毕业设计（论文）-混合驱动九杆压力机的运动学模型与分析

毕业设计（论文）-混合驱动九杆压力机的运动学模型与分析

山东科技大学学士学位论文摘要随着科学技术的发展，机械行业正在向着高速，高精度，柔性自动化方向发展。机械压力机作为锻冶机械的一个类别，在工业生产中有着极其广泛的应用。当压力机的转速不同，工作环境不同以及加工的工件形状和力学特性不同时，它的受力和运动规律就不相同，所以，锻压机械的运动学和力学性能研究一直是设计过程中的一个难点，也是设计人员必须解决的一个重点问题。混合驱动多连杆机械式压力机的运动学和力学特性比传统的机械式和液压式压力机的性能要复杂的多，因此，对其进行运动学和动态静力学分析研究对于设计的成功性来说就显得尤为重要。本文将混合驱动九杆机械式压力机根据其工作原理转化成二自由度九杆机构，建立坐标系后利用解析法求出该机构的运动学方程，并运用半角正切公式，解出滑块在任意时刻的位移，速度，加速度表达式。选取合适的杆长建立ADAMS模型，并验证模型的正确性。然后与传统的曲柄压力机的位移、速度、加速度曲线进行对比分析，得到多连杆压力机的优点，同时通过调整直流电机和伺服电机的输入特性，得到混合驱动多连杆压力机的柔性化特性。最后，建立系统的静力学方程，并分析增力比特征。关键词：混合驱动；九连杆压力机；ADAMS；运动学VI\n山东科技大学学士学位论文ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,mechanicalindustryistowardstohighspeed,highprecision,flexibleautomationdirection.Asacategoryofsmithmachinery,mechanicalpresshasextremelyextensiveapplicationinindustrialproduction.Theforceandthemotionofthesliderisdifferentwhenthepressisindifferentspeed,differentworkingenvironment,aswellastheprocessingoftheworkpiece’sshapeandmechanicalproperties.Therefore,thekinematicsandmechanicsresearchperformanceoftheforgingmachineryhasalwaysbeenadifficultyintheprocessofdesign,andalsoasakeyproblemfordesigners.Thekinematicsandmechanicscharacteristicsofthemulti-linkpresswithhybrid-drivenmechanismismuchmorecomplexcomparedwiththetraditionalmechanicalpressorthehydraulicpress,therefore,itisimportantforthedesignertocarryonthekinematicsanddynamicstaticsanalysis.Inthisstudy,wetransformedthepressintoTwodegreeoffreedomofnine-barmechanismaccordingtotheworkingprincipleofthepress,andestablishedacoordinatesystemusinganalyticmethod,workedouttheexpressionofdisplacement,varietyandaccelerationofthesliderwiththehalfAngleformula.Then,ADAMSmodelwasestablishedbychoosingsuitablelengthofthebar,andvalidatethecorrectnessofthemodel.Thenwiththetraditionalcrankpress’displacement,velocityandaccelerationcurveswereanalyzed,wegottheadvantagesofnine-barpress withhybrid-drivenmechanism.Atthesametime,wegottheflexiblecharacteristicsofthepressbyVI\n山东科技大学学士学位论文adjustingtheinputcharacteristicsofDCmotorandservomotor.Finally,weestablishedasystemofstaticsequationsandmadeanforcecharacteristicsanalysisofthepress.Keywords:hybrid-driven;nine-barpress;ADAMS;kinematicsVI\n山东科技大学学士学位论文目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1论文的研究背景11.1.1多连杆压力机的概念11.1.2多连杆压力机的优越性11.2混合驱动多连杆压力机的研究成果和发展概况21.2.1国内混合驱动多连杆压力机的发展情况21.2.2国外混合驱动多连杆压力机的发展情况31.3本课题研究的主要内容41.4本章小结52混合驱动九杆压力机的运动学模型与分析62.1机构的运动分析62.1.1机构运动分析的方法62.1.2解析法分析机构运动的求解过程62.2混合驱动九杆压力机运动学模型的建立72.2.1混合驱动九杆机械压力机机构简图72.2.2混合驱动九杆压力机的尺寸和角度82.2.3混合驱动九杆压力机运动模型的建立92.3混合驱动九杆压力机运动方程的求解122.3.1求解位置方程122.3.2求解速度方程142.3.3求解加速度方程152.4本章小结163ADAM虚拟样机仿真与分析173.1虚拟样机尺寸的确定173.1.1杆长确定条件173.1.2获得杆长数据193.2建立ADAMS虚拟样机20VI\n山东科技大学学士学位论文3.2.1启动ADAMS213.2.2设置建模环境213.2.3创建物体（Part）233.2.4创建约束副253.2.5施加运动速度283.2.6进行仿真293.2.7输出测量曲线293.3验证ADAMS虚拟样机313.3.1特殊点验证法323.3.2整周期验证法323.4混合驱动九杆压力机的运动特性分析363.4.1建立曲柄滑块机构ADAMS模型363.4.2混合驱动九杆压力机位移特性373.4.3混合驱动九杆压力机速度特性383.4.4混合驱动九杆压力机加速度特性403.4.5结果对比分析413.5混合驱动九杆压力机输出特性柔性化研究423.6本章小结464混合驱动九杆压力机静力学和增力比分析484.1机构力分析的原则484.2混合驱动九杆压力机的静力学研究494.2.1混合驱动九杆压力机的静力学方程494.3混合驱动九杆压力机增力比计算524.3.1混合驱动九杆压力机的增力比表达式534.3.2混合驱动九杆压力机的增力比曲线544.4结构参数对九杆压力机增力比的影响554.5本章小结595总结与展望605.1主要结论605.2工作展望60参考文献62致谢65VI\n山东科技大学学士学位论文附录166VI\n山东科技大学学士学位论文1绪论1.1论文的研究背景1.1.1多连杆压力机的概念其实，多连杆压力机并不是一个新的概念，几十年前这种技术已经进入市场。早在20年代，第一次在文献中出现的该技术被称为“专利快反压机驱动”技术。1950年BLISS公司制造的称为“均匀行程”的压机被介绍为“可以提供比较慢的拉伸速度、较快的上行程，从而提高生产率的压力机”。冲压生产中，提高生产率而不必增加投资或劳动力是我们的目标，一个简单的方法就是提高压力机的速度。然而，由于要冲压成型的工件受材料机械性能等条件的限制，欲提高成型速度是很难甚至是不可能的。使用多连杆驱动技术的机械压力机，不用改变压机的工作行程速度，即可达到提高生产率、延长模具寿命并降低噪声的目的。1.1.2多连杆压力机的优越性（1）模具接触金属板料的突然性将提高凸模尖端周围材料的拉应力，即增加了板料在该点破裂的可能性。因此，即使普通压力机和多连杆压力机都在材料的允许拉深速度内运行，多连杆压力机在同样的运动速度时将比普通压力机以更慢的滑块速度接触板料，从而降低材料撕裂的可能性。（2）由于多连杆压力机滑块以较低的速度接触板料，故降低了噪声和振动，减少了模具内部发热，延长了模具寿命。108\n山东科技大学学士学位论文（3）与普通压力机比较，多连杆压力机只驱动部分的设计不一样，压力机的其他部分仍然是标准的，因此成本可以大大降低。多连杆驱动可用于单点或双点驱动的偏心齿轮压力机或曲柄压力机。在设计参数内，运动曲线可根据特定工件的需要进行修改。（4）多连杆压力机可用于高强度钢的多工位拉深成型。1.2混合驱动多连杆压力机的研究成果和发展概况现代工业中，锻压机床作为基础装备的重要组成部分之一，在汽车产业、家电产业、航空航天和冶金化工产业中得到了广泛的应用。特别近几年来，国内汽车业的崛起，大大的推动了锻压设备的发展。国产大型的高精成套设备、自动化生产线、柔性生产线以及带有高附加值的冲压设备正装备着我国的制造业，为将我国从制造大国发展成制造强国打下坚实的基础。现代的锻压技术主要向着锻压设备自动化、高复合高速化相结合、锻压控制功能集成化、锻压制造环保化及锻产柔性化这几个方面发展。1.2.1国内混合驱动多连杆压力机的发展情况在混合驱动机构的研究上，国内对于混合驱动机构的研究虽然起步较晚，但也已经取得了一些突破性的成果。訾斌和宋胜涛等分别从不同的角度对二自由度混合驱动机构进行了优化设计。这些学者以功率最小、结构最优等为目标函数，使得二自由度混合驱动机构的整体性能达到最优。其中宋胜涛将优化后的结果应用到工程实际中，最终确立了混合驱动4RIP机构可以实现动臂-斗杆机构的输出轨迹。陈正洪、李仁军、王湘和何东分别对二自由度混合驱动机构的轨迹特性做了较为深入的研究，其中陈正洪得出了108\n山东科技大学学士学位论文机构在实现直线轨迹和抛物线轨迹时电动机的功率分配的规律；李仁军构建了混合驱动机构轨迹控制实验平台，借助视觉系统检测，得出了给定轨迹的生成方法在低速和给定轨迹的曲率变化较小时的可行性；王湘则应用ADAMS软件对所研究的机构进行了逆运动学分析，为实现一组给定的运动轨迹，通过一般点驱动和曲线转化为样条函数的功能，得出伺服电机的运动规律；何东基于常速电机在工作中的速度波动，提出一种将惯性、阻尼和刚度考虑在内的机构真实动态行为的轨迹综合方法，并通过仿真实例证明了该方法能实现更精确的轨迹生成。在压力机方面，陈文立足于实际生产中遇到的问题，对所提出的混合驱动冲压机构进行了运动学分析，根据冲头运动规律得出伺服电机驱动的运动参数，同时采用ADAMS软件进行了机构的仿真分析，通过优化机构参数，改进了冲压机构运动性能。黄海波提出一种二自由度九杆机构的全伺服驱动模式，运用ADAMS软件建立了该机构的虚拟样机模型，并进行了仿真分析，数据显示，当两曲柄同步转动时，仅仅改变两曲柄的初始相位差，可以获得不同形式的滑块运动曲线。1.2.2国外混合驱动多连杆压力机的发展情况自上世纪90年代初Tokuz提出混合驱动机构的概念以来，很多学者从不同的角度对这类新型机构做了较为深入的研究，也取得了一定的成果。Herman和Greenough分别在Tokuz研究的基础上对整个二自由度机构的传动方式进行了改进，Greenough用两自由度平面七杆机构代替了Tokuz所建立机构模型中的差动轮系，结果都减小了伺服电机的功率需求。OuyangPR研究了混合驱动五杆机构，直接采用常速电机和伺服电机混合驱动的方式，并据此分析得出建立的滑模控制模型系统具有渐进稳定性。在压力机应用方面，R.Du、W.Z.Guo、Cheng-HoLi、HuiLi108\n山东科技大学学士学位论文将二自由度混合驱动机构的理论研究应用到压力机的设计、工艺改进等实践中，并且对不同结构形式压力机的优点和缺陷有了更深的认识。其中R.Du设计了一种新型混合驱动七杆压力机，实现了压力机工作台的行程及速度可控，并降低了压力机的成本；W.Z.Guo研究了变速伺服电机驱动曲柄的轨迹规划和优化，在运用了反馈控制的混合驱动伺服压力机下，实现不同的冲压运动；Cheng-HoLi提出一种用于混合驱动伺服压力机的迭代学习控制方案并且应用到冲压工艺上；HuiLi提出一种用于精密冲压的混合驱动机构，获得了机构的尺寸和伺服电机的运动规律，得到灵活多变的输出运动特性。1.3本课题研究的主要内容本次设计运用解析法来计算压力机滑块的位移、速度和加速度方程，建立数学模型，通过求解数学模型得到滑块位移、速度、加速度的数学表达式。同时依据杆长条件及动力分配条件，确定压力机的杆长，并运用ADAMS软件建立模型，进行仿真分析。将杆长数据代入数学表达式中，将计算结果与计算机仿真结果对比，验证模型的正确性并优化模型。最后建立静力学模型，通过仿真，得出压力机滑块在不同输入条件下的位移、速度、加速度和压力曲线。具体分为如下几个方面的工作：1.建立坐标系后利用解析法求出该机构的运动学方程，并运用半角公式，解出滑块在任意时刻的位移，速度，加速度表达式。2.