专利名称：伺服机械压力机三角肘杆工作机构及其优化设计方法
技术领域：
本发明是一种伺服机械压力机三角肘杆工作机构及其优化设计方法，属于机械传 动领域的创新设计。
背景技术：
普通机械压力机一般采用普通交流异步电动机驱动，采用大型飞轮储能；而伺服 机械压力机用交流伺服电动机代替交流异步电动机，并取消飞轮，不仅可简化传动链，提高 设备的自动化、智能化水平和工作可靠性，还可大幅度节省能量、降低噪声，对制造业节能 减排具有十分重要的意义。伺服机械压力机由于没有飞轮，工作压力主要靠电动机的瞬时 扭矩产生，因而驱动电动机容量较普通压力机要大很多。大容量伺服电动机的采用导致设 备造价高，成为伺服机械压力机推广应用的一大障碍。通过改进工作机构，增加工作机构的增力比，可以减少电动机驱动扭矩，对于减少 电动机容量、降低伺服机械压力机造价，进而推动该技术的工程应用具有决定性的作用。传 统机械压力机的工作机构一般采用曲柄连杆、对称肘杆或多连杆结构。曲柄连杆具有结构 简单的优点，但公称压力行程小，增力比小，只能适用于小型伺服机械压力机，如中国专利 号为ZL200320118186. 8中公开的一种压力机；对称肘杆虽然有空行程急回和工作行程近 似停歇特性，但增力比仍不够大，如中国专利号为ZL 200720054117. 3,ZL 200820082737. 2 中公开的机构；而多连杆机构可以改善滑块在工作行程的运动特性，仍有增力比不是最优 及结构复杂等缺点，如中国专利号为ZL 200820030514. 1公开的机构。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种在保证机身机构紧凑、滑块行程足 够、滑块下行单调的情况下，具有较高的增力比，可大幅降低曲柄处所需的驱动扭矩，进而 降低伺服电动机的容量和成本的伺服机械压力机三角肘杆工作机构。本发明的另一目的在于提供一种简单方便的伺服机械压力机三角肘杆工作机构 的优化设计方法。本发明的技术方案是本发明伺服机械压力机三角肘杆工作机构，包括有由A点 和B点构建的曲柄AB，由B点、C点和E点构建连杆BCE，由C点和D点构建的上肘杆⑶，由 E点和F点构建的下肘杆EF，由F点构建的滑块，A点建立曲轴与机身之间的旋转副，在B点 建立曲轴与三角连杆之间的旋转副，在C点建立三角连杆与上肘杆之间的旋转副，在D点建 立上肘杆与机身之间的旋转副，在E点建立三角肘杆与下肘杆之间的旋转副，在F点建立下 肘杆与滑块之间的旋转副，在滑块与机身之间建立移动副，其特征在于上肘杆CD与下肘杆 EF不等长，且上肘杆⑶短于下肘杆EF，D点与F点处于垂直线上，由B点、C点和E点构建 连杆为三角连杆BCE。上述三角形连杆BCE的CE边为最短边，夹角Z CBE不超过30°。上述曲轴AB的曲轴中心与上肘杆固定铰接点的位置关系用矢量之表示；滑块处于上限位置时，AB、DC、FE相交于一点，滑块处于下限位置时，C点和E点不一定位于DF线上。本发明伺服机械压力机三角肘杆工作机构的优化设计方法，包括如下步骤
1)构建参数化的机构模型
构建参数化的机构模型，需要确定可描述三角肘杆机构的最少结构参数，采用矢量Λ、 12、73、“、I5, h构成的两个封闭矢量环来描述机构的尺度，三角肘杆机构的一组最少结构 参数包括上肘杆固定铰接点至曲轴中心距离I1、曲柄长度I2、三角形连杆上边长度I3、三 角形连杆下边长度I4、下肘杆长度16，以及上肘杆固定铰接点至曲轴中心矢量Λ的方位角 ^ H、曲柄矢量72的方位角021、三角形连杆上边矢量Λ的方位角、三角形连杆上下边 矢量夹角r、下肘杆矢量的方位角061，其中，坐标系采用右手笛卡尔坐标系，坐标原点建 立在曲轴中心上，所有方位角都是起始于X轴正向，并以逆时针旋转方向为正；
2)建立参数化虚拟样机模型
