CN104439004B - 行程可调的多杆增力传动机构及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于锻压设备传动系统的行程可调的多杆增力传动机构及其调整方法，包括驱动电机，双曲柄机构，双偏心轮机构以及曲柄连杆机构，驱动电机经齿轮减速传动机构带动双曲柄机构，进而驱动与双曲柄机构固连的双偏心轮机构绕固定轴转动，通过与双偏心轮外侧偏心轮机构铰接的连杆带动工作滑块做上下往复运动，完成基本的锻压工艺操作，且双曲柄机构运动传递杆由两段连杆经螺纹连接机构连接共同组成，可在合理范围内对杆长进行调整，由双偏心轮机构代替传统曲柄机构，提高系统的承载能力的同时可以通过改变偏心轮相对位置实现对滑块行程的调整，该发明具有结构布局紧凑，滑块运动特性可调，承载能力强等特点。

Description

行程可调的多杆增力传动机构及其调整方法

技术领域

本发明涉及一种行程可调的多杆增力传动机构及其调整方法，属于机械制造技术领域。

技术背景

传统机械压力机多以曲柄连杆机构作为主传动机构，通过曲柄连杆机构将电机的转动传递给滑块，从而实现运动形式的转换以及能量的传递。由于曲柄、连杆尺寸一经设计完成，其滑块运动输出特性随之确定，这就降低了设备的工艺适应性，限制了工艺装备的加工工艺类别。所以，曲柄压力机往往不适于进行深拉伸，压印等工艺操作。

在锻压装备领域，改变滑块的运动输出特性，尤其是对滑块下死点位置附近的运动特性进行优化调整，不仅能够有效地提高材料的成形性能，预防各种加工工艺缺陷的产生，而且由于减少了合模时机床及模具的冲击力，能够显著降低噪音，提高模具及机床的使用寿命。为实现对滑块运动输出特性的调整，设计上一般采用两种方式：一种为设计满足特定工艺加工要求的多连杆机构作为锻压设备的主传动机构，一般为多连杆机构，如由济南二机床集团公司设计研发的20000KN级LS4-2000A型闭式四点多连杆压力机即为采用多连杆机构作为传动机构实现对滑块运动输出特性的调整，又如金丰机器工业股份有限公司公布的一种液压马达减速齿轮箱压力机也是采用多连杆机构，实现了放大马达输出扭矩，节省能源及增加经济效益的目的；另一种是用伺服电机取代传统电机，通过对输出端速度的调整实现滑块运动输出特性的动态调节，现有典型产品如日本小松KOMATSU公司先后推出的H1F、H2F、H2W和HCP系列复合型伺服压力机。前者只能实现对滑块运动输出特性的单次调整，一次调整后，滑块运动输出特性也随之固定，对于设备加工柔性和工艺适应性的提高有限；后者的设计一直为国外公司所垄断，国内伺服锻压设备的研发设计受到低速大扭矩电机成本等问题的限制，一直不能得到有效的推广。

发明内容

本发明旨在提供一种结构紧凑的，能够实现滑块运动输出特性的动态调整的一种锻压设备的主传动机构，以克服已有机构的不足。

一种行程可调的多杆增力传动机构，其特征在于：包括第一基座,第二基座；

还包括安装于第一基座和第二基座之间的双曲柄机构,该双曲柄机构依次由主动连杆、运动传递杆、从动连杆组成，其中运动传递杆长度可通过长度调整装置调节；

还包括双偏心轮机构，该双偏心轮机构由相对位置可调且调整后相对位置固定的小偏心轮和大偏心轮组成；其中双偏心轮机构与双曲柄机构的主动连杆固连；

还包括由直线导轨约束的滑块，以及一端与大偏心轮铰接，另一端与滑块铰接的连杆；还包括约束滑块直线运动的直线导轨。

所述行程可调的多杆增力传动机构的传动方法，其特征在于包括以下过程：

从动连杆在电机带动下绕第二基座旋转，将运动通过与从动连杆铰接的运动传递杆传递给主动连杆，使主动连杆绕第一基座旋转；主动连杆带动固连其上的双偏心轮机构绕第一基座旋转；双偏心轮机构驱动与其铰接的连杆，连杆带动滑块沿直线导轨往复运动；

