毕业设计(论文)-ADAMS混合驱动七杆压力机及其虚拟样机.doc
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1、摘要混合驱动可控压力机研究是目前关于压力机改进的研究问题之一。它是由大功率的常速电机和小功率的伺服电机作为驱动器,通过一个两自由度机构合成后实现可编程的输出运动,从而满足不同产品和不同材料加工工艺的要求。其中常速电机为系统提供主要的功率和运动,而伺服电动机则只起到调节作用。这使得混合驱动可控压力机既有传统机械式压力机的高速、高效、高负载等优点,又有可控性、精确性等优点。从分析其它种类机械式压力机的不足之处入手,对混合驱动理论的可行性进行论证。并考虑到压力机的典型运动规律,选择了多杆机构中的混合驱动七杆压力机(I)的运动方案。鉴于虚拟样机技术的优越性,首先在软件ADAMS软件的帮助下,建立混合驱
2、动压力机的三维虚拟样机模型,其中包括:对于混合驱动精压机的基础理论研究,主要是对混合驱动压力机系统进行动态静力分析,研究两电机的受力情况。建立混合驱动可控压力机的运动学分析模型。再根据压力机加工工艺的特点,采用运动学优化的方法,分别对混合驱动压力机的结构参数和伺服电机的运动规律进行了优化设计,得出滑块运动规律曲线。 关键词: 压力机, 混合驱动七杆机构, 运动学分析, 动力学分析, ADAMS,SOLIDWORKSAbstractHybrid-driven controllable mechanical press is one of the problems in the researchf
3、ield of mechanical press improvement.It is combine the motion of a largeconstant velocity motor with a small servomotor via a two degree of freedom mechanism.In this machine,the constant speed motor provides the main powerand motion required,while servomotor acts as a motion modulation device.Theref
4、ore,the hybrid-driven controllable mechanical pres can supplies programmable motion output to meet requirements of different products different materials.So this kinds of mechanical press not only has advantages of classical mechanical(I) press for its high speed,high precision and high load,but als
5、o iscon trollable and has great flexibility. Considered the typical kinetic rules of mechanical press,the motion design of the hybrid-driven mechanical press suitable for deep drawing is selected.Because of the superiority of the virtual prototype technique,the three-dimensional full-scale mockup of
6、 this mechanical press is set up,including the part and assembly,with the help of software Pro/E.The kinematical model of the hybrid-driven controllable press is set up.Then the forward and inverse kinematics of this mechanical press is analyzed by using loop vector method.Kinematical simulation ana
