冗余驱动双肘杆新型伺服压力机设计与动态性能分析

摘要

大型机械压力机是机械、电子、冶金、化工、汽车、军工、航空、航天等重要工业领域不可缺少的制造装备。伺服压力机具有很好的柔性，低噪音和高精度，能够适应市场变化快、批量小的特点，兼有传统压力机快速、稳定、低成本的优点。基于伺服电机的数字化重载机械驱动技术，是锻压机械发展的趋势。本文在结合国家重大产业对高质量锻压件的迫切需求，在国家863计划和国家自然科学基金等支持下，对双肘杆新型伺服压力机的设计进行了比较全面的研究。内容包括冗余驱动机构构型设计、双肘杆冲压机构性能图谱尺度最优化、考虑丝杠和伺服电机的压力机整体性能参数分析、机架优化设计分析，并进行了相应的仿真校核。论文取得以下研究成果： 1.讨论伺服电机直接驱动机械压力机的优越性，分析总结2-DOF机构特点；以混合输入七杆机构为机构原型,应用机构拓扑优化理论，得到创新机构构型—平面七杆5R2P作为冗余驱动构型；推导出二伺服电机功率模型，建立冗余驱动机构模型，在ADAMS进行仿真验证； 2.分析冗余驱动双肘杆伺服压力机性能指标，应用有限解空间模型理论，把双肘杆杆长尺寸纳入到四面体有限空间模型内，绘制其性能图谱；提出伺服压力机性能指标优化函数：在冲压过程中，机械增益尽可能最大、各杆受力均载尽可能小，采用有限解空间-复合形法求解出，从而对双肘杆冲压杆系尺度空间的最优化设计，并进行算例验证。 3.以伺服压力机机架为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具，进行有限元静、动态特性分析。通过机架各部分结构对机架应力和变形的影响分析，提出机架修改建议，为伺服压力机结构动态性能优化提供基础。 4.考虑滚珠丝杆和伺服电机的多连杆压力机性能参数分析。验证肘杆机构的增力和减速特性，分析伺服电机和滚珠丝杠对选择合适的冲压滑块工作位置定义工作压力值和速度值的影响；用3次NURBS 曲线进行插值光滑拟合压力机任务特征工艺曲线，绘制满足伺服压力机技术参数的能力曲线，即适合不同材料及相同材料不同厚度的不同工作行程和工作次数的速度规律。