4.2 多連桿壓力機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的多連桿機(jī)構(gòu)按照連桿數(shù)量劃分，主要包括三大類，分別是六連桿機(jī)構(gòu)、八連桿機(jī)構(gòu)和十連桿機(jī)構(gòu)。

4.2.1 六桿機(jī)構(gòu)多連桿壓力機(jī)

六連桿結(jié)構(gòu)的壓力機(jī)可用于較厚鋼板的沖孔、落料、成形等沖壓工藝，一般用于大工藝力的沖壓工作，如在一次沖壓工作中完成重型貨車大梁的落料、成形、沖孔等。其主要特點(diǎn)是機(jī)身機(jī)構(gòu)緊湊、剛性強(qiáng)，沖壓和工藝力比同類型的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械壓力機(jī)大，滿負(fù)荷的工作區(qū)域較長(zhǎng)，下死點(diǎn)附近速度小，工作效率高。曲柄肘桿機(jī)構(gòu)如圖4-1所示，六連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4-2所示。

由于六連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量較多，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，目前采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，多是通過(guò)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，編制優(yōu)化計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。但是在板料拉延成形過(guò)程中，為提高拉延件成形質(zhì)量，一方面要求壓力機(jī)在負(fù)載工作階段具有均勻的沖壓速度，另一方面卻又要求滑塊接觸板料時(shí)速度較低。而上述研究都沒(méi)有將滑塊接觸板料速度作為優(yōu)化目標(biāo)；同時(shí)，上述研究均未考慮由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題，這也就導(dǎo)致相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果難以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

4.2.2 八桿機(jī)構(gòu)多連桿壓力機(jī)

目前國(guó)內(nèi)外機(jī)床行業(yè)主要應(yīng)用的八桿機(jī)構(gòu)如圖4-3和圖4-4所示。整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由偏心軸、搖架、上連桿、下連桿、角架及導(dǎo)柱組成。這種結(jié)構(gòu)的壓力機(jī)適用于薄板沖壓成形、深拉深等工藝工作，多用于大型薄板覆蓋件的大批量生產(chǎn)。八連桿結(jié)構(gòu)的壓力機(jī)，其模具在深拉深工作區(qū)域的沖擊力很小，滿負(fù)荷的工作區(qū)域長(zhǎng)，但由于傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求加工調(diào)試的精度高，使得制造周期長(zhǎng)，因此成本高。

除此種八桿機(jī)構(gòu)外，還有一種對(duì)稱八桿機(jī)構(gòu)和一種雙肘桿機(jī)構(gòu)在壓力機(jī)上也時(shí)有應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形式如圖4-5和圖4-6所示。

對(duì)圖4-4所示結(jié)構(gòu)的分析表明，在給定桿系結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，滑塊的沖壓行程占整個(gè)工作周期較短，其他行程時(shí)間較長(zhǎng)，因此沖壓工作利用效率低，沖壓行程滑塊的位置變化大，未能起到很好的保壓作用，但是滑塊的加速度相對(duì)較小，避免工件承受突變力作用，有利于提高沖壓產(chǎn)品的質(zhì)量。

對(duì)于此種結(jié)構(gòu)而言，可以將其改進(jìn)方向重點(diǎn)放在桿系結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化上，提升其在保壓時(shí)間、滑塊工作行程位置保持等方面的性能。

八桿機(jī)構(gòu)的桿系原理如圖4-7所示。

總體而言，八桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①工作行程較長(zhǎng)且在行程中基本都是滿載荷，因此特別適合比較細(xì)長(zhǎng)零件的加工；②滑塊帶動(dòng)的模具工作時(shí)所受到的沖擊力比較小且平緩；③它的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在對(duì)桿件進(jìn)行加工和裝配時(shí)的精度要求很高；④它的設(shè)計(jì)制造周期一般都很長(zhǎng)，這就造成了加工制造成本較高。

4.2.3 十桿機(jī)構(gòu)多連桿壓力機(jī)

十桿機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于雙動(dòng)壓力機(jī)外滑塊主驅(qū)動(dòng)，其原理如圖4-8所示。

十桿機(jī)構(gòu)常用于閉式雙動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)外滑塊主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)上。其主要特點(diǎn)是能保證滑塊在拉深區(qū)域工作時(shí)，外滑塊能夠按要求壓邊并保證壓邊力在內(nèi)滑塊的整個(gè)拉深過(guò)程中不變化，達(dá)到拉深件不拉裂、不起皺的要求，從而保證拉深件的質(zhì)量。

