刘俊如

摘  要：锻压装备是装备制造业的重要组成部分，锻压装备水平的高低是衡量一个国家装备制造业水平的重要指标之一。机械式的压力机的主传动结构的运动学性能以及其在动力学方面的性能对产品的质量有着十分重要的影响，所以合理设计机械式的压力机的主传动系统结构具有十分重要的意义和应用价值。文章通过对机械式的压力机不同的主传动系统的结构进行分析，研究上梁结构与主传动结构间的关系，为主传动系统的设计及优化提供有益的参考。

关键词：机械压力机传动;设计;发展

引言

机械压力机一般采用上部异向驱动方式，传动机构采用多连杆或偏心式结构并配有导向装置。由于机械压力机具有速度快，滑块行程精度高等优点，在汽车冲压生产线中得到了广泛应用。但是这两种类型压力机在具体应用上并不相同，尤其在如汽车覆盖件拉延成形等方面，因受板材材料性能的限制，对拉延速度要求十分严格。普通曲柄压力机滑块运行速度近似于正弦曲线，在板材深拉延初始阶段，滑块的速度及加速度均较大，易造成板材起皱，甚至拉裂，导致产品不合格率较高，因此该类压力机一般用于板材落料、冲孔等工艺。

1机械压力机传动机构的运动学分析

机械压力机常采用的传动机构有齿轮副、螺旋副、曲柄滑块机构、肘杆、多连杆机构等，将这些传动机构进行组合，实现增力比功能的优化设计，可大幅降低大吨位伺服机械压力机的成本。最常用的传动机构有下列几种：1）直线电动机直接驱动滑块机构如图1所示。此机构滑块做直线运动，无齿轮、同步带轮等减速机构，无曲柄连杆、螺旋副等运动形式转换机构，无肘杆、多连杆等增力机构，实现所谓“零传动”，具有结构简单、柔性加工、精确定位、高效生产、节能环保等优点。但由于受直线电动机功率和成本的限制，压力机的吨位很小，只有几十千牛顿，一般应用于微小型压力机。2）电动机经一级齿轮减速后直接驱动曲柄滑块机构，取消了飞轮、离合器与制动器，并缩小了齿轮，是伺服机械压力机前期产品常选方案。

2机械压力机的曲柄连杆结构的主传动系统

2.1计算该机构在运动中的自由度

该机构在运行时，其曲柄绕固定点进行旋转运动，这种旋转运动通过与其相互铰接的连杆可以转变为滑块的往复运动。所以，主要的活动构件就是滑块、连杆以及曲柄，说明该机构的活动构件有3个。移动副则主要包括机架和滑块，而其他则都作为转动副。而运动低副则包括了以上四个部件。根据以上参数即可进行自由度的计算。经过计算，可以发现该机构自由度等于其原动件的数量，表明该机构的运动具有确定性。

2.2相关运动学方面的分析结果

对该主传动机构进行动力学方面的分析后可以得出其运动曲线，其中滑块的行程为1000mm，而行程的次数为每分钟16次。根据对该运动曲线的分析结果可以得知，该主传动机构中滑块运行的位移曲线属于余弦曲线，同时其速度曲线则更类似于正弦曲线。而深拉延的开始阶段则位于与滑块的下死点距离300mm的位置，此时滑块的速度超过了每秒700mm，已经相当接近行程中最大的速度值。该速度已经明显超出了板材成形所需的极限速度值，所以说明曲柄压力机无法进行对板材的深拉延加工成形，而只能适用于浅拉延成形，且需要控制50mm的范围以内。另外，该机构在曲柄转角的360°的位置和180°的位置分别是滑块的上下两个死点，因此，其急回特性较差，导致其生产的效率也比较低。

