肘杆式伺服压力机运动学仿真与工艺轨迹规划

作者:周洋;叶春生;莫健华 刊名:锻压装备与制造技术 上传者:秦永利

【摘要】基于肘杆式压力机的基本结构,进行运动学逆解分析。提出一种参数化组合式正弦函数作为加速度曲线的加减速算法,规划滑块的运动轨迹,使滑块的运动轨迹更加平滑,提高了伺服压力机高速工作时平稳性,降低了对伺服控制系统瞬态响应的要求。利用Matlab平台搭建肘杆式压力机的运动学模型,由给定的滑块运动轨迹曲线,仿真得到精确的曲柄角位移、角速度和角加速度曲线,可作为伺服电机控制的输入量,为伺服压力机的控制提供重要依据,为其他伺服压力机传动机构的分析和控制提供一种可行的方法。

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近年来,随着伺服控制技术的飞速发展,伺服控制系统已经广泛应用于材料加工的各个领域。伺服压力机经过近十几年的快速发展,已大有取代传统机械压力机的趋势。其主要优势体现在高效性、高精度、高柔性、低噪声、节能环保等方面[1][2]。伺服压力机的技术关键在于伺服电机的控制技术,主要体现在电机输出功率的控制和滑块运动轨迹曲线的控制。一般而言,只对输入的运动轨迹进行单段处理,使得每个运行段都有零速度、加速、匀速、减速、零速的过程,这样大大影响伺服压力机的加工效率,同时频繁剧烈的加减速会加剧机床的磨损,影响使用寿命[3]。本文根据不同的工艺要求,在不同的加工段采用S形加速度曲线,使得速度和位移曲线在多个加工段之间平滑过渡,形成连续平滑柔性高的成形曲线,系统运行更平滑,减小了瞬时冲击和噪声,改善了工作环境,降低了对伺服系统瞬时响应的要求。借助Matlab/Simulink强大的建模仿真能力,建立肘杆式伺服压力机的运动学模型,得到曲柄的角位移、角速度和角加速度曲线,改善对伺服电机的控制,从而提高伺服肘杆式伺服压力机的工作性能。2012年第3期机,具有较好的急回特性和一定的增力作用,在工作区域有较为理想的速度特性,是现代伺服压力机中一种常见的传动形式。本文以肘杆式压力机为研究对象,如图1所示为直线连杆肘杆式传动机构结构原理图,其中曲柄AB驱动等边连杆BC、CD和CE带动定向滑块做直线往复运动。2运动学逆解分析机构的运动分析就是根据原动件的运动规律,求解从动件的运动规律。其方法主要有图解法、解析法和实验法等。本文采用解析法对肘杆式机构进行运动学分析,解析法基本原理是在机构已知参数和应求未知量之间建立数学模型,然后对数学模型进行求解,从而获得精确的计算结果。如图1所示,AB杆为驱动杆,可以绕A点做圆周运动,D点为铰接固定点,在AB杆的驱动下,DC杆绕D点摆动,E点为铰接点,CE杆带动滑块做定向往复运动。设AB杆的杆长为R,转动角位移为1,角速度为1,BC杆、CD杆和CE杆杆长为L,DC杆摆动角位移为,DC杆的摆动角速度为,BC杆的水平夹角为2,滑块的位移为S。以A点为圆心,建立如图2所示的坐标系。已知滑块E点位置(xe,ye)、速度v、加速度a、曲柄AB杆长R、连杆BC、CD、CE杆长L,求解曲柄AB的角位移1、角速度1和角加速度a1。2.1位置分析由图1可知,E点的位置坐标为:xe=L-Rye=-[Lcos-(L-Lcos)]=L-2Lcos(1)由图1可知,C点的位置坐标可由DCE和ABC分别得:xc=L-R+Lsin=xb+Lcos2=Rcos1+Lcos2yc=-L-Lcos=Rsin1-Lsin2(2)整理式(1)和式(2)得:ye=L-LcosRcos1=L-R+Lsin-Lcos2Rsin1=L-Lcos+Lcos2(3)2.2速度分析将式(3)对时间t求导得:y觶e=v=2Lsin-Rsin11=Lcos+Lsin22Rcos11=Lsin+Lcos222(4)即:-Rsin11Rcos1122=LcosLsin2LsinLcos222222(5)其中,y觶e为滑块速度,为CD杆绕D点摆动的角速度,2为BC杆相对C点的转动角速度。2.3加速度分析将式(3)对时间t求二次导数得:y咬e=v觶=a=2L(cos2+sin)-Rcos112-Rsin11=-Lsin2+Lcos+Lcos222+Lsin22-Rsin112+Rcos11=Lcos2+Lsin-Lsin222+Lcos222(6)即:-Rcos112+Lsin2-Lcos-Lcos222-Rsin

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