多连杆压力机模块化运动学性能分析

第33卷第6期Vol 133　No 16FORGING &S TAMPING TECHNOLOGY2008年12月Dec.2008多连杆压力机模块化运动学性能分析姚　健,周　微,郭为忠3(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室重大装备设计与控制工程研究所,上海200240)摘要:机械压力机适用于薄板件拉深、成形、弯曲、冲裁等冷冲压工艺。

进行多连杆压力机的杆系类型分析;基于杆组法建立其模块化性能分析方法;进行多连杆压力机的模块化运动学性能分析软件开发;基于所开发的模块化压力机性能分析软件,进行了对称六连杆肘杆压力机和对称八连杆肘杆伺服压力机的算例分析。

研究为多连杆压力机的杆系设计提供了辅助分析工具。

关键词:多连杆压力机;杆系类型;模块化性能分析;软件开发中图分类号:TG 305 文献标识码:A 文章编号:100023940(2008)0620111206Modular analysis of kinematics performances for multi 2link mechanical pressesYAO Jian ,ZH OU Wei ,GU O Wei 2zhong(State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration ,Institute of Design and Control Engineering forHeavy Equipments ,Shanghai Jiao Tong University ,shanghai 200240,China )Abstract :Mechanical press is a machine tool suitable for cold stamping processes such as ,drawing ,forming ,ben 2ding ,punching ,etc.First ,the current press linkages were categorized.Then ,a modular performance analysis method was proposed based on the Assur πs groups ,based on which a modular program was constructed for the kine 2matic performance analysis of multi 2link mechanical presses.Finally ,two examples ,i 1e.,six 2link double 2knuckle press and eight 2link double 2knuckle servo press ,were given to illustrate the proposed method and program.The re 2search is helpf ul to the linkage design of multi 2link mechanical presses.K eyw ords :multi 2link mechanical press ;type of press linkage ;modular performance analysis ;program development收稿日期:2008203221;修订日期:2008208221基金项目:国家863计划项目(2006AA04Z118);国家科技支撑计划(2006BA F02B09);上海交通大学PRP 项目(T02111013)作者简介:姚　健(1986-),男,学士,3通信作者:郭为忠电子信箱:wzguo @sjtu 1edu 1cn1　引言锻压机床作为工业基础装备的重要组成部分之一,在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要工业部门得到广泛应用。

近年来,以汽车为龙头的制造业的飞速发展,大大推动了我国冲压生产的进步。

目前,欧、美、日等国企业如K o mat 2su 、A IDA [1]、NS K 、会田、小松等在在锻压机床研发和设计上处于领先水平。

我国锻压机床研制水平与国际仍存在差距,近些年主流厂家济南第二机床厂、齐齐哈尔第二机床厂等紧跟世界冲压技术自动化的发展趋势,投入大量人力资金,取得了许多标志性成果。

机械压力机设计的一个核心问题是杆系的设计问题。

本文针对多连杆压力机,从开发其性能分析软件平台要求出发,分析了多连杆压力机的杆系类型,基于杆组法提出压力机的模块化性能分析方法,并在此基础上进行多连杆压力机性能分析软件的开发。

该软件在核心模型和算法上具有可扩展性。

2　机械压力机的产品类型和杆系类型分析 机械压力机有很多类型。

国内外各大公司都开发了相关产品,如Amada 公司生产的2TP -EX 系列曲柄压力机、日本小松公司的H1F45型肘杆式压力机、青岛青锻锻压机械有限公司的J 55系列离合器式螺旋压力机[2]、济南二机床集团有限公司出口美国的闭式四点多连杆压力机、齐齐哈尔第二机床厂的闭式四点多连杆压力机[3]等(表1)。

从表1可看出,为获得工艺所要求的冲头滑块运动规律,机械压力机采用各种不同的机械传动机构以满足不同的工艺要求,常见的包括曲柄式、肘杆式、螺旋式和多连杆式等。

本文将研究多连杆压力机的杆系分析和设计问题。

为构建模块化、扩充性好的压力机性能分析方法和软件,需要对压力机的杆系类型进行适当分析。

从机构学角度来看,常用的多连杆压力机杆系有四杆、六杆、八杆以及十杆等类型,如表2所示[4]。

在上述杆系类型分析基础上,根据颜氏创新技法[5],可以得到六杆、八杆等所有可能的、自由度为1的杆系构型[6](图1、2)。

3　基于杆组法的压力机杆系运动学性能分析 多连杆压力机杆系类型众多,为构建模块化、扩展性好的多连杆压力机性能分析系统,需要从机构分析方法上引入模块化思想,避免不同机构间分析代码缺乏重用性的问题。

