【正文】 質(zhì)量和生產(chǎn)率，延長(zhǎng)模具壽命，要求壓力機(jī)具有工 作行程慢速均勻和回程快速的特性，這已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)械壓力機(jī)研究開(kāi)發(fā)的重要方向。本文在分析傳統(tǒng)壓力機(jī)和差動(dòng)輪系，在查閱多桿混合輸入的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出雙驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系曲柄壓力機(jī)。提供全套畢業(yè)設(shè)計(jì)，各專業(yè)都有 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 雙驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)壓力機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)仿真 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20xx 年 6 月 沈傳風(fēng) 10020xx146 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 宋勝濤（副教授） 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 雙驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)壓力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 摘要 : 混合驅(qū)動(dòng)式曲 柄壓力機(jī)是目前機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)?；旌陷斎脒x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)。根據(jù)條件設(shè)計(jì)出主要零件結(jié)構(gòu)尺寸，首先建立曲柄滑塊位移、速度、加速度的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)壓力機(jī)壓力機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到滑塊位移、速度、加速度的曲線圖，最后分析在改變伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)律時(shí)對(duì)仿真結(jié)果的影響。利用雙曲柄差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的參數(shù)配置和串聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)上述要求的有效途徑。本文先根據(jù)給定條件和假設(shè)條件計(jì)算出主要結(jié)構(gòu)尺寸，并用 Pro/Engineer 進(jìn)行建模，然后數(shù)學(xué)方法建立壓力機(jī)滑塊位移、速度、加速度的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上利用 Pro/Engineer 仿真功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到壓力機(jī)滑塊的位移、速度、加速度曲線圖。因此，沖壓工藝的應(yīng)用越來(lái)越廣 [1]。 沖壓生產(chǎn)中，企業(yè)的目標(biāo)是在不增加投資和勞動(dòng)力的前提下提高生產(chǎn)率，人們很容易想到的一個(gè)方法就是提高壓力機(jī)的速度。傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)由于其機(jī)構(gòu)特性的限制易造成零件撕裂起皺、廢品率高、而且模具使用壽命低、噪聲大不利用薄板深 拉伸 [2]。 另一方面，由于使用普通電機(jī)作為輸入動(dòng)力源，傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)輸出的沖壓工藝曲線是固定不變的，即“柔性”太差，這很難滿足沖壓工藝的快速多變性。因此，全伺服壓力機(jī)在我國(guó)的發(fā)展受到一定的阻礙。 在我國(guó)，為滿足沖壓工藝“柔性”要求，混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)是必須的。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前關(guān)于機(jī)械壓力機(jī)的混合輸入方面的研究論文有很多，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。能夠?qū)崿F(xiàn)混合輸入的機(jī)構(gòu)也稱為可控機(jī)構(gòu) [4]。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。之后，他們進(jìn)一步研究了這類機(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。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) 。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]。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]。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]。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]。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。 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 。由于電動(dòng)機(jī)為常規(guī)電機(jī)，因此不具有靈活性。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。 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)”。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)。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。 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 。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。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。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)。 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)軸線的位置均固定且重合。在這里采用兩個(gè)中心輪為兩個(gè)輸入，系桿為輸出。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 。假設(shè)壓力機(jī)的公稱壓力 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%。所以在確定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)用 120r/min來(lái)計(jì)算。由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速是周期性變化的，當(dāng)工作在高速?zèng)_壓 120r/min模式下時(shí)，周期 sT ? ，轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： )( d e g /60t720c o s1440n 00 s）（高 ?? 。當(dāng)在低速模壓 10r/min模式下時(shí)，周期 s6T? ，轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：))(d e g /60s in (120 stn ??低 。 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 高速?zèng)_壓時(shí)伺服電器轉(zhuǎn)速 圖 低速模壓時(shí)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)比分配 如圖 3所示，假設(shè) 57 2zz ? 34 2zz ? 12 3zz ? 12 ?r 則可得 257H7557 ????? zzi HH ?? ?? 則 H???? 22 7H5 ??? 2457H 22 ????? ????? 由于壓力機(jī)工作模式可調(diào)：即高速?zèng)_壓 120r/min，低速模壓 10r/min。當(dāng)在低速?zèng)_壓模式下工作時(shí)，即 min/10H r?? 時(shí)，而 2? 的平均值為 0，則m i n/r102m in/5 434 ??? ??? 可得r ，而常速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 1460r/min，則變速箱的傳動(dòng)比為 36。 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為使齒輪、軸等各部件滿足強(qiáng)度和剛度要求，則在計(jì)算時(shí)假設(shè)壓力機(jī)工作在低速模壓 10r/min工作模式下。差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)中行星輪的個(gè)數(shù)為 3，并且取行星輪間的載荷分配不均衡系數(shù)為 ?pk 。 考慮到截面尺寸較大的影響，取 MPaF 240][ ?? 。 則齒輪 5的分度圓直徑 mmmzd 33648755 ???? 齒輪 6的分度圓直徑 mmmzd 16824766 ???? 齒輪 7的分度圓直徑 mmmzd 67296777 ???? 齒輪寬 mmdd b 1 6 81 6 81B 6 ???? 太陽(yáng)輪的變位系數(shù) ?ax ，其中齒頂高變動(dòng)系數(shù) ??y 。 曲軸的設(shè)計(jì) 曲柄壓力機(jī)中，常見(jiàn)的曲軸有三種型式，即曲軸、曲拐軸和偏心軸。鍛比一般取 。鍛制的曲軸加工后應(yīng)進(jìn)調(diào)質(zhì)處理，有時(shí)還要在兩端切割試件進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)。 （ 1）圖 圖 曲軸示意圖 曲軸有關(guān)尺寸經(jīng)驗(yàn)公式如下： 支承頸直徑 )(P)5~(0 mmgd ? gP 為公稱壓力（ KN） 中北大 學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè) 曲柄頸直徑 0)~( ddA ? 支承頸長(zhǎng)度 00 )~( dL ? 曲柄兩臂外側(cè)面間的長(zhǎng)度 0q ~ ）（? 曲柄頸長(zhǎng)度 0a ~ ）（? 圓角半徑 0)~( dr ? 曲柄臂寬度 0)~( da ? 由于 ，KN1000Pg ? 工作行程 mm500S? 則取 mmd 1500 ? mmdA 210? mm270L0 ? mm390Lq ? mm240La ? mmr 12? mm240a? mm25025002SR ??? （