基于ADAMS的伺服壓力機雙曲柄機構運動學分析*

2022-03-15 04:06:34梁欽溁吳和保賀朝陽張威山

機械工程與自動化 2022年1期

梁欽溁，吳和保，賀朝陽，張威山，龔甜，吳磊

(1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢 430205；2.武漢華夏精沖技術有限公司，湖北武漢 430050)

0 引言

隨著科技的發展,市場對高精度、高質量、低價格產品的需求越來越大，伺服精沖機的研發也顯得愈發重要。精沖是在普通沖壓基礎上發展起來的一種精密沖裁方法，它能在一次沖壓中獲得比普通沖裁零件尺寸公差小、形狀精度高、沖裁面光潔、表面平整、垂直度和互換性好的優質精沖零件。而采用伺服控制技術的伺服精沖壓力機具有高精度、高效率、高柔性、節能環保等特點[1]。

本文研究了一種不等長雙曲柄多連桿機構的運動過程，聯合使用UG和ADAMS建立機構的仿真模型，通過運動學仿真分析得到了滑塊的位移、速度、加速度和驅動力矩曲線，為設計人員在進行伺服精沖壓力機設計時提供參考依據。

1 傳動機構的工作原理和運動學解析

1.1 傳動機構的工作原理

圖1為該伺服精沖壓力機傳動機構的運動簡圖，其為不等長雙曲柄多連桿機構，圖中表示了當滑塊處于下死點和上死點時各桿件的狀態。其中不等長曲柄L1、L4轉速相同、轉向相反，將三角支架表示為桿L7、L11和L12。設桿L8與滑塊的鉸接點為H；桿L7、L8和L11的鉸接點為G；桿L6、L7和L12的鉸接點為E；桿L2、L3和L6的鉸接點為B；桿L1和L2的鉸接點為A；桿L3和L4的鉸接點為C；兩曲柄軸中心分別為O、D；F為桿L11和L12的鉸接點。當滑塊運動到上死點時，A運動到A′、B運動到B′、C運動到C′、E運動到E′、G運動到G′、H運動到H′。

圖1 伺服精沖壓力機傳動機構運動簡圖

1.2 傳動機構的運動學解析

首先建立機構的數學模型，然后運用復數矢量法對機構進行運動學解析，得到滑塊的位移、速度和加速度方程[2]。圖2為傳動機構的幾何模型，其中，L9為中心O到H的連線；L10為H到F的連線；L13為F到D的連線；L5為中心O到D的連線。圖2中，θn為曲柄Ln與X軸逆時針方向的夾角(n=1，2，…，13)。伺服電機驅動曲柄L1旋轉，通過連桿驅動機構使滑塊上下往復運動。

圖2 傳動機構幾何模型

利用復數矢量法建立機構的矢量方程組如下:

L1eiθ1+L2eiθ2=L3eiθ3+L4eiθ4+L5eiθ5.

(1)

L13eiθ13+L12eiθ12+L6eiθ6=L3eiθ3+L4eiθ4.

(2)

L9eiθ9+L8eiθ8+L7eiθ7+L6eiθ6=L2eiθ2+L1eiθ1.

(3)

(4)

通過解方程組，可以得到各技術參數與曲柄轉角θ1、θ4以及各桿長之間的函數關系。

參考文獻[2]可知，滑塊位移方程為：

s=L8+L11+L8sinθ8+L11sinθ11.

(5)

其中：s為滑塊行程；L8、L11為桿長。

將式(5)兩邊對時間求導，得到滑塊速度方程：

(6)

其中：v為滑塊速度；ω8、ω11為相關桿的角速度。

將速度方程兩邊對時間求導，得到滑塊加速度方程：

(7)

其中：a為滑塊加速度；α8、α11為相關桿的角加速度。

2 傳動機構的仿真模型創建

使用運動學仿真軟件ADAMS進行輔助分析可以減少設計人員的分析時間[3，4]，故本文采用ADAMS對該機構進行運動學分析。

2.1 傳動機構的各參數確定

傳動機構的各桿長度如表1所示。

表1 傳動機構桿長

機構的材料密度為7.83×103kg/m3，重力加速度為9.80 m/s2。要求沖裁的材料厚度為6 mm，沖裁力為2 500 kN，沖裁速度為60次/min，滑塊的最大行程為68 mm。

在桿長一定的情況下，雙曲柄機構的性能與兩曲柄的安裝角有關[5-8]。經研究確定安裝角為θ1=0°、θ4=87°。

2.2 基于UG和ADAMS的仿真模型創建

先在UG中建立傳動機構的三維模型，然后將其導入到ADAMS中，修改各部件的材料屬性，再分別添加相應的運動副、力和驅動，創建好的仿真模型如圖3所示。蝸輪蝸桿機構的傳動比為7.5，蝸輪蝸桿的作用是帶動上下曲柄使兩曲柄轉速相同、轉向相反。

1,3-渦輪；2-蝸桿

在滑塊處施加力，使滑塊距離上死點6 mm時受到2 500 kN的力，函數表達式為step(time,0.802 7,0,0.802 71,-2 500 000)+step(time,1,0,1.000 01,2 500 000)，參數設置如圖4(a)所示。在蝸桿處添加轉速為2 700 (°)/s的驅動，對應滑塊處的沖裁速度為60次/min，參數設置如圖4(b)所示。