选取合适的杆长建立ADAMS模型，通过对模型的仿真并分析，得出滑块的位移、速度和加速度曲线，并将模型数据代入到位移、速度、加速度表达式中，通过选取随机点计算位移、速度、加速度数值和使用Matlab进行整周期仿真，以验证模型的正确性。3.108\n山东科技大学学士学位论文通过与曲柄滑块机构输出特性做比较，得到混合驱动多连杆压力机的输出特性并分析其输出的柔性化。4.建立系统的静力学方程，并获得增力比的表达式，探究增力比和机构尺寸参数之间的关系。1.4本章小结本章详细的介绍了本课题的研究背景及研究意义，综述了混合驱动多连杆机构在国外和国内的应用现状及未来的发展方向，阐述了作者工作的主要内容，解决的方法和步骤。108\n山东科技大学学士学位论文2混合驱动九杆压力机的运动学模型与分析2.1机构的运动分析机构运动分析就是根据机构运动简图和原动件的运动规律，分析机构的其他构件上的某些点的轨迹、位移、加速度以及构件的角位移、角速度和角加速度。这些内容不仅是设计、选择、使用机构的依据，也是对机构做动态静力学分析和研究机械动力学的基础。无论是了解现有的机械的工作性能，还是设计新机械，都需要进行机构的运动分析。2.1.1机构运动分析的方法机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。图解法形象直观，概念清晰，但精度较低，而且对机构整个运动循环进行运动分析时，需要反复作图，也很繁琐。图解法包括速度瞬心法和矢量方程图解法。解析法是列出机构中已知的尺寸参数和和运动参数以及未知运动参数之间的数学关系式，然后求解未知运动参数。现在解析法多用计算机求解运算，精度高，速度快，但解析法不如图解法形象直观，而且计算式有时比较复杂，工作量很大。由于我们需要做准确度要求很高的机构的运动分析，所以必须采用解析法。解析法有很多种，包括矢量分析法、复数法等。我们采用的是封闭矢量多边形法。2.1.2解析法分析机构运动的求解过程108\n山东科技大学学士学位论文由于我们采用的是封闭矢量多边形法，我们仅介绍这种方法的求解过程。首先写出机构的封闭矢量多边形在X、Y坐标轴上的位置投影方程式，然后将位置投影方程式对时间求一次导数和二次导数，即可得到机构的速度方程和加速度方程，进而求得机构的所需位移、速度和加速度，完成机构的运动分析。封闭矢量多边形法的求解过程如图2.1所示完成求解过程求导，得速度方程和加速度方程X，Y轴位置投影方程式找封闭矢量多边形图2.1封闭矢量多边形法求解过程2.2混合驱动九杆压力机运动学模型的建立所谓混合驱动九杆机械压力机指的是它的驱动有两个，分别是直流电机提供工作的主要动力，伺服电机来调整多连杆中连杆之间的角度。将两种类型的输入运动通过一个二自由度机构合成后产生所需要的输出运动。这种系统既具有传统机械系统的优点，又具有一定的柔性，能够通过伺服电机的可控性提供多组输出运动规律。本文通过解析法来分析混合驱动九杆压力机的运动学特性，即通过建立坐标系，然后建立机构运动的数学模型，列出机构在任意时刻的位移、速度和加速度方程，并通过求解方程来得到压力机的运动学特性。下面是数学模型的建立过程。2.2.1混合驱动九杆机械压力机机构简图如图2.2所示，混合驱动九杆压力机简化为图中的二自由度九杆机构。108\n山东科技大学学士学位论文图2.2混合驱动九杆压力机机构简图如图2.2所示，活动构件数：n=8运动低副数：PL=11运动高副数：PH=0则机构的计算自由度数F=3×8-2×11-0=2由于机构由直流电机和伺服电机驱动，故原动件个数等于机构的自由度数，所以该机构在任意时刻都有确定的运动。2.2.2混合驱动九杆压力机的尺寸和角度如图2.3所示，建立如图所示坐标系，各个构件的尺寸如图中标注所示，我们规定，在本图中，杆件与X轴成逆时针方向的角度为正。建立如图所示的结构简图。在此二自由度九杆系统中，和为驱动杆，一端为固定端，坐标为（a,b），、、、为连杆，带动滑块沿Y轴方向运动。108\n山东科技大学学士学位论文图2.3混合驱动九杆压力机的尺寸及角度2.2.3混合驱动九杆压力机运动模型的建立（1）位移模型的建立在图2.3所示的坐标系中，选取杆，将构件的长度以矢量的形式表示，形成一个封闭矢量多边形。则机构的封闭矢量方程式为将上式分别投影在X轴和Y轴上，得到108\n山东科技大学学士学位论文同理，取构件形成封闭矢量多边形，投影后得到方程为取构件形成封闭矢量多边形，投影后得到方程整理后，即得到混合驱动九杆压力机的位移模型，即：在此方程组中，和为已知数，表示驱动杆和在任一确定时刻的转动角度，、、、、、y为未知数，分别表示杆的转动角度、杆的转动角度、杆的转动角度、杆的转动角度、杆108\n山东科技大学学士学位论文的转动角度和滑块在Ｙ方向上的位移量。通过此方程组，可以解出各个杆及滑块在任意时刻的位置。（2）速度模型的建立对位移模型关于时间进行一阶求导，即可求出系统的速度模型在上述速度方程中，和为已知数，表示驱动杆和的转动角速度，此方程为一次方程组，通过此方程组可以解出滑块在任意时刻的速度以及各个杆在任意时刻的角速度值。（3）加速度模型的建立对位移模型进行二阶求导，即得出系统的加速度模型即：108\n山东科技大学学士学位论文在加速度方程中，和为已知数，表示驱动杆和的转动角加速度，此方程为一次方程组，通过此方程组可以解出滑块在任意时刻的加速度以及各个杆在任意时刻的角加速度值。2.3混合驱动九杆压力机运动方程的求解在本章的上一节，我们利用解析法得到了混合驱动九杆压力机的位移、速度和加速度的方程表达式。本节我们主要对得到的方程式进行求解。2.3.1求解位置方程①②③④⑥108\n山东科技大学学士学位论文由①-③可以得到同理，由②-④可以得到则由三角函数关系可知展开后合并同类项，我们此处引入半角正切法来求解位置方程。运用半角正切法：令则得到：其中正负号是由机构的机构构型来决定的。则得到其中：108\n山东科技大学学士学位论文将的数值代入到的方程中，得到从而得到的表达式。同理，运用半角正切法得到其中：从而得到将的表达式代入到方程中，得到从而得到的表达式。则108\n山东科技大学学士学位论文最终得出滑块的位移表达式为2.3.2求解速度方程通过联立六个方程，解出速度的表达式为108\n山东科技大学学士学位论文其中v表示的是滑块在任意时刻的速度瞬时值。2.3.3求解加速度方程求解加速度方程，得到108\n山东科技大学学士学位论文则得到滑块的加速度表达式为108\n山东科技大学学士学位论文2.4本章小结在本章我们采用解析法，通过建立数学模型，得到混合驱动九杆压力机滑块的位移方程、速度方程和加速度方程，并引入半角正切法，求解出压力机滑块的位移、速度和加速度的表达式。108\n山东科技大学学士学位论文3ADAMS虚拟样机仿真与分析3.1虚拟样机尺寸的确定先前有几位学者已经做过混合驱动多连杆压力机的相关研究，不过他们大多是对已知的机构进行运动分析的研究或者进行最优化设计的研究，而对于该机构的尺寸设计和运动特性未做详细的说明，除此之外，他们所研究的机构并没有满足在下死点位置形成肘节构型，以及并没有考虑由伺服电机驱动的杆件可以做360°周转运动。本节主要讨论在混合驱动九杆机械压力机中的杆件尺寸范围，主要包括两方面：在下死点位置时形成肘节构型和双曲柄输入。3.1.1杆长确定条件（1）双曲柄存在条件如图3.1所示，是从混合驱动九杆压力机机构中分解出来的五杆子机构，则双曲柄存在的条件为：式中：，分别表示杆1，杆2，杆3和杆4的长度，两电机轴心之间距离108\n山东科技大学学士学位论文图3.1五杆子机构（2）动力及功率分配条件由于该压力机为混合驱动，故驱动马达有两个。所谓混合驱动，是指采用常规电机作为压力机传动系统的主要动力源，采用伺服电机作为压力机传动系统的辅助动力源，通过对两个驱动源的协调控制，进而实现对滑块运动速度的有效调节。该类传动方式，常用于大吨位的伺服压力机，如图3.2所示动力源恒定转速的直流电机可调节的伺服电机图3.2混合驱动九杆压力机的动力图优点有两个108\n山东科技大学学士学位论文第一功率较高的直流电机搭配飞轮作为主要动力源，具有传统机械压力机的特性。第二功率较低但可以调节的伺服电机作为控制装置，可以满足各种冲压条件的要求。则这两个电机功率之间必须满足功率分配条件即其中为动力及功率分配系数且>1。(3)传动角条件传动角的大小与机构中各杆件的长度和所处的位置有关，机构运转时，传动角是变化的。为了保证机构正常运动，必须规定最小传动角的下限。对于一般机械，通常取；对于颚式破碎机、冲床等大功率机械，最小传动角应取得大一些。可取。因此，设计时可以按照给定的许用压力角[]来设计。在该机构中，传动角必须满足下面条件3.1.2获得杆长数据通过杆长条件，我们确定了各个杆长的长度范围，并随机取了如下几组满足条件的杆长第一组108\n山东科技大学学士学位论文第二组第三组3.2建立ADAMS虚拟样机ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。在ADAMS中，我们可以直接创建完全参数化的机械系统几何模型，也可以使用从其它CAD软件（如Pro-E，solidworks）传过来的造型逼真的几何模型。我们的ADAMS模型由于结构比较简单，同时对连接之间的精确度要求不是很高，所以我们直接在ADAMS中建立几何模型并进行仿真分析。108\n山东科技大学学士学位论文具体的创建步骤如下图3.3创建约束副创建物体（Part）设置工作环境施加运动速度进行仿真输出测量曲线图3.3ADAMS模型建立过程3.2.1启动ADAMS双击桌面图标，启动ADAMS2010，出现如图3.4所示开始界面，创建新模型，名称取为yaliji,重力Gravity方向选择Y轴负方向，单位选择默认的MMKS，mm,kg,N,s,deg.点击OK确定。图3.4开始界面108\n山东科技大学学士学位论文3.2.2设置建模环境（1）设置单位在操作界面中选择Settings下拉菜单中选择Units,设置单位如图3.5所示，点击确定。图3.5设置单位（2）设置工作栅格在Settings下拉菜单中选择WorkingGrid,如图3.6所示系统打开参数设置对话框，在Size中X和Y项输入300cm,在Spacing栏中输入5cm。点击OK确定。108\n山东科技大学学士学位论文图3.6设置工作栅格3.2.3创建物体（Part）（1）创建连杆用鼠标右键单击工具箱中的连接图标，弹出级联图标。用鼠标左键单击连接图标，在下方Link下拉文本框中选择NewPart，如图3.7所示。选中Length，Width，Depth，并输入长度，宽度和厚度数值，如图3.7所示。在图中设定的地方点击鼠标左键，即可生成杆1108\n山东科技大学学士学位论文图3.7设置杆长参数以此方法，分别建立杆2，杆3，杆4，杆5，杆6和杆7，如图3.8所示图3.8创建连杆（2）创建滑块用鼠标右键单击工具栏中的，弹出级联图标，选择创建矩形块图标，输入参数如图3.9108\n山东科技大学学士学位论文所示，设置矩形块的长、宽、厚，放置在指定位置。图3.9创建滑块（3）创建导槽同样点击矩形块创建图标，输入参数后创建导槽，为避免发生干涉，滑块和导槽要经过布尔处理，最终得到构件图如图3.10所示图3.10创建物体3.2.4创建约束副（1）创建转动副108\n山东科技大学学士学位论文选择ADAMS/View约束库中的旋转副（Joint:Revolute）图标，参数选择2Bod-1Loc和NormalToGrid。在ADAMS/View工作窗口中先用鼠标左键选择杆1，然后选择机架（ground），接着选择连接点，该旋转副连接机架和杆1,使杆1能绕机架旋转。采用相同的方法，在杆2和机架之间，杆6和机架之间，杆3和杆1之间，杆2和杆4之间，杆5和杆3之间，杆3和杆4之间，杆5和杆6之间，杆5和杆7之间以及杆7和滑块之间建立转动副。如图3.11所示图3.11建立转动副（2）创建移动副右击转动副图标，弹出级联图标，左键单击移动副（Joint:Translational）图标，参数选择2Bod-1Loc和NormalToGrid108\n山东科技大学学士学位论文。在ADAMS/View窗口中选择两物体为滑块和导槽，连接点选择在滑块质心点，方向沿Y轴方向，如图3.12所示。该移动副使滑块沿着导槽在Y轴方向移动。图3.12建立移动副（3）施加固定副右击转动副图标，弹出级联图标，左键单击固定副（Joint：Fixed）图标，参数选择2Bod-1Loc和Pickfeature。在ADAMS/View窗口中选择两物体为机架和导槽，连接点选择在导槽质心点，方向沿Y轴方向，如图3.13所示，该固定副使导槽固定在机架上。108\n山东科技大学学士学位论文图3.13建立固定副3.2.5施加运动速度在ADAMS/View驱动库中选择旋转驱动（RotationalJointMotion）按钮，在Speed一栏中输入表示旋转驱动每秒钟旋转度。在ADAMS/View工作窗口中，分别选择转动副Joint1和Joint2，得到如图所示的驱动，其中杆和杆均以30的速度逆时针转动。图3.14施加旋转驱动108\n山东科技大学学士学位论文得到的最终虚拟样机如图3.15所示图3.15ADAMS虚拟样机图3.2.6进行仿真点击仿真按钮，设置仿真终止时间（EndTime）为36s，仿真工作步长（StepSize）为0.01,然后点击开始仿真按钮，进行仿真。