参数化虚拟样机模型的建立包括参数化几何建模、约束建模和力与驱动的施加， 几何建模建立10个设计变量DVl、DV2、…、DV10,分别对应参数化机构模型中的10 个结构参数HHl6, Φη, 021、031、r和061 ；用设计变量表示关键点A、B、C、D、E 和F的X和Y轴坐标，给定一组设计变量的初始值即可确定5个关键点的坐标值；确定各几 何构件的截面尺寸值后，可分别由A点和B点构建曲柄AB，由B点、C点和E点构建三角连 杆BCE，由C点和D点构建上肘杆⑶，由E点和F点构建下肘杆EF，由F点构建滑块；
约束建模在A点建立曲轴与机身之间的旋转副，在B点建立曲轴与三角连杆之间的 旋转副，在C点建立三角连杆与上肘杆之间的旋转副，在D点建立上肘杆与机身之间的旋转 副，在E点建立三角肘杆与下肘杆之间的旋转副，在F点建立下肘杆与滑块之间的旋转副， 在滑块与机身之间建立移动副，并设置各运动副的摩擦系数以及转动副销轴半径；
力与驱动的施加在滑块上施加模拟冲压负载的随时间变化的单力，可采用STEP、IF 或AKIMA函数建立冲压负载曲线；在曲轴与机身之间的旋转副上施加驱动力矩，转速可为 恒值，大小根据冲压频率确定，转速也可为随时间变化的驱动函数，旋转方向一般为逆时 针，摆动工作和自由工作模式下为双向，由驱动函数给定；
3)分析各结构参数的灵敏度
为了降低优化模型的复杂性，应该尽量减少参与优化计算的设计变量的数量，则需要 对所有结构参数进行灵敏度分析，分析各参数的重要性；通过执行设计研究，分析结构参数 对目标的灵敏度，具体包括
创建目标对象增力比是滑块负载与曲柄驱动扭矩之间的比值，在设计时要求滑块在 公称压力行程内滑块负载不大于公称压力，所以可假定在整个公称压力行程内滑块负载为 等于公称压力的恒定值，则可将增力比最大化问题转化为曲柄驱动扭矩最小化问题，即将 目标对象设定为曲柄驱动扭矩；
结构参数赋值给定结构参数初始值，指定各结构参数取值范围。逐个分析结构参数的灵敏度后，选择灵敏度较高的结构参数作为优化用设计变 量；
4)建立优化模型及求解
(1)确定设计变量与目标函数上述10个结构参数可用向量形式表示为
为了降低优化问题的维度，可根据结构参数灵敏度分析的结果，选取灵敏度较大的结 果参数作为设计变量；
根据动力学解析模型，曲柄驱动扭矩与各杆质量、质心位置、转动惯量、滑块负载、转 动副销轴半径、摩擦系数以及上述10个结构参数相关；当确定杆件材料、给定负载和销 轴半径后，曲柄驱动扭矩仅与上述10个结构参数相关，曲柄驱动扭矩由内部求解器通过 Newton-Raphson数值计算方法求得，在此，曲柄驱动函数可用隐函数可表达为
曲柄驱动扭矩最小化优化问题的目标函数可描述为
(2)确定约束条件 机身总体结构约束
横向 纵向
权利要求
1.一种伺服机械压力机三角肘杆工作机构，包括有由A点和B点构建的曲柄AB，由B 点、C点和E点构建连杆BCE，由C点和D点构建的上肘杆⑶，由E点和F点构建的下肘杆 EF,由F点构建的滑块，A点建立曲轴与机身之间的旋转副，在B点建立曲轴与三角连杆之 间的旋转副，在C点建立三角连杆与上肘杆之间的旋转副，在D点建立上肘杆与机身之间的 旋转副，在E点建立三角肘杆与下肘杆之间的旋转副，在F点建立下肘杆与滑块之间的旋转 副，在滑块与机身之间建立移动副，其特征在于上肘杆CD与下肘杆EF不等长，且上肘杆CD 短于下肘杆EF，D点与F点处于垂直线上，由B点、C点和E点构建连杆为三角连杆BCE。
2.根据权利要求1所述的伺服机械压力机三角肘杆工作机构，其特征在于上述三角形 连杆BCE的CE边为最短边，夹角Z CBE不超过30°。
3.根据权利要求1所述的伺服机械压力机三角肘杆工作机构，其特征在于上述曲轴AB 的曲轴中心与上肘杆固定铰接点的位置关系用矢量Λ表示；滑块处于上限位置时，AB、DC、 FE相交于一点，滑块处于下限位置时，C点和E点不一定位于DF线上。