7、lysis is also worked out by software Pro/E.On the basis of the kinematical analysis,the equations of two cranks balance moment are studied considering the inertia of links.Keywords: Mechanical press, Hybrid-driven seven-mechanism,Kinematics analysis,Dynamic analysis, ADAMS;,SOLIDWORKS目录摘要IAbstractII
8、第一章 绪论11. 1机械压力机简介11.2机械压力机的分类11.3曲柄压力机的工作原理11.4曲柄压力机的发展现状21.5各种常见压力机的对比分析21.5.1 多杆压力机21.5.2液压压力机31.5.3全伺服驱动压力机31.5.4混合驱动多杆压力机51.6混合驱动模式的可行性分析61.6.1混合驱动可控压力机的调速特点分析71.7混合驱动可控压力机机构形式的选择71.7.1 五杆机构的分析81.7.2 六杆机构分析91.7.3 七杆机构分析101.8 本课题研究的内容概述111.9 本课题研究的目的和意义11第二章 主传动系统运动学分析132.1 冲压时间的分配132.2 滑块位移与杆件角
9、度的关系分析14第三章 虚拟样机技术及其发展173.1 虚拟样机技术的定义173.2 虚拟样机技术的研究范围173.3 ADAMS动态仿真软件简介173.4 ADAMS仿真分析基本步骤193.4.1 定义系统驱动与约束19第四章 基于ADAMS的混合驱动七杆压力机虚拟样机建模214.1 混合驱动七杆压力机的虚拟样机建模214.2 混合驱动七杆压力机的运动学分析244.3 混合驱动七杆压力机的参数化建模274.4 混合驱动七杆压力机的优化设计28第五章 基于SOLIDWORKS混合驱动七杆压力机实体造型295.1 SOLIDWORKS简介295.2 混合驱动七杆压力机的实体造型305.3 将三维
10、实体造型导入ADAMS32第六章 结论与展望33参考文献34致 谢3535孟茂 混合驱动七杆压力机及其虚拟样机(I)第一章 绪论1. 1机械压力机简介冲压是指在室温下,利用安装在压力机上的模具对材料施加压力,使其产生分离或塑性变形,从而获得所需零件的一种压力加工方法。在冲压零件的生产中,合理的冲压成型工艺、先进的模具和高效的冲压设备是必不可少的三要素,其中机械压力机代表着冲压工艺的普遍水平,具有生产率高、材料利用率高、零件精度高、复杂程度高、一致性高等突出优点,因此在批量生产中得到广泛的应用,在现代工业生产中占有十分重要的地位,是国防及民用工业生产中必不可少的加工方法。1.2机械压力机的分类冲
11、压加工离不开冲压设备,冲压设备属锻压机械,常见的冷冲压设备有机械压力机和液压机。在锻压机械中,机械压力机的应用越来越广泛,其应用比重可占到锻压机械的50%以上。机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式:按滑块个数可分为单动和双动:按床身结构形式可分为开式(C型床身)和闭式(II型床身):按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。1.3曲柄压力机的工作原理曲柄压力机利用曲柄连杆机构进行工作,电机通过皮带轮及齿轮带动曲轴传动,经连杆使滑块作直线往复运动。曲柄压力机分为偏心压力机和曲轴压力机,二者区别主要在主轴,前者主轴是偏心轴,后者主轴是曲轴。偏心压力机一般是开式压力机,而曲轴压力机有
