基于ADAMS的微型压力机多连杆机构运动学及动力学分析

张 楠，鹿新建，邹利明

（南京工程学院 机械工程学院，江苏 南京 211167）

在日本，十几年前开发的伺服压力机，目前进入了普及期。随着其在汽车零件、电子零件等高精度、难成形加工领域中的应用，已经显示出之前压力机所无法比拟的优越性。伺服压力机的开发现状和未来发展将十分可观[1]。微型伺服[2]压力机近年来发展迅速，随着5G时代的到来，该压力机可用于5G通讯零件的小批量多规格柔性冲压，具有十分广阔的发展前景。多连杆机构是压力机的主要传动系统，在优化分析方面，目前已有针对双曲柄伺服压力机的杆系优化分析[3]和针对闭式四点八连杆机械压力机的杆系设计[4]、基于杆组法进行多连杆压力机的模块化运动学性能分析[5]以及关于多连杆机构位置点的仿真分析[6]，相应的国外也有类似研究[7]，但很少有研究将压力机多连杆机构和一般曲柄滑块机构作对比。本文将对滑块位移、速度、加速度及各铰接点受力情况进行探讨。

1 杆系的建立

1.1 多连杆机构

该多连杆机构如图1所示，连杆1为曲柄，绕点P01转动，连杆2与连杆3相连，连杆3为摆杆，连杆3可绕点P03转动，连杆3与连杆4相连，并与滑块5构成摇杆滑块机构。该多连杆机构构件数目：n=5，低副PL=7，高副PH=0，则该机构自由度为：

因此当连杆1为唯一原动件时，滑块5具有确定的运动。

1.2 曲柄滑块机构

建立曲柄滑块机构，与多连杆机构进行分析比较。曲柄滑块机构如图2所示，连杆1可绕点M01转动，并通过连杆2使滑块3移动。该机构自由度为：

因此该曲柄滑块机构以连杆1为唯一原动件时，滑块3具有确定的运动。

2 杆系的建立

在ADAMS中建立多连杆机构模型。该多连杆机构共有6个关键点，5个构件，并根据要求施加转动副、移动副、驱动力和载荷。该文主要研究滑块处的位移、速度、加速度及铰接点的受力情况，构件的质量属性参数不参与仿真。

拟建立50kN伺服压力机模型，在此模型下，重力加速度为9.8m/s2，滑块工作次数为0～150spm，在最大工作次数下，为曲柄（连杆1）施加900°/s的驱动力。滑块公称力行程为1.4mm，在公称力行程内工作时间为0.37s～0.43s（由图3所得），当滑块处于下死点附近时，为滑块施加50000N的力，力函数为：

即在 0.37s～0.40s和 0.77s～0.80s内施加 50000N的力，仿真时间为两个周期（0.8s）。

在ADAMS中，利用点坐标建立机构关键点，关键点坐标单位为mm，再由关键点建立多连杆机构和曲柄滑块机构模型。

多连杆机构各关键点坐标如表1所示。

曲柄滑块机构关键点坐标值如表2所示。

对于曲柄滑块机构，除基本结构与多连杆机构不同外，其余设计参数均相同。

表2 曲柄滑块机构关键点坐标值

3 运动学仿真

3.1 滑块位移分析

如图3所示，多连杆机构滑块由下死点向上运动的过程中，位移曲线斜率大于曲柄滑块曲线斜率，导致多连杆机构滑块向下冲压的时间是曲柄滑块机构的1.03倍，即在作用力区间内（纵坐标0～1.4mm），多连杆机构滑块位移曲线（实线）相较于曲柄滑块机构滑块位移曲线（虚线）作用时间更长，有利于零件的精密加工。

3.2 滑块速度分析

如图4所示，多连杆机构（实线）相较于曲柄滑块机构（虚线）在滑块进程与回程过程中速度较大，在下死点附近的速度较小，能够延长冲压过程中的时间，能够减小冲压过程中的冲击，有利于精密成形。

多连杆机构的平均速度大于曲柄滑块机构，说明多连杆机构具有更加显著的急回特性，下死点附近速度较小，有利于零件精密加工。在0.2s～0.4s区间内，多连杆机构的图形较曲柄滑块机构整体左移，且更快地达到最大速度点，致使在0.3s～0.4s时间段内多连杆机构速度小于曲柄滑块机构。

3.3 滑块加速度分析

如图5所示，在0.4s处多连杆机构滑块加速度为3097.60mm/s,曲柄滑块机构为4708.42mm/s，多连杆机构（实线）相较于曲柄滑块机构（虚线）在死点附近加速度较小，且加速度变化更加平缓。滑块更小更平缓的加速度，将使零件冲压过程中产生更小的振动，有利于提高加工零件的精密性，提高加工质量。在离开下死点附近后，多连杆机构的加速度大于曲柄滑块机构，此时多连杆机构的滑块速度快速增加，减少了滑块在空行程段运动的时间。

4 动力学分析

4.1 驱动力转矩分析

在已知滑块载荷为50kN的基础上，通过仿真得出驱动力处所需要的转矩变化曲线，如图6所示。根据仿真图像，机构滑块在进入公称力行程（1.4mm）向下运动时，由于施加载荷，驱动力处转矩突增至最大值，之后转矩逐渐较小，到达下死点处为零。

多连杆机构（实线）的转矩值在极大值处是曲柄滑块机构（虚线）的0.67倍，即此多连杆机构需要较小转矩的电机驱动，有利于能源的节约。

4.2 铰接点受力分析

对于多连杆机构和曲柄滑块机构，选取驱动力处的铰接点P01和点M01作对照，如图7所示。选取滑块端的铰接点P45和点M23作对照，如图8所示。多连杆机构（实线）相较于曲柄滑块机构（虚线）在铰接点处的受力明显较小，表明此多连杆在交接点处可选用较小强度的连接件。

5 结论

建立50kN微型伺服压力机多连杆机构模型，且该杆系参数能够满足工作要求，曲柄长度较短，能够实现滑块行程要求。通过在ADAMS中对该多连杆机构与曲柄滑块机构的对比分析，结果表明：

（1）该多连杆机构在下死点附近工作时间更长、速度更小、加速度变化更加平稳，更有利于零件的成型加工及精密制造。

（2）在滑块去程及回程过程中大部分时间多连杆机构的速度及加速度更大，相较于曲柄滑块机构有利于生产效率的提高。

（3）对两机构滑块施加相同载荷后，两机构驱动力处转矩变化趋势相同，但多连杆机构在驱动力处的转矩值明显小于曲柄滑块机构在驱动力处的转矩值，表明该多连杆机构可选用较小转矩的伺服电机驱动。

（4）对两机构滑块施加相同载荷后，在主要铰接点处多连杆机构的受力明显小于曲柄滑块机构，表明该多连杆机构可选用较小刚度的连接件。在实际中，因为摩擦力的引入，各铰接点的实际受力比理想状态下的大。