4.一种根据权利要求1所述的伺服机械压力机三角肘杆工作机构的优化设计方法，其 特征在于包括如下步骤1)构建参数化的机构模型构建参数化的机构模型，需要确定可描述三角肘杆机构的最少结构参数，采用矢量Λ、 12、73、“、I5, h构成的两个封闭矢量环来描述机构的尺度，三角肘杆机构的一组最少结构 参数包括上肘杆固定铰接点至曲轴中心距离I1、曲柄长度I2、三角形连杆上边长度I3、三 角形连杆下边长度I4、下肘杆长度16，以及上肘杆固定铰接点至曲轴中心矢量Λ的方位角 ^ n、曲柄矢量72的方位角021、三角形连杆上边矢量Λ的方位角、三角形连杆上下边 矢量夹角r、下肘杆矢量的方位角061，其中，坐标系采用右手笛卡尔坐标系，坐标原点建 立在曲轴中心上，所有方位角都是起始于X轴正向，并以逆时针旋转方向为正；2)建立参数化虚拟样机模型参数化虚拟样机模型的建立包括参数化几何建模、约束建模和力与驱动的施加，几何建模建立10个设计变量DVl、DV2、…、DV10,分别对应参数化机构模型中的10 个结构参数HHl6, Φη, 021、031、r和061 ；用设计变量表示关键点A、B、C、D、E 和F的X和Y轴坐标，给定一组设计变量的初始值即可确定5个关键点的坐标值；确定各几 何构件的截面尺寸值后，可分别由A点和B点构建曲柄AB，由B点、C点和E点构建三角连 杆BCE，由C点和D点构建上肘杆⑶，由E点和F点构建下肘杆EF，由F点构建滑块；约束建模在A点建立曲轴与机身之间的旋转副，在B点建立曲轴与三角连杆之间的 旋转副，在C点建立三角连杆与上肘杆之间的旋转副，在D点建立上肘杆与机身之间的旋转 副，在E点建立三角肘杆与下肘杆之间的旋转副，在F点建立下肘杆与滑块之间的旋转副， 在滑块与机身之间建立移动副，并设置各运动副的摩擦系数以及转动副销轴半径；力与驱动的施加在滑块上施加模拟冲压负载的随时间变化的单力，可采用STEP、IF 或AKIMA函数建立冲压负载曲线；在曲轴与机身之间的旋转副上施加驱动力矩，转速可为 恒值，大小根据冲压频率确定，转速也可为随时间变化的驱动函数，旋转方向一般为逆时 针，摆动工作和自由工作模式下为双向，由驱动函数给定；3)分析各结构参数的灵敏度为了降低优化模型的复杂性，应该尽量减少参与优化计算的设计变量的数量，则需要对所有结构参数进行灵敏度分析，分析各参数的重要性；通过执行设计研究，分析结构参数 对目标的灵敏度，具体包括创建目标对象增力比是滑块负载与曲柄驱动扭矩之间的比值，在设计时要求滑块在 公称压力行程内滑块负载不大于公称压力，所以可假定在整个公称压力行程内滑块负载为 等于公称压力的恒定值，则可将增力比最大化问题转化为曲柄驱动扭矩最小化问题，即将 目标对象设定为曲柄驱动扭矩；结构参数赋值给定结构参数初始值，指定各结构参数取值范围；逐个分析结构参数的灵敏度后，选择灵敏度较高的结构参数作为优化用设计变量；4)建立优化模型及求解(1)确定设计变量与目标函数上述10个结构参数可用向量形式表示为
全文摘要
本发明是一种伺服机械压力机三角肘杆工作机构及其优化设计方法。包括有曲柄AB、连杆BCE、上肘杆CD、下肘杆EF，由F点构建的滑块，其中上肘杆CD与下肘杆EF不等长，且上肘杆CD短于下肘杆EF，D点与F点处于垂直线上，由B点、C点和E点构建的三角连杆BCE。本发明由于采用将对称肘杆改为不对称肘杆，将直线连杆改为三角形连杆的结构，因此，能在保证机身机构紧凑、滑块行程足够、滑块下行单调的情况下，具有较高的增力比，可大幅降低曲柄处所需的驱动扭矩，进而降低伺服电动机的容量和成本。本发明使用简单方便，所设计的伺服机械压力机三角肘杆工作机构结构合理，方便实用。
文档编号G06F17/50GK102126301SQ20101057213
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者孙友松, 张贵成, 张鹏, 李建平, 程永奇, 章争荣, 胡建国, 阮卫平 申请人:广东工业大学, 广东锻压机床厂有限公司