一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)及運動規(guī)劃方法與流程

本發(fā)明屬于機械工程技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)及運動規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

由于精沖零件具有尺寸公差小，形狀精度高，沖裁面光潔，表面平整，垂直度和互換性好等優(yōu)點。市場對于精沖零件需求不斷增大，人們迫切需要一種高效、高精度的精沖設(shè)備來進行大批量生產(chǎn)精沖零件。傳統(tǒng)的單伺服輸入驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)或肘桿機構(gòu)為了滿足滑塊行程要求，其曲柄半徑不低于某下限值，而過大曲柄半徑限制著機構(gòu)的增益。即在滿足一定的滑塊行程時，還需要電機輸出較大的扭矩；而混合輸入驅(qū)動的工作機構(gòu)存在常規(guī)電機運動不可控而影響滑塊運動特性的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)及運動規(guī)劃方法，以滿足高速精沖過程滑塊行程、公稱行程內(nèi)的速度和公稱力的多重要求的前提下，提高精沖壓力機的工作效率。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)，包括第一曲柄、第一連桿、第二連桿、第二曲柄、第三連桿、滑塊和機架，其特征在于，所述第一曲柄的一端與機架相鉸接，另一端與第一連桿的一端相鉸接，第一連桿的另一端均與第二連桿及第三連桿的一端相鉸接，第二連桿的另一端與第二曲柄的一端相鉸接，第二曲柄的另一端與機架相鉸接，第三連桿的另一端與滑塊相鉸接，滑塊沿導(dǎo)軌豎直滑動，第一伺服電機驅(qū)動第一曲柄繞鉸接點旋轉(zhuǎn)，第二伺服電機驅(qū)動第二曲柄繞鉸接點旋轉(zhuǎn)。

按上述方案，所述第一曲柄的一端與機架的鉸接點與第二曲柄的另一端與機架的鉸接點的水平距離為第三連桿與第二曲柄的長度之差，豎直距離為第二連桿與第一曲柄的長度之和，第一曲柄的一端與機架的鉸接點與第三連桿的另一端與滑塊的鉸接點位于同一直線上。

按上述方案，所述第一曲柄的長度小于第二曲柄的長度。

一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)的運動規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

a)確定兩伺服電機關(guān)鍵相位角，根據(jù)伺服機械精沖壓力機的工藝過程，在一個工作周期內(nèi)，滑塊分為三個控制階段，包括由運行起點快速到達沖裁起始點的快速閉合階段、由沖裁起始點慢速到達沖裁終止點的慢速沖裁階段、由沖裁終止點快速到達運行起始點的快速回程階段，確定滑塊的運行起始點、沖裁起始點、沖裁終止點及對應(yīng)兩伺服電機的運行起始相位角、沖裁起始相位角、沖裁終止相位角；

b)兩伺服電機柔性加減速規(guī)劃，起始和終止位置的加速度和加加速度為零，從加加速度構(gòu)造函數(shù)j(t)：

其中，x為系數(shù)，t為一個加速周期，t0為加(減)速初始時間，

根據(jù)j(t)可推導(dǎo)出加速度函數(shù)為a(t)為：其中，c1為常數(shù)系數(shù)，根據(jù)a(t)可推導(dǎo)出速度函數(shù)v(t)為：

其中，c2為常數(shù)系數(shù)，根據(jù)v(t)可推導(dǎo)出位移函數(shù)s(t)為：

設(shè)v0為加(減)速初始速度，v1為加(減)速后的速度，根據(jù)邊界條件，當(dāng)t＝0時，a(0)＝0，v(0)＝v0，s(0)＝s0，當(dāng)t＝t0+t時，a(t1)＝0，v(t1)＝v1-v0，因此解得

設(shè)伺服電機的最大加速度為amax，則a(t)≤amax，即，

為充分發(fā)揮系統(tǒng)的運動能力，縮短加速周期，提高生產(chǎn)效率，取等號，則有：

因此，可解得加速過程的加加速度j(t)，加速度a(t)，速度v(t)，位移函數(shù)s(t)如下所示：

c)兩伺服電機運動規(guī)劃，

閉合階段：第一伺服電機在運行起始相位角以角速度w11勻速運行至靠近沖裁起始相位角后減速到w12，到達沖裁起始相位角；第二伺服電機在運行起始相位角以角速度w21勻速運行至靠近沖裁起始相位角后減速到0，到達沖裁起始相位角；

閉合階段第一伺服電機的勻速時間為t11，減速時間為t12；第二伺服電機的勻速時間為t21，減速時間為t22；根據(jù)上述伺服電機加減速方法、兩伺服電機的三個關(guān)鍵相位角、以及電機特性可確定：