多连杆压力机杆系一般图1　两种不同的六杆压力机机构构型Fig 11　Two types of six 2link press configurations为平面连杆机构,因此,本文将引入机构杆组法作为多连杆压力机杆系运动和力性能的分析方法。

211锻　压　技　术 第33卷图2　可用的八杆压力机机构构型Fig 12　Usable eight 2link press configurations杆组法的基本思想是把机构划分为一些基本杆组的组合。

基本杆组具有标准解,可编制成函数以供调用。

因此,基于基本杆组构建的分析和设计系统,不同机构的区别仅在于所包含的基本杆组及其连接方式有所不同,在最大程度上可以实现代码重用,达到模块化目的。

基本杆组的自由度为零,据此可以得出多种类型,如Ⅱ级杆组、Ⅲ级杆组、Ⅳ级杆组等。

若不考虑高副,则由2个构件、3个低副组成的基本杆组称为Ⅱ级基本杆组,Ⅱ基本杆组按运动副的种类(转动副、移动副)和配置不同又有五种形式[7],Ⅱ级杆组的类型如表3所示。

根据基本杆组法,可将多连杆机构拆解为机架、连架杆、RRR Ⅱ级杆组、RRP Ⅱ级杆组等一些基本杆组[8]。

图3所示的六杆压力机杆系在性能分析时,可以将其拆解成一个原动件I 级杆组、一个RRR 型的II 级杆组和一个RRP 型的II 级杆组。

调用这三个基本杆组分析模块就可以得到整个杆系机构的解。

基本杆组是一个静定结构,其运动和力分析具图3　六杆压力机杆系的杆组划分Fig 13　Group division of six 2link press有标准解[7]。

如图4所示的RRR 型II 级杆组,已知外副N 1(P 1x ,P 1y )、N 2(P 2x ,P 2y ),及杆长L 1、L 2,利用三角形几何关系可求出其内副N 3(P 3x ,P 3y )的位置及杆L 1、L 2的角位置θ1及θ2:d =[(P 2x -P 1x )2+(P 2y -P 1y )2]12φ=tan -1[(P 2y -P 1y )/(P 2x -P 1x )]cos α=(d 2-l 21-l 22)/2l 1d ,sinα=(1-co s 2α)12α=tan -1(sin α/co sα)θ1=φ+αP 3x=P 1x +l 1cos θ1,P 3y =P 1y +l 1sin θ1θ2=tan-1[(P 3y -P 2y )/(P 3x -P 2x )]d =N 1N 2 该杆组的速度、加速度、静力等均可以得到求解。

图4　RRR 杆组Fig 14　RRR 2type Assur πs group4　多连杆压力机杆系运动学性能分析软件开发 基于杆组法,进行模块化的多连杆压力机杆系性能分析软件开发。

根据压力机设计需要,分析程序应能提供压力机杆系类型选择、运动学计算及其性能曲线显示、动力学计算及其性能曲线显示等功能。

411　多连杆压力机杆系性能分析软件开发的基本原则 从软件工程角度出发,多连杆压力机杆系性能分析软件的开发应遵循以下基本原则:(1)模块化原则:模块化的基础是引入杆组分311第6期姚　健等:多连杆压力机模块化运动学性能分析 析方法,把复杂机构划分为基本杆组的组合。

针对各类基本杆组编制函数模块,从而实现程序开发的模块化;(2)可视化原则:为便于工程技术人员应用,需要进行杆系结构和分析结果的可视化。

通过引入图形窗口、菜单、对话框以及文本等用户界面,方便用户和分析软件间的信息交互;(3)扩展性原则:为便于软件的维护和不断扩充升级,要求软件具有强的可扩展性。

本文从两个方面加以保证,一是运用杆组法编写程序,便于压力机杆系机构库的扩展与改进;二是运用图形用户界面(GUI )作为辅助工具,便于软件界面的可扩展性。

412　多连杆压力机杆系运动学性能分析程序MulL 2inMPAnaSJTU v110简介 根据上述思路,针对对称六连杆肘杆式和对称八连杆肘杆式压力机杆系机构,初步开发了多连杆压力机运动学性能分析程序MulLinMPAnaS J TU v110。

该程序运行逻辑如图5a 所示,程序界面示于图5b。

图5　多连杆压力机运动学性能分析程序(a )程序结构　(b )软件界面Fig 15　K inematics performance analysis program ofmulti 2link mechanical presses(a )Program structure (b )Software interface5　算例分析MulLinM PAnaSJ TU v110程序能根据用户输入,快速给出多连杆压力机杆系机构的各种性能分析结果和曲线表示,如滑块位置、速度、加速度,连杆角速度、角加速度等等。