【正文】 速度調(diào)節(jié) [5]。這種混合輸入機(jī)械壓力機(jī)不僅具有柔性的工作速度，而且比單純用伺服電機(jī)控制的機(jī)械壓力機(jī)具有更低的價(jià)格，因此引起了海內(nèi)外眾多的工作者對(duì)其進(jìn)行研究。 90年代初， Tokuz和 Jones[6]是最早提出了混合驅(qū)動(dòng)的概念，他們結(jié)合了傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)和全伺服壓力機(jī)，提出了一種介于二者之間的系統(tǒng)，稱(chēng)之為“復(fù)合式機(jī)器”，奠定了混合驅(qū)動(dòng)可控機(jī)構(gòu)的思想。之后，他們進(jìn)一步研究了這類(lèi)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，完善了“復(fù)合式機(jī)器”的思想，建立了完善的系統(tǒng)模型和實(shí)驗(yàn)方案。 1992年，為了驗(yàn)證混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能及其特點(diǎn)，針對(duì)變規(guī)律的輸出運(yùn)動(dòng)要求，例如：升 降、升 停 降、升 降停運(yùn)動(dòng)，他們?cè)谘芯恐胁捎没旌向?qū)動(dòng)的方案，如圖 。常規(guī)恒速電機(jī)和伺服電機(jī)的輸出運(yùn)動(dòng)經(jīng)差動(dòng)輪系合成后，驅(qū)動(dòng)一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 。Greenough為了克服 Tokuz與 Jones研究中“停歇段對(duì)伺服電機(jī)功率損耗較大”的問(wèn)題，采用二自由度七桿機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)合成機(jī)構(gòu)（如圖 ），同樣可以實(shí)現(xiàn)上述變規(guī)律輸出運(yùn)動(dòng)。他們以減小伺服電機(jī)的功率為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化綜合得到七桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，可以把伺服電機(jī)的功率減小大約 50%[7]。 圖 Tokuz提出的混合驅(qū)動(dòng)可控機(jī)構(gòu) 圖 二自由度七桿機(jī)構(gòu) 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 32 頁(yè) 國(guó)內(nèi)也有很多關(guān)于混合驅(qū)動(dòng)的研究。例如：程英輝、李學(xué)剛、黃永強(qiáng)三人采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法綜合混合驅(qū)動(dòng)可控 六桿機(jī)構(gòu)（如圖 ），通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，建立了該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化綜合的數(shù)學(xué)模型，然后分機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)已知和結(jié)構(gòu)參數(shù)未知，以及同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同一軌跡和不同機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同軌跡得到不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，不同的優(yōu)化約束條件，并且得出了機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)同一軌跡時(shí)，混合驅(qū)動(dòng)可控六桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果明顯優(yōu)于可控五桿機(jī)構(gòu)的結(jié)論 [8]。劉偉杰、李瑞琴等人分析了含 RPP型 II級(jí)桿組的雙曲柄混合驅(qū)動(dòng)七桿機(jī)構(gòu)的特性。他們針對(duì)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制，運(yùn)用 ADAMS軟件建立了混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型（如圖 ），然后經(jīng) 過(guò)逆運(yùn)動(dòng)分析，在確定恒速原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合的輸出運(yùn)動(dòng)，在 ADAMS的仿真中可以清楚直觀的了解到此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，得到構(gòu)件及關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性 [9]。