其中，滑块的行程S＝2R,其中R为连杆与大偏心轮的铰接点与第一基座之间的距离；通过调整小偏心轮和大偏心轮的相对位置来调整R长度，从而实现对滑块行程的调整；

其中，滑块的速度v由

${\mathrm{\θ}}_3=2\×arctan\left(\frac{A+\sqrt{A^2+B^2+C^2}}{B-C}\right),v=R\mathrm{\ω}\[sin\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\λ}sin2\mathrm{\α}}{2\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}\]$

两个公式共同决定，其中ω为前一公式中的θ₃的一次导数；式中

A＝2l₁l₃sinθ₂，B＝2l₃(l₁cosθ₁+l₄)，其中θ₁为双曲柄机构的主动连杆与竖直方向的夹角；θ₂为双曲柄机构的运动传递杆与水平方向的夹角；θ₃为双曲柄机构的从动连杆与机架连杆间的夹角；l₁，l₂，l₃，l₄依次为双曲柄机构的主动连杆，运动连接杆，从动连杆以及机架连杆的长度；其中将第一基座与第二基座之间的连线视为机架连杆；R为曲柄连杆机构曲柄长度，λ为连杆系数；双偏心轮机构与连杆(8)共同组成曲柄连杆机构，将连杆(8)与大偏心轮(7)的铰接点与第一基座(1)之间的连线视为曲柄，则α为曲柄转角；ω为曲柄角速度。

本发明其创新点在于：

双曲柄机构主动连杆在电机带动下绕基座旋转，将运动通过运动传递杆传递给被动连杆，驱动其绕另一个基座旋转并带动固连其上的双偏心轮机构绕基座旋转，其中运动传递杆长度可调；双偏心轮机构驱动与其铰接的连杆带动滑块沿直线导轨往复运动，其中双曲柄机构可以通过调整大小偏心轮的相对位置实现偏心距的调整。

由以上给出的技术解决方案可以明了，本发明由于采用了可变杆长的双曲柄机构，不但能够达到降低输入端扭矩，达到增力的目的，还能够通过调整运动传递杆的长度实现对滑块运动输出特性的调整，从而适应不同加工工艺的要求；同时采用双偏心轮机构直接驱动连杆的方式实现运动形式的转换，不但可以通过调整两个偏心轮的相对位置实现滑块行程的调整，还能显著提高机构的承载能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中标号名称：1—第一基座；2—第二基座；3—主动连杆；4—运动传递杆；5—从动连杆；6—小偏心轮；7—大偏心轮；8—连杆；9—滑块；10—导轨；

图2是双曲柄机构及曲柄连杆机构运动原理图；

图3是本发明与传统曲柄连杆机构运动特性对比图；

图4是不同运动传递杆长度条件下滑块运动特性对比图。

具体实施方式

本发明机构运动原理如图1。

一种可调行程的多杆增力传动机构，包括由主动连杆3,运动传递杆4,从动连杆5及第一基座1,第二基座2组成的双曲柄机构,由小偏心轮6和大偏心轮7组成的双偏心轮机构，由双偏心轮机构与连杆8共同组成的曲柄连杆机构。

所述双曲柄机构中的运动传递杆4由一个连接装置将两段连杆连接共同组成连杆4；其运动原理图如图2左，其中

图2中标号名称：H₁H₂—相当于主动连杆；H₂H₃—相当于运动传递杆；H₃H₄—相当于从动连杆；H₁H₄—相当于机架连杆；l₁—主动曲柄连杆长度；l₂—运动传递杆长度；l₃—从动曲柄连杆长度；l₄—机架连杆长度；ρ_1,1—H₁H₂中点到H₁位置矢量；ρ_1,2—H₁H₂中点到H₂位置矢量；ρ_2,2—H₂H₃中点到H₂位置矢量；ρ_2,3—H₂H₃中点到H₃位置矢量；ρ_3,3—H₃H₄中点到H₃位置矢量；ρ_3,4—H₃H₄中点到H₄位置矢量；r₁—H₁点到连杆H₁H₂中点位置矢量；r₂—H₁点到连杆H₂H₃中点位置矢量；r₃—H₁点到连杆H₃H₄中点位置矢量；r_0,4—H₁点到H₄点位置矢量；θ₁—主动连杆与竖直方向夹角；θ₂—运动传递杆与水平方向夹角；θ₃—从动连杆与水平方向夹角；M₁—连杆H₁H₂所受扭矩矢量；M₂—连杆H₂H₃所受扭矩矢量；M₃—连杆H₃H₄所受扭矩矢量；F₁—连杆H₁H₂所受外力矢量；F₂—连杆H₂H₃所受外力矢量；F₃—连杆H₃H₄所受外力矢量；β₁—连杆H₁H₂与水平方向夹角；；OA—曲柄连杆机构曲柄；AB—曲柄连杆机构连杆；B—滑块；S—滑块运动行程；R—曲柄长度；L—连杆长度；λ—连杆系数；α—曲柄转角；ω—曲柄角速度；

