機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王潔妍

（玉溪工業(yè)財(cái)貿(mào)學(xué)校，云南玉溪 653100）

0 引言

6 連桿機(jī)構(gòu)作為一種拉伸成型的現(xiàn)代化工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)無切削、少切削加工。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，6 連桿機(jī)構(gòu)拉伸工藝能有效提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)加工成本。作為一種拉伸成型的加工設(shè)備，壓力機(jī)開始在社會(huì)各行各業(yè)中發(fā)揮出重要作用，例如：汽車制造、國防軍事、化工機(jī)械等。

1 六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行特點(diǎn)

20 世紀(jì)60 年代，我國汽車行業(yè)不斷發(fā)展，多工位壓力機(jī)得以發(fā)展。多工位壓力機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車覆蓋件的高速加工。多工位壓力機(jī)多以雙點(diǎn)、4 點(diǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，常見執(zhí)行機(jī)構(gòu)為6 連桿或8 連桿，能夠?qū)Ω采w件進(jìn)行拉伸處理，最高公稱壓力可以達(dá)到68 MN。目前，這種連桿壓力機(jī)仍然在制造業(yè)發(fā)揮著不可取代的作用。直到20 世紀(jì)70～80 年代，我國工業(yè)生產(chǎn)基本能夠做到對(duì)壓力系統(tǒng)的制造與控制，將國外關(guān)鍵技術(shù)原理引進(jìn)到國內(nèi)，綜合機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)供給，可以進(jìn)一步推進(jìn)壓力機(jī)研發(fā)進(jìn)度。但當(dāng)前社會(huì)開始向著現(xiàn)代化方向轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)壓力機(jī)已無法滿足生產(chǎn)需求，6 連桿伺服壓力機(jī)開始成為新的發(fā)展方向，并且已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。

6 連桿機(jī)構(gòu)機(jī)動(dòng)組屬于多連桿機(jī)構(gòu)的分支單元，內(nèi)部機(jī)構(gòu)參數(shù)可以按照實(shí)際機(jī)動(dòng)運(yùn)作情況及時(shí)調(diào)控，機(jī)構(gòu)內(nèi)部組成復(fù)雜多樣。目前我國相關(guān)部門對(duì)6 連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)討論主要針對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理、系統(tǒng)內(nèi)容以及誤差模糊預(yù)測等內(nèi)容。現(xiàn)階段我國技術(shù)人員對(duì)6 連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化重點(diǎn)是正置結(jié)構(gòu)力，而對(duì)于偏置6 連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)注相對(duì)較低。6 連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也大部分關(guān)注于建立在運(yùn)動(dòng)力學(xué)的原理上，對(duì)桿系尺寸進(jìn)行變動(dòng)，對(duì)于機(jī)構(gòu)的受力性能分析不多，曲柄滑塊設(shè)計(jì)的壓力機(jī)組通過6 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以做到更完善的拉深動(dòng)作，符合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量要求。6 連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心，首先要確定機(jī)動(dòng)組滑塊效果和系統(tǒng)沖壓次數(shù)是否穩(wěn)定，對(duì)此要盡可能降低拉深過程的滑塊動(dòng)作速度。另外，為了加快生產(chǎn)速度，提高生產(chǎn)效率。技術(shù)人員應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新6 連桿機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且，6 連桿結(jié)構(gòu)機(jī)組下死點(diǎn)位置的精準(zhǔn)度以及滑塊位移效果、生產(chǎn)工作臺(tái)的垂直度等具體參數(shù)都關(guān)系到?jīng)_壓組件的制作質(zhì)量，而未來行業(yè)生產(chǎn)將如何提高下死點(diǎn)位置精度以及滑塊位移垂直度，也是此類壓力機(jī)進(jìn)行體統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題[1]。

2 機(jī)械壓力機(jī)6 連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)分布設(shè)計(jì)

壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的作用就是把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換成為上下移動(dòng)效果，而且在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，滑塊自身會(huì)通過數(shù)次的運(yùn)動(dòng)。例如：傳動(dòng)單位的安排或設(shè)計(jì)，傳動(dòng)減速情況等一系列問題。以往傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣會(huì)直接影響壓力機(jī)的工作效率與加工質(zhì)量。壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為上、下傳動(dòng)兩種方式，系統(tǒng)位于工作區(qū)域上方是上傳動(dòng)，處在下方時(shí)是下傳動(dòng)。下方動(dòng)作的優(yōu)勢是能有效減少壓力機(jī)的重心作用力，保證壓力機(jī)處于相對(duì)安全、平穩(wěn)的環(huán)境。上傳動(dòng)的特點(diǎn)是更方便人員后期安裝或維修機(jī)組。考慮機(jī)組安裝運(yùn)維時(shí)的便捷效果，當(dāng)前我國壓力機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)大多數(shù)采用上傳動(dòng)方式。各級(jí)減速的科學(xué)分配同樣關(guān)鍵，帶傳動(dòng)的速比值不能超出7～9，齒輪傳動(dòng)的速比應(yīng)該控制在8～10。在實(shí)現(xiàn)速比分配過程中，要保證結(jié)構(gòu)的精密性，還要設(shè)置合適的尺寸比例。本文所研究的6 連桿機(jī)械壓力機(jī)類型通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此為確保6 連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸布局符合操作需求，應(yīng)不斷調(diào)控傳動(dòng)界面的結(jié)構(gòu)布局。

2.2 壓力機(jī)的參數(shù)計(jì)算

壓力機(jī)處于下死點(diǎn)時(shí)，連桿受力狀態(tài)可以最大化，當(dāng)受力狀態(tài)保持最大程度時(shí)，6 連桿對(duì)機(jī)組連接處能夠承受的載荷效應(yīng)力相對(duì)較高，銷軸組件對(duì)壓力機(jī)的所能承受的最大效應(yīng)力，直接關(guān)系到壓力機(jī)工作的穩(wěn)定性與安全性。因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)，需要對(duì)下死點(diǎn)位置處三角桿和連桿鉸鏈連接處銷軸進(jìn)行受力分析。軸銷組件在整個(gè)壓力機(jī)中起到的是連接作用，運(yùn)行過程中很容易受到外部因素的剪切與擠壓力影響，因此在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，壓力機(jī)尺寸的參數(shù)應(yīng)由被剪斷的情況來判斷，運(yùn)用軸銷的剪切強(qiáng)度計(jì)算公式處理。壓力機(jī)處在動(dòng)作期間，壓力機(jī)設(shè)備生產(chǎn)動(dòng)能主要來自伺服電機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩與壓力機(jī)公稱壓力，滑塊位移頻率，滑塊位移速度，機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)等內(nèi)容有直接關(guān)系。例如：初取伺服電機(jī)的過載倍數(shù)為3.0，則伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩約為67.33 N·m

2.3 連桿機(jī)靜力學(xué)分析

建立連桿機(jī)三維模型后，應(yīng)用OS 軟件對(duì)其進(jìn)行分解處理，OS 系統(tǒng)可以對(duì)零件以及裝配組件的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、靜力學(xué)狀態(tài)、固定振動(dòng)頻率、模態(tài)、阻尼、熱應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行綜合分析。在對(duì)系統(tǒng)中單個(gè)零件進(jìn)行處理時(shí)，專家學(xué)者可以有限找到零件或其他裝配體在多種工作環(huán)境中出現(xiàn)的反應(yīng)，這就需要分析出多種運(yùn)行狀態(tài)，找到材料與工作環(huán)境之間的關(guān)系。運(yùn)行仿真計(jì)算前，應(yīng)判斷出指定的分析類型所對(duì)應(yīng)的材料屬性。在判斷靜力學(xué)數(shù)值時(shí)，需要一直觀察環(huán)境對(duì)機(jī)身的影響，滿足邊界條件，并施加的載荷壓力機(jī)在達(dá)到公稱壓力時(shí)，也就是下死點(diǎn)位置附近，6 連桿機(jī)動(dòng)組受到的載荷效應(yīng)力會(huì)達(dá)到最大狀態(tài)[2]。