師后龍、何光軍、鹿新建等人對(duì)曲柄壓力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)按照上傳動(dòng) /下傳動(dòng)、曲軸縱放 /橫放、傳動(dòng)級(jí)數(shù)以及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分類(lèi)，并大膽預(yù)設(shè)了今后曲柄壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，即：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多連桿機(jī)構(gòu)、橢圓齒輪機(jī)構(gòu)以及行星齒輪機(jī)構(gòu)。他們認(rèn)為行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)才是壓力機(jī)最終發(fā)展巔峰 [10]。何予鵬、趙升噸等人在研究差動(dòng)輪系混合輸入時(shí)，提出了 “調(diào)速幅度”和“差速比”兩個(gè)概念，指出“調(diào)速幅度”或“差速比”將工作載荷功率在兩個(gè)電機(jī)間進(jìn)行分配，分析了常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)和常規(guī)電機(jī)和伺服電機(jī)分別拖動(dòng)兩種拖動(dòng)方案的功率分配情況 [11]。從他們的研究中，我們可以間接得到混合驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系曲柄壓力機(jī)的可行性。但是混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)在國(guó)內(nèi)外的研究還不夠成熟，僅停留在理論研究階段，具體有關(guān)應(yīng)用還沒(méi)有展開(kāi)。 圖 混合驅(qū)動(dòng)可控六桿機(jī)構(gòu)示意圖 圖 機(jī)構(gòu)模型 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè) 題目要求 單 自由度曲柄壓力機(jī)是一種最常用的的冷沖壓設(shè)備，用作冷沖壓模具的工作平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。其工作原理為：電動(dòng)機(jī)通過(guò)三角皮帶把運(yùn)動(dòng)傳給大皮帶輪，在經(jīng)過(guò)小齒輪、大齒輪傳給曲柄軸，連桿上端裝在曲柄軸上，下端與滑塊連接，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)為常規(guī)電機(jī)，因此不具有靈活性。 題目要求在原有單自由度曲柄壓力機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，利用兩自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)構(gòu)得到雙驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)。要求壓力機(jī)的工作模式可調(diào)，即可從事高速?zèng)_壓和低速模壓。并要求壓力機(jī)工作距離 為 500mm，高速?zèng)_壓次數(shù)為 120次 /分，低速模壓次數(shù)為 10次 /分，制作仿真動(dòng)畫(huà)，輸出位移、速度、加速度相關(guān)仿真結(jié)論。 圖 單自由度曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 32 頁(yè) 二 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 混合輸入的工作原理 為了實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)可以采用“多桿機(jī)構(gòu)”和“差動(dòng)行星輪系機(jī)構(gòu)”。目前，學(xué)者在研究混合驅(qū)動(dòng)時(shí)把精力主要放在了“多連桿機(jī)構(gòu)”的研究上。由于行星輪系在沖壓過(guò)程中有多個(gè)齒輪受力，設(shè)計(jì)時(shí)尺寸較小 ，降低了從動(dòng)慣量，所以我們采用“差動(dòng)行星輪系機(jī)構(gòu)”來(lái)實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)。行星輪系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 。行星差動(dòng)傳動(dòng)具有兩個(gè)自由度，太陽(yáng)輪，內(nèi)齒圈和行星架都承受外轉(zhuǎn)矩而運(yùn)動(dòng)。行星差動(dòng)傳動(dòng)是行星齒輪傳動(dòng)的一種特殊應(yīng)用形式。其應(yīng)用方式，一是用于運(yùn)動(dòng)的合成；二是用于運(yùn)動(dòng)的分解。在這行星齒輪用作運(yùn)動(dòng)的合成使用 [12]。 圖 行星輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 利用差動(dòng)輪系實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)混合輸入的工作原理如圖 。