一种伺服机械精冲压力机主传动机构及运动规划方法与流程

本发明属于机械工程技术的技术领域，尤其涉及一种伺服机械精冲压力机主传动机构及运动规划方法。

背景技术：

由于精冲零件具有尺寸公差小，形状精度高，冲裁面光洁，表面平整，垂直度和互换性好等优点。市场对于精冲零件需求不断增大，人们迫切需要一种高效、高精度的精冲设备来进行大批量生产精冲零件。传统的单伺服输入驱动曲柄滑块机构或肘杆机构为了满足滑块行程要求，其曲柄半径不低于某下限值，而过大曲柄半径限制着机构的增益。即在满足一定的滑块行程时，还需要电机输出较大的扭矩；而混合输入驱动的工作机构存在常规电机运动不可控而影响滑块运动特性的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种伺服机械精冲压力机主传动机构及运动规划方法，以满足高速精冲过程滑块行程、公称行程内的速度和公称力的多重要求的前提下，提高精冲压力机的工作效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种伺服机械精冲压力机主传动机构，包括第一曲柄、第一连杆、第二连杆、第二曲柄、第三连杆、滑块和机架，其特征在于，所述第一曲柄的一端与机架相铰接，另一端与第一连杆的一端相铰接，第一连杆的另一端均与第二连杆及第三连杆的一端相铰接，第二连杆的另一端与第二曲柄的一端相铰接，第二曲柄的另一端与机架相铰接，第三连杆的另一端与滑块相铰接，滑块沿导轨竖直滑动，第一伺服电机驱动第一曲柄绕铰接点旋转，第二伺服电机驱动第二曲柄绕铰接点旋转。

按上述方案，所述第一曲柄的一端与机架的铰接点与第二曲柄的另一端与机架的铰接点的水平距离为第三连杆与第二曲柄的长度之差，竖直距离为第二连杆与第一曲柄的长度之和，第一曲柄的一端与机架的铰接点与第三连杆的另一端与滑块的铰接点位于同一直线上。

按上述方案，所述第一曲柄的长度小于第二曲柄的长度。

一种伺服机械精冲压力机主传动机构的运动规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)确定两伺服电机关键相位角，根据伺服机械精冲压力机的工艺过程，在一个工作周期内，滑块分为三个控制阶段，包括由运行起点快速到达冲裁起始点的快速闭合阶段、由冲裁起始点慢速到达冲裁终止点的慢速冲裁阶段、由冲裁终止点快速到达运行起始点的快速回程阶段，确定滑块的运行起始点、冲裁起始点、冲裁终止点及对应两伺服电机的运行起始相位角、冲裁起始相位角、冲裁终止相位角；

b)两伺服电机柔性加减速规划，起始和终止位置的加速度和加加速度为零，从加加速度构造函数j(t)：

其中，x为系数，t为一个加速周期，t0为加(减)速初始时间，

根据j(t)可推导出加速度函数为a(t)为：其中，c1为常数系数，根据a(t)可推导出速度函数v(t)为：

其中，c2为常数系数，根据v(t)可推导出位移函数s(t)为：

设v0为加(减)速初始速度，v1为加(减)速后的速度，根据边界条件，当t＝0时，a(0)＝0，v(0)＝v0，s(0)＝s0，当t＝t0+t时，a(t1)＝0，v(t1)＝v1-v0，因此解得

设伺服电机的最大加速度为amax，则a(t)≤amax，即，

为充分发挥系统的运动能力，缩短加速周期，提高生产效率，取等号，则有：

因此，可解得加速过程的加加速度j(t)，加速度a(t)，速度v(t)，位移函数s(t)如下所示：

c)两伺服电机运动规划，

闭合阶段：第一伺服电机在运行起始相位角以角速度w11匀速运行至靠近冲裁起始相位角后减速到w12，到达冲裁起始相位角；第二伺服电机在运行起始相位角以角速度w21匀速运行至靠近冲裁起始相位角后减速到0，到达冲裁起始相位角；

