專利名稱：伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法，屬于機(jī)械傳 動領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計。
背景技術(shù)：
普通機(jī)械壓力機(jī)一般采用普通交流異步電動機(jī)驅(qū)動，采用大型飛輪儲能；而伺服 機(jī)械壓力機(jī)用交流伺服電動機(jī)代替交流異步電動機(jī)，并取消飛輪，不僅可簡化傳動鏈，提高 設(shè)備的自動化、智能化水平和工作可靠性，還可大幅度節(jié)省能量、降低噪聲，對制造業(yè)節(jié)能 減排具有十分重要的意義。伺服機(jī)械壓力機(jī)由于沒有飛輪，工作壓力主要靠電動機(jī)的瞬時 扭矩產(chǎn)生，因而驅(qū)動電動機(jī)容量較普通壓力機(jī)要大很多。大容量伺服電動機(jī)的采用導(dǎo)致設(shè) 備造價高，成為伺服機(jī)械壓力機(jī)推廣應(yīng)用的一大障礙。通過改進(jìn)工作機(jī)構(gòu)，增加工作機(jī)構(gòu)的增力比，可以減少電動機(jī)驅(qū)動扭矩，對于減少 電動機(jī)容量、降低伺服機(jī)械壓力機(jī)造價，進(jìn)而推動該技術(shù)的工程應(yīng)用具有決定性的作用。傳 統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)一般采用曲柄連桿、對稱肘桿或多連桿結(jié)構(gòu)。曲柄連桿具有結(jié)構(gòu) 簡單的優(yōu)點，但公稱壓力行程小，增力比小，只能適用于小型伺服機(jī)械壓力機(jī)，如中國專利 號為ZL200320118186. 8中公開的一種壓力機(jī)；對稱肘桿雖然有空行程急回和工作行程近 似停歇特性，但增力比仍不夠大，如中國專利號為ZL 200720054117. 3,ZL 200820082737. 2 中公開的機(jī)構(gòu)；而多連桿機(jī)構(gòu)可以改善滑塊在工作行程的運動特性，仍有增力比不是最優(yōu) 及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，如中國專利號為ZL 200820030514. 1公開的機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種在保證機(jī)身機(jī)構(gòu)緊湊、滑塊行程足 夠、滑塊下行單調(diào)的情況下，具有較高的增力比，可大幅降低曲柄處所需的驅(qū)動扭矩，進(jìn)而 降低伺服電動機(jī)的容量和成本的伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種簡單方便的伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu) 的優(yōu)化設(shè)計方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)，包括有由A點 和B點構(gòu)建的曲柄AB，由B點、C點和E點構(gòu)建連桿BCE，由C點和D點構(gòu)建的上肘桿⑶，由 E點和F點構(gòu)建的下肘桿EF，由F點構(gòu)建的滑塊，A點建立曲軸與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副，在B點 建立曲軸與三角連桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在C點建立三角連桿與上肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在D點建 立上肘桿與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副，在E點建立三角肘桿與下肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在F點建立下 肘桿與滑塊之間的旋轉(zhuǎn)副，在滑塊與機(jī)身之間建立移動副，其特征在于上肘桿CD與下肘桿 EF不等長，且上肘桿⑶短于下肘桿EF，D點與F點處于垂直線上，由B點、C點和E點構(gòu)建 連桿為三角連桿BCE。上述三角形連桿BCE的CE邊為最短邊，夾角Z CBE不超過30°。上述曲軸AB的曲軸中心與上肘桿固定鉸接點的位置關(guān)系用矢量之表示；滑塊處于上限位置時，AB、DC、FE相交于一點，滑塊處于下限位置時，C點和E點不一定位于DF線上。本發(fā)明伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟
1)構(gòu)建參數(shù)化的機(jī)構(gòu)模型