2.4 機(jī)組建模形態(tài)分析

分析6 連桿結(jié)構(gòu)機(jī)組的工作狀況，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅依靠靜態(tài)設(shè)計(jì)以及工作人員的經(jīng)驗(yàn)已無法滿足工程的操作預(yù)期。因此相關(guān)人員在處理壓力機(jī)系統(tǒng)時(shí)，可以優(yōu)先結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)作中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)因素對(duì)壓力機(jī)的影響，保證機(jī)身工件運(yùn)作的效果、抗振性、穩(wěn)定性以及可靠性。通過建模分析機(jī)組形態(tài)能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力的動(dòng)態(tài)化運(yùn)作。分析靜態(tài)下無法解決的特性問題，然后結(jié)合模態(tài)數(shù)據(jù)，例如：固定運(yùn)動(dòng)頻率、固定振動(dòng)頻率、建模剛度和阻尼等，精準(zhǔn)預(yù)判動(dòng)作狀態(tài)下系統(tǒng)的振動(dòng)效果。通過對(duì)模態(tài)的分析找到系統(tǒng)響應(yīng)的故障節(jié)點(diǎn)，并以此找出系統(tǒng)載荷的問題，找到系統(tǒng)故障的振動(dòng)位置或節(jié)點(diǎn)位置。壓力機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)身模態(tài)和壓力機(jī)振動(dòng)頻率相同時(shí)，2 個(gè)單元會(huì)出現(xiàn)共振，很容易導(dǎo)致工作穩(wěn)定性降低，出現(xiàn)過大噪聲。因此在處理機(jī)身模態(tài)時(shí)，首先需要從壓力機(jī)機(jī)身各階段固定頻率入手，固有頻率需要和電機(jī)工作頻率錯(cuò)開。而壓力機(jī)中的低階固定頻率也需要和壓力機(jī)工作頻率錯(cuò)開。壓力機(jī)滑塊的前后移動(dòng)速度、左右振動(dòng)頻率或其他搖桿的扭動(dòng)效果，都關(guān)系到最終壓力機(jī)的工藝?yán)炀芏?，而且因?yàn)榻M件處于振動(dòng)狀態(tài)，模具對(duì)應(yīng)的使用年限也會(huì)降低。為了縮小振幅頻率，在優(yōu)化6 連桿機(jī)組時(shí)提高上梁彎曲程度。第四階段與第六階段都是壓力機(jī)的局部振動(dòng)區(qū)域，雖然這種局部振動(dòng)對(duì)壓力機(jī)的工藝精度或模具應(yīng)用年限的影響較少，但局部振動(dòng)會(huì)帶來噪聲，因此也需要對(duì)上機(jī)身結(jié)構(gòu)采取進(jìn)一步加強(qiáng)處理。

2.5 虛擬樣機(jī)模型

虛擬樣機(jī)模型建設(shè)也是優(yōu)化機(jī)組的重要內(nèi)容，在運(yùn)行過程中，伺服電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)協(xié)同運(yùn)作和齒輪傳動(dòng)二級(jí)減速，使用6 連桿機(jī)構(gòu)機(jī)組，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換為滑塊上下位移，在處理伺服電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，可以在滑塊經(jīng)過的區(qū)間設(shè)置數(shù)據(jù)檢測器，對(duì)滑塊經(jīng)過的位置點(diǎn)統(tǒng)一監(jiān)測，伺服電機(jī)曲柄安裝編碼器，便于及時(shí)采取曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)，將信號(hào)反饋給中央控制器。一套設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)械壓力機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅要保證組件工藝的鍛沖要求，同時(shí)還要符合組件急回特性或相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。如果單純將調(diào)整鍛沖滑塊效率作為系統(tǒng)優(yōu)化要求，則結(jié)構(gòu)變動(dòng)很容易影響機(jī)械壓力機(jī)其他單元的參數(shù)設(shè)計(jì)要求。因此不僅要將降低鍛沖階段滑塊速度為首要優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)也要在6 連桿機(jī)構(gòu)到達(dá)上死位置時(shí)，控制BE 桿擺角在合理范圍內(nèi)，以提高機(jī)械設(shè)備的急回特性。如果在設(shè)計(jì)六連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，一味地將降低機(jī)械壓力或者調(diào)整鍛沖階段滑塊速度，那么在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解過程中，優(yōu)化算法也會(huì)順著降低目標(biāo)值的要求進(jìn)行操作，最終反饋得到的機(jī)組設(shè)計(jì)方案，很大程度上會(huì)導(dǎo)致機(jī)械壓力機(jī)的傳動(dòng)角達(dá)不到對(duì)應(yīng)需要。

3 結(jié)語

通過對(duì)6 連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)采取優(yōu)化處理，能有效提高工業(yè)生產(chǎn)效率，該技術(shù)最早起源于20 世紀(jì)70 年代，歷經(jīng)控制技術(shù)的發(fā)展而日漸成熟，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的柔性運(yùn)行，保證壓力機(jī)靈活高效地運(yùn)作。