一种伺服压力机的机械利益极点确定方法与流程

本发明关于一种伺服压力机，尤其是一种伺服压力机的机械利益极点确定方法。

背景技术

伺服压力机(servopress)采用伺服电机作为动力源，通过传动机构和执行机构将电机的旋转运动转化为滑块的直线运动。由于没有飞轮，伺服压力机所受工作压力靠电机的瞬时扭矩来平衡，电机的容量比普通压力机要大很多。如何充分挖掘传动机构和执行机构的结构潜力，在公称压力行程内使机械利益最大化，是降低电机的驱动扭矩，从而降低设备成本和提高运行稳定性的有效途径。例如伺服压力机(cn101480692b)，两条对称的运动支链中的连杆均采用平行四边形结构，因此能够保证在运动过程中，两侧的连杆支架、滑块始终保持水平姿态，通过机构消除了滑块运动的翻转自由度，当对复杂非对称零件进行加工时，由于自身的运动特性约束，受到非对称载荷的滑块在运动中将不会对机身造成侧向载荷，从而提高了机构的抗偏载能力。例如多连杆伺服压力机(cn107972301a)，在多连杆驱动系统中，通常是单向冲压，下压惯性有利于加压，但是复位及往复间的惯性切换，会极大的影响设备的稳定性，锻压的精度，及驱动结构的稳定性；上述两种压力机同样面对这样的技术问题，如何充分挖掘传动机构和执行机构的结构潜力，在公称压力行程内使机械利益最大化是降低电机的驱动扭矩，从而降低设备成本和提高运行稳定性的有效途径。

曲柄-三角连杆-肘杆机构是目前应用很广的伺服压力机执行机构。该机构的机械利益受多方面因素影响，如各构件的长度、机架安装尺寸、三角连杆形状、公称压力行程对应的曲柄转角等因素都会影响整个机构的运动和动力特性。由于问题的复杂性，目前多采用基于计算机的各种优化方法来进行设计，存在数学模型不直观、计算过程不稳定、难以求到全局最优解等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种伺服压力机的机械利益极点确定方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种伺服压力机的机械利益极点确定方法，所述伺服压力机的结构为曲柄-三角连杆-肘杆机构，所述伺服压力机的结构包括曲柄ab、三角连杆bcd、上肘杆ce、下肘杆df；所述曲柄ab是原动件，绕机架上的a点回转，所述上肘杆ce绕机架上的e点来回摆动，所述三角连杆bcd和下肘杆df做平面运动，所述下肘杆df驱动滑块沿导轨上下平动输出冲压运动；包括如下步骤：

步骤一、建立以a点为原点的平面直角坐标系xay，x轴正方向为水平向右，与ef垂直，α为向量与x轴正向逆时针夹角，得：a＝(0，0)；f＝(-l，-h)各个符号所代表的意义如下：f：机械利益，p：有用的生产阻力(对于伺服压力机来说，根据驱动的对象，该参数为常数)，q：驱动力，已知曲柄-三角连杆-肘杆机构各杆的尺寸ab＝r，bc＝l3，cd＝l2，bd＝l4，ce＝l1，df＝l5，l：滑块与a点之间的水平距离，h：滑块与a点之间的竖直距离；

步骤二、向量顺时针变换是已知的，如公式(1)，向量a(p，q)顺时针转θ角得到向量b(x，y)，已知向量顺时针旋转变换公式：

进而利用向量变换公式(1)根据向量转换为如公式(2)：

注：β为δbec中的∠bec，

进而利用向量变换公式(1)根据向量转换为如公式(3)：

注：γ为δbcd中的∠bcd，

步骤三、验证向量与向量交点k，abk共线时，滑块位于上止点附近，且为机械利益极大值点所在位置，仅当向量与向量不平行时可得点k，并利用k点到直线ab距离为0，即abk共线时，解得α；根据abk共线得出α角，即为所述伺服压力机的机械利益极点。

优选为，所述步骤三，根据abk共线得出α角，即为所述伺服压力机的机械利益极点；根据步骤三中的机械利益极点安排工件和滑块之间的位置。

优选为，所述步骤三，根据abk共线得出α角，即为所述伺服压力机的机械利益极点；根据步骤三中的机械利益极点优化三角连杆结构。

优选为，所述步骤三，根据abk共线得出α角，即为所述伺服压力机的机械利益极点；根据步骤三中的机械利益极点对驱动曲柄ab的电机进行选型。

优选为，一种伺服压力，包括一种伺服压力机的机械利益极点确定方法用于对工件位置的设计、三角连杆尺寸的设计、电机选型的设计。

本发明公开一种伺服压力机的机械利益极点确定方法，该方法由于该机构的机械利益是曲柄转角的连续函数，在机械利益极大值位置附近都具有较大的机械利益，把公称压力行程安排在这些位置可以有效减少驱动电机的扭矩，充分挖掘传动机构和执行机构的结构潜力，在公称压力行程内使机械利益最大化，不仅降低电机的驱动扭矩，从而降低设备成本和提高运行稳定性；本申请，只需分析abk共线即可求出机械利益的极值点，相比采用基于计算机的各种优化方法来进行设计简单、快捷；且通过本申请对机械利益极值点的分析，可以用于对工件位置的设计、三角连杆尺寸的设计、电机选型的设计。

