余凌波+光凱惠+程姜榮

摘 要：針對(duì)高速多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，首先采用模塊化方法建立其數(shù)學(xué)模型，得到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用Matlab仿真得到滑塊的位移、速度、加速度曲線；再應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件Admas對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；最后對(duì)比兩種分析結(jié)果，表明該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：多連桿壓力機(jī) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 Adams Matlab

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

Kinematics Analysis of High-speed Multi-link Press Drive Mechanism Based on Adams

YU Lingbo， GUANG Kaihui， CHEN Jiangrong

（College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing Jiangsu 210031， China）

Abstract： For the drive mechanism of high-speed multi-link press， firstly， the mathematical model was established with modularization approach， and the motion equation of the drive mechanism was obtained. Secondly， according to the above equation， the displacement， velocity and acceleration curve of the slider was acquired with Matlab simulation. Thirdly， the kinematics analysis of the drive mechanism was done with the dynamics analysis software-Adams. Finally， the conclusion achieved by comparison of the above two results shows that the drive mechanism is feasible.

Key Words：Multi-link press； Drive mechanism； Kinematics analysis； Adams； Matlab

在現(xiàn)代沖壓機(jī)械中，壓力機(jī)向著高速度、高精度、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單化發(fā)展。這就對(duì)壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。而傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)多采用對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其滑塊速度曲線為正弦曲線，滑塊沖壓和回程行程為對(duì)稱過程，且速度較大[1]。這就使得在沖壓時(shí)容易造成工件產(chǎn)生裂紋且降低模具的壽命。多連桿壓力機(jī)在沖壓時(shí)速度可以較低，而且有明顯的急回特性，這就在保證了沖壓質(zhì)量的前提下，又有較高的沖壓效率。多連桿高速精密壓力機(jī)具有下死點(diǎn)速度低、加速度小的優(yōu)點(diǎn)，減小了在產(chǎn)品沖壓過程中的振動(dòng)，提高下死點(diǎn)的精度[1]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)多連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在精密零件壓印、淺拉伸、折彎等工序的雙動(dòng)壓力機(jī)，冷擠壓壓力機(jī)以及小型伺服壓力機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

目前，國(guó)內(nèi)研究的多連桿高速精密壓力機(jī)的多連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較之國(guó)外比較復(fù)雜，給設(shè)計(jì)和制造帶來了困難，本文研究了多連桿壓力機(jī)較之傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合軟件進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真。研究比較了不同曲柄長(zhǎng)度下滑塊的運(yùn)動(dòng)性能曲線。該分析方法僅需推導(dǎo)出各桿端點(diǎn)及滑塊的位移方程，通過測(cè)量可得到所有運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的曲線，分析結(jié)果直觀形象，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。

1 多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖1為多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，該機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、菱形機(jī)構(gòu)、肘桿機(jī)構(gòu)及動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)組成；桿1和1為曲柄，桿2和2、桿4和4、桿5和5為連桿；三個(gè)滑塊分別為：主滑塊6、副滑塊7、助滑塊3和3，其中主滑塊為沖壓滑塊。

圖1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖2 連桿1簡(jiǎn)圖

2 多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Matlab仿真

該文應(yīng)用機(jī)理分析法建立了多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)為簡(jiǎn)化方程，將助滑塊3與3等效為質(zhì)點(diǎn)，并對(duì)機(jī)構(gòu)的單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行模塊化分析。

曲柄1如圖2所示，設(shè)曲柄1的長(zhǎng)度為 ，轉(zhuǎn)角為 。

由解析法得到，曲柄1與連桿2的鉸接點(diǎn) 的位移方程：

（1）

其中， 和 分別為鉸接點(diǎn) 的X方向和Y方向位移。

同理可得出其余各構(gòu)件的位移方程，其速度、加速度方程可由位移方程求導(dǎo)得到。

應(yīng)用Matlab軟件提供的強(qiáng)大計(jì)算和繪圖功能，對(duì)上述運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行仿真分析，得到了壓力機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)滑塊的運(yùn)動(dòng)性能曲線，并和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能曲線作比較，如圖6 所示。其中，圖3（a）為滑塊位移曲線，圖3（b）為滑塊速度曲線，圖3（c）為滑塊加速度曲線。通過仿真結(jié)果對(duì)比可以看出：多連桿機(jī)構(gòu)滑塊在主要參考下死點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)位移平滑，速度平穩(wěn)，加速度絕對(duì)值較小，所以多連桿機(jī)構(gòu)在多方面性能參數(shù)上優(yōu)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