構(gòu)建參數(shù)化的機(jī)構(gòu)模型，需要確定可描述三角肘桿機(jī)構(gòu)的最少結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用矢量Λ、 12、73、“、I5, h構(gòu)成的兩個封閉矢量環(huán)來描述機(jī)構(gòu)的尺度，三角肘桿機(jī)構(gòu)的一組最少結(jié)構(gòu) 參數(shù)包括上肘桿固定鉸接點至曲軸中心距離I1、曲柄長度I2、三角形連桿上邊長度I3、三 角形連桿下邊長度I4、下肘桿長度16，以及上肘桿固定鉸接點至曲軸中心矢量Λ的方位角 ^ H、曲柄矢量72的方位角021、三角形連桿上邊矢量Λ的方位角、三角形連桿上下邊 矢量夾角r、下肘桿矢量的方位角061，其中，坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點建 立在曲軸中心上，所有方位角都是起始于X軸正向，并以逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正；
2)建立參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型
參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型的建立包括參數(shù)化幾何建模、約束建模和力與驅(qū)動的施加， 幾何建模建立10個設(shè)計變量DVl、DV2、…、DV10,分別對應(yīng)參數(shù)化機(jī)構(gòu)模型中的10 個結(jié)構(gòu)參數(shù)HHl6, Φη, 021、031、r和061 ；用設(shè)計變量表示關(guān)鍵點A、B、C、D、E 和F的X和Y軸坐標(biāo)，給定一組設(shè)計變量的初始值即可確定5個關(guān)鍵點的坐標(biāo)值；確定各幾 何構(gòu)件的截面尺寸值后，可分別由A點和B點構(gòu)建曲柄AB，由B點、C點和E點構(gòu)建三角連 桿BCE，由C點和D點構(gòu)建上肘桿⑶，由E點和F點構(gòu)建下肘桿EF，由F點構(gòu)建滑塊；
約束建模在A點建立曲軸與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副，在B點建立曲軸與三角連桿之間的 旋轉(zhuǎn)副，在C點建立三角連桿與上肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在D點建立上肘桿與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn) 副，在E點建立三角肘桿與下肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在F點建立下肘桿與滑塊之間的旋轉(zhuǎn)副， 在滑塊與機(jī)身之間建立移動副，并設(shè)置各運動副的摩擦系數(shù)以及轉(zhuǎn)動副銷軸半徑；
力與驅(qū)動的施加在滑塊上施加模擬沖壓負(fù)載的隨時間變化的單力，可采用STEP、IF 或AKIMA函數(shù)建立沖壓負(fù)載曲線；在曲軸與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副上施加驅(qū)動力矩，轉(zhuǎn)速可為 恒值，大小根據(jù)沖壓頻率確定，轉(zhuǎn)速也可為隨時間變化的驅(qū)動函數(shù)，旋轉(zhuǎn)方向一般為逆時 針，擺動工作和自由工作模式下為雙向，由驅(qū)動函數(shù)給定；
3)分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度
為了降低優(yōu)化模型的復(fù)雜性，應(yīng)該盡量減少參與優(yōu)化計算的設(shè)計變量的數(shù)量，則需要 對所有結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，分析各參數(shù)的重要性；通過執(zhí)行設(shè)計研究，分析結(jié)構(gòu)參數(shù) 對目標(biāo)的靈敏度，具體包括
創(chuàng)建目標(biāo)對象增力比是滑塊負(fù)載與曲柄驅(qū)動扭矩之間的比值，在設(shè)計時要求滑塊在 公稱壓力行程內(nèi)滑塊負(fù)載不大于公稱壓力，所以可假定在整個公稱壓力行程內(nèi)滑塊負(fù)載為 等于公稱壓力的恒定值，則可將增力比最大化問題轉(zhuǎn)化為曲柄驅(qū)動扭矩最小化問題，即將 目標(biāo)對象設(shè)定為曲柄驅(qū)動扭矩；
結(jié)構(gòu)參數(shù)賦值給定結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值，指定各結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍。逐個分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度后，選擇靈敏度較高的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化用設(shè)計變 量；
4)建立優(yōu)化模型及求解