但相對(duì)于前面的六桿機(jī)構(gòu)與八桿機(jī)構(gòu)而言，十桿機(jī)構(gòu)的適用范圍并沒(méi)有得到最大范圍的擴(kuò)展。之所以造成此種情形，一是因?yàn)楝F(xiàn)有的六桿機(jī)構(gòu)和八桿機(jī)構(gòu)已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)的加工工藝要求，因此對(duì)于新的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有太過(guò)旺盛的需求。二是因?yàn)殡m然多連桿式壓力機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間已經(jīng)不短，但前期的研究主要在六桿機(jī)構(gòu)與八桿機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上，行業(yè)內(nèi)并未對(duì)十桿機(jī)構(gòu)的研究投入太多的精力。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，加工行業(yè)對(duì)于高精度、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、高可控性的機(jī)床的需求會(huì)越來(lái)越旺盛，現(xiàn)有的裝備技術(shù)也將越來(lái)越難以滿足其工藝要求，這就要求對(duì)于除六桿機(jī)構(gòu)和八桿機(jī)構(gòu)之外的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入的研究。

從上面的分析可以看出，相對(duì)于一般的曲柄連桿式壓力機(jī)而言，多連桿機(jī)械式壓力機(jī)拉延時(shí)速度低且均勻，而空行程速度快，生產(chǎn)率高。多連桿壓機(jī)拉深深度大，在允許的速度內(nèi)，多連桿壓機(jī)拉延深度可達(dá)320mm，而一般曲柄壓機(jī)只有70mm左右。多連桿壓機(jī)能以較小的偏心距實(shí)現(xiàn)大的滑塊行程長(zhǎng)度，更好地滿足拉深工藝需要和自動(dòng)化上下料的需要；而且在工作過(guò)程中多連桿機(jī)械壓力機(jī)能有效減小對(duì)模具的沖擊，提高了模具的使用壽命。

多連桿機(jī)械式壓力機(jī)的滑塊在工作過(guò)程中速度較低且近似為勻速運(yùn)動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)能有效地降低材料的變形，符合板料沖壓過(guò)程對(duì)速度的要求，可以有效提高成形件的質(zhì)量。與此同時(shí)，由于減少了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)載荷，從而提高了模具的使用壽命，降低了整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊產(chǎn)生的噪聲，優(yōu)化了工作環(huán)境。此外，滑塊空行程時(shí)運(yùn)動(dòng)速度較高，具有急回的特性，滑塊運(yùn)行的循環(huán)時(shí)間大大縮短，壓力機(jī)的行程次數(shù)大大提高。

而將六桿機(jī)構(gòu)、八桿機(jī)構(gòu)和十桿機(jī)構(gòu)綜合比較的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，六桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)在下死點(diǎn)附近的速度較小；八桿機(jī)構(gòu)在其負(fù)荷工作區(qū)域內(nèi)的速度幾乎為恒速；十桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)壓力機(jī)外滑塊在其下死點(diǎn)時(shí)，行程在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于幾乎停止的狀態(tài)，以保證內(nèi)滑塊完成整個(gè)拉深工作行程。

4.2.4 其他結(jié)構(gòu)多連桿壓力機(jī)

除常用的六桿機(jī)構(gòu)、八桿機(jī)構(gòu)及十桿機(jī)構(gòu)外，國(guó)內(nèi)外目前還在進(jìn)行其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究，如可控六桿機(jī)構(gòu)、混合驅(qū)動(dòng)七桿機(jī)構(gòu)、混合驅(qū)動(dòng)九桿機(jī)構(gòu)等。

1．可控六桿機(jī)構(gòu)

可控六桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)如圖4-9所示，從圖中可以看出此機(jī)構(gòu)為二自由度機(jī)構(gòu)，這一點(diǎn)與類四桿五桿機(jī)構(gòu)相似，因此當(dāng)機(jī)構(gòu)的兩輸入運(yùn)動(dòng)都由常規(guī)電動(dòng)機(jī)提供時(shí)，將此機(jī)構(gòu)稱為類五桿六桿機(jī)構(gòu)。類五桿六桿機(jī)構(gòu)通過(guò)改變或修正五桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，使機(jī)構(gòu)在常規(guī)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下減小運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償量，所輸出的軌跡更接近要實(shí)現(xiàn)的軌跡，從而降低對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求，既能很好地實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)又具有較好的動(dòng)力學(xué)性能。此機(jī)構(gòu)在原五桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了調(diào)節(jié)桿2，在機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分加入了可調(diào)環(huán)節(jié)（由桿1、桿2以及齒輪構(gòu)成），這樣構(gòu)造的混合驅(qū)動(dòng)可控機(jī)構(gòu)系統(tǒng)有機(jī)械可調(diào)部分和可控電動(dòng)機(jī)（桿5）兩個(gè)柔性環(huán)節(jié)，其機(jī)構(gòu)特性仍然具有混合驅(qū)動(dòng)可控機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、柔性大大增加。

