肘杆式伺服曲柄机构的分析研究

许振华，迪茹侠，周 琪

（1.长安大学 工程机械学院，陕西 西安710064；2.温州市交通工程质量监督局，浙江 温州325000）

肘杆式伺服曲柄机构的分析研究

许振华1，迪茹侠1，周 琪2

（1.长安大学 工程机械学院，陕西 西安710064；2.温州市交通工程质量监督局，浙江 温州325000）

为提高冲床柔性化制造及增力比效果，根据其动力性能参数及结构特点，设计一种肘杆式伺服曲柄机构并进行分析。利用matlab对机构进行优化分析，找出符合冲床性能的最佳结构尺寸参数，然后分析其运动学、动力学特征。最后，运用adams对此优化结构进行验证分析。结果表明，经过优化分析的肘杆式伺服曲柄机构具有明显的急回特性，并且运行过程并无结构干涉等问题的出现。因此，利用matlab与adams两种软件相结合，可有效分析肘杆式伺服曲柄机构，为机械结构的分析设计提供参考依据。

冲床；肘杆式；伺服电机；曲柄机构

传统冲床柔性化制造程度低，伺服冲床又有传动系统增力比小、功耗大等缺点。为达到机械制造的绿色节能效果，就促使人们探索一种较好的增力传动机构。程永奇[1]等人利用UG对肘杆式机构进行动力学分析，并分析冲床滑块运动特性及其受力情况。闫兴[2]对肘杆式机构存在的误差和滑块运动性能进行研究，分析了滑块自锁现象，建立肘杆式压力机三维模型，并进行相关仿真分析。张同同[3]利用adams、ansys软件对各种肘杆式传动机构进行运动学分析，发现三角肘杆式传动机构的优点，找出肘杆式机构的薄弱点处。杜二虎[4]对上、中、下三种三角肘杆式传动机构进行研究分析，并指出各个传动机构优缺点。孟强伟等[5]利用matlab对肘杆式机构进行运动学和动力学分析。朱新武等[6]对肘杆式伺服压力机进行了深入研究，并对比曲柄连杆式压力机，从而证明肘杆式机构的优良性能。

通过对肘杆式伺服曲柄机构的研究现状分析发现，大多数的理论研究成果局限性较大。目前，很少有针对精密型高速冲床肘杆式伺服曲柄机构的研究分析。本文采用JC23-35型数控冲床作为参考对象，主要对精密型高速冲床肘杆式伺服曲柄机构进行优化设计并进行相应的动力学、运动学分析。

图1 机构模型简图

1 优化设计

1.1 机构基本原理

肘杆式伺服曲柄机构模型简图如图1所示。

如图1 所示，模型铰链点分别为 A、B、C、D、E、F点，以铰链点A正上方距离为y的点O为坐标原点，则 A 点坐标为 A（0，y），记杆 AB、BD、BE、DE、CD 及EF 的名称和距离分别为 L1、L2、L3、L4、L5、L6.以曲柄 L1的逆时针方向为正向，并以图1所示为机构死点位置和初始位置。建立坐标系，假设垂直于OA的线段OC长为x，并假设各杆与X轴正向瞬时夹角分别为θ0、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，瞬时角速度分别为 ω0、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6，记θ1为曲柄经过时间t过程的转动角度。此时，各铰链点的坐标为 A（0，y）、B（L1cosθ0，y+L1sinθ0）、C（x，0）、D（x，L5）、E（x，L4+L5）、F（x，L4+L5+L6）.

1.2 优化分析

为保证增力效果及滑块良好工作状态，以有效扭矩为优化目标函数，使平均有效扭矩最小。在一个设计周期内，为满足滑块性能要求，目标函数可定义为：

其中，vi为曲柄实际速度；v¯为平均速度；n为曲柄的控制点数。按照前述要求，构建优化扭矩子函数，设计变量为各杆长。

根据所参考JC23-35型冲床的空间尺寸要求，建立约束条件，各杆长 L1、L2、L3、L4、L5、L6取值范围分别 为 ：（40，55）、（400，500）、（500，600）、（180，250）、（130，170）、（120，150），单位是 mm.