其中，a1max為第一伺服電機的最大加速度，a2max為第二伺服電機的最大加速度，

因此第一伺服電機的閉合時間t1為：

第二伺服電機的閉合時間t2為：

設(shè)第一伺服電機的最大轉(zhuǎn)速為w1max，第二伺服電機的最大轉(zhuǎn)速為w2max，根據(jù)一般伺服的電機特性和數(shù)學(xué)關(guān)系，當(dāng)w11和w21分別取兩伺服電機的最大轉(zhuǎn)速時，各自的閉合階段時間達到最小值，即：

兩伺服電機在閉合階段的時間相等即：t1＝t2；為了最大限度地縮短空程時間且兩伺服電機能夠同時滿足運動要求則閉合階段的時間可確定如下：

w12可根據(jù)沖裁速度v，伺服電機1的沖裁起始相位角和沖裁終止相位角、機構(gòu)特性確定如下：當(dāng)α≥0.5π時：

當(dāng)0＜α＜0.5π時：

其中r為上述第一曲柄的長度，l為第一連桿與第二連桿長度之和；

所述w11根據(jù)第一伺服電機的運行起始相位角和沖裁起始相位角、閉合階段時間、w12、第一伺服電機電機特性確定如下：

沖裁階段：第一伺服電機在沖裁起始相位角以角速度w12勻速運行到?jīng)_裁終止相位角；第二伺服電機保持速度為0，

沖裁時間t3根據(jù)第一伺服電機的沖裁起始相位角和沖裁終止相位角、w12確定如下：

w21根據(jù)第二伺服電機的運行起始相位角和沖裁起始相位角、閉合階段時間、第二伺服電機電機特性確定如下：

回程階段：兩伺服電機快速回程階段的運動軌跡與快速閉合階段的運動軌跡分別關(guān)于兩伺服電機的運行起始相位對稱，第一伺服電機在沖裁終止相位角由角速度w12加速到角速度w11后以角速度w11勻速運行到運行起始相位角，第二伺服電機2在沖裁終止相位角由角速度0加速到角速度w21后以角速度w21勻速運行到運行起始相位角，

回程階段第一伺服電機的勻速時間為t11，加速時間為t12；第二伺服電機的勻速時間為t21，加速時間為t22，

根據(jù)上述方案，第一伺服電機在一個工作周期內(nèi)的運動軌跡規(guī)劃w1(t)為：

根據(jù)上述方案，第二伺服電機在一個工作周期內(nèi)的運動軌跡規(guī)劃w2(t)為：

按上述方案，所述步驟a)中包括如下內(nèi)容：選取滑塊能夠達到的最高點作為沖裁終止點，此時第一曲柄、第一連桿、第三連桿共線，第二曲柄與第二連桿反共線，從而可確定滑塊在沖裁終止點時兩伺服電機的沖裁終止相位角，確定滑塊的沖裁終止點后，滑塊的沖裁起始點由沖裁板厚決定，即沖裁板厚等于滑塊沖裁起始點與沖裁終止點的距離，沖裁過程中，第二伺服電機始終處于沖裁終止相位角，即確定第二伺服電機的沖裁起始相位角等于沖裁終止相位角，即可確定第一伺服電機的起始相位角，設(shè)α為第一伺服電機的沖裁起始相位和終止相位的夾角，設(shè)第一伺服電機、第二伺服電機在閉合和回程階段的轉(zhuǎn)角相等，確定第一伺

服電機的運行起始相位與沖裁起始相位的夾角為π-0.5α，第二伺服電機的運行起始相位與沖裁起始相位的夾角為π。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)及運動規(guī)劃方法，兩伺服電機的驅(qū)動輸入通過一個二自由度七桿機構(gòu)合成滑塊的輸出運動，并對兩伺服電機在快速閉合階段、慢速沖裁階段、快速回程階段進行運動規(guī)劃，從而實現(xiàn)滿足高速精沖過程中滑塊行程、公稱行程內(nèi)的速度和公稱力多重要求的前提下，提高精沖機的工作效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的精沖壓力機主傳動機構(gòu)的示意圖。