闭合阶段第一伺服电机的匀速时间为t11，减速时间为t12；第二伺服电机的匀速时间为t21，减速时间为t22；根据上述伺服电机加减速方法、两伺服电机的三个关键相位角、以及电机特性可确定：

其中，a1max为第一伺服电机的最大加速度，a2max为第二伺服电机的最大加速度，

因此第一伺服电机的闭合时间t1为：

第二伺服电机的闭合时间t2为：

设第一伺服电机的最大转速为w1max，第二伺服电机的最大转速为w2max，根据一般伺服的电机特性和数学关系，当w11和w21分别取两伺服电机的最大转速时，各自的闭合阶段时间达到最小值，即：

两伺服电机在闭合阶段的时间相等即：t1＝t2；为了最大限度地缩短空程时间且两伺服电机能够同时满足运动要求则闭合阶段的时间可确定如下：

w12可根据冲裁速度v，伺服电机1的冲裁起始相位角和冲裁终止相位角、机构特性确定如下：当α≥0.5π时：

当0＜α＜0.5π时：

其中r为上述第一曲柄的长度，l为第一连杆与第二连杆长度之和；

所述w11根据第一伺服电机的运行起始相位角和冲裁起始相位角、闭合阶段时间、w12、第一伺服电机电机特性确定如下：

冲裁阶段：第一伺服电机在冲裁起始相位角以角速度w12匀速运行到冲裁终止相位角；第二伺服电机保持速度为0，

冲裁时间t3根据第一伺服电机的冲裁起始相位角和冲裁终止相位角、w12确定如下：

w21根据第二伺服电机的运行起始相位角和冲裁起始相位角、闭合阶段时间、第二伺服电机电机特性确定如下：

回程阶段：两伺服电机快速回程阶段的运动轨迹与快速闭合阶段的运动轨迹分别关于两伺服电机的运行起始相位对称，第一伺服电机在冲裁终止相位角由角速度w12加速到角速度w11后以角速度w11匀速运行到运行起始相位角，第二伺服电机2在冲裁终止相位角由角速度0加速到角速度w21后以角速度w21匀速运行到运行起始相位角，

回程阶段第一伺服电机的匀速时间为t11，加速时间为t12；第二伺服电机的匀速时间为t21，加速时间为t22，

根据上述方案，第一伺服电机在一个工作周期内的运动轨迹规划w1(t)为：

根据上述方案，第二伺服电机在一个工作周期内的运动轨迹规划w2(t)为：

按上述方案，所述步骤a)中包括如下内容：选取滑块能够达到的最高点作为冲裁终止点，此时第一曲柄、第一连杆、第三连杆共线，第二曲柄与第二连杆反共线，从而可确定滑块在冲裁终止点时两伺服电机的冲裁终止相位角，确定滑块的冲裁终止点后，滑块的冲裁起始点由冲裁板厚决定，即冲裁板厚等于滑块冲裁起始点与冲裁终止点的距离，冲裁过程中，第二伺服电机始终处于冲裁终止相位角，即确定第二伺服电机的冲裁起始相位角等于冲裁终止相位角，即可确定第一伺服电机的起始相位角，设α为第一伺服电机的冲裁起始相位和终止相位的夹角，设第一伺服电机、第二伺服电机在闭合和回程阶段的转角相等，确定第一伺

服电机的运行起始相位与冲裁起始相位的夹角为π-0.5α，第二伺服电机的运行起始相位与冲裁起始相位的夹角为π。

本发明的有益效果是：本发明提供一种伺服机械精冲压力机主传动机构及运动规划方法，两伺服电机的驱动输入通过一个二自由度七杆机构合成滑块的输出运动，并对两伺服电机在快速闭合阶段、慢速冲裁阶段、快速回程阶段进行运动规划，从而实现满足高速精冲过程中滑块行程、公称行程内的速度和公称力多重要求的前提下，提高精冲机的工作效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的精冲压力机主传动机构的示意图。