圖3 滑塊理論運(yùn)動(dòng)性能曲線

3 多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

利用Adams的參數(shù)化模型來對(duì)多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，考慮到機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，用曲柄與各連桿的長(zhǎng)度為參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)化建模。

壓力機(jī)的性能好壞取決于滑塊在運(yùn)動(dòng)中的性能參數(shù)，即滑塊的位移、速度、加速度等關(guān)鍵指標(biāo)。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的理論推導(dǎo)，已經(jīng)得到了滑塊的理論性能曲線；再將參數(shù)化模型的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中得到模型曲線，兩種曲線繪制在同一個(gè)圖中，如圖4所示。其中，圖4（a）表示滑塊的位移曲線，圖4（b）表示滑塊的速度曲線，圖4（c）表示滑塊加速度曲線。從圖中可以看出：參數(shù)化模型滑塊位移、速度、加速度的仿真數(shù)據(jù)與MATLAB推導(dǎo)公式所繪的理論曲線完全重合，從而驗(yàn)證了該參數(shù)化模型的正確性。

圖4 參數(shù)化模型的驗(yàn)證

4 多連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化分析

本文以曲柄1的長(zhǎng)度變化為例，利用ADAMS/View的參數(shù)化分析方法分析了桿長(zhǎng)變化對(duì)滑塊行程、速度和加速度的影響。曲柄長(zhǎng)度變化對(duì)滑塊行程、速度、加速度的影響如圖5所示。

圖5反映了曲柄1半徑變化對(duì)滑塊行程、速度、加速度的影響，圖5（a）表明滑塊行程隨曲柄1長(zhǎng)度的增大而增大；圖5（b）表明滑塊在下死點(diǎn)的速度為0， 在到達(dá)下死點(diǎn)前滑塊的速度隨半徑的增大而減小，到達(dá)下死點(diǎn)后隨半徑的增大而增大。隨著半徑的增大滑塊在下死點(diǎn)附近的速度更平穩(wěn)，更接近沖壓的工藝要求；圖5（c）表明滑塊下死點(diǎn)的加速度隨曲柄1半徑的增大而減小。

5 結(jié)語(yǔ)

多連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)較之曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在壓力機(jī)沖壓性能方面確有很大的優(yōu)勢(shì)。模塊化分析省時(shí)高效，在Matlab中仿真分析得到運(yùn)動(dòng)曲線，用ADAMS軟件對(duì)壓力機(jī)多連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模分析得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線及結(jié)果參數(shù)與Matlab分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了改驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性，且此分析方法省時(shí)高效，能縮短研發(fā)周期，分析結(jié)果可做為企業(yè)制造該多連桿壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的理論依據(jù)。

（a）

（b）

（c）

圖5 曲柄長(zhǎng)度對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)性能的影響

參考文獻(xiàn)

[1] 林翠青.基于曲柄壓力機(jī)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及其研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用 2010，7（15）：67-68

[2] 鹿新建，柯尊芒，朱思洪，等.多連桿高速壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)曲線研究[J].鍛壓技術(shù)，2010， 35（4）：90-94.

[3] 李軍.ADAMS實(shí)例教程[M].北京理工大學(xué)出版社，2002.

[4] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[5] 鹿新建，朱思洪，何光軍，等. 多連桿高速壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011， 22（11）：1297-1301.

[6] 郭仁生.機(jī)械工程設(shè)計(jì)分析和MATLAB應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[7] 楊群.機(jī)械壓力機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)[M].電子工業(yè)出版社，1990.