基于Adams的多连杆机械式压力机动力学分析

夏 链，肖传清，韩 江，王玉山，何 亮

(1．合肥工业大学机械与汽车工程学院CIMS研究所，安徽 合肥 230009;2．合肥锻压集团有限公司，安徽 合肥 230009)

0 前言

锻压机床作为工业基础装备的重要组成部分之一，在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要部门得到广泛应用。近年来，以汽车为龙头的制造业飞速发展，大大推动了我国冲压生产的进步。本文对多连杆机械式压力机的传动系统进行数学建模，然后建立其三维模型并使用动力学分析软件Adams对其进行动力学分析，验证该结构的可行性，为企业制造加工该型号多连杆机械式压力机提供理论依据。

1 多连杆机械式压力机结构

图1为多连杆机械式压力机传动部分，其工作原理为电动机通过皮带连接带动偏心轮1转动，然后通过上拉杆2、上摇杆3、下摇杆5(上摇杆3与下摇杆5在摇杆轴4处焊接联接)、下拉杆6、三角架7、导柱8带动滑块运动，滑块下端安装冲压模具，从而完成整个冲压过程。

2 多连杆压力机数学建模与仿真分析

2.1 传动机构数学建模

图2为传动部分结构简图，由该简图可知其为八连杆杆组机构，在此采用模块化方法将该机构分为三个模块(二级机构)分别进行运动分析，得出运动方程。

第一模块如图3所示，该机构以oo1为机架，l1为原动件，l3为从动件，机构自由度为1。已知条件:各杆l1、l2、l3的杆长，l1杆的初始角度，o1点的x、y坐标;所求量:杆l2、l3与x轴正向的夹角。

图3 第一模块Fig.3 First module

由解析法列出运动方程

由方程得

第二模块如图4所示，该机构以oo1为机架，l1、l4为原动件，l6为从动件，机构自由度为2。已知条件:各杆l1、l4、l5、l6的杆长，l1、l4杆的初始角度φ1、φ4=φ3+α，α为杆l3与杆l4的夹角，o1点的x、y坐标;所求量:杆l5、l6与x轴正向的夹角。

图4 第二模块Fig.4 Second module

由解析法列出运动方程

由方程求得:

第三模块如图5所示，该机构以y轴为机架，l1、l7为原动件，l8为从动件，机构自由度为2。已知条件:各杆l1、l7、l8的杆长，l1、l7杆的初始角度φ1、φ7=φ6－β，β为杆l6和杆l7夹角;所求量:杆l8与X轴正向的夹角，滑块的位移量S。

由解析法列出运动方程

由方程求得

滑块位移

图5 第三模块Fig.5 Third module

滑块速度

滑块加速度

2.2 仿真与分析

使用Matlab仿真软件对运动方程进行仿真，可求解滑块位移、速度、加速度与偏心轮转角之间的函数关系。图6、图7、图8分别为滑块位移、速度、加速度曲线。

通过仿真结果分析可看出滑块的行程为800 mm，符合企业对多连杆机械式压力机行程的要求;滑块在工作阶段，加速度近似为零，速度趋近于匀速运动，符合冲压工艺对速度的要求;压力机空运动速度较快，滑块运行时间缩短，提高了压力机的工作效率。

3 传动机构动力学分析

3.1 传动机构动力学模型的建立

根据压力机传动部分实际尺寸与结构，建立其三维模型，如图9所示。在建立模型时，为了建模与后续动力学分析的简便，此处将传动部分的复杂结构简化为八连杆杆组机构。

3.2 传动机构动力学分析

动力学分析软件Adams可以提供CAD模型数据接口来导入CAD软件的模型，即用Solidworks将建立的三维模型保存为Parasolid格式，然后导入到Adams中进行动力学分析。由于导入后构件原先的装配关系不能保存，所以在Adams中重新添加构件之间的装配关系和驱动力矩，如图10所示。

根据建立的动力学模型，对各构件施加约束并对原动件施加有效载荷，然后选择Interactive Simulation菜单下的Dynamic进行动力学分析，分析结果如图11所示。

图11 Adams动力学分析结果图Fig.11 Dynamics analysis result by using Adams

使用动力学分析软件Adams对多连杆机械式压力机主传动机构进行动力学分析，得到滑块的运动规律很直观，比之前使用数学方法进行动力学分析简单快捷。由分析所得到的滑块运动规律可知滑块在工作过程中速度较低且近似为匀速运动，低速运动能有效地降低材料的变形，符合了板料冲压过程对速度的要求，可以有效地提高成型件的质量;与此同时，由于减少了系统的动态载荷，从而提高了模具的使用寿命，降低了冲击产生的噪声，优化了工作环境。此外，通过滑块的速度曲线图可以看出滑块空行程时运动速度较高，具有急回的特性，滑块的运行的循环时间大大缩短，压力机的行程次数被大大提高。因此八连杆机构压力机在薄板冲压工艺工作中比曲柄连杆机构压力机具有更多优点。

4 结论

采用模块化方法构建多连杆机械式压力机传动部分的数学模型，使用仿真软件Matlab对运动过程进行仿真，得到滑块的位移、速度、加速度曲线，然后用动力学分析软件Adams对传动机构进行分析，并且将分析结果与Matlab的仿真结果进行对比，验证该八连杆结构的可行性，通过对比分析可知该结构适用于深拉伸工艺工作，模具在拉伸工作区的冲击力很小，满负荷工作区域长。该结论可以为企业制造加工该结构的多连杆机械式压力机提供理论依据。

［1］ 何德誉．曲柄压力机(修订版)［M］．北京:机械工业出版社，1987．

［2］ 郑文纬主编．机械原理［M］．北京:高等教育出版社，1997．

［3］ 王家文．matlab7.0编程基础［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［4］ 张策．机械动力学［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［5］ 李永堂．锻压设备理论与控制［M］．北京:国防工业出版社，2005．

［6］ 李增刚．ADAMS入门详解与实例［M］．北京:国防工业出版社，2006．