附图说明

图1为曲柄-三角连杆-肘杆压力机机构示意图；

图2为曲柄-三角连杆-肘杆压力机机构相关的极大值位置示意图；

图3求解驱动力q示意图；

图4转角a与滑块位移的示意图；

图5为转角a与机械利益的示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种伺服压力机的机械利益极点确定方法，如图1所示，所述伺服压力机的结构为曲柄-三角连杆-肘杆机构，所述伺服压力机的结构包括曲柄ab、三角连杆bcd、上肘杆ce、下肘杆df；所述曲柄ab是原动件，绕机架上的a点回转，所述上肘杆ce绕机架上的e点来回摆动，所述三角连杆bcd和下肘杆df做平面运动，所述下肘杆df驱动滑块沿导轨上下平动输出冲压运动。

如图2所示，图2为曲柄-三角连杆-肘杆压力机机构相关的极大值位置，在忽略摩擦的情况下，上下肘杆都是二力杆，三角连杆c和d受力的方向线交于k点。根据理论力学原理，三角连杆在b点的受力方向线通过bk，其中f/f’为滑块的上下止点位置；根据理论力学原理，在忽略摩擦和构件弹性的前提下，曲柄连杆机构和肘杆机构的机械利益极大值在理论上达到无穷。由于该机构的机械利益是曲柄转角的连续函数，在机械利益极大值位置附近都具有较大的机械利益，把公称压力行程安排在这些位置可以有效减少驱动电机的扭矩。

实施例1，常规的解析法分析a角与滑块位移的关系：

各个符号所代表的意义如下：f：机械利益，p：有用的生产阻力(对于伺服压力机来说，根据驱动的对象，该参数为常数)，q：驱动力，已知曲柄-三角连杆-肘杆机构各杆的尺寸ab＝r，bc＝l3，cd＝l2，bd＝l4，ce＝l1，df＝l5，l：滑块与a点之间的水平距离，h：滑块与a点之间的竖直距离。

建立以a点为原点的平面直角坐标系xay，x轴正方向为水平向右，与ef垂直，α为向量与x轴正向逆时针夹角，得：a(0，0)，

如图3所示，根据伺服压力机的输入输出关系，一般定义机械利益：f＝p/q·r，p是已知的。

对于本实施例，对于各个参数的取值分别如下：

r＝100，xe＝-500，ye＝500，l1＝600，l2＝550，l3＝550，l4＝550，l5＝600，l＝500。

在本领域看来，向量顺时针变换是已知的，如公式(1)，向量a(p，q)顺时针转θ角得到向量b(x，y)，已知向量顺时针旋转变换公式：

进而利用向量变换公式(1)根据向量转换为如公式(2)：

注：β为δbec中的∠bec，

进而利用向量变换公式(1)根据向量转换为如公式(3)：

注：γ为δbcd中的∠bcd，

得出d点坐标为(xd，yd)，由公式(4)求出h，其变化规律如图4。

从图4可以得出，α分别取2.1，4.4为下止点，3.1，6.2时为上止点；

实施例2，通过本发明的技术方案来分析机械利益极大值点所在的位置；

1)验证向量与向量交点k，abk共线时，滑块位于上止点附近，且为机械利益极大值点所在位置。

由于k点为与交点，由公式(5)得出k(xk，yk)

注：仅当向量与向量不平行时可得点k，并利用k点到直线ab距离为0，即abk共线时，解得α等于3.1和6.1；

2)工件加工阻力分析，y轴方向阻力p＝1000(单位n)，如图3a所示，研究滑块，n是导轨正压力，由公式(6)得出合成阻力rfd：

如图3b所示，研究三角连杆受力分析，做ab平行df，取ab线段长度为阻力rfd，ab与bk交点为a，过b做ce平行线且交ab于b(线段bb长度即为ce杆受力rec)，过a作直线垂直曲柄ab延长线得交点d，驱动力q等于线段ad长度。计算如公式(7)、公式(8)，得出机械利益f的变化曲线，如图5所示。α分别为3.1，6.2时，abk共线，位于上止点附近，且为机械利益极大值点所在位置。

通过常规解析法和本发明的技术方案对机械利益极大值的分析可以看出；当使用解析法这种传统的计算机械利益时，计算出α分别取2.1，4.4为下止点，3.1，6.2时为上止点，如图4所示；当使用本发明的技术方案计算机械利益时，α分别为3.1，6.2时，abk共线，位于上止点附近，且为机械利益极大值点所在位置；由此可知，在面对采用基于计算机的各种优化方法来进行设计，存在数学模型不直观、计算过程不稳定、难以求到全局最优解等问题时，本申请，只需分析abk共线即可求出机械利益的极值点，在机械利益极大值位置附近都具有较大的机械利益，把公称压力行程安排在这些位置可以有效减少驱动电机的扭矩，充分挖掘传动机构和执行机构的结构潜力，在公称压力行程内使机械利益最大化，不仅降低电机的驱动扭矩，从而降低设备成本和提高运行稳定性，且本申请的计算方法简单、直观。

通过利用本申请分析abk共线即可求出机械利益的极值点这一方案，通过设计三角连杆的形状，在不改变机架安装位置，不改变ab和df两杆长度的前提下，在滑块行程下止点实现ecdf四点共线，获得机械利益极大值；还可以已知曲柄-三角连杆-肘杆机构各杆的尺寸，获得最大机械利益的公称压力行程位置并确定电机的最大扭矩。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。