一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法与流程

本发明涉及机械传动的技术领域，更具体地，涉及一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法。

背景技术：

伺服机械压力机是近些年来出现的新型锻压装备，它去除了飞轮、离合器、制动器，不但简化了传动链、减少能耗、提高了可靠性，而且使滑块的运动特性由不可控变成了可控，提高了设备的自动化和智能化水平。为降低驱动电机的容量，对伺服机械压力机的工作机构提出了更高的要求：1)工作行程具有尽可能大的机械利益；2)工作行程具有低而匀的速度；3)空行程具有高的速度；4)在上、下死点范围内滑块行程应当为曲柄转角的单调增函数。

为满足上述要求，伺服机械压力机尤其是大中吨位的伺服压力机，常采用复杂的多连杆机构，曲柄-三角连杆-肘杆机构是目前国内、外伺服机械压力机最普遍采用的机构之一。由于这种机构结构复杂，进行精确的解析比较困难，机构的分析和优化常依赖计算机仿真。仿真时，初始条件、约束条件的建立多依赖经验，对于此类高度非线性的多目标优化设计问题，采用如遗传算法、模拟退火算法等启发式算法，难以找到全局的最优解。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，通过偏置设计使两个分机构各自的最大机械利益位置错开，在工作行程较大范围内获得大的机械利益，改善滑块的运动特性，降低工作行程内滑块平均速度，提高滑块运动的平稳性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，所述曲柄-三角连杆-肘杆机构包括顺次铰接的曲柄、三角连杆以及肘杆，所述肘杆包括顺次铰接设置的第一肘杆、第二肘杆以及第三肘杆，所述三角连杆的顶点与曲柄铰接，三角连杆的底边第二连杆与第二肘杆二杆合一，所述第三肘杆的一端连接有滑块；错峰设计方法包括以下步骤：

s10.将曲柄-三角连杆-肘杆机构分解为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构，所述曲柄-三角连杆机构包括铰接的曲柄和三角连杆，所述三角连杆-肘杆机构包括铰接的三角连杆和肘杆；

s20.将步骤s10中三角连杆-肘杆机构等效简化为等效直线连杆-肘杆机构，并获得等效直线连杆-肘杆机构的最大机械利益a2max；

s30.将步骤s10中曲柄-三角连杆机构等效简化为等效曲柄-直线连杆机构，并获得等效曲柄-直线连杆机构的最大机械利益a1max；

s40.对步骤s10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行偏置设计，使得a2max与a1max错峰发生。

本发明的曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，将曲柄-三角连杆-肘杆机构分解为相对简单的曲柄-三角连杆机构和三角连杆-肘杆机构的组合，并分别对分解后的两个分机构单独分析，简化运动学和动力学的计算过程；通过偏置设计，使两个分机构的最大机械利益位置错开，不同时发生，保证这类机械压力机在下死点附近较大范围内具有大的机械利益和平稳的滑块输出速度；对伺服机械压力机降低驱动电机容量、提高滑块工作性能具有重要的意义。

优选地，步骤s20中，所述简化的方法为：第一肘杆延长线与第三肘杆延长线的交点与三角连杆的动力输入端的连线为三角连杆的等效直线连杆。

优选地，等效直线连杆-肘杆机构的机械利益a2按下式计算：

式中，α1为第一肘杆与铅垂线的夹角；α2为第二肘杆与铅垂线的夹角；α3为第三肘杆与铅垂线的夹角；β为等效直线连杆与水平线的夹角；当α1＝α2＝α3＝0时，获得最大机械利益a2max，a2max为∞。可见，最大机械利益a2max出现在第一肘杆、第二肘杆、第三肘杆位于同一铅垂线的位置，即在滑块的下死点位置。

优选地，步骤s30中，所述等效的方法为：第一肘杆延长线与第三肘杆延长线的交点与三角连杆的动力输入端的连线为三角连杆的等效直线连杆。

优选地，所述等效曲柄-直线连杆机构的机械利益a1按下式计算：

式中，α为曲柄与水平线的夹角，β为等效直线连杆与水平线的夹角，r为曲柄回转半径；当α＝β时，获得最大机械利益a1max。当曲柄和等效直线连杆共线时，获得最大机械利益a1max。