图2为本发明的滑块运动过程示意图。

图3为本发明的伺服电机1关键相位角的示意图。

图4为本发明的伺服电机2关键相位角的示意图。

图5为本发明的电机加减速方法的电机转角的示意图。

图6为本发明的电机加减速方法的电机速度的示意图。

图7为本发明的电机加减速方法的电机加速度的示意图。

图8为本发明的电机加减速方法的电机加加速度的示意图。

图9为本发明的实例中冲裁8mm板厚两伺服电机运动规划示意图。

其中：1.第一曲柄，2.第一连杆，3.第二连杆，4.第二曲柄，5.第三连杆，6.滑块，7.机架，8.导轨。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种伺服机械精冲压力机主传动机构，具体设计如图1所示，包括第一曲柄1、第一连杆2、第二连杆3、第二曲柄4、第三连杆5、滑块6和机架7，其第一曲柄的一端与机架相铰接，另一端与第一连杆的一端相铰接，第一连杆的另一端均与第二连杆及第三连杆的一端相铰接，第二连杆的另一端与第二曲柄的一端相铰接，第二曲柄的另一端与机架相铰接，第三连杆的另一端与滑块相铰接，滑块沿导轨8竖直滑动，第一伺服电机驱动第一曲柄绕铰接点旋转，第二伺服电机驱动第二曲柄绕铰接点旋转。根据精冲工艺过程的要求，滑块行程速度的变化满足快速闭合、慢速冲裁、快速回程的要求。在快速闭合和快速回程阶段，滑块的行程较大，需要系统提供的力较小。在慢速冲裁阶段，滑块的行程较小，需要系统提供的力较大。因此选取两个伺服电机协调控制两个曲柄，并再通过三根连杆将两个曲柄与滑块连在一起。

为了方便设计计算，容易找到滑块的最高点，第一曲柄的一端与机架的铰接点与第二曲柄的另一端与机架的铰接点的水平距离为第三连杆与第二曲柄的长度之差，竖直距离为第二连杆与第一曲柄的长度之和，第一曲柄的一端与机架的铰接点与第三连杆的另一端与滑块的铰接点位于同一直线上。这样，当第一曲柄、第一连杆和第三连杆共线，第二曲柄和第二连杆反共线时，滑块处于最高点位置。其中铰接点之间的距离主要根据装配需要进行设计确定。第一曲柄、第二曲柄分别与两个伺服电机连接，做旋转运动。在冲裁阶段，主要由第一伺服电机驱动第一曲柄的旋转提供滑块行程和冲裁力，因此第一曲柄的长度可根据最大冲裁板厚设计确定；在闭合和回程阶段主要有第二伺服电机驱动第二曲柄旋转提供滑块行程和力，因此第二曲柄的长度根据装配空间和所需空程行程设计确定。机械精冲机采用这种双伺服电机驱动方式，第一曲柄的长度小于第二曲柄的长度，第一曲柄的长度较小，以减小驱动第一曲柄的伺服电机受到的扭矩，第二曲柄的长度较大，使滑块行程满足设计要求。

当确定主传动机构后，需根据精冲工艺要求，规划两伺服电机的运动以满足高速精冲过程滑块行程、公称行程内的速度和公称力的多重要求，从而在伺服电机最大输出扭矩的前提下，提高精冲压力机的工作效率。因此本文还提供一种上述伺服机械精冲压力机的运动规划方法，步骤如下：

1)确定两伺服电机关键相位角；

根据伺服机械精冲机的工艺过程，在一个工作周期内，滑块一般分为三个控制阶段，如图2所示，滑块由运行起点快速到达冲裁起始点的快速闭合阶段；滑块由冲裁起始点慢速到达冲裁终止点的慢速冲裁阶段；滑块由冲裁终止点快速到达运行起始点的快速回程阶段。因此需先确定滑块的运行起始点、冲裁起始点、冲裁终止点及对应两伺服电机的运行起始相位角、冲裁起始相位角、冲裁终止相位角。

为了保证系统有较高的上死点精度以及防止过冲保护模具，选取滑块能够达到的最高点作为冲裁终止点，此时第一曲柄、第一连杆、第三连杆共线，第二曲柄与第二连杆反共线，从而可确定滑块在冲裁终止点时两伺服电机的冲裁终止相位角。

