)能夠滿足工作要求，曲柄長度較短，能夠?qū)崿F(xiàn)滑塊行程要求。通過在ADAMS中對該多連桿機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的對比分析，結(jié)果表明：

（1）該多連桿機(jī)構(gòu)在下死點(diǎn)附近工作時(shí)間更長、速度更小、加速度變化更加平穩(wěn)，更有利于零件的成型加工及精密制造。

（2）在滑塊去程及回程過程中大部分時(shí)間多連桿機(jī)構(gòu)的速度及加速度更大，相較于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有利于生產(chǎn)效率的提高。

（3）對兩機(jī)構(gòu)滑塊施加相同載荷后，兩機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力處轉(zhuǎn)矩變化趨勢相同，但多連桿機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)力處的轉(zhuǎn)矩值明顯小于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)力處的轉(zhuǎn)矩值，表明該多連桿機(jī)構(gòu)可選用較小轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（4）對兩機(jī)構(gòu)滑塊施加相同載荷后，在主要鉸接點(diǎn)處多連桿機(jī)構(gòu)的受力明顯小于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，表明該多連桿機(jī)構(gòu)可選用較小剛度的連接件。在實(shí)際中，因?yàn)槟Σ亮Φ囊?，各鉸接點(diǎn)的實(shí)際受力比理想狀態(tài)下的大。