圖2為本發(fā)明的滑塊運動過程示意圖。

圖3為本發(fā)明的伺服電機1關(guān)鍵相位角的示意圖。

圖4為本發(fā)明的伺服電機2關(guān)鍵相位角的示意圖。

圖5為本發(fā)明的電機加減速方法的電機轉(zhuǎn)角的示意圖。

圖6為本發(fā)明的電機加減速方法的電機速度的示意圖。

圖7為本發(fā)明的電機加減速方法的電機加速度的示意圖。

圖8為本發(fā)明的電機加減速方法的電機加加速度的示意圖。

圖9為本發(fā)明的實例中沖裁8mm板厚兩伺服電機運動規(guī)劃示意圖。

其中：1.第一曲柄，2.第一連桿，3.第二連桿，4.第二曲柄，5.第三連桿，6.滑塊，7.機架，8.導(dǎo)軌。

具體實施方式

為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

一種伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)，具體設(shè)計如圖1所示，包括第一曲柄1、第一連桿2、第二連桿3、第二曲柄4、第三連桿5、滑塊6和機架7，其第一曲柄的一端與機架相鉸接，另一端與第一連桿的一端相鉸接，第一連桿的另一端均與第二連桿及第三連桿的一端相鉸接，第二連桿的另一端與第二曲柄的一端相鉸接，第二曲柄的另一端與機架相鉸接，第三連桿的另一端與滑塊相鉸接，滑塊沿導(dǎo)軌8豎直滑動，第一伺服電機驅(qū)動第一曲柄繞鉸接點旋轉(zhuǎn)，第二伺服電機驅(qū)動第二曲柄繞鉸接點旋轉(zhuǎn)。根據(jù)精沖工藝過程的要求，滑塊行程速度的變化滿足快速閉合、慢速沖裁、快速回程的要求。在快速閉合和快速回程階段，滑塊的行程較大，需要系統(tǒng)提供的力較小。在慢速沖裁階段，滑塊的行程較小，需要系統(tǒng)提供的力較大。因此選取兩個伺服電機協(xié)調(diào)控制兩個曲柄，并再通過三根連桿將兩個曲柄與滑塊連在一起。

為了方便設(shè)計計算，容易找到滑塊的最高點，第一曲柄的一端與機架的鉸接點與第二曲柄的另一端與機架的鉸接點的水平距離為第三連桿與第二曲柄的長度之差，豎直距離為第二連桿與第一曲柄的長度之和，第一曲柄的一端與機架的鉸接點與第三連桿的另一端與滑塊的鉸接點位于同一直線上。這樣，當(dāng)?shù)谝磺?、第一連桿和第三連桿共線，第二曲柄和第二連桿反共線時，滑塊處于最高點位置。其中鉸接點之間的距離主要根據(jù)裝配需要進行設(shè)計確定。第一曲柄、第二曲柄分別與兩個伺服電機連接，做旋轉(zhuǎn)運動。在沖裁階段，主要由第一伺服電機驅(qū)動第一曲柄的旋轉(zhuǎn)提供滑塊行程和沖裁力，因此第一曲柄的長度可根據(jù)最大沖裁板厚設(shè)計確定；在閉合和回程階段主要有第二伺服電機驅(qū)動第二曲柄旋轉(zhuǎn)提供滑塊行程和力，因此第二曲柄的長度根據(jù)裝配空間和所需空程行程設(shè)計確定。機械精沖機采用這種雙伺服電機驅(qū)動方式，第一曲柄的長度小于第二曲柄的長度，第一曲柄的長度較小，以減小驅(qū)動第一曲柄的伺服電機受到的扭矩，第二曲柄的長度較大，使滑塊行程滿足設(shè)計要求。

當(dāng)確定主傳動機構(gòu)后，需根據(jù)精沖工藝要求，規(guī)劃兩伺服電機的運動以滿足高速精沖過程滑塊行程、公稱行程內(nèi)的速度和公稱力的多重要求，從而在伺服電機最大輸出扭矩的前提下，提高精沖壓力機的工作效率。因此本文還提供一種上述伺服機械精沖壓力機的運動規(guī)劃方法，步驟如下：

1)確定兩伺服電機關(guān)鍵相位角；

根據(jù)伺服機械精沖機的工藝過程，在一個工作周期內(nèi)，滑塊一般分為三個控制階段，如圖2所示，滑塊由運行起點快速到達沖裁起始點的快速閉合階段；滑塊由沖裁起始點慢速到達沖裁終止點的慢速沖裁階段；滑塊由沖裁終止點快速到達運行起始點的快速回程階段。因此需先確定滑塊的運行起始點、沖裁起始點、沖裁終止點及對應(yīng)兩伺服電機的運行起始相位角、沖裁起始相位角、沖裁終止相位角。