3.2.7输出测量曲线选择滑块质心点huakuai.cm，点击右键，选择Measure，弹出Point108\n山东科技大学学士学位论文Measure对话框，选择特征（Characteristic）为位移（Translationaldisplacement）,方向选择Y，如图3.16所示，点击确定，即可得到滑块质心的位移测量曲线如图3.17所示。同理，可以得到滑块质心的速度曲线和加速度曲线，如图3.18和图3.19所示。图3.16测量对话框108\n山东科技大学学士学位论文图3.17滑块位移测量曲线图3.18滑块速度测量曲线108\n山东科技大学学士学位论文图3.19滑块加速度测量曲线3.3验证ADAMS虚拟样机上一节我们使用了ADAMS软件建立了混合驱动九杆机构的模型，并施加了约束副和驱动，得到滑块的位移、速度、加速度曲线。为了验证我们所建立的模型是否合理以及模型能不能真实的表达运动方程的特征，我们需要对我们建立的ADAMS模型的输出特征做详细的验证，具体验证方法有特殊点验证法和整周期验证法。3.3.1特殊点验证法为了验证模型的合理性及其能否真实的表达运动方程的特征，我们在圆周位置上选择了6个点，并选择滑块下死点的位置，共7个点，通过将杆长数据代入到解方程得到的滑块的位移、速度和加速度的表达式中，得到了位移、速度和加速度的具体数值，通过与ADAMS仿真结果对比，得到表3.1。108\n山东科技大学学士学位论文表3.1滑块位移对比结果组别特征1234567/度3090150210270330338.4/度3090150210270330338.4计算位移/-153.6884-138.0339-124.3919-136.2414-152.5880-154.9989-155.00仿真位移/cm-153.6843-138.0361-124.3927-136.2374-152.6347-154.9989-155.00计算速度/cm/s3.104610.5605-1.557-10.8533-3.8458-0.013830仿真速度/cm/s3.036210.5410.7784-10.4924-3.8431-0.0141计算加速度/㎝/5.068-0.7474-7.0947-1.00314.35130.1316仿真加速度/㎝/4.834-0.634-7.5088-1.24894.47360.13253.3.2整周期验证法利用解析法我们得到了混合驱动九杆机构的运动方程，由这些方程，我们使用Matlab编写程序对运动学方程进行求解，分别得到混合驱动九杆压力机的位移、速度和加速度曲线。通过对比位移、速度、加速度曲线，来验证所建立的模型的准确性。（1）验证模型的位移运用上节中输出测量曲线的方法，测量对象选择滑块的质心点，测量特征选择Y轴方向上的位移特征，得到滑块质心在Y轴方向上的位移曲线，同时，通过Matlab108\n山东科技大学学士学位论文编程，我们得到由理论值计算得到的滑块位移曲线，两曲线对比分析。如图3.20和图3.21所示，取三个周期上的位移曲线对比。图3.20ADAMS样机滑块位移曲线图3.21Matlab解得滑块位移曲线对比两位移图，可以发现通过Matlab求解方程得到的滑块位移图和使用ADAMS建立的模型测量的到的位移图吻合很好，说明通过位移验证模型是正确并准确的。（2）验证模型的速度采用同样的方法，对比滑块在Y方向的速度曲线，如图3.22和图3.23所示。108\n山东科技大学学士学位论文图3.22ADAMS样机滑块速度曲线图3.23Matlab解得滑块速度曲线对比两速度曲线，可以发现通过Matlab求解方程得到的滑块速度和使用ADAMS建立的模型测量的到的速度吻合很好，说明通过速度验证模型是正确并准确的。（3）验证模型的加速度采用同样的方法，对比滑块在Y方向的加速度曲线，如图3.24和图3.25所示。108\n山东科技大学学士学位论文图3.24ADAMS样机滑块加速度曲线图3.25Matlab解得滑块加速度曲线对比两加速度曲线，可以发现通过Matlab求解方程得到的滑块加速度和使用ADAMS建立的模型测量得到的加速度吻合很好，说明通过加速度验证模型是正确并准确的。通过对ADAMS模型的位移、速度、加速度曲线和Matlab108\n山东科技大学学士学位论文计算得到的位移、速度、加速度曲线相比较，我们发现，无论是位移、速度还是加速度，两组曲线的重合度都非常高，这就表明，我们通过ADAMS建立的模型，能够准确的表达出运动方程所表示的运动关系和运动特征，可以作为实验模型来加以研究。3.4混合驱动九杆压力机的运动特性分析在上一节中，我们运用ADAMS软件建立了混合驱动九杆压力机的仿真模型，并得到了输出量即滑块的位移、速度和加速度测量曲线。在本节里，我们先建立一个传统压力机的简单机构，运用曲柄滑块机构来代替传统压力机的传动系统，然后通过对比传统压力机的输出曲线和混合驱动九杆压力机的输出曲线，来分析混合驱动九杆压力机的运动特性。3.4.1建立曲柄滑块机构ADAMS模型通过图3.3ADAMS模型建立过程，建立曲柄滑块机构如图3.26所示，并测量滑块质心的位移、速度、加速度，得出测量曲线。图3.26曲柄滑块机构ADAMS模型3.4.2混合驱动九杆压力机位移特性如图3.27和图3.108\n山东科技大学学士学位论文28所示，将混合驱动九杆压力机滑块位移曲线和曲柄滑块机构滑块位移曲线相比较。图3.27混合驱动九杆压力机滑块位移曲线图3.28曲柄滑块机构滑块位移曲线由图3.27混合驱动九杆压力机滑块位移图可以看出，滑块的行程范围是306mm，与我们加工所需的工作行程要求相吻合，同时在与传统压力机的曲柄滑块机构的滑块位移曲线相对比后，我们可以发现，在压力机进入工作行程后，在冲压的最低点，压力机会存在一个位移不变的一个阶段，通过数据分析，在这个阶段，驱动杆L1和杆L2转动大约40°108\n山东科技大学学士学位论文的角度，而滑块位移不发生变化，这就可以保证在冲压时，滑块给被冲压件提供均匀的压力，有效提高冲压质量，同时可以有效的避免材料的回弹。3.4.3混合驱动九杆压力机速度特性如图3.29和图3.30所示，将混合驱动九杆压力机滑块速度曲线和曲柄滑块机构滑块速度曲线相比较。图3.29混合驱动九杆压力机滑块速度曲线108\n山东科技大学学士学位论文图3.30曲柄滑块机构滑块速度曲线通过对比可以看出，混合驱动九杆压力机与传统压力机相比，其滑块在工作区间时的速度低且趋于稳定，这样可以有效的提高压力机的动态特性，从而降低了成型工件的废品率。在最低点左右速度为零并保持一段时间，可以有效的避免材料产生的回弹，同时提供较为稳定的输出压力，降低工件的废品率。冲压前空行程中速度较快，工作行程的速度低且趋于稳定，冲压后滑块回程速度更高，从而达到“快—慢—更快”的急回特性要求，使滑块运行的循环时间大大缩短，从而有效提高压力机的工作效率。3.4.4混合驱动九杆压力机加速度特性如图3.31和图3.32所示，将混合驱动九杆压力机滑块速度曲线和曲柄滑块机构滑块速度曲线相比较。108\n山东科技大学学士学位论文图3.31混合驱动九杆压力机滑块加速度曲线图3.32曲柄滑块机构滑块加速度曲线通过对比可以看出，混合驱动九杆压力机与传统压力机相比，在工作时的加速度基本趋于零，在滑块带动模具对工件进行冲压时，有效的降低了动态载荷，从而降低了整个机械系统的振动，避免了压力机在工作时产生巨大的噪音，这样就有效的改善了压力机的工作环境，从而保证了一线操作人员工作舒适度。108\n山东科技大学学士学位论文3.4.5结果对比分析近年来，由于生产现场对压力机要求的不断提高，传统的曲柄滑块结构压力机由于其输出速度和加速度波动较大且不稳定，在加工过程中对工件的损坏较大，容易造成废品的产生。因此研究混合驱动多连杆压力机，以提高锻压机床的速度、精度、强度和刚度，是压力机的发展趋势所在。本文研究的混合驱动多连杆压力机是以九连杆机构为传动机构，通过直流电机和伺服电机共同驱动来工作的。通过本章的分析可以得出，使用多连杆机构（九连杆机构）作为压力机的主传动系统比传统的以曲柄滑块机构作为传动机构的压力机在锻压工艺的工作过程中具有很多的优点，具体的对比分析如下（1）混合驱动九杆压力机的锻压性能比较好。从混合驱动九杆压力机位移曲线图和传统压力机位移曲线图的对比可以看出，多连杆压力机由于在工作行程中的位移变化较平稳且在下死点位置会保持一段时间的位移恒定，从而有效的避免了材料的回弹造成的加工误差，同时能在冲压过程中提供更加稳定的冲压力，提高压力机的锻压性能。（2）混合驱动九杆压力机有效提高模具使用寿命。从多连杆压力机速度曲线图和传统压力机速度曲线图的对比看出，多连杆压力机在进入工作行程后的速度较低且趋于匀速，同时在加工完成后有一段时间的速度为零的过程，从而有效的降低了动态载荷和振动，提高了模具和机床的使用寿命。（3）混合驱动九杆压力机具有更高的生产效率，108\n山东科技大学学士学位论文从两者加速度曲线图对比可以看出，滑块加速度的变化趋势是由快-慢-更快，这样可以使滑块在工作行程中获得较稳定的速度同时，在非工作行程能够获得较大的运动速度，从而可以提高压力机的生产效率。（4）与普通压力机比较，多连杆压力机只驱动部分的设计不一样，压力机的其他部分仍然是标准的，因此成本可以大大降低。多连杆驱动可用于单点或双点驱动的偏心齿轮压力机或曲柄压力机。在设计参数内，运动曲线可根据特定工件的需要进行修改。3.5混合驱动九杆压力机输出特性柔性化研究随着社会生产力的发展，对压力机工作性能的要求越来越高。尤其是近年来汽车行业的发展，极大的促进了压力机的革新。现代生产的特点是小批量，多种类的生产。这就要求我们在设计压力机时，对压力机的输出特性，如滑块的位移、速度和加速度等能做到很好的可调性，即使压力机的输出柔性化，从而能根据生产条件的不同，以及被加工工件材料、性能的不同调整输出特性，更好的满足生产需求。传统压力机由于结构简单且动力源相对单调，只能通过调节电机速度来调整输出特性。但由于这种调节的范围较小，很难满足现代生产的需求。而采用混合动力，通过直流电机提供压力机工作所需要的驱动力，而伺服电机用来调整滑块的输出特性，从而能很好的调整压力机的输出特性，达到很高的柔性化输出。如表3.2所示，调整两输入电机的转速关系，得到如图3.33，图3.34，图3.35所示的位移、速度和加速度曲线。表3.2电机转速关系组别1234108\n山东科技大学学士学位论文杆1转速（度/秒）90603015杆2转速（度/秒）30303030曲线类型点划线虚线实线点线图3.33不同直流电机转速下位移输出曲线108\n山东科技大学学士学位论文图3.34不同直流电机转速下速度输出曲线图3.35不同直流电机转速下加速度输出曲线由表3.2和图3.33，图3.34，图3.35可以看出，调整杆1和杆2108\n山东科技大学学士学位论文之间的转速关系，即调整直流电机和伺服电机之间的关系，即可得到不同的滑块输出特性。取杆1转速为360度/秒，杆2转速为30度/秒，仿真时间为12秒，即杆2沿着圆周方向运动到12个特征点的过程中，杆1整转12圈，观察输出特性曲线如图3.36，图3.37和图3.38。图3.36位移输出曲线图3.37速度输出曲线108\n山东科技大学学士学位论文图3.38加速度输出曲线由图3.36—图3.38可以看出，当伺服电机转到不同的角度时，直流电机在相同的速度下也能得到不同的运动特性曲线，滑块的位移、速度和加速度都会发生变化。而第二章我们知道，我们得到的是个五杆子机构，存在双曲柄，杆2可以转到0-360度之间的任何角度，从而在不同的位置，滑块的输出特性是不同的。我们通过直流电机和伺服电机转速的不同搭配，可以得到成千上万中输出特性，从而使压力机滑块的输出特性高度的柔性化。3.6本章小结在本章中，我们通过杆长确定条件，获得了混合驱动九杆压力机模型的合适杆长范围，并在此范围内选择了一组合适的杆长来建立ADAMS模型，由于模型比较简单，我们选择在ADAMS/View中直接建立模型。通过施加约束副、施加驱动、仿真并最终得到滑块的位移、速度和加速度测量曲线。为了验证ADAMS108\n山东科技大学学士学位论文模型的准确性，我们采用了两种方法。首先采用特殊点验证法，通过随机选取几个点和输出特殊点，通过计算该点的位移、速度和加速度，并和ADAMS仿真曲线相比较，验证ADAMS模型的准确性。然后我们运用Matlab来解理论方程组，并将结果绘成曲线，得到滑块的理论位移、速度、加速度曲线。通过对比两组曲线的重合程度来验证ADAMS模型的准确性。然后我们重点讨论的是混合驱动九杆压力机的运动输出特性，采用的方法是首先建立传统压力机的曲柄滑块模型，通过与曲柄滑块机构的输出曲线对比，来分析混合驱动九杆压力机输出的位移、速度和加速度的优越性，从而得出混合驱动九杆压力机所具有的传统压力机所不能比拟的优势。然后通过改变直流电机和伺服电机不同的输入状态，采用逐点比较方法和整周期比较的方法来观察压力机滑块的输出特性曲线，从而验证该压力机在双电机驱动下的较高的输出柔性。108\n山东科技大学学士学位论文4混合驱动九杆压力机静力学和增力比分析作用在机械上的力不仅影响机械的运动学和动力学性能，而且也决定了机械的强度、结构和尺寸，因此，不论是设计新机械，还是合理使用现有机械，都必须要对其进行受力分析。机构力分析的任务和目的主要有两个，一个是确定运动副反力。运动副反力对于计算机械中各个零件的强度、刚度，确定机械的效率、运动副中的磨损等，都是极为重要且必须的资料。另一个目的是确定机械上的平衡力和平衡力矩。机械上的平衡力是为了使机械能按照给定的运动规律运动，它对于确定机械工作时所需的驱动功率或能承受的最大载荷等都是必需的数据。4.1机构力分析的原则对于低速机构，由于惯性力的影响不大，故可以忽略惯性力，只对其做静力分析。