該系統(tǒng)由常規(guī)電機(jī) (一般指輸出速度為常數(shù)的交流電機(jī) )、伺服電機(jī)、減速器Ⅰ、 減速器Ⅱ、差動(dòng)輪系和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。差動(dòng)輪系的輸出軸與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲軸相連接；差動(dòng)輪系的兩個(gè)輸入軸分別通過(guò)減速器Ⅰ和減速器Ⅱ與伺服電機(jī)和常規(guī)電機(jī)相連。因此，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲軸的運(yùn)動(dòng)就完全由伺服電機(jī)和常規(guī)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制。在差動(dòng)輪系前串聯(lián)減速器Ⅰ和減速器Ⅱ，主要是因?yàn)闉榱顺袚?dān)一部分減速任務(wù)， 差動(dòng)輪系的傳動(dòng)比取值太大，會(huì)造成傳動(dòng)效率的降低。 常規(guī)電機(jī)的速度為常數(shù)， 價(jià)格比較便宜；伺服電機(jī)的速度可以調(diào)節(jié)，但是價(jià)格昂貴。混合輸入選用功率較大的常規(guī)電機(jī)為機(jī)械壓力機(jī)提供一個(gè)恒定速度輸中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 32 頁(yè) 出，選用功率較小的伺服電機(jī)為機(jī) 械壓力機(jī)提供速度調(diào)節(jié)。這樣不僅使得機(jī)械壓力機(jī)的輸出速度為柔性，而且又避免了選用大功率的伺服電機(jī)，使得制造成本和使用成本大大降低。 圖 差動(dòng)輪系混合輸入原理 總體設(shè)計(jì)方案的確定 由于差動(dòng)輪系的兩個(gè)中心輪和系桿的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的位置均固定且重合。通常以它們作為運(yùn)動(dòng)的輸入或輸出 [13]。在這里采用兩個(gè)中心輪為兩個(gè)輸入，系桿為輸出。而且題目要求壓力機(jī)滿(mǎn)足高速?zèng)_壓 120r/min和低速模壓 10r/min兩種工作模式。則常速電機(jī)與差動(dòng)輪系之間用 變速箱替換減速器，則總體傳動(dòng)方案如圖 。 圖 傳動(dòng)原理圖 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 32 頁(yè) 三 設(shè)計(jì)過(guò)程論述 已知工作行程 S=500mm，高速?zèng)_壓 120r/min，低速模壓 10r/min。假設(shè)壓力機(jī)的公稱(chēng)壓力 Pg=1000KN，變速箱的工作效率為 95%，帶輪傳遞效率為 99%，齒輪傳遞效率為 98%。 電動(dòng)機(jī)的選擇 由于壓力機(jī)要滿(mǎn)足兩種工作狀態(tài)：高速?zèng)_壓和低速模壓。所以在確定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)用 120r/min來(lái)計(jì)算。 壓力機(jī)功能組成及總功 1）工作變形功 A1 因?yàn)? ?Pg? 而 mmg 61 0 0 ????? 所以 J1 8 9 0106101 0 0 03 1 331 ?????? 2）拉延墊工作功 A2 J1 3 8 8 836 105 0 0101 0 0 036P g SA2 33 ?????? 3)工作行程摩擦功 A3 因?yàn)? ? 而摩擦當(dāng)量力臂 ? ?udddmoBAu ???? ?? )1(21 且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 Pg)5~(d 0 ? 取 mmd 1500 ? 0)~( ddA ? 取 mmdA 210? mmPgd B ??? 所以 mmmu ]1 5 1 0)[(21 ???????? 所以 JP g am ou 1 3 6 01 8 020xx1 0 0 033 ????????? ? 4） 滑塊空程功 A4 查 圖 76得 J16004A ? （注：清華大學(xué)何德譽(yù)主編的《曲柄壓力機(jī)》下同） 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 32 頁(yè) 5） 飛輪空轉(zhuǎn)功 A5 因?yàn)? ）（ 16 ttN1000A5 ? 查圖 77得 WK1N6 ? 而 nnC60t? 查表 46有 ? 所以 60t ??? ?? 所以 J20xx)(11000A5 ????? 總功 JAAAAA 2 0 7 3 82 0 0 01 6 0 01 3 6 01 3 8 8 81 8 9 054321A ??????????? 電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速 KWtAm ???? mkN?N 查表 71選 ? 則 ??? 由于混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)主要靠常速電機(jī)提供動(dòng)力，伺服電機(jī)主要起調(diào)節(jié)作用，則選用常速電機(jī)型號(hào)為 Y160M4，額定功率為 11KW，滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速 min