為了保證系統(tǒng)有較高的上死點精度以及防止過沖保護模具，選取滑塊能夠達到的最高點作為沖裁終止點，此時第一曲柄、第一連桿、第三連桿共線，第二曲柄與第二連桿反共線，從而可確定滑塊在沖裁終止點時兩伺服電機的沖裁終止相位角。

確定滑塊的沖裁終止點后，滑塊的沖裁起始點由沖裁板厚決定，即沖裁板厚等于滑塊沖裁起始點與沖裁終止點的距離。由受力分析可知，第二伺服電機處于沖裁終止相位角時，不會因滑塊受到?jīng)_裁力而承受較大的扭矩，因此在沖裁過程中，讓第二伺服電機始終處于沖裁終止相位角，即確定第二伺服電機的沖裁起始相位角等于沖裁終止相位角。確定滑塊的沖裁起始點和第二伺服電機的沖裁起始相位角后即可確定第一伺服電機的起始相位角，設(shè)α為第一伺服電機的沖裁起始相位和終止相位的夾角。

為了便于伺服電機運動規(guī)劃，同時使滑塊擁有較大的行程，且使系統(tǒng)能夠更平穩(wěn)高效地運行，設(shè)置第一伺服電機、第二伺服電機在閉合和回程階段的轉(zhuǎn)角相等。即第一伺服電機和第二伺服電機在快速閉合階段的運行起始相位到?jīng)_裁起始相位的夾角與回程階段的沖裁終止相位到運行起始相位的夾角分別相等，因此確定第一伺服電機的運行起始相位與沖裁起始相位的夾角為π-0.5α，第二伺服電機的運行起始相位與沖裁起始相位的夾角為π。第一伺服電機的關(guān)鍵相位角如圖3所示，第二伺服電機的關(guān)鍵相位角如圖4所示。

2)兩伺服電機柔性加減速方法；

上述伺服機械精沖機的工藝過程包含快速閉合、慢速沖裁、快速回程三個工作階段，因此電機需進行劇烈的加減速變化，所述一種電機柔性加減速方法其特征在于：速度變化平穩(wěn)，加速度變化連續(xù)，起始和終止位置的加速度和加加速度為零。

從加加速度構(gòu)造函數(shù)j(t)：

其中，x為系數(shù)，t為一個加速周期，t0為加(減)速初始時間。根據(jù)構(gòu)造的加加速度函數(shù)可推導(dǎo)出加速度函數(shù)為a(t)為：

其中，c1為常數(shù)系數(shù)，根據(jù)加速度函數(shù)可推導(dǎo)出速度函數(shù)v(t)為：

其中c2為常數(shù)系數(shù)，根據(jù)速度函數(shù)可推導(dǎo)出位移函數(shù)s(t)為：

設(shè)v0為加速初始速度，v1為加(減)速后的速度，根據(jù)邊界條件，當(dāng)t＝0時，a(0)＝0，v(0)＝v0，s(0)＝s0，當(dāng)t＝t0+t時，a(t1)＝0，v(t1)＝v1-v0。因此解得

設(shè)伺服電機的最大加速度為amax，則a(t)≤amax，即

為充分發(fā)揮系統(tǒng)的運動能力，縮短加速周期，提高生產(chǎn)效率，可取等號，則有：

因此，可解得加速過程的加加速度j(t)，加速度a(t)，速度v(t)，位移函數(shù)s(t)如下所示：

以電機在一個加速周期t內(nèi)由w0加速到w1及由w1減速w0到為例：電機轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系如圖5所示，表明電機在加速和減速時所轉(zhuǎn)過的角度是一樣的。電機角速度與時間的關(guān)系如圖6所示，加速時電機速度由w0成s型曲線增大到w1，減速時電機速度由w1成反s型曲線減小到w0。電機加速度與時間的關(guān)系如圖7所示，加速時電機的的加速度由0先增大到最大值后減小到0，減速時電機的加速度由0先減小到最小值后增大到0。電機的加加速度與時間的關(guān)系如圖8所示，電機加加速度由0先增大到最大值后減小到最小值再增大到0，減速時電機加加速度由0先減小到最小值后增大到最大值再減小到0。

3)兩伺服電機運動規(guī)劃方法；

閉合階段：第一伺服電機在運行起始相位角以角速度w11勻速運行至靠近沖裁起始相位角后減速到w12，到達沖裁起始相位角；第二伺服電機在運行起始相位角以角速度w21勻速運行至靠近沖裁起始相位角后減速到0，到達沖裁起始相位角。

閉合階段第一伺服電機的勻速時間為t11，減速時間為t12；第二伺服電機的勻速時間為t21，減速時間為t22；根據(jù)上述電機加減速方法、兩伺服電機的三個關(guān)鍵相位角、以及電機特性可確定：

