双驱动曲柄压力机压力机构运动的仿真学士学位论文.docx

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双驱动曲柄压力机压力机构运动的仿真学士学位论文

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毕业设计说明书

双驱动曲柄压力机压力机构

运动仿真

1002014146

机械与动力工程学院

沈传风

学生姓名：

学号：

机械设计制造及其自动化

学院：

宋胜涛（副教授）

专业：

指导教师：

2014年6月

双驱动曲柄压力机压力机构运动仿真

摘要:

混合驱动式曲柄压力机是目前机构学领域研究的一个热点。

混合输入选用功率较大的常规电机为机械压力机提供一个恒定速度输出，选用功率较小的伺服电机为机械压力机提供速度调节。

本文在分析传统压力机和差动轮系，在查阅多杆混合输入的相关资料的基础上设计出双驱动差动轮系曲柄压力机。

根据条件设计出主要零件结构尺寸，首先建立曲柄滑块位移、速度、加速度的数学模型，然后对压力机压力机构进行运动学仿真得到滑块位移、速度、加速度的曲线图，最后分析在改变伺服电机转速规律时对仿真结果的影响。

关键字：

混合驱动，压力机，差动轮系，运动仿真

TheKinematicsSimulationOfDoubleDriven

CrankPress’Pressure

Abstract:

Thehybridcrankpressisahotareaofmechanismatpresent.Mixedinputtingselectsconventionalmotorwithlargerpowertoprovidemechanicalpressaconstantspeed,andservomotorwithsmallerpowertoprovidemechanicalpressspeedregulation.Wedesigndoubledrivencrankpresswithdifferentialgeartrainonthebasisoftheanalysisoftraditionalpressandthedifferentialgeartrain.Designingthemainparts’structuresizeaccordingtotheconditions,andestablishingthemathematicalmodelofslider-crank’sdisplacement、velocity、acceleration.Andbypresspressurekinematicssimulation,wecangetthecurvesofslider’sdisplacement、velocity、acceleration,andanalysisthechangelawofservomotorspeedontheresultofsimulation.

Keywords:

hybriddriven,press,differentialgeartrain,motionsimulation

目录

1前言……………………………………………………………………………………1

1.1研究的目的与意义………………………………………………………………1

1.2国内外研究现状…………………………………………………………………2

1.3题目要求…………………………………………………………………………4

2机构设计………………………………………………………………………………5

2.1混合输入的工作原理……………………………………………………………5

2.2总体设计方案的确定………………………………………………………………6

3设计过程论述…………………………………………………………………………7

3.1电动机的选择……………………………………………………………………7

3.1.1压力机功能组成及设计……………………………………………………7

3.1.2电动机的功率及转速………………………………………………………8

3.2传动比分配………………………………………………………………………9

3.3主要结构设计……………………………………………………………………10

3.3.1差动轮系齿轮设计…………………………………………………………10

3.3.2轴1的设计…………………………………………………………………11

3.3.3曲轴的设计…………………………………………………………………12

3.3.4曲轴轴承的设计……………………………………………………………15

3.3.5连杆的设计………………………………………………………………15

4建立三维模型及装配…………………………………………………………………18

5仿真分析………………………………………………………………………………21

5.1曲柄滑块的运动规律……………………………………………………………21

5.2仿真结果…………………………………………………………………………23

5.2.1高速冲压仿真结果…………………………………………………………23

5.2.2低速模压仿真结果…………………………………………………………25

5.3常规电机驱动和混合驱动滑块速度差异………………………………………27

5.4伺服电机转速改变对滑块速度的影响…………………………………………28

6总结……………………………………………………………………………………30

参考文献…………………………………………………………………………………31

致谢………………………………………………………………………………………32

一前言

为了提高产品质量和生产率，延长模具寿命，要求压力机具有工作行程慢速均匀和回程快速的特性，这已成为国内外机械压力机研究开发的重要方向。

利用双曲柄差动轮系机构对其进行科学的参数配置和串联，是实现上述要求的有效途径。

但是目前有关这方面的理论分析和文献资料甚少。

本文先根据给定条件和假设条件计算出主要结构尺寸，并用Pro/Engineer进行建模，然后数学方法建立压力机滑块位移、速度、加速度的数学模型，在此基础上利用Pro/Engineer仿真功能进行运动学仿真得到压力机滑块的位移、速度、加速度曲线图。

1.1研究的目的与意义

在国民生产中，冲压工艺较传统机械加工工艺效率高，加工步数少，节约材料和能源，且通过应用各种模具可以做出很多复杂的机械产品。

因此，冲压工艺的应用越来越广[1]。

随着我国工业的蓬勃发展，特别是汽车、航空航天、电子、家电等领域的不断进步，对冲压工艺的要求也越来越高。

冲压生产中，企业的目标是在不增加投资和劳动力的前提下提高生产率，人们很容易想到的一个方法就是提高压力机的速度。

然而，由于受到工件材料特性，机械性能等的影响，压力机的成形速度是很难提高的。

传统的曲柄压力机由于其机构特性的限制易造成零件撕裂起皱、废品率高、而且模具使用寿命低、噪声大不利用薄板深拉伸[2]。

因此我们考虑混合驱动的方法是滑块具有急回特性。

另一方面，由于使用普通电机作为输入动力源，传统的机械压力机输出的冲压工艺曲线是固定不变的，即“柔性”太差，这很难满足冲压工艺的快速多变性。

随着控制技术与伺服技术的不断发展，可以考虑使用伺服电机作为驱动器，而国外也正是如此，而在国内，由于大功率伺服电机价格昂贵，利用大功率伺服电机作为驱动源无疑大大增加了压机成本，这对提高企业竞争力很不利。