对于高速及重型机械，由于其运动构件的惯性力往往很大，所以必须考虑惯性力，这时要对机构做动态静力学分析。通常的做法是：根据理论力学中的达郎伯原理，将惯性力视为一般外力加在产生该惯性力的构件上，再将整个机械视为静力平衡状态，用静力学方法进行研究。此外，还有动力分析和弹性动力分析，这里就不再一一说明了，四种方法的简单对比见表4.1。108\n山东科技大学学士学位论文表4.1四种力分析原则比较原动机是否匀速机构运动快慢是否忽略惯性力构件是否是刚性静力分析是较慢是是动态静力分析是高速否是动力分析否高速否是弹性动力分析———否4.2混合驱动九杆压力机的静力学研究由于混合驱动九杆压力机的机构运动速度较低，所以我们完全可以忽略杆件的质量和转动惯量。从而我们只对其进行静力学分析。4.2.1混合驱动九杆压力机的静力学方程如图4.1所示，为混合驱动九杆压力机所受外力图，由图可知，机构整体受机架给杆1的力Fr1x,Fr1y,机架给杆2的力Fr2x,Fr2y,机架给杆6的力Fr6，导槽给滑块的力Ft以及滑块的工作阻力F。108\n山东科技大学学士学位论文图4.1机构所受外力图为了得到机构的静力学方程，我们分别取杆1，杆2,杆5和滑块做受力分析。（1）以杆1作为研究对象，受力分析如图4.2所示图4.2杆1受力分析由杆1受力图，我们可以列出如下矢量方程M1-Fr31L1=0（2）以杆2为研究对象，受力分析如图4.3所示108\n山东科技大学学士学位论文图4.3杆2受力分析图由杆2受力分析图，我们可以列出下列矢量方程M2-Fr42L2=0（3）以杆5为研究对象，受力分析如图4.4所示图4.4杆5受力分析图由杆5受力分析图，我们可以得出下列矢量方程Fr35+Fr65=Fr45+Fr75（4）以滑块为研究对象，受力分析如图4.5所示108\n山东科技大学学士学位论文图4.5滑块受力图由滑块受力分析图，我们可以得出下列矢量方程F+Ft=Fr78由于杆3、杆4、杆6和杆7都是二力杆，所以存在着下列数值关系Fr31=Fr35，Fr42=Fr45，Fr75=Fr78则我们得出机构的静力学方程如下M1-Fr31L1=0M2-Fr42L2=0Fr35+Fr65=Fr45+Fr75F+Ft=Fr784.3混合驱动九杆压力机增力比计算机构的静承载能力是一项重要指标，通常可用静力分析的方法计算静承载能力。108\n山东科技大学学士学位论文静力分析用来计算机构在静平衡状态下作用于系统上的主动力和载荷之间的关系。由虚功原理可知其中：是曲柄输入转角的虚位移，是滑块输出行程的虚位移。对上述式子求时间的一阶导数，可以得到这里，是曲柄转动角速度，v是滑块的移动速度。定义F/M为机械压力机的增力比，增力比可以用来衡量采用单位驱动扭矩时，机构所能提供的输出力，增力比的值越大，说明机构的输出力越大。4.3.1混合驱动九杆压力机的增力比表达式由功率守恒可知由于在混合驱动九杆压力机中，直流电机提供主要的动力，伺服电机主要起到控制滑块输出特性的作用，故我们认为伺服电机驱动扭矩和直流电机扭矩的比值为一固定常数G（G满足功率优化分配条件，因计算方法比较复杂，这里就不再探讨）。则由此得出该压力机的增力比表达式为式中：F表示滑块的输出压力，v表示滑块的移动速度，表示直流电机曲柄输入扭矩，108\n山东科技大学学士学位论文表示直流电机的角速度，表示伺服电机曲柄输入扭矩和直流电机曲柄输入扭矩之比，G为一固定常数。表示伺服电机的瞬时角速度。将第二章中解速度方程得到的速度表达式代入到增力比表达式中，并化简，得到其中A=从上式中可以看出，增力比是九连杆机构的固有属性，只与机构的几何参数有关。4.3.2混合驱动九杆压力机的增力比曲线（从这儿往后有点问题）由增力比表达式，我们运用Matlab软件，通过增力比表达式，绘制出机构三个周期内的增力比曲线如图4.6所示108\n山东科技大学学士学位论文图4.6九杆机构增力比变化曲线由增力比曲线可以看出，九连杆机构滑块在接近下死点位置时，机构的增力比快速的增加，而其它时段，增力比较小，这样既能保证在工作行程具有较高的冲压力，又能节省工作行程以外的功率损耗，说明该混合驱动九杆机构非常适合作为压力机的传动机构。4.4结构参数对九杆压力机增力比的影响由于增力比是九杆机构的固有属性，只与机构的几何参数有关，我们下面分析在保证其他参数不变的情况下，在工作行程范围内，曲柄、曲柄、杆、杆、杆、杆和杆的尺寸变化对增力比的影响趋势。我们运用Matlab软件，在各个杆的工作行程范围内，选择合适的点，绘制了增力比变化曲线如图4.7—图4.13所示108\n山东科技大学学士学位论文图4.7增力比与曲柄关系图4.8增力比与曲柄关系108\n山东科技大学学士学位论文图4.9增力比与杆关系108\n山东科技大学学士学位论文图4.10增力比与杆关系图4.11增力比与杆关系108\n山东科技大学学士学位论文图4.12增力比与杆关系图4.13增力比与杆关系由图4.7—图4.13可以看出，在其它参数不变的情况下，改变某一个杆的杆长，其对增力比的影响是非常明显的。相关更加深入的研究成果可以为多连杆压力机的参数优化设计提供理论参考。4.5本章小结在本章中，我们主要是分析了混合驱动九杆压力机机构所受的外力情况，并根据实际运动特性，对其进行静力学分析，同时对单个杆件进行受力分析，最终得出该机构的静力学矢量方程表达式。然后计算该九连杆机构的增力比表达式，并根据增力比表达式运用Matlab软件绘制出增力比在三个周期内的变化曲线，分析增力比的变化及该九连杆机构的传动特性。最后通过控制变量法，运用Matlab108\n山东科技大学学士学位论文软件，分析了各个杆对增力比的影响情况，从而为后续的多连杆压力机参数优化提供了理论参考。108\n山东科技大学学士学位论文5总结与展望5.1主要结论本文以混合驱动九杆压力机作为研究对象，对该对象进行了建立数学模型、求解数学方程、建立ADAMS模型并进行仿真分析、运动分析及静力学与增力比分析，得到的主要成果如下：（1）运用解析法，通过建立数学模型，得到混合驱动九杆压力机滑块的位移方程、速度方程和加速度方程，并通过求解方程，得出出了压力机滑块的位移、速度和加速度的表达式。（2）运用ADAMS软件建立了混合驱动九杆压力机的虚拟样机模型，并通过Matlab软件对虚拟样机的合理性进行了验证。通过对样机的分析，得出了九杆压力机滑块的位移、速度和加速度特性曲线，并同传统压力机的曲柄滑块结构特性曲线进行对比，得出混合驱动九杆压力机输出特性的优越性。通过变换直流电机和伺服电机的输入关系，得到混合驱动九杆压力机的高度柔性化的输出特性。（3）分析了混合驱动九杆压力机机构所受的外力情况，并根据实际运动特性，对其进行静力学分析，最终得出该机构的静力学矢量方程表达式。计算了该九连杆机构的增力比表达式，并根据增力比表达式运用Matlab软件绘制出增力比在三个周期内的变化曲线，分析增力比的变化及该九连杆机构的传动特性。运用Matlab软件，分析了各个杆对增力比的影响情况，从而为后续的多连杆压力机参数优化提供了理论参考。108\n山东科技大学学士学位论文5.2工作展望由于作者水平的限制以及时间的原因，在总结本论文的研究内容和主要结论之后，发现仍有一些不足之处需要完善，本文还需进一步完善的地方主要有以下几点：（1）本文中的杆长数据是通过杆长条件、功率分配条件及传动角条件得出的，是一个范围值，没有经过杆长数据和参数的优化计算。在以后的研究中，应该增加对杆长的优化分析。（2）由于本文研究的是混合驱动九杆压力机，所以在伺服电机和直流电机之间存在着非常复杂的功率分配条件，本文中重点分析压力机的位移、速度和加速度特性，功率分配条件没有做深入的探讨。（3）本文对混合驱动九杆压力机进行了静力学分析，由于在实际工作中，其受力情况比较复杂，存在着冲击或震动等情况，所以在以后的研究中，应该加入对动力学方面的研究。108\n山东科技大学学士学位论文参考文献[1]赵升吨,何予鹏,王军.机械压力机低速锻冲急回机构运动特性的研究[j].锻压装备与制造技术,2004,38(3):24～32.[2]何予鹏,赵升吨,王军,袁建华.具有低速锻冲特性的机械压力机工作机理的研究[j].机械工程学报,2006,42(2):145～149.[3]何德誉.曲柄压力机[M].北京:机械工业出版社,1987.[4]何德誉.专用压力机[M].北京:机械工业出版社,1989.[5]周洪,邹慧君,王石刚.混合输入型五杆轨迹机构的分析与设计[j].上海交通大学学报.1999,33(7):865～869[6]陈修龙,齐秀丽.机械原理.北京:中国电力出版社,2010.8.[7]孙桓,陈作模.机械原理.7版.北京:高等教育出版社,2006.[8]郑凯,胡仁喜,陈鹿民.ADAMS2005机械设计高级应用实例.北京:机械工业出版社,2006.[9]李军,邢俊文,覃文杰.ADAMS实例教程.北京:北京理工大学出版社,2002.6.[10]张圣勤.Matlab7.0实用教程.北京:机械工业出版社,2006.3.[11]张纪元.机构分析与综合的解.北京:人民交通出版社,2007.8.[12]周利平等.精密锻造成型技术及应用[J].科技信息,2011(21):105～301[13]洪凯等.多连杆机构压力机的特点介绍[J].山东机械,1998(2):37～39[14]洪凯,王玉山等.多连杆机械式压力机的特点介绍[J].山东机械,1998(3):37～39：65～70[15]张策.机械动力学[M].北京:高等教育出版社.2000[16]TokuzL.C.HybridMachineModelingandControl[J].Ph.D.Dissertation,108\n山东科技大学学士学位论文LiverpoolPolytechnicUniversity,1992.[17]HermanJ,VandeStraete,JodsDeSchutter.HybridCamMechanisms[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,1996,1(4):284～289.[18]GreenoughJ.D.,BradshawW.K.,GilmartinM.J.DesignofHybridMachine[J].Proceedingsofthe9WorldCongressontheTheoryofMachinesandMechanisms,1995:2501～2505.[19]OuyangPR,LiQ,ZhangWJ,etal.Design,ModelingandControlofaHybridMachineSystem[J].Mechatronics,2004,14(10):1197～1217.[20]Zhangke,WangSheng-ze.HighPrecisionMotionControlofHybridFive-BarMechanismwithanIntelligentControl[J].JournalofDonghuaUniversity,2009,26(3):275～278.[21]宋胜涛,李瑞琴,高燕等.混合驱动4R1P机构实现动臂-斗杆机构轨迹[J].机械设计与研究,2011,27(4):20～22.[22]李仁军,刘宏昭,李鹏飞等.混合驱动机构给定运动轨迹的生成与检测实验研究[J].机械科学与技术,2008,27(12):1615～1618.[23]王湘,蔡敢为.混合驱动机构虚拟样机仿真控制研究[J].计算机仿真,2009,26(8):232～237.[24]王汝慧,李瑞琴.混合驱动六杆机构的轨迹特性及优化设计[J].机械设计与研究,2009,25(2):40～43.[25]黄海波,莫健华,吕言等.全伺服驱动二自由度九杆机构的同步控制研究[J].锻压装备与制造技术,2012,47(3):30～34.[26]GuoWZ,HeK,GeungK,etal.ANewTypeofControllableMechanicalPress:MotionControlandExperimentValidation[J].ASMEJournalofManufacturingScienceandEngineering,2005,127(4):731～742.108\n山东科技大学学士学位论文[27]于涛,李亭亭.基于ADAMS的曲柄滑块压力机刚柔耦合模型的动态仿真分析[J].机械传动,2012,36(3):64～66.[28]姚健,周微,郭为忠.多连杆压力机模块化运动学性能分析[J].锻压技术,2008(6):111～116.[29]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMs应用实例教私)[M〕:北京:一比京航空航天大学出版社,2008.[30]李辉,张策.混合驱动压力机的可行性研究[J].机械科学与技术.2004(10):1253～1256.[31]李建.伺服压力机发展及其应用[J].一重技术,2010(5):1～5.[32]苏敏,王隆太.几种伺服压力机传动结构方案的分析与比较[J].锻压装备与制造技术,2008(5):35～38.[33]宋梅利等.基于ADAMS的六连杆冲压机构的仿真优化设计[J].南京理工大学学报.2006,30(3):285～287.[34]ToKuZL.C.,ADesignGuideforHybridMachineApplications[J].Tr.J.ofEngineeringandEnvironmentSciences,1997,21：1～11.[35]李辉.