其中，a1max為伺服電機1的最大加速度，a2max為伺服電機2的最大加速度。

因此伺服電機1的閉合時間t1為：

第二伺服電機的閉合時間t2為：

設(shè)第一伺服電機的最大轉(zhuǎn)速為w1max，第二伺服電機的最大轉(zhuǎn)速為w2max，根據(jù)一般伺服的電機特性和數(shù)學(xué)關(guān)系，當(dāng)w11和w21分別取兩伺服電機的最大轉(zhuǎn)速時，各自的閉合階段時間達到最小值，即：

所述兩伺服電機在閉合階段的時間相等即：t1＝t2；為了最大限度地縮短空程時間且兩伺服電機能夠同時滿足運動要求則閉合階段的時間可確定如下：

w12可根據(jù)沖裁速度v，第一伺服電機的沖裁起始相位角和沖裁終止相位角、機構(gòu)特性確定如下：當(dāng)α≥0.5π時：

當(dāng)0＜α＜0.5π時：

其中r為上述第一曲柄的長度，l為第一連桿與第二連桿長度之和；

w11根據(jù)第一伺服電機的運行起始相位角和沖裁起始相位角、閉合階段時間、w12、第一伺服電機電機特性確定如下：

沖裁階段：第一伺服電機在沖裁起始相位角以角速度w12勻速運行到?jīng)_裁終止相位角；第二伺服電機保持速度為0；

沖裁時間t3根據(jù)伺服電機1的沖裁起始相位角和沖裁終止相位角、w12確定如下：

w21根據(jù)第二伺服電機的運行起始相位角和沖裁起始相位角、閉合階段時間、第二伺服電機特性確定如下：

回程階段：兩伺服電機快速回程階段的運動軌跡與快速閉合階段的運動軌跡分別關(guān)于兩伺服電機的運行起始相位對稱。第一伺服電機在沖裁終止相位角由角速度w12加速到角速度w11后以角速度w11勻速運行到運行起始相位角，第二伺服電機在沖裁終止相位角由角速度0加速到角速度w21后以角速度w21勻速運行到運行起始相位角；

回程階段第一伺服電機的勻速時間為t1，加速時間為t2；第二伺服電機的勻速時間為t3；

第一伺服電機在一個工作周期內(nèi)的運動軌跡規(guī)劃w1(t)為：

根據(jù)上述方案，第二伺服電機在一個工作周期內(nèi)的運動軌跡規(guī)劃w2(t)為：

如圖9所示，以最大沖裁板厚為8mm，滑塊行程為67mm的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)設(shè)計伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上選取第一伺服電機驅(qū)動第一曲柄的最大加速度為(500π/3)rad/s²,最大速度為(20π/3)rad/s；第二伺服電機的最大加速度為(1000π/3)rad/s²,最大速度為10πrad/s以沖裁板厚為8mm，沖裁速度小于50mm/s的具體實例對兩伺服電機的運動進行規(guī)劃：

(1)伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)的設(shè)計；

根據(jù)高速伺服機械精沖壓力機主傳動機構(gòu)的設(shè)計方法設(shè)計第一曲柄的長度為5mm，第一連桿的長度為360mm，第二連桿的長度為360mm，第二曲柄的長度為73mm，第三連桿的長度為360mm；

(2)高速伺服機械精沖壓力機的運動規(guī)劃；

1)確定兩伺服電機關(guān)鍵相位角

根據(jù)確定伺服電機關(guān)鍵相位角的方法設(shè)計第一伺服電機和第二伺服電機的運動起始相位角、沖裁起始相位角、沖裁終止相位角，其中第一伺服電機的沖裁起始相位和終止相位的夾角α為2.2115rad，第一伺服電機的運行起始相位與沖裁起始相位的夾角為2.0358rad；

2)兩伺服電機運動軌跡規(guī)劃

閉合階段：第一伺服電機在運行起始相位角以角速度w11勻速運行至靠近沖裁起始相位角后減速到w12，到達沖裁起始相位角；第二伺服電機在運行起始相位角以角速度w21勻速運行至靠近沖裁起始相位角后減速到0，到達沖裁起始相位角；

閉合階段第一伺服電機的勻速時間為t11，減速時間為t12；第二伺服電機的勻速時間為t21，減速時間為t22；

w11、w12、t11、t12、w21、t21、t22可根據(jù)精沖機的運動規(guī)劃方法確定如下：

t1＝t2＝0.13s

w21＝w2max＝10πrad/s。