基于Adams的高速多連桿壓力機驅動機構運動學分析

余凌波+光凱惠+程姜榮

摘 要：針對高速多連桿壓力機驅動機構，首先采用模塊化方法建立其數學模型，得到驅動機構的運動學方程；然后根據運動學方程，利用Matlab仿真得到滑塊的位移、速度、加速度曲線；再應用動力學分析軟件Admas對驅動機構進行運動學分析；最后對比兩種分析結果，表明該驅動機構的可行性。

關鍵詞：多連桿壓力機 驅動機構 運動學分析 Adams Matlab

中圖分類號：TH132 文獻標識碼： A 文章編號：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

在現代沖壓機械中，壓力機向著高速度、高精度、驅動簡單化發展。這就對壓力機的驅動機構提出了更高的要求。而傳統機械壓力機多采用對心曲柄滑塊機構，其滑塊速度曲線為正弦曲線，滑塊沖壓和回程行程為對稱過程，且速度較大[1]。這就使得在沖壓時容易造成工件產生裂紋且降低模具的壽命。多連桿壓力機在沖壓時速度可以較低，而且有明顯的急回特性，這就在保證了沖壓質量的前提下，又有較高的沖壓效率。多連桿高速精密壓力機具有下死點速度低、加速度小的優點，減小了在產品沖壓過程中的振動，提高下死點的精度[1]。基于以上優點多連桿驅動機構在精密零件壓印、淺拉伸、折彎等工序的雙動壓力機，冷擠壓壓力機以及小型伺服壓力機中得到了廣泛的應用[2]。

目前，國內研究的多連桿高速精密壓力機的多連桿驅動機構結構較之國外比較復雜，給設計和制造帶來了困難，本文研究了多連桿壓力機較之傳統機械壓力機的優勢，并結合軟件進行了機構的運動學分析和仿真。研究比較了不同曲柄長度下滑塊的運動性能曲線。該分析方法僅需推導出各桿端點及滑塊的位移方程，通過測量可得到所有運動學方程的曲線，分析結果直觀形象，減少了設計人員的工作量，縮短了產品研發周期。

1 多連桿壓力機驅動機構結構

圖1為多連桿壓力機驅動機構的結構圖，該機構由曲柄滑塊機構、菱形機構、肘桿機構及動平衡機構組成；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 驅動機構結構簡圖 圖2 連桿1簡圖

2 多連桿壓力機驅動機構的Matlab仿真

該文應用機理分析法建立了多連桿壓力機驅動機構的數學模型，在進行運動學分析時為簡化方程，將助滑塊3與3等效為質點，并對機構的單個構件進行模塊化分析。

曲柄1如圖2所示，設曲柄1的長度為 ，轉角為 。

由解析法得到，曲柄1與連桿2的鉸接點 的位移方程：

（1）

其中， 和 分別為鉸接點 的X方向和Y方向位移。

同理可得出其余各構件的位移方程，其速度、加速度方程可由位移方程求導得到。

應用Matlab軟件提供的強大計算和繪圖功能，對上述運動方程進行仿真分析，得到了壓力機關鍵機構滑塊的運動性能曲線，并和曲柄滑塊機構的運動性能曲線作比較，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。通過仿真結果對比可以看出：多連桿機構滑塊在主要參考下死點附近運動位移平滑，速度平穩，加速度絕對值較小，所以多連桿機構在多方面性能參數上優于曲柄滑塊機構。

圖3 滑塊理論運動性能曲線

3 多連桿壓力機驅動機構運動學分析

利用Adams的參數化模型來對多連桿壓力機驅動機構進行運動仿真，考慮到機構的對稱性，用曲柄與各連桿的長度為參數進行了參數化建模。

壓力機的性能好壞取決于滑塊在運動中的性能參數，即滑塊的位移、速度、加速度等關鍵指標。通過對運動學方程的理論推導，已經得到了滑塊的理論性能曲線；再將參數化模型的測量數據導入Matlab中得到模型曲線，兩種曲線繪制在同一個圖中，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：參數化模型滑塊位移、速度、加速度的仿真數據與MATLAB推導公式所繪的理論曲線完全重合，從而驗證了該參數化模型的正確性。

圖4 參數化模型的驗證

4 多連桿驅動機構的參數化分析

本文以曲柄1的長度變化為例，利用ADAMS/View的參數化分析方法分析了桿長變化對滑塊行程、速度和加速度的影響。曲柄長度變化對滑塊行程、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長度的增大而增大；圖5（b）表明滑塊在下死點的速度為0， 在到達下死點前滑塊的速度隨半徑的增大而減小，到達下死點后隨半徑的增大而增大。隨著半徑的增大滑塊在下死點附近的速度更平穩，更接近沖壓的工藝要求；圖5（c）表明滑塊下死點的加速度隨曲柄1半徑的增大而減小。

5 結語

多連桿驅動機構較之曲柄滑塊驅動機構在壓力機沖壓性能方面確有很大的優勢。模塊化分析省時高效，在Matlab中仿真分析得到運動曲線，用ADAMS軟件對壓力機多連桿驅動機構進行參數化建模分析得到的運動學曲線及結果參數與Matlab分析結果一致，驗證了改驅動機構的可行性，且此分析方法省時高效，能縮短研發周期，分析結果可做為企業制造該多連桿壓力機驅動機構的理論依據。

（a）

（b）

（c）

圖5 曲柄長度對滑塊運動性能的影響

參考文獻

[1] 林翠青.基于曲柄壓力機中曲柄滑塊機構的運動分析及其研究[J].數字技術與應用 2010，7（15）：67-68

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

[3] 李軍.ADAMS實例教程[M].北京理工大學出版社，2002.

[4] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業出版社，2006.

[5] 鹿新建，朱思洪，何光軍，等. 多連桿高速壓力機運動學分析[J].中國機械工程，2011， 22（11）：1297-1301.

[6] 郭仁生.機械工程設計分析和MATLAB應用[M].機械工業出版社，2011.

[7] 楊群.機械壓力機的基礎知識[M].電子工業出版社，1990.