混合驱动可控压力机的基础理论研究[D].天津大学博士学位论文，2003.[36]李晓芳，葛正浩等.一种新型混合驱动压力机的研究[J].锻压技术,2007(32):88～91.108\n山东科技大学学士学位论文致谢在论文完成之际，我要对给予我支持、关怀和帮助的指导教师、亲人、室友、同学和朋友致以深深的感谢。首先我要衷心的感谢我的指导教师陈修龙副教授在毕业设计期间对我的悉心指导。陈老师以其严谨的治学态度、渊博的学识、敏锐的洞察力和平易近人的人格魅力，深深地影响了我，使我从中受益匪浅。本论文的完成与陈老师的严格审阅和认真修改是分不开的。在此向在生活、学习等方面给予我无尽关怀的陈老师致以衷心的感谢！在此我要感谢班级同学在本科学习期间给予我的无私帮助和支持，感谢室友在生活和学习上的关心与帮助。能与你们在一起渡过四年的生活和学习，我感到万分的荣幸和幸运。最后，我要由衷的感谢我的家人在我多年求学期间给予我的支持、理解、关心和鼓励，我的每一份收获都凝聚着他们的无私奉献，他们永远是我学习、工作和生活的动力。108\n山东科技大学学士学位论文附录1Dynamicsmodelingandsimulationofanewnine-barpresswithhybrid-drivenmechanismAbstractAnovelhybrid-drivenmechanicalpressforprecisiondrawingispresented.Thisnewpressiscomposedofanine-barlinkagewhichhastwodegreesoffreedomdeterminedbyinputsfromadcconstantspeedmotorandadcservomotor.Therefore,thegeneralizedcoordinatesaretheangulardisplacementoftwocranks.Thekineticenergy,potentialenergyandgeneralizedtorquesareanalyzed.Accordingtotheequivalentcircuitofthedcmotorandthebrushlessservomotor,theirdynamicalmodelandpositionnegativefeedbackmodelaredevelopedseparately.Then,adynamicalmodelforthehybrid-drivenpressisdevelopedbyusingLagrange’sformulation.Thedynamicalequationisthentransformedintoasystemoffirstorderequations.Sixfirstorderdifferentialequationsareobtainedinthestatevariables.Intheend,thefourthfourthorderRunge-Kuttamethod,anexplicitmethod,ischosenastheintegrationtechniqueofcomputersimulation.Twomotors’current,twocranks’positionandtwocranks’angularvelocityaretreatedasunknownsandthetimeresponseofthehybrid-drivenpressisobtainedbyintegratingthesystemoffirstorderequationsthroughtime.Keywords:Hybrid-drivenmechanism;Press;Dynamicformulation;Computersimulation;Servomotor;Mechatronics108\n山东科技大学学士学位论文1.IntroductionMechanicalpressesarewidelyusedinthemetalindustry.Acrankpressconsistingofaslider-cranklinkageisunsuitableforprecisiondrawingbecauseitlacksaconstantworkingvelocity[1].Therefore,inordertoobtainaconstantworkingvelocity,mechanicalpressmanufacturershavedevelopedmulti-linkspresses.Theseattemptshavefocusedonincreasingtheapproachandreturnvelocity.Toslowdowntheslidervelocityintheworkingstroke,itisimportanttoobtainconstantworkingspeedsormaketheloadstrokecharacteristicssuitableforaspecialapplication.Themulti-linkspresses,however,donothaveflexibilityfordifferentdrawingtechnology[2].Inordertoprovideforthemoresuitableload-strokecharacteristics,manyresearchershavedevelopedaflexiblepresswhichusesaservomotorastheprimemover[3-6].However,theforcecapabilitiesofservomotorsareusuallylimited.Themainideaofhybrid-drivenlinkageistocombinethemotionofalargeconstantvelocitymotorwithasmallservomotorviaatwodegreeoffreedommechanism.Theconstantvelocitymotorprovidesthemainpowerandmotionrequirement,whiletheservomotoractsasalowpowermotionmodulationdevice.Therefore,thehybrid-drivenlinkagecanprovideforprogrammablemotionoutput.Theideaofhybrid-drivenlinkagewasinitiallypresentedbyTokuzandJones[7-10].Theyusedadifferentialgearboxasthehybridmechanismtodriveaslider-cranklinkage.GreenoughandBrashaw[11]tookasevenbarmechanismasthehybridlinkagetogenerateadwellmotion.Conner[12]synthesizedahybridmechanismusingageneticalgorithm.KirecciandDulger[13,14]proposedahybridactuator.Inthestudy,anarrangementconsistingofaplanartwodegreeoffreedom,seven-linkmechanismisdrivenbyaconstantspeedmotorandaservomotor.Thedynamicbehaviorofhybridactuatorwasstudiedby108\n山东科技大学学士学位论文applyingnumericalsimulationtothewholesystem.Lagrangianmechanicswasappliedtoderiveequationsofmotion.SimulationresultswerepresentedtodemonstratetheabilityofmodeldevelopedwithPIDcontrolleraction.Herman[15]presentedahybridcammechanism.Thehybridcammechanismaddsmuchflexibilitytothesystemrequiringonlysmallpeakpowerandpeaktorquefromtheservomotor.SethandVaddi[16,17]introducedtheconceptofprogrammablefunctiongeneratormechanism.LiandZhang[18,19]investigatedthefeasibilityofhybrid-drivenmechanicalpresses.Theschemeofahybrid-drivenmechanicalpressisputforward.Ahybrid-drivennine-barmechanicalpressforprecisiondrawingispresented.Thehybrid-drivenmechanicalpressforprecisiondrawingisoptimizedbyatwostepoptimization.Thedimensionofthelinkageandthemotionrulesofservomotorareobtained.Byproperlyoptimizingthedisplacementtrajectoryoftheservomotor,theoutputmotionoftheslidercanpassthroughthedesiredtrajectories.Therefore,hybrid-drivenmechanicalpresseshaveflexibleoutputmotioncharacteristicssuitableforprecisiondrawing.Theadvantagesofahybrid-drivenmechanicalpressareanalyzed.Inthisstudy,thedynamicsofahybrid-drivenninebarpress,whichisdrivenbyaDCmotorandabrushlessservomotor,isstudiedbymathematicalmodelingandsimulation.Then,thedynamicequationsofthissystemarederivedandsolvednumerically.ThefourthfourthorderRunge-Kuttamethod,anexplicitmethod,ischosenastheintegrationtechniqueofcomputersimulation.Simulationresultsareobtainedforamotionprofiles.Intheend,thesimulationresultsarepresentedanddiscussed.108\n山东科技大学学士学位论文2.Mathematicalmodelforahybrid-drivenmechanicalpress2.1Forwardkinematicsanalysisofhybrid-drivennine-barpressAhybrid-drivennine-barpress,showninFig.1,iscomposedofaplanarfive-barmechanism,aslidercranklinkageandaconnectionlink.Thecrankisdrivenbyaconstantvelocitymotor.Thecrankisdrivenbyaservomotor.Linkisthefixedlink.Thex-axisofthecoordinatesysteminFig.1issetalongtheverticaldirection.ThecoordinateaxesarefixedatpointA.Inordertoimprovetheloadcharacteristicsoftheslider,wetakethepointatwhichandarelinedupinastraightline,attheBDC(BottomDeadCenter)ofthesliderandtakeBDCasthebeginningpointofthedisplacement.AccordingtoFig.1,loopvectorequationsaregivenasfollows:(1)(2)(3)FromEq.(1)-(3),thefollowingequationsareobtained:108\n山东科技大学学士学位论文(4)where,,,,,,,,;arethedimensionparametersofthemechanismasshowninFig.1.Sstandsforthedisplacementfunctionofthesliderequiredbydeepdrawingprocess,S=S(t);isgivenasfollows:(5)BysolvingEq.