确定滑块的冲裁终止点后，滑块的冲裁起始点由冲裁板厚决定，即冲裁板厚等于滑块冲裁起始点与冲裁终止点的距离。由受力分析可知，第二伺服电机处于冲裁终止相位角时，不会因滑块受到冲裁力而承受较大的扭矩，因此在冲裁过程中，让第二伺服电机始终处于冲裁终止相位角，即确定第二伺服电机的冲裁起始相位角等于冲裁终止相位角。确定滑块的冲裁起始点和第二伺服电机的冲裁起始相位角后即可确定第一伺服电机的起始相位角，设α为第一伺服电机的冲裁起始相位和终止相位的夹角。

为了便于伺服电机运动规划，同时使滑块拥有较大的行程，且使系统能够更平稳高效地运行，设置第一伺服电机、第二伺服电机在闭合和回程阶段的转角相等。即第一伺服电机和第二伺服电机在快速闭合阶段的运行起始相位到冲裁起始相位的夹角与回程阶段的冲裁终止相位到运行起始相位的夹角分别相等，因此确定第一伺服电机的运行起始相位与冲裁起始相位的夹角为π-0.5α，第二伺服电机的运行起始相位与冲裁起始相位的夹角为π。第一伺服电机的关键相位角如图3所示，第二伺服电机的关键相位角如图4所示。

2)两伺服电机柔性加减速方法；

上述伺服机械精冲机的工艺过程包含快速闭合、慢速冲裁、快速回程三个工作阶段，因此电机需进行剧烈的加减速变化，所述一种电机柔性加减速方法其特征在于：速度变化平稳，加速度变化连续，起始和终止位置的加速度和加加速度为零。

从加加速度构造函数j(t)：

其中，x为系数，t为一个加速周期，t0为加(减)速初始时间。根据构造的加加速度函数可推导出加速度函数为a(t)为：

其中，c1为常数系数，根据加速度函数可推导出速度函数v(t)为：

其中c2为常数系数，根据速度函数可推导出位移函数s(t)为：

设v0为加速初始速度，v1为加(减)速后的速度，根据边界条件，当t＝0时，a(0)＝0，v(0)＝v0，s(0)＝s0，当t＝t0+t时，a(t1)＝0，v(t1)＝v1-v0。因此解得

设伺服电机的最大加速度为amax，则a(t)≤amax，即

为充分发挥系统的运动能力，缩短加速周期，提高生产效率，可取等号，则有：

因此，可解得加速过程的加加速度j(t)，加速度a(t)，速度v(t)，位移函数s(t)如下所示：

以电机在一个加速周期t内由w0加速到w1及由w1减速w0到为例：电机转角与时间的关系如图5所示，表明电机在加速和减速时所转过的角度是一样的。电机角速度与时间的关系如图6所示，加速时电机速度由w0成s型曲线增大到w1，减速时电机速度由w1成反s型曲线减小到w0。电机加速度与时间的关系如图7所示，加速时电机的的加速度由0先增大到最大值后减小到0，减速时电机的加速度由0先减小到最小值后增大到0。电机的加加速度与时间的关系如图8所示，电机加加速度由0先增大到最大值后减小到最小值再增大到0，减速时电机加加速度由0先减小到最小值后增大到最大值再减小到0。

3)两伺服电机运动规划方法；

闭合阶段：第一伺服电机在运行起始相位角以角速度w11匀速运行至靠近冲裁起始相位角后减速到w12，到达冲裁起始相位角；第二伺服电机在运行起始相位角以角速度w21匀速运行至靠近冲裁起始相位角后减速到0，到达冲裁起始相位角。

闭合阶段第一伺服电机的匀速时间为t11，减速时间为t12；第二伺服电机的匀速时间为t21，减速时间为t22；根据上述电机加减速方法、两伺服电机的三个关键相位角、以及电机特性可确定：