优选地，步骤s40中，对步骤s10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行负偏置设计，使a1max先于a2max发生。a2max发生于滑块的下死点位置，a1max先于a2max发生，即所谓机械利益的“双峰”现象，这样设置虽然在滑块靠近下死点附近的机械利益会有所减少，但可在滑块下死点前较大行程范围内获得较大的机械利益；相应地，滑块在工作行程内的平均速度会降低，速度的平稳性增加。

优选地，当α1＝α2＝α3＝0、即滑块位于下死点时，曲柄回转中心设于经过三角连杆动力输入端的水平线的下方。曲柄中心相对正置机构的下移量初步选定后，通过计算机模拟分析和优化最终确定曲柄-三角连杆-肘杆机构各构件的相对位置和结构参数。

优选地，曲柄偏置角θ0按下式计算：

式中，e为曲柄中心相对正置机构的下移量，r为曲柄回转半径。

优选地，峰值夹角δα按下式计算：

δα＝|β0|+|θ0|

式中，β0为等效曲柄-直线连杆机构出现机械利益峰值时曲柄与水平线的夹角，θ0为等效直线连杆-肘杆机构出现机械利益峰值时曲柄与水平线的夹角。在初步设计时，可暂忽略β0。

优选地，所述曲柄偏置角θ0等于机械压力机的公称压力角αn。在实际应用时，本发明的曲柄偏置角θ0大致等于公称压力角αn，可根据实际应用需要调整曲柄偏置角θ0的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过错峰设计在工作行程较大范围内获得大的机械利益，同时改善滑块的运动特性；降低工作行程内滑块平均速度和提高速度的平稳性，对于伺服机械压力机降低驱动电机容量、提高滑块工作性能具有重要的意义。

(2)本发明将复杂的曲柄-三角连杆-肘杆机构拆分为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构两个分机构，并对分机构进行运动和动力学分析，获得机械利益的峰值表达式，简化计算过程，易于求得全局最优解，提高计算结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。

图2为三角连杆-肘杆机构及其等效直线连杆-肘杆机构的结构示意图。

图3为曲柄-三角连杆机构及其等效曲柄-直线连杆机构的部分结构示意图。

图4为等效曲柄-连杆-肘杆机构的结构示意图。

图5为等效曲柄-直线连杆机构最大机械利益a1max出现位置的示意图。

图6为等效直线连杆-肘杆机构最大机械利益a2max出现位置的示意图。

图7为实施例二中方案a的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。

图8为实施例二中方案b的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。

图9为实施例二中方案c的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。

图10为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的滑块位移曲线图。

图11为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的滑块速度曲线图。

图12为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的额定扭矩曲线图。

图13为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的机械利益曲线图。

附图中：1-曲柄；2-第一肘杆；3-第二肘杆；4-第三肘杆；5-第一连杆；6-第二连杆；7-第三连杆；8-滑块。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例一

如图1至图6所示为本发明的曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，曲柄-三角连杆-肘杆机构包括顺次铰接的曲柄1、三角连杆δabc以及肘杆，肘杆包括顺次铰接设置的第一肘杆2、第二肘杆3以及第三肘杆4，三角连杆包括顺次铰接的第一连杆5、第二连杆6以及第三连杆7，三角连杆的顶点与曲柄1铰接，三角连杆的底边第二连杆6与第二肘杆3二杆合一，第三肘杆4的一端连接有滑块8。本实施例中，曲柄的回转中心为o1，曲柄1与三角连杆的连接处设有第一铰接点a，第一肘杆2与第二肘杆3的连接处、第一连杆5与第二连杆6的连接处设有第二铰接点b，第二肘杆3与第三肘杆4的连接处、第三连杆7与第二连杆6的连接处设有第三铰接点c，第一肘杆2的顶端设有第一支点o，第一肘杆2绕第一支点o旋转，第三肘杆4与滑块8的连接处设有第二支点o2，在某一时刻，三角连杆由δabc的位置运动至δa′b′c′的位置。错峰设计方法包括以下步骤：

s10.将曲柄-三角连杆-肘杆机构分解为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构，所述曲柄-三角连杆机构包括铰接的曲柄和三角连杆，所述三角连杆-肘杆机构包括铰接的三角连杆和肘杆；

s20.将步骤s10中三角连杆-肘杆机构简化为等效直线连杆-肘杆机构，如图2所示，并计算等效直线连杆-肘杆机构的最大机械利益a2max；

s30.将步骤s10中曲柄-三角连杆机构等效为等效曲柄-直线连杆机构，如图3所示，并计算等效曲柄-直线连杆机构的最大机械利益a1max；

s40.对步骤s10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行偏置设计，使得a2max与a1max错峰发生。