(1)確定設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)上述10個結(jié)構(gòu)參數(shù)可用向量形式表示為
為了降低優(yōu)化問題的維度，可根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析的結(jié)果，選取靈敏度較大的結(jié) 果參數(shù)作為設(shè)計變量；
根據(jù)動力學(xué)解析模型，曲柄驅(qū)動扭矩與各桿質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、滑塊負(fù)載、轉(zhuǎn) 動副銷軸半徑、摩擦系數(shù)以及上述10個結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)；當(dāng)確定桿件材料、給定負(fù)載和銷 軸半徑后，曲柄驅(qū)動扭矩僅與上述10個結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，曲柄驅(qū)動扭矩由內(nèi)部求解器通過 Newton-Raphson數(shù)值計算方法求得，在此，曲柄驅(qū)動函數(shù)可用隱函數(shù)可表達(dá)為
曲柄驅(qū)動扭矩最小化優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)可描述為
(2)確定約束條件 機(jī)身總體結(jié)構(gòu)約束
橫向 縱向
權(quán)利要求
1.一種伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)，包括有由A點和B點構(gòu)建的曲柄AB，由B 點、C點和E點構(gòu)建連桿BCE，由C點和D點構(gòu)建的上肘桿⑶，由E點和F點構(gòu)建的下肘桿 EF,由F點構(gòu)建的滑塊，A點建立曲軸與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副，在B點建立曲軸與三角連桿之 間的旋轉(zhuǎn)副，在C點建立三角連桿與上肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在D點建立上肘桿與機(jī)身之間的 旋轉(zhuǎn)副，在E點建立三角肘桿與下肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在F點建立下肘桿與滑塊之間的旋轉(zhuǎn) 副，在滑塊與機(jī)身之間建立移動副，其特征在于上肘桿CD與下肘桿EF不等長，且上肘桿CD 短于下肘桿EF，D點與F點處于垂直線上，由B點、C點和E點構(gòu)建連桿為三角連桿BCE。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)，其特征在于上述三角形 連桿BCE的CE邊為最短邊，夾角Z CBE不超過30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)，其特征在于上述曲軸AB 的曲軸中心與上肘桿固定鉸接點的位置關(guān)系用矢量Λ表示；滑塊處于上限位置時，AB、DC、 FE相交于一點，滑塊處于下限位置時，C點和E點不一定位于DF線上。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，其 特征在于包括如下步驟1)構(gòu)建參數(shù)化的機(jī)構(gòu)模型構(gòu)建參數(shù)化的機(jī)構(gòu)模型，需要確定可描述三角肘桿機(jī)構(gòu)的最少結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用矢量Λ、 12、73、“、I5, h構(gòu)成的兩個封閉矢量環(huán)來描述機(jī)構(gòu)的尺度，三角肘桿機(jī)構(gòu)的一組最少結(jié)構(gòu) 參數(shù)包括上肘桿固定鉸接點至曲軸中心距離I1、曲柄長度I2、三角形連桿上邊長度I3、三 角形連桿下邊長度I4、下肘桿長度16，以及上肘桿固定鉸接點至曲軸中心矢量Λ的方位角 ^ n、曲柄矢量72的方位角021、三角形連桿上邊矢量Λ的方位角、三角形連桿上下邊 矢量夾角r、下肘桿矢量的方位角061，其中，坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點建 立在曲軸中心上，所有方位角都是起始于X軸正向，并以逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正；2)建立參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型的建立包括參數(shù)化幾何建模、約束建模和力與驅(qū)動的施加，幾何建模建立10個設(shè)計變量DVl、DV2、…、DV10,分別對應(yīng)參數(shù)化機(jī)構(gòu)模型中的10 個結(jié)構(gòu)參數(shù)HHl6, Φη, 021、031、r和061 ；用設(shè)計變量表示關(guān)鍵點A、B、C、D、E 和F的X和Y軸坐標(biāo)，給定一組設(shè)計變量的初始值即可確定5個關(guān)鍵點的坐標(biāo)值；確定各幾 何構(gòu)件的截面尺寸值后，可分別由A點和B點構(gòu)建曲柄AB，由B點、C點和E點構(gòu)建三角連 桿BCE，由C點和D點構(gòu)建上肘桿⑶，由E點和F點構(gòu)建下肘桿EF，由F點構(gòu)建滑塊；約束建模在A點建立曲軸與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副，在B點建立曲軸與三角連桿之間的 旋轉(zhuǎn)副，在C點建立三角連桿與上肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在D點建立上肘桿與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn) 副，在E點建立三角肘桿與下肘桿之間的旋轉(zhuǎn)副，在F點建立下肘桿與滑塊之間的旋轉(zhuǎn)副， 在滑塊與機(jī)身之間建立移動副，并設(shè)置各運動副的摩擦系數(shù)以及轉(zhuǎn)動副銷軸半徑；力與驅(qū)動的施加在滑塊上施加模擬沖壓負(fù)載的隨時間變化的單力，可采用STEP、IF 或AKIMA函數(shù)建立沖壓負(fù)載曲線；在曲軸與機(jī)身之間的旋轉(zhuǎn)副上施加驅(qū)動力矩，轉(zhuǎn)速可為 恒值，大小根據(jù)沖壓頻率確定，轉(zhuǎn)速也可為隨時間變化的驅(qū)動函數(shù)，旋轉(zhuǎn)方向一般為逆時 針，擺動工作和自由工作模式下為雙向，由驅(qū)動函數(shù)給定；3)分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度為了降低優(yōu)化模型的復(fù)雜性，應(yīng)該盡量減少參與優(yōu)化計算的設(shè)計變量的數(shù)量，則需要對所有結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，分析各參數(shù)的重要性；通過執(zhí)行設(shè)計研究，分析結(jié)構(gòu)參數(shù) 對目標(biāo)的靈敏度，具體包括創(chuàng)建目標(biāo)對象增力比是滑塊負(fù)載與曲柄驅(qū)動扭矩之間的比值，在設(shè)計時要求滑塊在 公稱壓力行程內(nèi)滑塊負(fù)載不大于公稱壓力，所以可假定在整個公稱壓力行程內(nèi)滑塊負(fù)載為 等于公稱壓力的恒定值，則可將增力比最大化問題轉(zhuǎn)化為曲柄驅(qū)動扭矩最小化問題，即將 目標(biāo)對象設(shè)定為曲柄驅(qū)動扭矩；結(jié)構(gòu)參數(shù)賦值給定結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值，指定各結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍；逐個分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度后，選擇靈敏度較高的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化用設(shè)計變量；4)建立優(yōu)化模型及求解(1)確定設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)上述10個結(jié)構(gòu)參數(shù)可用向量形式表示為
全文摘要
本發(fā)明是一種伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計方法。包括有曲柄AB、連桿BCE、上肘桿CD、下肘桿EF，由F點構(gòu)建的滑塊，其中上肘桿CD與下肘桿EF不等長，且上肘桿CD短于下肘桿EF，D點與F點處于垂直線上，由B點、C點和E點構(gòu)建的三角連桿BCE。本發(fā)明由于采用將對稱肘桿改為不對稱肘桿，將直線連桿改為三角形連桿的結(jié)構(gòu)，因此，能在保證機(jī)身機(jī)構(gòu)緊湊、滑塊行程足夠、滑塊下行單調(diào)的情況下，具有較高的增力比，可大幅降低曲柄處所需的驅(qū)動扭矩，進(jìn)而降低伺服電動機(jī)的容量和成本。本發(fā)明使用簡單方便，所設(shè)計的伺服機(jī)械壓力機(jī)三角肘桿工作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，方便實用。
文檔編號G06F17/50GK102126301SQ20101057213
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者孫友松, 張貴成, 張鵬, 李建平, 程永奇, 章爭榮, 胡建國, 阮衛(wèi)平 申請人:廣東工業(yè)大學(xué), 廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司