其中，a1max为伺服电机1的最大加速度，a2max为伺服电机2的最大加速度。

因此伺服电机1的闭合时间t1为：

第二伺服电机的闭合时间t2为：

设第一伺服电机的最大转速为w1max，第二伺服电机的最大转速为w2max，根据一般伺服的电机特性和数学关系，当w11和w21分别取两伺服电机的最大转速时，各自的闭合阶段时间达到最小值，即：

所述两伺服电机在闭合阶段的时间相等即：t1＝t2；为了最大限度地缩短空程时间且两伺服电机能够同时满足运动要求则闭合阶段的时间可确定如下：

w12可根据冲裁速度v，第一伺服电机的冲裁起始相位角和冲裁终止相位角、机构特性确定如下：当α≥0.5π时：

当0＜α＜0.5π时：

其中r为上述第一曲柄的长度，l为第一连杆与第二连杆长度之和；

w11根据第一伺服电机的运行起始相位角和冲裁起始相位角、闭合阶段时间、w12、第一伺服电机电机特性确定如下：

冲裁阶段：第一伺服电机在冲裁起始相位角以角速度w12匀速运行到冲裁终止相位角；第二伺服电机保持速度为0；

冲裁时间t3根据伺服电机1的冲裁起始相位角和冲裁终止相位角、w12确定如下：

w21根据第二伺服电机的运行起始相位角和冲裁起始相位角、闭合阶段时间、第二伺服电机特性确定如下：

回程阶段：两伺服电机快速回程阶段的运动轨迹与快速闭合阶段的运动轨迹分别关于两伺服电机的运行起始相位对称。第一伺服电机在冲裁终止相位角由角速度w12加速到角速度w11后以角速度w11匀速运行到运行起始相位角，第二伺服电机在冲裁终止相位角由角速度0加速到角速度w21后以角速度w21匀速运行到运行起始相位角；

回程阶段第一伺服电机的匀速时间为t1，加速时间为t2；第二伺服电机的匀速时间为t3；

第一伺服电机在一个工作周期内的运动轨迹规划w1(t)为：

根据上述方案，第二伺服电机在一个工作周期内的运动轨迹规划w2(t)为：

如图9所示，以最大冲裁板厚为8mm，滑块行程为67mm的关键技术指标设计伺服机械精冲压力机主传动机构，并在此基础上选取第一伺服电机驱动第一曲柄的最大加速度为(500π/3)rad/s²,最大速度为(20π/3)rad/s；第二伺服电机的最大加速度为(1000π/3)rad/s²,最大速度为10πrad/s以冲裁板厚为8mm，冲裁速度小于50mm/s的具体实例对两伺服电机的运动进行规划：

(1)伺服机械精冲压力机主传动机构的设计；

根据高速伺服机械精冲压力机主传动机构的设计方法设计第一曲柄的长度为5mm，第一连杆的长度为360mm，第二连杆的长度为360mm，第二曲柄的长度为73mm，第三连杆的长度为360mm；

(2)高速伺服机械精冲压力机的运动规划；

1)确定两伺服电机关键相位角

根据确定伺服电机关键相位角的方法设计第一伺服电机和第二伺服电机的运动起始相位角、冲裁起始相位角、冲裁终止相位角，其中第一伺服电机的冲裁起始相位和终止相位的夹角α为2.2115rad，第一伺服电机的运行起始相位与冲裁起始相位的夹角为2.0358rad；

2)两伺服电机运动轨迹规划

闭合阶段：第一伺服电机在运行起始相位角以角速度w11匀速运行至靠近冲裁起始相位角后减速到w12，到达冲裁起始相位角；第二伺服电机在运行起始相位角以角速度w21匀速运行至靠近冲裁起始相位角后减速到0，到达冲裁起始相位角；

闭合阶段第一伺服电机的匀速时间为t11，减速时间为t12；第二伺服电机的匀速时间为t21，减速时间为t22；

w11、w12、t11、t12、w21、t21、t22可根据精冲机的运动规划方法确定如下：

t1＝t2＝0.13s

w21＝w2max＝10πrad/s。