CN103057142B - 双曲柄驱动双点伺服压力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双曲柄驱动双点伺服压力机。包括机身、滑块和两套独立的由双曲柄机构构成的传动系统，两套双曲柄传动系统对称设置在机身上横梁内，传动系统输出连杆与设置在滑块上的导柱铰接；所述的双曲柄机构包括大齿轮、销轴、小连杆、输出杆以及偏心座，销轴固设在大齿轮轮缘上，小连杆一端与销轴铰接而另一端与输出杆铰接，输出杆一端与小连杆铰接而另一端与活动支承在偏心座上的曲柄轴固联，销轴中心至大齿轮旋转中心臂长、小连杆、输出杆以及输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距构成四连杆机构。本发明使压力机滑块既可获得下行程转角大、返程转角小的急回特性，又可得到滑块下死点附近优良的成形曲线和显著的增力作用。

Description

双曲柄驱动双点伺服压力机

技术领域

本发明涉及一种双曲柄驱动双点伺服压力机，特别涉及双曲柄驱动结构形式的双点伺服压力机，属于机械压力机技术领域。

背景技术

由于伺服压力机具有成形性能好、结构简化、节能环保、易于操作等特点，自上世纪90年代问世以来得到快速地发展，日本、欧美等国伺服压力机所占压力机比例已达25-40%。近年来，国内在伺服压力机开发研制方面加大了投资力度，推出了不同规格、不同传动形式的伺服压力机。但国内伺服压力机研发的市场化进程较慢，至今尚未见批量推入市场的报道。究其原因，除了在技术上尚需继续成熟之外，还由于伺服压力机是依靠伺服电机的瞬时扭矩提供压制力的，需比普通压力机电机功率大得多的伺服电机，大功率伺服电机的性能和价格是制约我国伺服压力机市场化的关键因素。因此，如何减小伺服电机的功率需求，降低制造成本和市场价格，这是国内伺服压力机开发首要考虑的问题。

提高伺服压力机吨位与伺服电机容量之比，以小功率伺服电机获取大吨位压制力,其常用手段是采用增力机构。现有伺服压力机传动系统多采用肘杆式增力机构，如国家知识产权局已授权专利有：“伺服控制闭式双点精密压力机（Zl200720053508.3）；“肘节复合驱动式伺服压力机（ZL200920000238.9）”；“可用于伺服压力机的结点偏置式曲柄肘杆机构（ZL201020692648.7）”；“伺服压力机传动系统（Zl201120293348.6）”等，这类肘杆式伺服压力机传动机构具有优良的下死点成形曲线，较大的急回特性，明显的增力效果。但由于系统杆系较多，存在结构复杂、综合间隙大、制造装配工艺性差的不足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种双曲柄驱动双点伺服压力机。

本发明的技术方案是：包括机身、滑块和两套独立的由双曲柄机构构成的传动系统组成，两套双曲柄传动系统对称设置在机身上横梁内，传动系统输出连杆通过销轴与设置在滑块上的导柱铰接；所述的双曲柄机构包括大齿轮、销轴、小连杆、输出杆以及偏心座，销轴固设在大齿轮轮缘上，小连杆一端与销轴铰接而另一端与输出杆铰接，输出杆一端与小连杆铰接而另一端与活动支承在偏心座上的曲柄轴固联，销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3、小连杆的杆长L2、输出杆的杆长L1以及输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距L4构成双曲柄四连杆机构。

所述传动系统包括伺服电机、减速机构、双曲柄机构以及曲柄连杆机构组成，其中伺服电机固设在机身上，伺服电机输出轴与减速机构联接；减速机构可为一级或两级减速齿轮，也可为一级减速同步带轮和一级减速齿轮，减速机构的末级大齿轮套装在固设于机身的偏心座上；曲柄连杆机构中的曲柄轴为曲轴、曲拐轴、偏心轴以及偏心套结构；双曲柄机构的输出杆与曲柄轴固联。

压力机机身包括下横梁、上横梁、工作台和四立柱组成，机身结构左右对称，前后立柱相对于工作台中心也呈前后对称布置。

在机身上横梁底部固设有两导套，设置在滑块上的两导柱与该导套为滑动连接。

在减速机构齿轮轴上设置两只制动器，制动器外壳与机身固联。

本发明的优化模型为：

设计变量：，分别为双曲柄机构的输出杆的杆长L1、小连杆的杆长L2、销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3、输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距L4以及输出杆与曲柄轴的相位角Ф；

目标函数：以滑块位于公称力行程处作用在双曲柄机构输入杆转矩最小为目标函数，因此有：

式中，Q为作用在滑块上公称冲压力；为公称力行程处滑块速度；为销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3角速度；