(4),angularpositions，，，，，andsliderdisplacementSareobtained.Intermediatestepsforthekinematicsanalysiscanbeseenin[20].Havingfoundtheangulardisplacementsofeachlinkinthenine-barlinkage,timederivativescanbetakentofindangularvelocityandaccelerations.Theyaredefinitelyneededduringtheanalysisofthedynamicmodel.Theyaregivenasfollows:108\n山东科技大学学士学位论文108\n山东科技大学学士学位论文2.2Coupledsystemequationsforthenine-barlinkageAmathematicalmodelforanine-barmechanismisdevelopedbyusingLagrange’sformulation.Thesystem’sequationofmotionisderivedbyusingexpressionsforthesystemenergyfunction,itspartialandtimederivativeswithrespecttothedefinedgeneralizedcoordinates.Themechanismoperatesintheverticalplaneandgravityeffectsareincluded.Idealoperatingconditionsareassumedformodelingandcomputationalease,andmotorlosseffectsarenotincludedintheformulation.InFig.1,denotesthelengthoftheithlinks.UsinginputanglesandasthegeneralizedcoordinatesdescribingthemotionofthetwoDOFnine-barmechanism(),Lagrange’sequationcanbegivenaswhereEisthekineticenergy,Visthepotentialenergy,Qkisthegeneralizedtorqueonlink1andlink4,andisthegeneralizedcoordinate.Thekineticenergycanbeexpressedas108\n山东科技大学学士学位论文whereistheangularvelocityoflinki,andarethexandyvelocitycomponentsofitscenterofmassoflinki.Then,andcanbewrittenas(10)(11)BysubstitutingEq.(3)and(4)intoEq.(1),whereJ11’、J12’、J22’aretheequivalentmomentofinertiaofthetwoDOFnine-barmechanism.TheserelationshipsareincludedintheAppendix.Thepotentialenergyofthemechanismcanbeexpressedaswhererepresentsthemassofthelinki,grepresentsthegravityconstant,Sixrepresentsthelocationofthecentersofmassofthelinkiinaxisx,andSrepresentsthedisplacementoftheslider.Accordingtotheprincipleofvirtualwork,thegeneralizedtorqueQkcanbegivenas108\n山东科技大学学士学位论文whereistheexternalinputtorqueonthecrankL1,istheexternalinputtorqueonthecrank,andQistheformingforceoftheslider.DifferentiatingEq.(12)and(13)andsubstitutingthemintoEq.(8),yieldsThisisasecondorder,nonlineardifferentialequationssystemdescribingthemechanismmotionasrepresentedbygeneralizedcoordinatesandEq.(15)isthecoupledequations.Intermediatestepsofderivationandthederivatetermscanbefoundin[20].Eq.(15)canbetransformedinto,whereA0，B0，A11，B11，A12，B12，A22，B22arethecoefficientsofthesecondorderdifferentialequation.ThesecoefficientsaregivenintheAppendix.2.3MathematicalmodelfortheDCmotorsFig.2showsaDCmotor,includingagearedspeed-reducerhavingagearratio108\n山东科技大学学士学位论文whereistheangularvelocityoftheinputshaft图2传动机构的几何图形a,istheangularvelocityofoutputshaft.InFig.2,theinputtothemotor-gearsystemisvoltage,andtheoutputofthesystemisthetorquewhichisequaltoasdefinedinEq.(14).,,arethearmatureresistance,inductanceandcurrent,respectively.Theshaftisconnectedtodrivethecrankandcrankofthemechanism,respectively.isadampingcoefficientduetoapossibleviscousbearingfriction,isaconstantmechanicalload,duetobrushfriction,gearfrictionordrybearingfriction,forinstance.isthecombinedmomentofinertiaofthemotorrotor,thespeedreducer,andtheflywheel.SincetwodifferentDCmotortypesarestudied,thesamemotorequationsareusedandthedifferentmotordataareutilized.Herekisequalto1foraDCmotorand2forabrushlessservomotor,respectively,throughoutthework.isgivenasfollows:whereisthemomentofinertiaofthemotorrotor,istheequivalentmomentof108\n山东科技大学学士学位论文inertiaofthespeedreducer,isthemomentofinertiaoftheflywheel.FromKirchhoff’svoltagelaw,whereisthegeneratedelectromotiveforceofthemotor.UsingaNewtonianequationforthemechanicalload,wehavewhereisthemagneticmotortorque,isthegearratiodefinedbyEq.(17).Themagnetictorqueandthegeneratedelectromotiveforcearegivenas,whereisthemotortorqueconstant,andisthemotorvoltageconstant.ObservingthatSubstitutingEqs.(21)-(23)intoEqs.(19)and(20),wefind(24)and(25)arethemathematicalmodelsofthemotordynamics.WhenthemotoriscontrolledbythePIDpositionclosedloop,thevoltagecanbegivenaswhereistheproportionalgainconstant,isthederivativegainconstant,isthe108\n山东科技大学学士学位论文integralgainconstant.andaretheidealangulardisplacementandidealangularvelocityofthecrankrespectively,andandaretheactualangulardisplacementandactualangularvelocityofthecrank,respectively.SubstitutingEq.(26)intoEq.(24),(27)Eq.(27)isthePIDcontrolmodeloftheservomotordynamics.Theproportionalgainconstant,thederivativegainconstantandtheintegralgainconstantareoptimizedbyrunningthesimulationsoftwarewithrealmechanismparametersandmotordata[20].2.4MathematicalmodelfortheelectromechanicalcoupledsystemofthepressCombiningEq.(16)and(27),108\n山东科技大学学士学位论文Let,Then,Eq.(28)canbetransformedintoasystemoffirstorderequations(29)108\n山东科技大学学士学位论文3.SimulationresultsanddiscussionThedynamicbehaviorofthissystemisstudiedbyusingnumericalmethods.ThefourthorderRunge-Kuttamethodischosenastheintegrationtechnique.Thisiscommonlyemployedmethodforintegrationoftheasystemofnonlinearequations.Themotorcurrent,theangulardisplacement,andtheangularvelocityofthecrankaretreatedasunknowns,andthetimeresponseofthemotor-mechanismsystemisobtainedbyintegratingthesystemoffirstorderequationsthroughtime.TheinitialconstantforthevariablesinEq.(29)iszero.ThemotorandmechanismparametersofthehybriddrivenpressaregiveninTable1,Table2[21]andTable3.Thegearratios1nand2ndefinedinEq.(17)are10and20,respectively.TheequivalentmomentofinertiadefinedinEq.