機械壓力機傳動方案設計的發展歷程

劉俊如

摘 ?要：鍛壓裝備是裝備制造業的重要組成部分，鍛壓裝備水平的高低是衡量一個國家裝備制造業水平的重要指標之一。機械式的壓力機的主傳動結構的運動學性能以及其在動力學方面的性能對產品的質量有著十分重要的影響，所以合理設計機械式的壓力機的主傳動系統結構具有十分重要的意義和應用價值。文章通過對機械式的壓力機不同的主傳動系統的結構進行分析，研究上梁結構與主傳動結構間的關系，為主傳動系統的設計及優化提供有益的參考。

關鍵詞：機械壓力機傳動;設計;發展

引言

機械壓力機一般采用上部異向驅動方式，傳動機構采用多連桿或偏心式結構并配有導向裝置。由于機械壓力機具有速度快，滑塊行程精度高等優點，在汽車沖壓生產線中得到了廣泛應用。但是這兩種類型壓力機在具體應用上并不相同，尤其在如汽車覆蓋件拉延成形等方面，因受板材材料性能的限制，對拉延速度要求十分嚴格。普通曲柄壓力機滑塊運行速度近似于正弦曲線，在板材深拉延初始階段，滑塊的速度及加速度均較大，易造成板材起皺，甚至拉裂，導致產品不合格率較高，因此該類壓力機一般用于板材落料、沖孔等工藝。

1機械壓力機傳動機構的運動學分析

機械壓力機常采用的傳動機構有齒輪副、螺旋副、曲柄滑塊機構、肘桿、多連桿機構等，將這些傳動機構進行組合，實現增力比功能的優化設計，可大幅降低大噸位伺服機械壓力機的成本。最常用的傳動機構有下列幾種：1）直線電動機直接驅動滑塊機構如圖1所示。此機構滑塊做直線運動，無齒輪、同步帶輪等減速機構，無曲柄連桿、螺旋副等運動形式轉換機構，無肘桿、多連桿等增力機構，實現所謂“零傳動”，具有結構簡單、柔性加工、精確定位、高效生產、節能環保等優點。但由于受直線電動機功率和成本的限制，壓力機的噸位很小，只有幾十千牛頓，一般應用于微小型壓力機。2）電動機經一級齒輪減速后直接驅動曲柄滑塊機構，取消了飛輪、離合器與制動器，并縮小了齒輪，是伺服機械壓力機前期產品常選方案。

2機械壓力機的曲柄連桿結構的主傳動系統

2.1計算該機構在運動中的自由度

該機構在運行時，其曲柄繞固定點進行旋轉運動，這種旋轉運動通過與其相互鉸接的連桿可以轉變為滑塊的往復運動。所以，主要的活動構件就是滑塊、連桿以及曲柄，說明該機構的活動構件有3個。移動副則主要包括機架和滑塊，而其他則都作為轉動副。而運動低副則包括了以上四個部件。根據以上參數即可進行自由度的計算。經過計算，可以發現該機構自由度等于其原動件的數量，表明該機構的運動具有確定性。

2.2相關運動學方面的分析結果

對該主傳動機構進行動力學方面的分析后可以得出其運動曲線，其中滑塊的行程為1000mm，而行程的次數為每分鐘16次。根據對該運動曲線的分析結果可以得知，該主傳動機構中滑塊運行的位移曲線屬于余弦曲線，同時其速度曲線則更類似于正弦曲線。而深拉延的開始階段則位于與滑塊的下死點距離300mm的位置，此時滑塊的速度超過了每秒700mm，已經相當接近行程中最大的速度值。該速度已經明顯超出了板材成形所需的極限速度值，所以說明曲柄壓力機無法進行對板材的深拉延加工成形，而只能適用于淺拉延成形，且需要控制50mm的范圍以內。另外，該機構在曲柄轉角的360°的位置和180°的位置分別是滑塊的上下兩個死點，因此，其急回特性較差，導致其生產的效率也比較低。