约束条件：①双曲柄机构存在条件；

②最小传动角条件；

③滑块急回特性条件；

④滑块最高速度限制条件；

⑤滑块最高加速度限制条件；

⑥杆系参数限制条件；

⑦与其他机构几何干涉条件；

针对上述优化模型，应用遗传算法求解优化设计变量；

借用VC或其它语言工具编写双曲柄杆系参数优化数学模型以及相应遗传算法功能模块，设置优化设计遗传算法初始种群数80-200、交叉概率0.8-0.9、变异概率0.05-0.1、遗传代数50-120优化过程参数，根据冲压工艺要求设置约束条件参数，进行双曲柄机构结构参数优化，即求得不同约束条件下满足目标函数的全局最优双曲柄机构的输出杆的杆长L1、小连杆的杆长L2、销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3、输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距L4以及Ф参数。

本发明双点伺服压力机的伺服电机经减速机构减速后，将运动和动力传输至双曲柄机构，利用双曲柄机构可将输入杆匀速转动转换为输出杆的非匀速转动功能，使压力机滑块既可获得下行程转角大、返程转角小的急回特性，又可得到滑块下死点附近优良的成形曲线和显著的增力作用。

本发明双点伺服压力机特点为：

①显著的增力作用，例如，2500KN双点伺服压力机在滑块8mm公称力行程处所需转矩仅为常规曲柄滑块机构的43%；

②系统综合间隙小，下死点精度高。本发明双曲柄机构与曲柄连杆机构由机身壁板分隔，两者在曲柄轴端部固联，前者制造误差不递给后者，压力机综合间隙和下死点精度主要由受曲柄连杆机构影响；

③较好的急回特性，提高了工作效率。

④左右对称的传动系统两支曲柄连杆机构，其侧向力由机身导套左右平衡承受，保证了滑块的导向精度；

⑤前后对称的机身结构，大大提高了压力机工作刚度和操作方便性。

附图说明

附图1传动系统原理图。

附图2双曲柄四连杆机构。

附图3双曲柄驱动双点伺服压力机后视图。

附图4双曲柄驱动双点伺服压力机左视图。

附图5滑块位移s相对于L3转角曲线图。

附图6滑块位移速度v相对于L3转角曲线图。

附图7滑块位移加速度a相对于L3转角曲线图。

附图8作用在L3转矩相对于L3转角曲线图。

图中1为输出杆、2为小连杆、3为销轴、4为曲轴、5为连杆、6为偏心座、7为工作台、8为下横梁、9为导柱、10为滑块、11为立柱、12为上横梁、13为曲柄。

具体实施方式

本发明双曲柄驱动双点伺服压力机传动系统，包括减速机构、双曲柄机构以及曲柄连杆机构组成，如图1所示。

减速机构由一级或两级齿轮组成，也可选用一级同步带轮和一级齿轮机构，减速机构的末级大齿轮Z4套装在固定于机身的偏心座6上。该减速机构在伺服电机额定转速工况条件下，满足压力机最大行程次数要求。

双曲柄机构包括大齿轮、销轴3、小连杆2、输出杆1以及偏心座6：销轴3固设在大齿轮轮缘上，小连杆2一端与销轴3铰接而另一端与输出杆1铰接，输出杆1一端与小连杆2铰接而另一端与活动支承在偏心座6上曲柄轴固联，这样由销轴3至大齿轮旋转中心臂长L3、小连杆2长L2、输出杆1长L1以及输出杆1转动中心至齿轮旋转中心的偏心距L4构成双曲柄四连杆机构。

在双曲柄四连杆机构图2中，已知输入杆3（L3）（齿轮Z4）转角和角速度，可计算得到铰接点C坐标：

（1）

铰接点B坐标：

（2）

式中，；

输出杆1L1（即曲柄轴）转角和小连杆转角：

（3）

输出杆1L1角速度：

（4）

输出杆1L1角加速度：

（5）

式中，；

由输出杆1L1（曲轴）转角、角速度和角加速度，便可方便求解滑块位移s、速度v和加速度a。

（6）

　　　（7）

（8）

式中，R为曲柄4半径；k为连杆5系数；为曲柄4转角。

根据能力守恒定理，传动系统的输入功率和输出功率的代数和为零，在不考虑摩擦转矩条件下，作用在滑块10上负载Q与滑块速度v的乘积等于输入杆L3（齿轮Z4）转矩与其角速度乘积，即：

(9)

则输入杆转矩为：

(10)

由式（1）-（4）可见，双曲柄机构输出杆1转角与输入杆3转角存在非线性关系，在输入杆3匀速转动条件下其输出杆1转速为非匀速。为此，通过合理选择双曲柄机构参数，可由式（6）-（8）得到理想的滑块位移s、速度v和加速度a。

此外，由式（10）可知，若降低工作行程处的滑块10位移速度v，即可减小压力机额定载荷所需的最大冲压转矩，从而达到增力目的。

有上述分析可见，双曲柄机构结构参数对压力机滑块10的位移、速度、加速度以及作用在输入杆上的转矩影响较大，需要对结构参数进行优化设计。遗传算法是借用生物遗传学自然选择、遗传、交叉、变异等作用机制，可获得全局最优解的最新优化方法。对于双曲柄机构结构参数进行遗传算法优化，其优化模型为：