12、开式和闭式之分,它的特点是生产率高,适用于各类冲压加工。1.4曲柄压力机的发展现状目前,我国机械行业中广泛使用的通用机械压力机,普遍采用四杆的曲柄连杆滑块机构,如下图1-1所示: 图1-1 四杆曲柄连杆滑块机构示意图随着人们在长期的使用过程中,特别是当零件要求高精度和小批量多型号的生产过程中,发现若采用上图中传统的曲柄连杆机构,产品的合格率低,造成的废品较多。其工作时冲击振动噪声大,模具寿命低,工艺适应范围窄。因此,立足于通用机械压力机现有结构,继传统的曲柄连杆压力机之后又出现了多杆压力机、液压压力机和全伺服驱动压力机的开发,它们改进了传统的曲柄连杆压力机在性能方面的不足之处。1.5各种常见压
13、力机的对比分析1.5.1 多杆压力机多连杆机械压力机是一种以多连杆机构为传动形式的新型压力机。目前已为国内外制造厂普遍采用。其机械部分的运动原理是:四连杆机构连杆上任意点的运动规律具有多样性,因而将二件组(连杆与滑块)与连杆上某点相连(一般与曲柄端连杆的外伸部分连接),组成六杆甚至更多杆件的机构,这种压力机经参数的合理选择可使滑块得到冲压加工所需的运动特性与受载特性。通过对多杆压力机的研究,多杆机构有一下优点:(1)多连杆压力机滑块具有明显的急回运动特性。也就是说,工作行程中可以为机械手提供充分的操作时间,以实现自动化生产。(2)多杆压力机在工作区间,滑块速度平稳,利于材料变形。(3)多杆压力
14、机在工作区间,扭矩大。在 90 度至 180 度范围,多连杆压力机出现较高扭矩,有利于厚板的深冲、深拉,同时这种特性允许缓冲垫提高能力,以满足反拉伸所需的压边力。多杆压力机的问世,从一定程度上改善了传统的曲柄连杆压力机的很多不足之处。然而,多杆压力机的结构复杂,它要求的制造精度和装配精度很高。并且一旦它的结构确定下来,滑块的输出加工曲线也就定了下来。因此,它并不能满足“柔性”制造的目的,只能从一定程度上改善压力机的性能。1.5.2液压压力机液压压力机也是继传统的曲柄连杆压力机之后产生的。这类压力机可控性很好,但是它却存在着两个缺陷:速度低,能耗大。这些问题导致在开发与应用液压压力机的道路上,受
15、到的很大的阻挠。目前应用并不广泛。1.5.3全伺服驱动压力机全伺服驱动压力机是完全以一台伺服作为驱动,原理如图所示:图1-2(a)图1-2(b)近年来,伺服电机制造和控制技术发展迅速,性能大大提高。功率从 30W 到5KW,转矩从 0.3N.m 到 72N.m 的伺服电机制造技术已经非常成熟,均有商业化产品。国外的全伺服驱动压力机的研究和应用已经走在了较前的位置。成熟的产品已经开发出来。例如日本松下 MDM 系列中惯量伺服电机的最大功率为 5KW, 扭矩为 72N.m。美国俄亥俄州大学机械制造工程中心通过机构的参数优化设计、载荷和扭矩分析, 制造了 30T 双动式机械压力机。同时伺服电机的控制
16、也大量采用新技术,控制方式更加灵活、有效、精确,软硬件技术的进步促使伺服电机的控制向数字化控制转变,基于模糊推理的交流伺服自适应控制集参数自动识别、模糊推理、特征量辩识等技术为一体,使伺服系统的控制向智能化方向发展。全伺服驱动压力机有一下诸多特点:(1) 由于伺服电机的角速度可调,因而可以根据被加工材料的性能,调节冲锤的速度,以满足加工工艺的要求;(2) 通过调节伺服电机的初始相位角,可以改变压力机的下死点位置,因而可以改变装模高度,缩短了调整装模高度的准备时间,提高了生产率;(3)滑块的速度和每分钟的工作次数也可以根据工件的加工性质进行调整,以满足低速锻冲的工作要求。同时可以抑制振动和噪声,
17、实现对滑块的位置的精确控制。(4) 由于冲锤的运动速度具有闭环控制,因此对冲头下死点的设定可以达到m 级,提高了冲压件的成形精度;(5) 由于伺服电机驱动小型机械压力机,只是改变了原动机,而没有改变压力机的机构的型式,因而对现有的压力机进行改进,费用较低;(6) 由于受到伺服电机功率小的限制,因此目前伺服电机只能用于驱动用于薄板加工的压力机上。由于目前伺服电动机价格昂贵,功率较小,虽然通过多杆机构等传动机构可以实现一定的增力作用,但是由于没有飞轮,不能像普通机械压力机那样进行能量积蓄。因此目前的交流伺服电动机驱动的机械压力机吨位都较小。为了满足实际需要,大吨位的交流伺服电动机驱动型机械压力机的
