三角肘杆伺服压力机机构优化设计及性能分析研究

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压力机广泛应用于钢材的落料、冲裁、弯曲、翻边和拉深成形等工艺,是机械、电子、汽车、军工、冶金化工、航空航天等重要工业领域不可缺少的制造装备。作为第三代压力机的伺服压力机实现了高新技术和传统机械技术的结合,实现了冲压设备的数字控制,具有高效节能、柔性加工等诸多特点。本文所研究的三角肘杆伺服压力机可显著提高压力机单位功率出力,从而降低整机驱动功率,达到高效节能目的,具有重要的科学意义而且具有工程应用价值。  本文在分析伺服压力机机构构型特点基础上,以具有三角肘杆式传动机构的伺服压力机为研究对象,较系统地进行了结构和特性分析、运动学和动力学建模仿真与分析、三角肘杆机构的优化设计方法及关键技术等方面的分析与研究,取得了一定创新性的研究成果。  1.应用回路矢量法建立了三角肘杆机构的正、逆运动学数学模型,分别求出了滑块的位移、速度、加速度的解析表达式,绘制运动性能曲线并进行了运动学分析;同时考虑了伺服压力机的滑块运动可控特性,根据逆解构造了十一阶多项式拟合运动曲线,为进行压力机的动态静力分析、传动系统优化、动力学模型的建立奠定了基础。  2.就优化设计而言,在目前大功率伺服电机引进、开发应用受限的情况下,有关节能降耗的优化研究尤为重要。针对节能机型的设计,在保证获得相同输出力的前提下输入有效扭矩最小为优化目标是一种新的研究思路。  3.以一个工作循环内平均有效扭矩最小为优化目标,基于有限元法的基本思想将压力机机构划分为局部子域进行尺寸分析,得出杆长与有效扭矩变化关系的性能图谱,并确定局部优质解范围;在此基础之上,利用惩罚函数优化方法的基本思想建立约束条件,确定最优解,同时考虑曲柄轴心位置对有效扭矩所产生的影响并且进行了优化分析,从而给出全局优化结果。基于MATLAB进行计算机辅助分析,通过优化实例说明优化后机构的各项性能得到了改善和提高,从而达到节能降耗目的。  4.考虑伺服压力机的滑块运动可控特性,根据所需滑块运动曲线建立目标函数,在逆解的基础上采用序列二次规划法(SQP)求解约束优化问题,得到优化后的系统几何参数。  5.从三种角度出发分别进行了静力学分析、动态静力分析和动力学分析。首先在不考虑摩擦、忽略重力情况下,对伺服压力机三角肘杆机构进行了静力分析;根据达朗贝尔原理,考虑各构件的惯性力,列出各构件的力和力矩平衡方程,基于伺服压力机的动态静力分析模型进行了动态静力分析;应用拉格朗日方程建立了三角肘杆机构的动力学模型。  6.对三角肘杆伺服压力机机构进行了建模和3D模拟仿真,通过运动学及动力学仿真分析说明该机构运动轨迹输出的正确性并且具有较好的运动性能,仿真分析结果验证了伺服压力机三角肘杆机构的有效性和理论分析的正确性,为下一步进行压力机的实验研究奠定了基础,提供了有利的数据支持。  论文工作构成了伺服压力机及其传动机构设计理论体系的有机内容,为伺服压力机的工程应用奠定了坚实的基础。
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