2.3机械压力机的曲柄结构设计

由于曲柄式机械压力机主传动结构全部设置在了上梁的本体里面，所以在设计上梁的本体时应全面考虑主传动系统中曲柄以及连杆的长度、主齿轮的直径等各项参数。主传动结构中的曲柄长度是该机械式压力机的滑块行程的二分之一，这是一个定量参数。而对滑块的运行速度有较大影响的参数则是连杆的长度。所以要结合机械式压力机在生产工艺方面对滑块的实际运动速度所提出的要求，还要考虑机械式压力机在上梁刚度方面的具体要求，以及压力角的最佳值等各种基础参数来合理选择连杆的设计长度。确定了曲柄长度和连杆长度后，再根据这两项数值来设计主齿轮的直径值。如果机械式压力机中具有导柱结构，导柱的高度是一个定值。同时，机械式压力机的上梁高度将与其曲柄以及连杆的长度直接相关，所以在对上梁本体以及主传动结构进行设计时要全面考虑这两方面的因素，应兼顾好二者各自的设计要求。

2.4机械压力机六连杆结构的相关设计

该机械式压力機的六连杆的主传动机构以及其导柱和导套都被设置在上梁的本体内。由于压力机的上梁结构内，其高度是定值，所以压力机的上梁高度与杆R1和L2、L3的长度密切相关。在对该机构进行运动学方面的分析后可以发现，该机构内影响滑块的运动速度、加速度以及位移的因素包括支点位置以及相关各杆长度。所以，在对机械压力机的上梁结构进行设计时，需要考虑板材的拉延成形加工工艺在滑块运动速度、加速度以及位移方面的具体要求，从而首先对传动结构内支点位置和各杆长度进行初步的确定。另外，因为机械式压力机的上梁高度会受到杆R1以及杆L2、L3长度的影响，所以在设计滑块的运动速度、加速度以及位移时，对各杆长度的具体取值还需要考虑这方面的因素，尽量减少以上3个杆的长度，从而对上梁高度进行适当的控制。

3机械压力机传统系统发展趋势

3.1混合驱动

混合伺服驱动技术将成为机械压力机未来研究的一个热点。目前，驱动已经成为商品机械压力机主导驱动方式，这是因为二自由度耦合传动机构设计上更为复杂，很难对滑块进行调节。但同时优势也比较明显，比如，能够降低电机容量，节约成本等。

3.2驱动源与传动机构

驱动压力机的性能更高，但造价也高，对推广应用造成不便。采用新传动机构是解决这一问题的关键，而传动机构又存在一定复杂性，容易使制造成本增加。还可以对驱动源进行开发，包括开关磁阻电机、变频电机等。

3.3传动机构创新设计

机械压力机比起传统的机械压力机，传动机构更为复杂，需要使用到肘杆、多连杆、差动轮系等。且对这些机构优化设计，即组合设计后，主要是为了将伺服电机的输出扭矩降低，进而降低伺服电机容量及成本，而不再是简单将滑块特殊曲线获得。但是，当前组合设计时效性不高，设计方法缺乏。为此，使用动力学分析软件、CAD软件就显得非常必要。

3.4传动机构刚性设计与位置控制

在设计中，通过组合方式将增力功能提升，但是刚性仍不足，不仅没有提升反而降低了很多，这就是伺服机械压力机在组合设计后暴露出的问题，在设计后，控制的内容也增多了，包括滑块运动速度、滑块位移等，同时还要考虑机身弹性变形、传动机构变化问题，因为这些都是关系到使用效果的问题。为此，在传动机构方案设计上，刚柔耦合动力分析是必不可少的。

结束语

在装备的制造行业中，机械压力机具有重要的地位。机械压力机所加工的零部件具有更高的质量，且在制造的过程中作业的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于这些比较明显的优势，该设备在机械制造行业具有较高的应用的价值。而随着我国科技水平的不断进步，以及相关的制造业对设备要求的提高，机械压力机在设计上必须进行进一步的完善和创新。

参考文献

[1] 韩长伟.机械压力机主传动结构设计分析[J].—重技术，2012（1）：24-28.

[2] 宋清玉.大型机械伺服压力机的关键技术及其应用研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

[3] 杨俊.双点伺服压力机传动机构设计及仿真分析[D].南京：南京航空航天大学，2015.

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