(18)isequalto32㎏㎡.Theproportionalgainconstantandderivativegainconstantareobtainedbyusingoptimizationtechnique[20].Theoptimumresultsarefoundtobeand,respectively.Themotioncycleis0.6secondandthesimulationtimeistakenastwomotioncycles.Thesimulationtimestepis0.1667ms.TheformingforceofthepressisgiveninFig.3.Sincezeroinitialconditionsaregivenforthemotorcurrent,thecrankangledisplacementandthecrankangularvelocity,transientsareobservedinthesimulationresults.Thesteadystateisthenachievedinonemotioncycle.Fig.4(a),(b),(c)showthesimulationresultsforthecrankL1(angulardisplacement,velocity,acceleration).Theconstantspeedmotorrotatesat1000rpmandcrankL1has100rpmattheend.Fig.5(a),(b),(c)showthesimulationresultsforthecrank4L(angulardisplacement,velocity,acceleration).Fig.6(a),(b),(c)showthesimulationresultsfortheslider(sliderdisplacement,velocityandacceleration).Theobservationis108\n山东科技大学学士学位论文madefromFig.4(a),(b),(c),thattheoutputvelocity,accelerationresponsecurveoftheconstantspeedmotorisregardedasoscillatory.Thisbehaviorissimplycausedbyinitialconditionsgivenaszeroandtheeffectoftheformingforce.Thetrackingperformancesforangulardisplacement,velocityofcrankL4drivenbytheservomotorisverygoodinthesecondcycle.Simulationresultsofthesliderarewellcorrelatedwiththereferencepoints.108\n山东科技大学学士学位论文108\n山东科技大学学士学位论文108\n山东科技大学学士学位论文4.ConclusionInthiswork,thetheoreticalinvestigationofahybrid-drivenpresswithitsdynamicshasbeendescribed.Astudywasperformedtomodel,simulateandcontrolahybrid-drivenprecisionpressdrivenbyadcmotorandabrushlessservomotor.AccordingtotheLagrangeequation,amathematicalmodelforthehybrid-drivenpresswasdeveloped.Thenthemathematicalmodelwassolvedandsimulatedbyusingnumericalmethod.Bettercorrelationsbetweenthesimulatedresultsandgivencommandwereobtained.Therefore,thefeasibilityofthehybrid-drivenpressforprecisiondrawingisverifiedintheoryandbycomputersimulationAcknowledgmentsTheauthorsaregratefultotheNationalNaturalScienceFoundationofChinaforsupportingthisresearchundergrantNo.andNo.108\n山东科技大学学士学位论文References[1]D.He,Crankpresses,ChinaMachinePress,Beijing,China(1987).[2]D.He,Specialpresses,ChinaMachinePress,Beijing,China(1989).[3]YanHongsenandChenWeiren,Avariableinputspeedapproachforimprovingtheoutputmotioncharacteristicsofwatt-typepresses,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,40(5)(2000)675-690.[4]S.YossifonandR.Shivpuri,Analysisandcomparisonofselectedrotarylinkagedrivesformechanicalpresses,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,33(2)(1993)175-192.[5]S.YossifonandR.Shivpuri,Designconsiderationsfortheelectricservomotordriven30tondoubleknucklepressforprecisionforming,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,33(2)(1993)193-208.[6]S.YossifonandR.Shivpuri,Optimizationofadoubleknucklelinkagedrivewithconstantmechanicaladvantageformechanicalpresses,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,33(2)(1993)209-222.[7]L.C.TokuzandJ.R.Jones,Programmablemodulationofmotionusinghybridmachine,ProceedingofImeche,C414/071(1991)85-92.[8]L.C.Tokuz,Hybridmachinemodelingandcontrol,Ph.D.Thesis,DepartmentofMech.,LiverpoolPolytechnic,UK,(1992).[9]L.C.TokuzandJ.R.Jones,Powertransmissionandflowinthehybridmachines,The6thInternationalMachineDesignandProductionConference,MENU,ANKARA,TURKEY,(1994)209-218.108\n山东科技大学学士学位论文[10]L.C.TokuzandJ.R.Jones,Adesignguideforhybridmachineapplications,TransactionsJournalofEngineeringandEnvironmentSciences,21(1997)1-11.[11]J.D.Greenough,etal,Designofhybridmachine,Proceedingsofthe9thIFToMMworldCongress,(1995)2501-2505.[12]A.M.Conneretal,Thesynthesisofhybridfivebarpathgeneratingmechanismsusinggeneticalgorithms,GeneticAlgorithmsinEngineeringSystem:InnovationsandApplication,(1995)313-318.[13]AliKirecciandL.CananDulger,Astudyonahybridactuator,MechanismandMachineTheory,35(8)(2000)1141-1149.[14]L.C.Dulger,AliKirecciandM.Topalbekiroglu,Modelingandsimulationofahybridactuator,MechanismandMachineTheory,38(5)(2003)395-407.[15]J.Herman,V.DeStraeteandJ.DeSchutter,Hybridcammechanism,IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,1(4)(1996)284-289.[16]BhartenduSethandSeshaSaiVaddi,Programmablefunctiongenerators-Ⅰ:Basefive-barmechanism,MechanismandMachineTheory,38(4)(2003)321-330.[17]SeshaSaiVaddiandBhartenduSeth,Programmablefunctiongenerators-Ⅱ:seven-bartranslatoryoutmechanism,MechanismandMachineTheory,38(4)(2003)331-343.[18]HuiLiandCeZhang,Reaearchonthefeasibilityofhybrid-drivenmechanicalpress.MechanicalScienceandTechnology,23(10)(2004)1253-1256.[19]HuiLi,CeZhangandCaifangMeng,Ahybriddrivennine-barpressforprecisiondrawing,Proceedingsofthe11thWorldCongressinMechanismandMachineScience,Tianjin,China,(2004)1141-1145.[20]HuiLi,Fundamentalstudyonthehybrid-drivenprogrammablemechanicalpress,Ph.D.Thesis,TianjinUniversity,Tianjin,China,(2003).108\n山东科技大学学士学位论文一种混合驱动的新型九杆压力机的动力学建模与分析摘要本文介绍一种新型的混合动力驱动的精密牵引压力机。这种新型的压力机是由九杆联动装置组成，九杆联动装置的两个自由度由输入为定速电机和伺服电机决定。因此，广义坐标是两个曲柄的角位移。动能、势能和广义力矩要被分析。根据直流电机和无刷式伺服电机的等效回路，系统的动态模型和动态位移存在各自成熟独立的负反馈。然后，混合动力压力机的动态模型就会通过使用拉格朗日公式建立起来。这个动态方程就会转化成一阶方程的系统。能够在状态变量中得到六个一阶微分方程。最后，运用龙格库塔法，显式方法被选择作为计算机模拟仿真的整合集成技术。两个马达的电流，两个曲柄的位移和角速度被当做未知量，并且混合动力压力机的时间响应是通过基于时间的一节方程的整合系统来求得的。关键字：混合驱动装置；压力机；动态模型；计算机仿真；伺服电机；机电一体化。108\n山东科技大学学士学位论文1绪论机械压力机广泛应用在金属工业中。滑块连杆装置的单曲柄压力机因为缺少恒定的工作速度，难以做精密的牵引。因此，为了获得恒定的工作速度，机械压力机制造厂商不得不发展多连杆压力机。这些尝试集中于提高压力机的接近和回程速度。为了降低工作行程中滑块的速度，获得恒定的工作速度或者使冲程特性适合于特殊的应用是非常重要的。然而，多连杆压力机对不同的牵引工艺缺乏适应性。为了更好的适应载荷冲程特性，许多研究者开发了一种柔性化的压力机，这种压力机使用一个伺服电机作为动力源。但是，伺服电机的承载能力通常会受到限制。近年来，很多的研究者将更多的精力投入在开发混合动力的驱动装置。这种混合动力的想法是通过将一个大的恒速电机和一个伺服电机通过两个自由度连接来实现的。恒速电机提供系统的主要动力和运动需求，伺服电机作为较小动力的调整装置。所以，混合动力的连接可以提供可编程序的运动输出。混合驱动连接装置最初是Tokuz和Jones提出的。他们使用差动变速箱作为混合动力装置来驱动滑块。Greenough和Brashaw使用七杆的机械装置作为混合驱动连接生成了停歇运动。Conner运用遗传的方法合成了混合机械装置。Kirecci和Dulger提出一种混合执行机构。在这项研究中，准备了包含由一个恒速电机和一个伺服电机驱动的平面二自由度七杆机构。混合执行机构的动力学反应是通过对整个系统的数字化仿真分析得到的。运用拉格朗日方法来得到运动原始的方程式。仿真结果展示出来用来证明通过比例-微分-积分控制器动作建立的模型的能力。Herman展示了一个混合凸轮机械装置。这个混合凸轮机构根据系统需要小的峰值功率和峰值力矩的需要而添加了大量的柔度。Seth和Vaddi引进了可编程控制发生装置的概念。Li和Zhang108\n山东科技大学学士学位论文研究了混合动力机械压力机的可行性。混合动力机械压力机的方案已经提出。一个用来做精确牵引的混合动力九杆机械压力机已经被提出。精确牵引的混合动力机械压力机通过两步交替滑进优化分析来进行优化。连杆机构的维度和伺服电机的动作控制已经被制得。通过对伺服电机位移的适当最优化设计，可以使滑块得到要求的运动轨迹。因此，混合动力机械压力机具有适合精确牵引的灵活的输出运动特征。这是对混合驱动机械压力机优势的分析。在这项研究中，直流电机和无刷伺服电机驱动的混合动力九杆压力机的动力学系统是通过数学建模和仿真来进行研究的。于是，这个系统的动力学方程可以通过数学的方法来导出和求解。龙格库塔法，一个明确的方法，被选择计算机模拟整合的方法。仿真结果被制成动作线图。最后，仿真结果被提出和讨论。