步骤s20中，所述简化的方法为：第一杆2延长线与第三杆4延长线的交点m′与三角连杆的动力输入端a′的连线m′a′为三角连杆的等效直线连杆，如图2所示。

如图2所示，建立以o为原点的直角坐标系统xoy，以及以o1为原点的坐标系统x1o1y1。为进行整个机构的运动分析，需求得当动力输入端a′的位移为x1、y1时第二铰接点b(x，y)的位置，本实施例的三角连杆为等腰三角形，ab＝ac＝l。设初始时刻，第一杆2处于垂直位置而第一连杆5处于ba位置，ob为铅垂线。两坐标原点o、o1的水平和垂直距离分别为w0和h0。在初始时刻，xb＝0，yb＝l1，x1a＝r，y1a＝0，l1为第一杆2的长度。在某一时刻，动力输入端从a位置运动到a′，在相应坐标系统中的位置为(x1，y1)；输出端则由b运动到b′，b′点在相应坐标系统中的位置为(x，y)，a′、o两点的水平和垂直距离分别变为w和h。在a′点有一维约束的情况下，h或w将保持不变(x1或y1恒等于零)。

根据以上设定，可以建立以下方程：

由上述方程可以得到b点的运动轨迹(x，y)：

设三角形连杆的三个顶点a、b和c所受力的水平和垂直分量分别为ax、ay、bx、by和cx、cy，而cy即为滑块输出的力p。

分析三角连杆δa′b′c′的受力情况，可以得到以下方程：

求解方程，可得：

由此可知，动力输入端a′在任意位置(x1，y1)时等效直线连杆-肘杆机械利益a2按下式计算：

式中，α1为第一肘杆2与铅垂线的夹角；α2为三角连杆底边b′c′与铅垂线的夹角；α3为第三肘杆4与铅垂线的夹角；l2为第二肘杆的长度；当α1＝α2＝α3＝0时，获得最大机械利益a2max，如图6所示。

步骤s30中，所述等效的方法为：第一肘杆2延长线与第三肘杆4延长线的交点m′与三角连杆的动力输入端a′的连线m′a′为三角连杆的等效直线连杆。曲柄1半径为r，建立以曲柄1中心o1为原点的坐标系x1o1y1，设定在某一时刻，输出力与x轴夹角为β，如图3所示。图中，曲柄1的输入量为：曲柄1转角为α，角速度为ω，扭矩为t；输出量为：位移x1和y1、速度vx和vy、力为f，则输出量和输入量的关系为：

由此可知，等效曲柄-直线连杆机构的机械利益a1按下式计算：

式中，α为曲柄1与水平线的夹角，β为等效直线连杆m′a′与水平线的夹角，r为曲柄回转半径；当α＝β时，获得最大机械利益a1max，如图5所示。

步骤s40中，对步骤s10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行负偏置设计，使a1max先于a2max发生。其中，当α1＝α2＝α3＝0、滑块位于下死点位置时，将曲柄1回转中心o1置于经过三角连杆动力输入端a′的水平线的下方。曲柄偏置角θ0按下式计算：

式中，e为曲柄1中心相对正置机构的下移量，r为曲柄回转半径；所述曲柄偏置角θ0等于伺服机械压力机的公称压力角αn。

最大机械利益a1max和最大机械利益a2max出现时曲柄1之间的夹角(峰值夹角)δα为：

δα＝|β0|+|θ0|

式中，β0为曲柄连杆机构出现机械利益峰值时曲柄与水平线的夹角，在初步设计时可忽略。

本实施例在实施时，先作机构分解，将其分解为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构两个分机构，系统总的机械利益为各分机构机械利益之积；再分别对两个分机构进行运动和受力分析，并获得各自的最大机械利益表达式a1max和a2max；通过对机构采用负偏置设计，使a1max先于a2max出现，在相应的曲柄转角坐标上错开一定角度，完成曲柄-三角连杆-肘杆机构的初步设计，再通过计算机仿真和优化以确定曲柄-三角连杆-肘杆机构的设置方案。

经过以上步骤，对曲柄-三角连杆-肘杆机构进行错峰设计，在工作行程较大范围内获得大的机械利益，同时改善滑块的运动特性：降低工作行程内滑块平均速度和提高速度的平稳性，对于伺服机械压力机降低驱动电机容量、提高滑块工作性能具有十分重要的意义。