2.3機械壓力機的曲柄結構設計

由于曲柄式機械壓力機主傳動結構全部設置在了上梁的本體里面，所以在設計上梁的本體時應全面考慮主傳動系統中曲柄以及連桿的長度、主齒輪的直徑等各項參數。主傳動結構中的曲柄長度是該機械式壓力機的滑塊行程的二分之一，這是一個定量參數。而對滑塊的運行速度有較大影響的參數則是連桿的長度。所以要結合機械式壓力機在生產工藝方面對滑塊的實際運動速度所提出的要求，還要考慮機械式壓力機在上梁剛度方面的具體要求，以及壓力角的最佳值等各種基礎參數來合理選擇連桿的設計長度。確定了曲柄長度和連桿長度后，再根據這兩項數值來設計主齒輪的直徑值。如果機械式壓力機中具有導柱結構，導柱的高度是一個定值。同時，機械式壓力機的上梁高度將與其曲柄以及連桿的長度直接相關，所以在對上梁本體以及主傳動結構進行設計時要全面考慮這兩方面的因素，應兼顧好二者各自的設計要求。

2.4機械壓力機六連桿結構的相關設計

該機械式壓力機的六連桿的主傳動機構以及其導柱和導套都被設置在上梁的本體內。由于壓力機的上梁結構內，其高度是定值，所以壓力機的上梁高度與桿R1和L2、L3的長度密切相關。在對該機構進行運動學方面的分析后可以發現，該機構內影響滑塊的運動速度、加速度以及位移的因素包括支點位置以及相關各桿長度。所以，在對機械壓力機的上梁結構進行設計時，需要考慮板材的拉延成形加工工藝在滑塊運動速度、加速度以及位移方面的具體要求，從而首先對傳動結構內支點位置和各桿長度進行初步的確定。另外，因為機械式壓力機的上梁高度會受到桿R1以及桿L2、L3長度的影響，所以在設計滑塊的運動速度、加速度以及位移時，對各桿長度的具體取值還需要考慮這方面的因素，盡量減少以上3個桿的長度，從而對上梁高度進行適當的控制。

3機械壓力機傳統系統發展趨勢

3.1混合驅動

混合伺服驅動技術將成為機械壓力機未來研究的一個熱點。目前，驅動已經成為商品機械壓力機主導驅動方式，這是因為二自由度耦合傳動機構設計上更為復雜，很難對滑塊進行調節。但同時優勢也比較明顯，比如，能夠降低電機容量，節約成本等。

3.2驅動源與傳動機構

驅動壓力機的性能更高，但造價也高，對推廣應用造成不便。采用新傳動機構是解決這一問題的關鍵，而傳動機構又存在一定復雜性，容易使制造成本增加。還可以對驅動源進行開發，包括開關磁阻電機、變頻電機等。

3.3傳動機構創新設計

機械壓力機比起傳統的機械壓力機，傳動機構更為復雜，需要使用到肘桿、多連桿、差動輪系等。且對這些機構優化設計，即組合設計后，主要是為了將伺服電機的輸出扭矩降低，進而降低伺服電機容量及成本，而不再是簡單將滑塊特殊曲線獲得。但是，當前組合設計時效性不高，設計方法缺乏。為此，使用動力學分析軟件、CAD軟件就顯得非常必要。

3.4傳動機構剛性設計與位置控制

在設計中，通過組合方式將增力功能提升，但是剛性仍不足，不僅沒有提升反而降低了很多，這就是伺服機械壓力機在組合設計后暴露出的問題，在設計后，控制的內容也增多了，包括滑塊運動速度、滑塊位移等，同時還要考慮機身彈性變形、傳動機構變化問題，因為這些都是關系到使用效果的問題。為此，在傳動機構方案設計上，剛柔耦合動力分析是必不可少的。

結束語

在裝備的制造行業中，機械壓力機具有重要的地位。機械壓力機所加工的零部件具有更高的質量，且在制造的過程中作業的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于這些比較明顯的優勢，該設備在機械制造行業具有較高的應用的價值。而隨著我國科技水平的不斷進步，以及相關的制造業對設備要求的提高，機械壓力機在設計上必須進行進一步的完善和創新。

參考文獻

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