设计变量：，分别为双曲柄机构的杆长L1、L2、L3、L4以及输出杆1与曲柄轴的相位角Ф。

目标函数：，可进行单目标或多目标优化，这里仅以滑块位于公称力行程处作用在双曲柄机构输入杆3的转矩最小为目标函数，即

约束条件：①双曲柄机构存在条件；

②最小传动角条件；

③几何干涉条件；

④滑块急回特性条件。

借用VC或其它语言工具编写双曲柄杆系参数优化数学模型以及相应遗传算法功能模块，设置优化设计遗传算法初始种群数（80-200）、交叉概率（0.8-0.9）、变异概率（0.05-0.1）、遗传代数（50-120）优化过程参数，根据冲压工艺要求设置约束条件参数，进行双曲柄机构结构参数优化，即求得不同约束条件下满足目标函数的全局最优双曲柄机构杆长L1、L2、L3、L4以及Ф参数。例如，对于2500KN双点伺服压力机，选择初始种群数为120、交叉概率为0.9、变异概率0.05、遗传代数为100，经遗传算法优化得到的优化杆系参数为：

L1=285；L2=358；L3=426；L4=175；Ф=341。

图5-8分别为在优化杆系参数下的滑块位移、速度、加速度以及输入杆3转矩与输入杆3转角的关系曲线图。

本发明压力机机身包括下横梁8、上横梁12、工作台7和四立柱11组成，机身结构左右对称，前后立柱11相对于工作台7中心呈前后对称布置。

本发明在机身上横梁12底部固设有两导套，设置在滑块10上的两导柱9与该导套为滑动连接。

Claims (4)

1.一种双曲柄驱动双点伺服压力机，包括机身、滑块和两套独立的由双曲柄机构构成的传动系统，两套双曲柄传动系统对称设置在机身上横梁内，传动系统输出连杆通过销轴与设置在滑块上的导柱铰接；所述的双曲柄机构包括大齿轮、销轴、小连杆、输出杆以及偏心座，销轴固设在大齿轮轮缘上，小连杆一端与销轴铰接而另一端与输出杆铰接，输出杆一端与小连杆铰接而另一端与活动支承在偏心座上的曲柄轴固联，销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3、小连杆的杆长L2、输出杆的杆长L1以及输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距L4构成双曲柄四连杆机构；

所述传动系统包括伺服电机、减速机构、双曲柄机构以及曲柄连杆机构，其中伺服电机固设在机身上，伺服电机输出轴与减速机构联接；减速机构可为一级或两级减速齿轮，也可为一级减速同步带轮和一级减速齿轮，减速机构的末级大齿轮套装在固设于机身的偏心座上；曲柄连杆机构中的曲柄轴为曲轴、曲拐轴、偏心轴以及偏心套结构；双曲柄机构的输出杆与曲柄轴固联；其特征在于，

各杆件参数优化模型为：

设计变量：，分别为双曲柄机构的输出杆的杆长L1、小连杆的杆长L2、销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3、输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距L4以及输出杆与曲柄轴的相位角Ф；

目标函数：以滑块位于公称力行程处作用在双曲柄机构输入杆转矩最小为目标函数，因此有：

式中，Q为作用在滑块上公称冲压力；为公称力行程处滑块速度；为销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3角速度；

约束条件：①双曲柄机构存在条件；

②最小传动角条件；

③滑块急回特性条件；

④滑块最高速度限制条件；

⑤滑块最高加速度限制条件；

⑥杆系参数限制条件；

⑦与其他机构几何干涉条件；

针对上述优化模型，应用遗传算法求解优化设计变量；

借用VC或其它语言工具编写双曲柄杆系参数优化数学模型以及相应遗传算法功能模块，设置优化设计遗传算法初始种群数80-200、交叉概率0.8-0.9、变异概率0.05-0.1、遗传代数50-120优化过程参数，根据冲压工艺要求设置约束条件参数，进行双曲柄机构结构参数优化，即求得不同约束条件下满足目标函数的全局最优双曲柄机构的输出杆的杆长L1、小连杆的杆长L2、销轴中心至大齿轮旋转中心臂长L3、输出杆转动中心至大齿轮旋转中心的偏心距L4以及Ф参数。

2.根据权利要求1所述的双曲柄驱动双点伺服压力机，其特征在于：压力机机身包括下横梁、上横梁、工作台和四立柱，机身结构左右对称，前后立柱相对于工作台中心也呈前后对称布置。

3.根据权利要求1所述的双曲柄驱动双点伺服压力机，其特征在于，在机身上横梁底部固设有两导套，设置在滑块上的两导柱与该两导套为滑动连接。

4.根据权利要求1所述的双曲柄驱动双点伺服压力机，其特征在于，在减速机构齿轮轴上设置两只制动器，制动器外壳与机身固联。