实施例二

在实际应用中，曲柄机构和三角连杆-肘杆机构的组合可以有三种不同的方式：正置(方案a)、正偏置(方案b)及负偏置(方案c)，如图7至图9所示；为简化本发明的计算过程，本实施例的三角连杆设置为等腰三角形连杆。

如图7所示为曲柄-三角连杆-肘杆机构正置的结构示意图，即：当滑块位于下死点位置时，曲柄1的回转中心o1位于三角连杆底边的高aa0上。此时，aa0处在水平线，第一肘杆2、第二肘杆3及第三肘杆4共处同一铅垂线上，曲柄r与aa0共处水平线。这样设置的等效直线连杆-肘杆机构的最大机械利益a2max与等效曲柄-直线连杆机构的最大机械利益a1max同时出现在滑块下死点位置；但在偏离下死点的位置，机械利益下降很快；同时，当曲柄1匀速输入时，滑块8速度在下死点的位置为零，而偏离下死点则增加很快。

如图9所示为曲柄-三角连杆-肘杆负偏置的结构示意图，即：当滑块位于下死点位置时，曲柄1的回转中心位于水平线aa0以下，曲柄-三角连杆-肘杆机构的机械利益在下死点附近出现两个极值点，且a1max出现在a2max之前，即机械利益的“双峰”现象。如图5所示为曲柄-三角连杆机构最大机械利益a1max出现的位置，如图6所示为三角连杆-肘杆机构最大机械利益a2max出现的位置。负偏置设置的情况下，滑块8的工作特性可得到改善：虽然在滑块8临近下死点区域的机械利益会有所减少，滑块8在下死点前较大行程范围内获得较大的机械利益。相应地，滑块8在工作行程内的平均速度会降低，速度的平稳性会增加。

相对应的是曲柄-三角连杆-肘杆机构正偏置，如图8所示，对于正偏置机构，a1max出现在a2max之后，即滑块8越过下死点之后，才出现a1max，此时机械压力机的工作行程已经结束，对改善滑块8工作特性没有意义，而且这种结构还可能破坏滑块行程的单调性，引起滑块在下死点附近短暂抖动。

具体地，本实施例提供三种曲柄-三角连杆-肘杆机构，分别为正置(方案a)、正偏置(方案b)和负偏置(方案c)，分别如图7、图8和图9所示：三种机构的基本结构参数大致相同，l1＝380mm，l2＝300mm，l3＝420mm，w0＝880mm；方案a：h0＝530mm,方案b：h0＝460mm；方案c：h0＝610mm，但需通过调节曲柄半径r的大小以保证滑块的最大行程smax保持在200毫米左右。公称压力pn＝4000kn、公称压力行程sn＝6mm、每分钟行程次数30spm。

表1三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的参数对比

对上述三种曲柄-三角连杆-肘杆机构进行运动和动力学测试分析，三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的滑块位移曲线图如图10所示，三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的滑块速度曲线图如图11所示；三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的额定扭矩曲线图如图12所示；三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的机械利益曲线图如图13所示。结合表2可以看出，与正置曲柄-三角连杆-肘杆机构(方案a，正置)相比，错峰设计(方案c，负偏置)在公称压力行程(6mm)内，机械利益形成了两个峰值，第一峰值约在滑块行程5.5mm左右，第二峰值则在下死点。公称压力行程点的机械利益由正置机构的45.7n/nm提高到241.7n/nm，增幅428％，公称压力行程内的平均速度从22.3mm/s降到16.9mm/s，降幅24.2％，公称压力行程内速度标准差则由19.5mm/s降到5.6mm/s，减幅85.6％；相反，对正偏置曲柄-三角连杆-肘杆机构(方案b，正偏置)而言，公称压力行程点的机械利益由正置机构的45.7n/nm降低到34.6n/nm，降幅24.3％，公称压力行程内的平均速度从22.3mm/s提高到38.0mm/s，升幅70.4％，公称压力行程内速度标准差则由19.5mm/s提高到26.5mm/s，增幅35.9％。

表2三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的性能对比

可见，负偏置设置的曲柄-三角连杆-肘杆机构通过错峰设计，在工作行程较大范围内获得大的机械利益，能够降低工作行程内滑块的平均速度和提高速度的平稳性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。