其中，H₁H₂对应图1中的主动连杆3，H₂H₃对应图1中的运动传递杆4，H₃H₄对应图1中的从动连杆5，H₁H₄对应图1中第一基座1和第二基座2连线，OA可由图1中由双偏心轮简化而成，AB对应图1中的连杆8。对该发明的运动学及动力学推导如下：

1.双曲柄机构运动学分析

在双曲柄机构H₁H₂H₃H₄中，各杆矢量构成构成了封闭的约束方程

H₁H₂+H₂H₃＝H₁H₄+H₄H₃ (1)

为求解θ₂，将方程(1)转换为H₂H₃＝H₁H₄+H₄H₃-H₁H₂

设|H₁H₂|＝l₁，|H₂H₃|＝l₂，|H₃H₄|＝l₃，|H₁H₄|＝l₄，等式左右两边各自点积，可得

$l_2^2=l_3^2+l_4^2+l_1^2+2l_3{l}_{4}cos(\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_2)-2l_1{l}_{4}cos(\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_1)-2l_1{l}_{3}cos({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_1)$

令A＝2l₁l₃sinθ₂，B＝2l₃(l₁cosθ₁+l₄)，则有Asinθ₃+Bcosθ₃+C＝0

求解得 ${\mathrm{\θ}}_3=2\×arctan\left(\frac{A+\sqrt{A^2+B^2+C^2}}{B-C}\right)---\left(2\right)$

2.双曲柄机构动力学分析

采用牛顿-欧拉方程对如图2.4所示的平面铰链四杆机构进行运动求解，分别针对构件H₁H₂,H₁H₂,H₁H₂进行动力学分析，列写牛顿-欧拉方程如下：

对构件H₁H₂有：

$\{\begin{array}{c}{F}_1-m_1{\stackrel{\·\·}{r}}_1+R_{1,1}+R_{1,2}=0,\\ M_d+M_1-J_1{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}}_1+{\mathrm{\ρ}}_{1,1}\×R_{1,1}+{\mathrm{\ρ}}_{1,2}\×R_{1,2}=0\end{array}---\left(3\right)$

对构件H₂H₃有：

$\{\begin{array}{c}{F}_2-m_2{\stackrel{\·\·}{r}}_2+R_{2,2}+R_{2,3}=0,\\ M_2-J_2{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2+{\mathrm{\ρ}}_{2,2}\×R_{2,2}+{\mathrm{\ρ}}_{2,3}\×R_{2,3}=0\end{array}---\left(4\right)$

对构件H₃H₄有：

$\{\begin{array}{c}{F}_2-m_3{\stackrel{\·\·}{r}}_3+R_{3,3}+R_{3,4}=0,\\ M_3-J_3{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_3+{\mathrm{\ρ}}_{3,3}\×R_{3,3}+{\mathrm{\ρ}}_{3,4}\×R_{3,4}=0\end{array}---\left(5\right)$

上述矢量方程展开后，共有9个标量方程，同时，采用局部坐标系建立方法，对每个转动副邻接刚体坐标之间的关系建立约束方程，分别有

r₁+ρ_1,1＝r_0,1 (6)

r₁+ρ_1,2＝r₂+ρ_2,2 (7)

r₂+ρ_2,3＝r₃+ρ_3,3 (8)

r_0,4＝r₃+ρ_3,4 (9)

上述矢量方程展开后，共有8个标量方程，方程(1)～(9)共同构成封闭的方程组，组成了平面铰链四杆机构的系统动力学笛卡尔数学模型，如图3为双曲柄机构特性曲线与传统曲柄连杆机构对比。