此類五桿六桿機(jī)構(gòu)不但具備了原混合驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)和類四桿五桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且與上述兩機(jī)構(gòu)相比，此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出軌跡更為豐富，輸出運(yùn)動(dòng)特性更易于調(diào)整，能夠很好地實(shí)現(xiàn)上述想法。在實(shí)現(xiàn)給定軌跡時(shí)可大大減小伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償量，使機(jī)構(gòu)獲得良好的動(dòng)力學(xué)性能成為可能。

2．混合驅(qū)動(dòng)的七桿機(jī)構(gòu)

混合驅(qū)動(dòng)七桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。多桿壓力機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它要求的制造精度和裝配精度很高，最關(guān)鍵的是一旦它的結(jié)構(gòu)確定下來(lái)，滑塊的輸出加工曲線也就定了下來(lái)，只能在一定程度上改善壓力機(jī)的性能，完全沒(méi)有柔性。因此，它并不能滿足現(xiàn)代制造中柔性制造的要求。混合驅(qū)動(dòng)七桿結(jié)構(gòu)壓力機(jī)就是為了解決多連桿壓力機(jī)的此種問(wèn)題而研制的。

用于混合驅(qū)動(dòng)的七桿機(jī)構(gòu)必須要有三個(gè)活動(dòng)構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接到機(jī)架上，其中兩個(gè)作為輸入，一個(gè)作為輸出。而且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)軸的運(yùn)動(dòng)要求不完全依賴于其他某一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，而是依賴于另外兩個(gè)軸的組合運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)過(guò)程是從分析混合驅(qū)動(dòng)七桿機(jī)構(gòu)的奇異性入手，對(duì)混合驅(qū)動(dòng)七桿機(jī)構(gòu)的可動(dòng)性條件進(jìn)行了分析，討論了避免奇異位形的條件，給出了可動(dòng)性條件。然后，從正運(yùn)動(dòng)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩方面對(duì)該混合驅(qū)動(dòng)可控壓力機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。計(jì)算出了七桿機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的位置、速度、加速度。正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就是已知常速電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)求滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)就是已知常速電動(dòng)機(jī)和滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)求伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，從而達(dá)到控制伺服電動(dòng)機(jī)的目的。從實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的意義更大。

3．六桿機(jī)構(gòu)伺服壓力機(jī)

現(xiàn)有的六桿機(jī)構(gòu)主要包含三類，一類是基本的曲軸-肘桿機(jī)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)的壓力機(jī)主要根據(jù)上下兩個(gè)連桿的長(zhǎng)度是否相等分為等長(zhǎng)肘桿機(jī)構(gòu)與不等長(zhǎng)肘桿機(jī)構(gòu)。兩種機(jī)構(gòu)的滑塊行程和工作行程都不大，增力效果根據(jù)兩連桿的長(zhǎng)度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

還有一類是三角肘桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4-11～圖4-13所示。其中圖4-11所示為上三角肘桿機(jī)構(gòu)，圖4-12所示為中央三角肘桿機(jī)構(gòu)，圖4-13所示為下三角肘桿機(jī)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)中，上三角肘桿機(jī)構(gòu)相對(duì)于普通肘桿機(jī)構(gòu)而言，最大速度偏高，但是平均速度略低于普通肘桿機(jī)構(gòu)，加工效率偏低。同時(shí)最大加速度明顯大于普通肘桿結(jié)構(gòu)。而過(guò)大的加速度會(huì)增加機(jī)構(gòu)的慣性力，從而增加電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。工作行程內(nèi)上三角肘桿機(jī)構(gòu)同普通肘桿機(jī)構(gòu)所能提供的壓力相比相差不大。所以上三角肘桿機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)化方向?yàn)闇p小機(jī)構(gòu)的加速度的同時(shí)提升其在增力比方面的優(yōu)勢(shì)。

圖4-12所示的中間三角肘桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和肘桿機(jī)構(gòu)的速度及加速度和位移的關(guān)系曲線基本相似。二者速度-位移曲線幾乎重合。前者的滑塊加速度在上死點(diǎn)附近有劇烈的變化，后者則比較平穩(wěn)。但中央三角肘桿機(jī)構(gòu)在距下死點(diǎn)150mm的距離內(nèi)的增力比都保持在4以上，這是普通的肘桿機(jī)構(gòu)所不能比擬的。相對(duì)于上三角肘桿機(jī)構(gòu)與中央三角肘桿機(jī)構(gòu)而言，下三角肘桿機(jī)構(gòu)的性能同普通的曲軸-肘桿相比并沒(méi)有什么特別突出的地方。

除了上述提到的兩大類六桿機(jī)構(gòu)外，還有包括對(duì)稱六桿機(jī)構(gòu)等其他機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。