108\n山东科技大学学士学位论文2混合动力机械压力机的数学模型2.1混合动力九杆压力机的正向运动学分析图1中所示的混合动力九杆压力机是由一个平面五杆机构、一个曲柄机构和和一个连接杆组成。曲柄L1通过一个常速电机来驱动。曲柄L4通过一个伺服电机驱动。图1中的垂直方向被设定为坐标系的X轴，坐标系被固定在A点。为了增加滑块的负载特性，我们在L72和L8连接的直线处选择一点，在滑块的下死点处。我们把滑块的下死点处作为最初的位移起始点。根据图1，列出下列速度的循环矢量方程：(1)(2)(3)由方程（1）-（3），可以得到下列方程：(4)这里，，，，，，，，，δ为图1中所示的机械系统的尺寸参数。S指的是深冲压过程中所需要的滑块的位移函数，S=S(t)；给出如下：108\n山东科技大学学士学位论文图1.样机的结构示意图(5)通过解方程（4），可以解出角度，，，，，和滑块的位移S。运动学分析的中间步骤可以参考[20]。可以看出九连杆系统中的每个杆的角位移，以及对时间求导后的角速度和角加速度。这些量在动态模型的分析中是必须的，给出如下：108\n山东科技大学学士学位论文2.2九连杆系统的耦合系统方程式108\n山东科技大学学士学位论文通过拉格朗日算法建立了九连杆系统的数学模型。系统运动方程通过使用系统能量函数的表达式来得到，方程的偏导数和对时间的导数和已经建立的广义坐标系有关。机械运动在垂直面并且受重力的作用。假定建立模型和简化计算的是理想条件，马达运行损失不计算在公式之内的。在图1中，Li表示的是第i个杆的长度。使用输入的角度Φ1和Φ4作为二自由度九杆系统的广义坐标下的运动描述（q1=Φ1,q2=Φ4）,拉格朗日方程得出如下：这里，E代表的是动能，V代表的是势能，Qk是杆1和杆4的广义扭矩，qk是广义坐标。动能可以表示为：这儿，是杆i的角速度，和是杆i的质心在X方向和Y方向的速度分量。因此，和可以得出：(10)(11)将方程（3）和（4）代入方程（1），108\n山东科技大学学士学位论文这里J11，J12和J22是二自由度九杆机构的等效转动惯量，它们的关系包含在附页中。系统的势能可以表示为：这里，mi指的是杆i的质量，g指的是重力加速度，xsi指的是杆i的质心在X轴方向上的位移，S指的是滑块的位移。通过虚功原理，可以得到广义的力矩Qk为：这里Md1指的是L1的输入转矩，Md4是L4的输入转矩，Q表示的是滑块的输出力。将微分方程（12）和（13）代入方程（8）中，得到：这是使用广义坐标q1和q2描述的机械系统动作的二阶非线性微分方程系统。方程（15）是个耦合方程，得出的中间步骤和关系参考文献[20].方程（15）可转化为如下式子：这里A0，B0，A11，B11，A12，B12，A22，B22指的是二阶微分方程的系数，这些系数在附录中给出。108\n山东科技大学学士学位论文2.3直流电机的数学模型图2展示的是一台包含一定传动比减速箱的直流电机，齿轮齿数比为：这里ωak是输入轴ak的角速度图2传动机构的几何图形而ωbk是输出轴的角速度，电机齿轮系统的输入电压为Uk，系统的输出转矩Tbk等于方程（14）中定义的Mdk.Rk,Lk,ik分别指的是系统的电阻，电感和电流。轴bk用来连接驱动机械系统的曲柄L1和L4.Bk是合适的粘滞轴承摩擦的阻尼系数，Tlk是一个恒定的机械负载，这个负载由诸如电刷摩擦，齿轮摩擦或者干式轴承摩擦决定的。Jhk是电动机转子，减速装置以及飞轮的复合转动惯量。因为两个直流电机的性能是研究过的，所以我们可以使用相同的电机方程而利用不同的电机参数。纵观整个工作过程，在这里下标k对直流电机来说指的是1，而对无刷伺服电机来说指的是2。Jhk通过下式得出：在上式中，指的是电动机转子的转动惯量，指的是减速系统的等效转动惯量，指的是飞轮的转动惯量。108\n山东科技大学学士学位论文通过基尔霍夫电压定律这里是电动机产生的电动势使用牛顿学说的力学方程式，我们得到在上式中，是电动机的电磁转矩，是通过式（17）定义的齿轮速比系数。电机磁矩和产生的电动势给出如下：在式中，是电机的转矩系数，是电机的反电动势常数。通过观察式将式（21）-（23）代入式（19）-（20）中，我们得出表达式（24）和（25）就是电动机的动力学数学模型。当电动机通过PID位置闭合环路控制时，电压可以得出如下：式中，指的是比例增益系数，指的是微分增益系数，指的是积分增益系数，和分别表示曲柄的理想角位移和角速度。和分别表示曲柄108\n山东科技大学学士学位论文的实际角位移和角速度。将式（26）代入式（27）中，得到：(27)式（27）是伺服电机动力学的PID控制模型。其比例增益系数，微分增益系数，积分增益系数是通过基于运动分析软件对真实机械条件和电机数据的仿真分析优化得到的。2.4压力机几点耦合系统的数学模型合并式子（16）和（27），得到我们假设然后，式（28）可以转化为一阶方程式：,108\n山东科技大学学士学位论文(29)108\n山东科技大学学士学位论文3仿真结果分析及讨论我们通过数学计算的方法得到了这个系统的动态特性。第四阶隆格－库塔法被用来作为综合集成技术。这是非线性方程整合的非常通用的方法。电机电流，曲柄的角位移和角速度被看做是未知的，电机机械系统的时间相应通过整合系统对时间的一阶方程得到的。在（29）式中参数的初始常量恒定为0，混合驱动压力机的马达参数和机械参数通过表1，表2和表3给出式（17）定义的齿轮的齿数和分别为10和20。式中的等效转动惯量定义为32㎏㎡。比例增益系数和微分增益系数通过最优化技术得出。我们发现的最优结果是和。运动的周期是0.6秒并且仿真过程中包含两个运动周期。仿真的时间步长是0.1667ms。压力机的成型力如图3所示，在零初始位置给马达电流，曲柄的角位移，角速度的瞬时值作为仿真测量的结果。然后再在一个运动周期达到稳定状态。图4中的（a）(b)(c)显示了曲柄的仿真结果（包含角位移，角速度）。常速电机的转速为1000转/分，最后曲柄的转速为100转/分。图5中（a）（b）（c）表示曲柄的仿真结果（包含角位移，角速度，角加速度）。图6中（a），（b），（c）表示滑块的仿真结果曲线（包括滑块的位移、速度和加速度）。108\n山东科技大学学士学位论文108\n山东科技大学学士学位论文通过图4（a）（b）（c）108\n山东科技大学学士学位论文我们可以看出，常速电机的速度输出曲线和加速度输出曲线可以看做是振荡的。这种现象的原因完全是因为给定的零初始条件或者力的作用形式的影响。紧接着的由伺服电机驱动的曲柄的角速度和角加速度曲线是非常完美的。滑块的方真结果和参考点能很好的一一对应。108\n山东科技大学学士学位论文4总结在本文中，我们讨论了混合驱动压力机的动力学基础上的理论研究。完成了建模、仿真以及通过直流电机和无刷伺服电机驱动的混合驱动压力机精确输出的研究。通过拉格朗日方程，我们建立了混合驱动压力机的数学模型。然后通过数值分析法解出和模拟出数学方程，并发现仿真结果和给定的要求具有较好的相关性。所以，经过理论计算和计算机仿真，我们得出，混合驱动精确牵引压力机具有很好的可行性。致谢作者感谢国家自然中国科学基金支持本研究，授权号为No.和108\n山东科技大学学士学位论文参考文献[1]D.He,Crankpresses,ChinaMachinePress,Beijing,China(1987).[2]D.He,Specialpresses,ChinaMachinePress,Beijing,China(1989).[3]YanHongsenandChenWeiren,Avariableinputspeedapproachforimprovingtheoutputmotioncharacteristicsofwatt-typepresses,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,40(5)(2000)675-690.[4]S.YossifonandR.Shivpuri,Analysisandcomparisonofselectedrotarylinkagedrivesformechanicalpresses,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,33(2)(1993)175-192.[5]S.YossifonandR.Shivpuri,Designconsiderationsfortheelectricservomotordriven30tondoubleknucklepressforprecisionforming,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,33(2)(1993)193-208.[6]S.YossifonandR.Shivpuri,Optimizationofadoubleknucklelinkagedrivewithconstantmechanicaladvantageformechanicalpresses,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,33(2)(1993)209-222.[7]L.C.TokuzandJ.R.Jones,Programmablemodulationofmotionusinghybridmachine,ProceedingofImeche,C414/071(1991)85-92.[8]L.C.Tokuz,Hybridmachinemodelingandcontrol,Ph.D.Thesis,DepartmentofMech.,LiverpoolPolytechnic,UK,(1992).[9]L.C.TokuzandJ.R.Jones,Powertransmissionandflowinthehybridmachines,The6thInternationalMachineDesignandProductionConference,MENU,ANKARA,TURKEY,(1994)209-218.[10]L.C.TokuzandJ.R.Jones,Adesignguideforhybridmachineapplications,TransactionsJournalofEngineeringandEnvironmentSciences,21(1997)1-11.108\n山东科技大学学士学位论文[11]J.D.Greenough,etal,Designofhybridmachine,Proceedingsofthe9thIFToMMworldCongress,(1995)2501-2505.[12]A.M.Conneretal,Thesynthesisofhybridfivebarpathgeneratingmechanismsusinggeneticalgorithms,GeneticAlgorithmsinEngineeringSystem:InnovationsandApplication,(1995)313-318.[13]AliKirecciandL.CananDulger,Astudyonahybridactuator,MechanismandMachineTheory,35(8)(2000)1141-1149.[14]L.C.Dulger,AliKirecciandM.Topalbekiroglu,Modelingandsimulationofahybridactuator,MechanismandMachineTheory,38(5)(2003)395-407.[15]J.Herman,V.DeStraeteandJ.DeSchutter,Hybridcammechanism,IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,1(4)(1996)284-289.[16]BhartenduSethandSeshaSaiVaddi,Programmablefunctiongenerators-Ⅰ:Basefive-barmechanism,MechanismandMachineTheory,38(4)(2003)321-330.[17]SeshaSaiVaddiandBhartenduSeth,Programmablefunctiongenerators-Ⅱ:seven-bartranslatoryoutmechanism,MechanismandMachineTheory,38(4)(2003)331-343.[18]HuiLiandCeZhang,Reaearchonthefeasibilityofhybrid-drivenmechanicalpress.MechanicalScienceandTechnology,23(10)(2004)1253-1256.[19]HuiLi,CeZhangandCaifangMeng,Ahybriddrivennine-barpressforprecisiondrawing,Proceedingsofthe11thWorldCongressinMechanismandMachineScience,Tianjin,China,(2004)1141-1145.[20]HuiLi,Fundamentalstudyonthehybrid-drivenprogrammablemechanicalpress,Ph.D.Thesis,TianjinUniversity,Tianjin,China,(2003).108