因此，全伺服压力机在我国的发展受到一定的阻碍。

而混合驱动机构可以解决问题，所谓混合驱动，即：

同时使用一个大功率的常速电机和一个小功率的伺服电机作为驱动，其中，常速电机提供主要动力，而伺服电机仅起调节作用，这样，再通过一个二自由度机构对其运动进行合成[3]。

在我国，为满足冲压工艺“柔性”要求，混合驱动压力机是必须的。

在设计出双驱动曲柄压力机结构后，可以在专业软件上进行运动学仿真，检验结构设计是否合理，并从仿真结构中分析机构的运动情况是否与预期结果相符，运用仿真不仅可以缩减成本而且缩短开发时间。

1.2国内外研究现状

目前关于机械压力机的混合输入方面的研究论文有很多，已经成为当前研究的一个热点问题。

所谓的混合输入就是利用一个具有两个自由度的机构（称为差速机构）,同时输入两个独立的运动，经过差速机构对这两个运动的合成，最后得到满足一定要求的输出。

能够实现混合输入的机构也称为可控机构[4]。

在机械压力机上应用混合输入的目的就是用功率较大的常规电动机去带动飞轮完成机械压力机的对外工作做功，用功率较小的伺服电机去完成滑块的速度调节[5]。

这种混合输入机械压力机不仅具有柔性的工作速度，而且比单纯用伺服电机控制的机械压力机具有更低的价格，因此引起了海内外众多的工作者对其进行研究。

90年代初，Tokuz和Jones[6]是最早提出了混合驱动的概念，他们结合了传统的机械压力机和全伺服压力机，提出了一种介于二者之间的系统，称之为“复合式机器”，奠定了混合驱动可控机构的思想。

之后，他们进一步研究了这类机构的特点，完善了“复合式机器”的思想，建立了完善的系统模型和实验方案。

1992年，为了验证混合驱动机构的各项性能及其特点，针对变规律的输出运动要求，例如：

升-降、升-停-降、升-降-停运动，他们在研究中采用混合驱动的方案，如图1.1所示。

常规恒速电机和伺服电机的输出运动经差动轮系合成后，驱动一个曲柄滑块机构来实现变规律的往复运动。

Greenough为了克服Tokuz与Jones研究中“停歇段对伺服电机功率损耗较大”的问题，采用二自由度七杆机构作为运动合成机构（如图1.2所示），同样可以实现上述变规律输出运动。

他们以减小伺服电机的功率为目标函数，通过优化综合得到七杆机构的尺寸参数，可以把伺服电机的功率减小大约50%[7]。

图1.1Tokuz提出的混合驱动可控机构图1.2二自由度七杆机构

国内也有很多关于混合驱动的研究。

例如：

程英辉、李学刚、黄永强三人采用逆运动学方法综合混合驱动可控六杆机构（如图1.3所示），通过数学计算得到机构的运动学参数，建立了该机构的优化综合的数学模型，然后分机构结构参数已知和结构参数未知，以及同一机构实现同一轨迹和不同机构实现不同轨迹得到不同的优化设计变量，不同的优化约束条件，并且得出了机构在实现同一轨迹时，混合驱动可控六杆机构的优化结果明显优于可控五杆机构的结论[8]。

刘伟杰、李瑞琴等人分析了含RPP型II级杆组的双曲柄混合驱动七杆机构的特性。

他们针对混合驱动机构实现运动规律的控制，运用ADAMS软件建立了混合驱动机构的虚拟样机模型（如图1.4所示），然后经过逆运动分析，在确定恒速原动件运动规律的基础上，通过综合的输出运动，在ADAMS的仿真中可以清楚直观的了解到此机构的运动状况，得到构件及关键点的运动特性和动力特性[9]。

师后龙、何光军、鹿新建等人对曲柄压力机的传动系统按照上传动/下传动、曲轴纵放/横放、传动级数以及曲柄滑块机构的数量进行了统计分类，并大胆预设了今后曲柄压力机传动系统的发展方向，即：

伺服电机驱动、多连杆机构、椭圆齿轮机构以及行星齿轮机构。

他们认为行星齿轮机构驱动才是压力机最终发展巅峰[10]。

何予鹏、赵升吨等人在研究差动轮系混合输入时，提出了“调速幅度”和“差速比”两个概念，指出“调速幅度”或“差速比”将工作载荷功率在两个电机间进行分配，分析了常规电机和伺服电机同时拖动和常规电机和伺服电机分别拖动两种拖动方案的功率