伺服壓力機多連桿機構的設計及運動學分析

李萬友 文學洙

近年來，市場對高精度、高質量、低價格產品的需求越來越大，難成形材料成形、復雜形狀零件成形、復合成形以及高精度成形技術對沖壓設備的工作性能提出了更嚴格的要求，人們需要開發新一代柔性壓力機[1]。

ADAMS軟件是美國Mechanical Dynamics Inc公司研制的軟件，本文以ADAMS軟件為工具，對伺服壓力機的多連桿機構進行了仿真[2]。筆者對比兩種機構在X軸和Y軸方向上的位移、速度、加速度，并且分析和比較多種參數方案。

1 對稱布置曲柄肘桿機構的數學模型

非對稱布局的曲柄壓力機如圖1所示。從圖中可以看出，該機構在工作過程中受到摩擦力f1、f2的影響。在加載后，到達下死點之前滑塊會產生傾斜，因此滑塊與導軌之間將產生較大的法向應力。這一應力導致接觸區的潤滑油被擠出，從而產生較大的摩擦力，且滑塊的傾斜將直接影響其導向的精度[3]。綜上，采用對稱布置的曲柄肘桿機構，如圖2所示。

圖1 曲柄滑塊機構負荷加載

曲柄肘桿機構如圖3所示。圖中，l1、l2、l3、l4、l5、l6分別為各桿的桿長。從圖中可以看出，曲柄肘桿機構由上下連桿和曲柄連接的三角板組成，因其對稱結構，只取一半結構進行分析。

圖2 對稱布置的曲柄肘桿機構

圖3 曲柄肘桿機構

在多邊形ABDOP中，建立封閉矢量方程：

圖4 非對稱曲柄肘桿機構的滑塊X軸方向上位移、速度、加速度圖像

圖5 對稱曲柄肘桿機構的滑塊X軸方向上位移、速度、加速度圖像

聯立式（2）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）和式（7）這（6）個方程，解出6個未知量，分別是θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、S，從而得到滑塊的位移 S（θ1）的關系式，進而求得速度及加速度關系式。

2 基于ADAMS運動仿真分析

在ADAMS中建立兩種機構的簡化運動模型，并且設置相關約束，對其進行運動學分析[4]。同時，利用ADAMS中的參數化建模，將構件中各桿件的長度設定為l1=80mm，l2=450mm，l3=300mm，l4=704mm，l5=400mm，l6=1000mm。設置EndTime為10s，Steps為50。

非對稱布置的曲柄肘桿機構在仿真過程中，在X軸方向上發生位移，如圖4所示。這說明滑塊在運動過程中受力不均勻，這一接觸應力導致接觸區的潤滑油被擠出，從而產生較大的摩擦力，且滑塊的傾斜將直接影響其導向的精度[5]。對稱布置的曲柄肘桿機構在仿真過程中，在X方向上不發生位移，如圖5所示。

3 結語

曲柄肘桿結構設計具有很好的增力作用，采用對稱式布局改善現有機械壓力機的不足，改善滑塊的不對稱應力，并且采用伺服電機控制，減少原有壓力機的離合器和制動器，控制更加柔性化、人性化和美觀化。本文利用ADAMS軟件對其進行運動學分析。對稱布置的曲柄肘桿機構改善了非對稱曲柄肘桿的不足，滑塊在水平方向上沒有發生位移，其穩定性較好。

[1]江卓.2000kN開式曲柄伺服壓力機設計[D].武漢：華中科技大學，2012：5.

[2]張晨.伺服壓力機三角連桿式傳動機構的研究[D].武漢：華中科技大學，2013：12.

[3]陳志嵩.對稱布局的增力型曲柄壓力機的創新設計與力學性能研究[D].蘇州：蘇州大學，2009：9.

[4]宋曉華.機械壓力機運動學仿真分析和虛擬樣機研究[D].杭州：浙江工業大學，2005：8.

[5]徐元.基于ADAMS的雙曲柄壓力機七桿機構的運動仿真及優化設計[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2010，27（5）：509-512.