结合四杆机构成立条件，利用matlab相关函数及算法，得到 L1、L2、L3、L4、L5以及 L6的最优解分别为：47.6 mm、431.55 mm、517.08 mm、194.29 mm、152.74 mm、133.33 mm. 此时，θ0值为 249.709°，y的值为 85.6 mm，x的值为400 mm.

2 运动学和动力学分析

依据JC23-35型冲床的总体结构尺寸以及优化分析结果，对各杆分别进行运动学分析。基于机构本身特点和几何结构正余弦定理，建立各杆初始角度与最优解各杆长度之间的关系，从而求出各杆的初始角度值。然后，关于时间t进行求导，就可得到各杆初始位置时的瞬时角速度值。最后，再对t进行求导，就可得到初始位置时的瞬时角加速度。于是，可求得各个杆件的运动参数。

若已知各杆的质量，根据最优解结果，定义各杆惯性力、惯性力矩以及各杆转动惯量。本肘杆式伺服曲柄机构采用三角肘杆式，质心在形心位置，其余构件质心在y轴正向2/5长处。在理想状态下，可通过各杆的受力分析和结构特点建立加速度方程和力矩方程，从而对各杆进行动力学分析。

利用matlab对滑块在一个周期内随曲柄运动的特性进行分析，如图2所示。

图2 滑块特性分析

由图2可知，铰链点F即滑块具有明显的急回特性，工作过程缓慢而平稳。

3 验证分析

利用adams进行优化结果的验证，初选曲柄速度为30 r/min，提取铰链点D验证结果如图3所示。

图3 adams验证分析

由图3可知，机构工作过程稳定，且无机构干涉问题存在。

4 结束语

本文采用matlab和adams对肘杆式伺服曲柄机构进行分析研究。结果表明，经过优化分析得出最优解的三角肘杆式伺服曲柄机构具有良好的增力冲压效果，冲压过程缓慢平稳，符合实际冲床的工作要求。

[1]程永奇，张 鹏，魏良模.基于UG的肘杆式伺服压力机动力学分析方法研究[J].机械工程师，2009（11）：61-63.

[2]闫 兴.1250吨广义肘杆式冷锻压力机设计及仿真[D].秦皇岛：燕山大学，2012.

[3]张同同.250吨数控伺服压力机传动机构运动特性及机架有限元分析[D].长春：吉林大学，2013.

[4]杜二虎.三角肘杆式伺服压力机主传动系统研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[5]孟强伟，叶春生，莫健华，等.基于Matlab-Simulink的肘式伺服压力机动力学仿真[J].锻压装备与制造技术，2012，282（6）：27-30.

[6]朱新武，闻开斌，任东杰.肘杆式伺服压力机的运动分析[J].锻压装备与制造技术，2011（4）：29-32.

Analysis of Elbow Servo Crank Mechanism

XU Zhen-hua1，DI Ru-xia1，ZHOU Qi2
（1.Chang’an University，Engineering Machinery Institute，Xi’an Shaanxi 710064，China；2.Wenzhou Traffic Engineering Quality Supervision Bureau，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

In order to improve the flexible manufacturing and force ratio effectof punch，according to its dynamic performance parameters and structural characteristics，a elbow servo crank mechanism is designed and analyzed.Using matlab to optimize the mechanism，the best structure size parameter that accords with the performance of the punch machine is found out，and then its kinematics and dynamics characteristics are analyzed.Finally，adams is used to verify and analyze the optimized structure.The results show that after the elbow servo crank mechanism optimization analysis with quick return characteristics obviously，and there are no structural interference during operation.Therefore，the use of matlab and adamscan effectively analyze the elbow servo crank mechanism，provide the reference for the design and analysis of mechanical structure.

punch；elbow；servo motor；crank mechanism

TG315.5

A

1672-545X（2017）10-0214-03

2017-07-02

许振华（1989-），男，河南商丘人，硕士研究生，主要研究机械制造及其自动化。