18、研究日益开展。遗憾的是,国内目前市场上所能买到的伺服电机的功率只限于小型的伺服电机。于是,受到伺服电机功率的制约,这种全伺服驱动的压力机在国内只是在小吨位的压力机床中得以应用。1.5.4混合驱动多杆压力机从传统机械压力机的发展历史来看,采用了各种方法想改变压力机的速度特性曲线,比如主驱动电机调速和采用离合器等措施,但一旦压力机的结构和尺寸参数确定之后,滑块的输出运动规律也就随之确定,因而不具有柔性。为了更好地控制压力机的速度特性曲线,伺服电机被引入到常规压力机的驱动系统中来。混合驱动理论也是在这样的背景下发展而来的。混合驱动可控压力机是由常速电机和伺服电机共同驱动的,是一个二自由度系统。其中常
19、速电机提供了系统的主要功率,而伺服电机只起到调节的作用。下图即是混合驱动可控压力机的原理图:图1-3 混合驱动可控压力机的原理图1.6混合驱动模式的可行性分析对混合驱动可控压力机机构可动性的研究是研究混合驱动可控机构运动学和动力学的前提和基础。为了保证加工质量,压力机在工作阶段应该具有低速冲压特性;为了提高生产效率,压力机应具有急回特性,也就是说应该尽量缩短滑块向上回程的时间。总之,从压力机的运动学特性来看,它具有一定的可操作性,适应不同冲压工艺、不同材质和板材厚度对变形速度的要求。由伺服电机与常速电机混合驱动相结合而成的可控压力机,其结构形式与普通压力机截然不同。它是由常速电机和伺服电机的输
20、入通过一个二自由度机构合成之后驱动滑块往复运动的。这样,不仅可以改善输出动力特性,而且能够改变滑块的运动规律,以满足不同冲压工艺的要求1.6.1混合驱动可控压力机的调速特点分析这种系统结合了传统机械系统和全伺服机电系统的优点,能实现输出运动柔性,并具有承载能力高、运行速度快和成本低的特点,能很好满足当今生产多品种、小批量、低成本发展的需求。混合驱动可控压力机除具有伺服电机驱动压力机的优点外,还具有以下特点:(1) 改变伺服电机的运动规律,不仅能调节冲锤的速度,而且可实现不同的位移和速度曲线,即可实现冲锤的多组输出运动规律。(2) 通过优化设计伺服电机的运动规律,在不改变常速电机速度和工作行程次
21、数的情况下,能有效地调节冲锤工作段的速度特性,因而能提高压力机的工作效率,这点优越性是相对于液压伺服压力机而言的。(3) 可简化冲压机床的结构:当采用混合驱动可控机构时,由于伺服电机的运动可控性,实现相同的输出运动时,不必采用八杆和十杆机构来降低滑块(冲锤)的速度,因而可简化冲压机床的结构。从以上分析的各种调速方法可以看到,利用混合驱动模式对压力机进行调速可以避开传统的主驱动电机调速、机械变速调速、纯伺服调速的一些缺陷。达到我们对压力机的输出加工曲线的可控性的目的。1.7混合驱动可控压力机机构形式的选择混合驱动机构从结构上属于一种二自由度机构。从这一基本点出发,混合驱动可控机构的运动合成机构可
22、以有多种形式,下图列出了一些机构的形式。图1-4 混合驱动多杆机构的参考形式本论文以混合驱动七杆机构为研究对象。之所以选择该机构,要通过比较来说明。需要明确的是,随着杆件的增加,压力机的可控性就越复杂,运动轨迹也越复杂,就越能完成复杂的加工过程。但也将会给研究带来诸多麻烦。1.7.1 五杆机构的分析二自由度平面五杆机构作为研究混合驱动机构的基础已日益受到国内外学者的重视。它从结构上保留了现有的压力机的特点,并在充分利用了现有压力机机构的优点的同时还考虑到机构的调节能力。因此,由此机构从一定程度上能够很好的满足机构的运动学要求。在混合驱动五杆机构的基础上确立了一种可控压力机的机构(如图所示)。图
23、1-5 一种五杆机构但是,随着对混合驱动五杆机构研究的深入,发现这种五杆机构对构件的尺寸要求极为严格,才能保证曲柄存在的条件。而且,这种五杆机构在动力学性能方面表现得也非常差。严格的条件大大的减小了五杆机构中各杆尺寸的取值空间,使五杆机构在优化设计时很难得到理想的运动轨迹。这在一定程度上必将限制五杆机构在实际中的应用。因此,后来又有人提出了混合驱动六杆机构。1.7.2 六杆机构分析与混合驱动五杆机构相比,六杆机构结构更为复杂,它在原混合驱动五杆机构的基础上引入了调节杆L2,这使得六杆机构的运动输出特性比原混合驱动五杆机构更好,其可以在不增加伺服电机负担的情况下,通过调节机构的机械可调部分满足不
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- 毕业设计 论文 ADAMS 混合 驱动 压力机 及其 虚拟 样机
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