所述双偏心轮机构与双曲柄机构末端固连，由主动连杆3带动绕第一基座1转动；

所述双偏心轮机构完成了传统锻压机构中偏心齿轮机构的部分功能，通过驱动套接在外侧偏心轮上的连杆8，驱动滑块9沿导轨往复运动，其简化的运动原理图如图2右，其中

滑块行程： $s=R\[(1-cos\mathrm{\α})+\frac{1}{\mathrm{\λ}}(1-\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}})\]$

滑块速度： $v=R\mathrm{\ω}\[sin\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\λ}sin2\mathrm{\α}}{2\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}\]---\left(10\right)$

滑块加速度： $a=-{\mathrm{R\α}}^2\[cos\mathrm{\α}+\left(\frac{\mathrm{\λ}(cos2\mathrm{\α}+{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^4\mathrm{\α})}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^3}}\right)\]$

其中，曲柄连杆机构曲柄转速与双曲柄机构从动曲柄转速相同，即ω由公式(2)的一阶导数确定，这样通过(1)—(10)方程推导即可得到本发明完整动力学和运动学的理论推导公式。

本发明可以有效的提高锻压设备的工艺适应性。本发明利用变杆长双曲柄机构以及双偏心轮机构的配合，可以在一定范围内有效调整滑块的运动输出特性，在不改变驱动电机转速的情况下，通过调整螺纹连接机构改变连杆长度，从而获得多种滑块运动加工输出曲线，如图4，不同连杆长度条件下，滑块的速度-时间曲线表现出明显的不同。同时本发明具有结构紧凑，承载能力强，急回特性好的特点。

Claims (2)

1.一种行程可调的多杆增力传动机构，其特征在于：

包括第一基座(1),第二基座(2)；

还包括安装于第一基座(1)和第二基座(2)之间的双曲柄机构,该双曲柄机构依次由主动连杆(3)、运动传递杆(4)、从动连杆(5)组成，其中运动传递杆(4)长度可通过长度调整装置调节；

还包括双偏心轮机构，该双偏心轮机构由相对位置可调且调整后相对位置固定的小偏心轮(6)和大偏心轮(7)组成；其中双偏心轮机构与双曲柄机构的主动连杆(3)固连；

还包括由直线导轨(10)约束的滑块(9)，以及一端与大偏心轮(7)铰接，另一端与滑块(9)铰接的连杆(8)；

还包括约束滑块直线运动的直线导轨(10)。

2.根据权利要求1所述行程可调的多杆增力传动机构的传动方法，其特征在于包括以下过程：

从动连杆(5)在电机带动下绕第二基座(2)旋转，将运动通过与从动连杆(5)铰接的运动传递杆(4)传递给主动连杆(3)，使主动连杆(3)绕第一基座(1)旋转；主动连杆(3)带动固连其上的双偏心轮机构绕第一基座(1)旋转；双偏心轮机构驱动与其铰接的连杆(8)，连杆(8)带动滑块(9)沿直线导轨(10)往复运动；

其中，滑块(9)的行程S＝2R,其中R为连杆(8)与大偏心轮(7)的铰接点与第一基座(1)之间的距离；通过调整小偏心轮(6)和大偏心轮(7)的相对位置来调整R长度，从而实现对滑块(9)行程的调整；

其中，滑块(9)的速度v由

两个公式共同决定，其中ω为前一公式中的θ₃的一次导数；式中

A＝2l₁l₃sinθ₂，B＝2l₃(l₁cosθ₁+l₄)，

其中θ₁为双曲柄机构的主动连杆(3)与竖直方向的夹角；θ₂为双曲柄机构的运动传递杆(4)与水平方向的夹角；θ₃为双曲柄机构的从动连杆(5)与机架 连杆间的夹角；l₁，l₂，l₃，l₄依次为双曲柄机构的主动连杆(3)，运动传递杆(4)，从动连杆(5)以及机架连杆的长度；其中将第一基座与第二基座之间的连线视为机架连杆；R为曲柄连杆机构曲柄长度，λ为连杆系数；双偏心轮机构与连杆(8)共同组成曲柄连杆机构，将连杆(8)与大偏心轮(7)的铰接点与第一基座(1)之间的连线视为曲柄，则α为曲柄转角；ω为曲柄角速度。