机械压力机连杆机构运动模拟分析方法

2011-05-25周文战喻宝林

一重技术 2011年4期

周文战，喻宝林

1.一重集团大连设计研究院有限公司工程师，辽宁大连 116600

2.一重集团大连设计研究院有限公司高级工程师，辽宁大连 116600

板冲机械压力机的工作原理是将曲柄的旋转运动转化为滑块的往复直线运动，由滑块带动上模与静止的下模一同完成对工件的冲压。通过改变曲柄长度和连杆参数可以得到不同的滑块行程和工作区速度，以满足不同料片冲压深度和冲压速度的要求。以往对压力机运动分析方法主要有公式计算、图解法等。由于压力机滑块的位移、速度、加速度计算公式复杂，尤其对于六连杆、八连杆及十连杆压力机来说公式更为复杂易出错，且出错后也不易发现。而图解法作图、计算工作量大、精度差，已无法满足现代化压力机设计需要。

而应用分析软件可以直观、方便的对连杆机构进行运动分析，设计者可以利用模型模拟机构实际运动，检查运动是否存在干涉，也可以选择不同视角观察机构运动状态，随时中断进行修改，还可以实现在模拟运动同时显示运动特征曲线，从而可以观察参数变化与运动特征变化的对应关系。本文主要介绍如何应用运动分析软件对机械压力机连杆机构进行分析以及绘制滑块运动特征曲线的基本方法。

1 建模

建模时可采用包含关键参数的简化图建模，这样既节省时间，也比较直观。在各种机械压力机中，小工作台面、小吨位压力机多为单点传动，细长工作台面的压力机为双点传动，而大工作台面的压力机多为四点传动，其中双点压力机或四点压力机左右传动方式又可分为同向传动和异向传动。本文中将多点压力机均简化为运动特征相同的单点传动压力机进行建模。可以应用分析软件自带的建模工具建模，也可以先使用其它三维制图软件完成建模，另存为分析软件可读取的文件格式。本文先在其他三维软件中完成曲柄连杆式压力机（见图1）和多连杆压力机（见图2）建模，然后再向分析软件中导入模型。

2 添加属性及约束

下面以曲柄连杆式压力机为例进行说明，多连杆压力机中的操作基本相同。

图1 曲柄连杆式压力机模型图

图2 多连杆压力机模型图

模型导入完成后，首先修改零件属性，即修改材质和名称，在各个零件上点右键逐一进行。材质修改为钢，名称修改为容易记忆和区分且有一定意义的对应名字；然后添加零件间约束：首先添加旋转约束，对几个旋转点依次进行。其次添加固连约束，对滑块和导柱、导套和地面依次进行。最后添加滑动约束。

3 添加驱动及仿真

添加约束和修改属性完成后，添加曲柄的运动驱动（见图3）。然后进行运动仿真计算，此时如果约束不正确或缺少零件质量定义等会提示仿真失败或得不到预期的运动，这时应按提示修正对应的错误，使最终能够实现正常的模拟运动（见图 4）。

图3添加运动驱动

4 绘制运动特征曲线

图4 运动仿真

图5 定义标记

为了绘出以角度为自变量x的运动特征曲线，需要测出曲柄转角，先建立一个与地面相对静止的坐标点，为测量曲柄转角做准备（见图5），再测量曲柄转角（见图6）。注意以下三点的位置，第1点为与初始曲柄中心线重合的相对地面不动点，第2点为回转中心，第3点为随曲柄转动点。当曲柄上选择点转动时三点形成的面应该与实际曲柄转动面平行，且在初始位置三点共线，否则不能测得曲柄转角从0°开始到达360°以上，即不能测得实际转角。

测量变量添加完成后，就可以绘制运动特征曲线。首先添加曲柄转角变量数据（见图7），再添加滑块位移、速度、加速度数据（见图8），修正曲柄转角范围（见图9），分别选择滑块在Y向的速度（以滑块速度向下为负）和加速度，点击添加曲线按钮，最后绘出偏心式压力机滑块运动特征曲线（见图10）。同理可以绘出多连杆压力机滑块运动特征曲线（见图11）。

图6 测量曲柄转角

图7 添加转角变量数据

图8 添加运动变量数据

图9 修正转角范围

5 参数调整

图10 曲柄连杆式压力机滑块运动特征曲线

图11 多连杆压力机滑块运动特征曲线

在得到以同一曲柄转角为自变量的图表里的三条运动特征曲线后，即可对曲柄连杆机构进行分析，以确定满足设计要求的最佳设计方案。在行程确定后，曲柄长度为行程的一半，唯一可以变动的就是连杆长度。因此，通过不断修改，选择满足设计要求的最佳曲线时的连杆长度后，就可以开展下一步的设计工作。

为了使多连杆压力机滑块具有较高的空行程速度和低而平稳的工作行程速度，可分别改变曲柄及各连杆长度以及调速杆与机架铰接的位置，然后对比各曲线的变化，从中选择满足压力机行程、滑块运动速度、合适的传动角、公称压力行程及拉伸力行程的曲线。待最佳参数确定后，应用运动仿真检查干涉，分析软件会提示干涉部位及接触应力，可根据提示进行修改。

由于在确定最佳设计参数的过程中需要反复修改，为提高效率，可以采用建立参数化模型的方法，通过修改设计变量值来完成对模型元素参数值的快速修改。