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1、SHANDONG课程设计说明书J21-400伺服曲柄压力机设计分析学 院： 机械工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 学生姓名： # 学 号： 03# 指导教师： * 2012 年7月目 录第一章 引言11.1 伺服压力机的最新进展11.2 本设计的技术参数与设计内容51.3 本设计的目的与意义5第二章 伺服曲柄压力机的设计分析62.1 工作原理62.2 运动分析62.3 受力分析10第三章 伺服曲柄压力机的设计计算143.1 动力系统设计143.2 工作机构设计15第四章 伺服曲柄压力机的设计制图164.1 工作机构设计制图164.2 整机结构设计制图17第五章 结束语18符号说明为连杆作
2、用力为导轨作用力为负载作用力标称压力为连杆长度系数为曲柄转角为滑块固定行程为标称压力行程为压力行程次数为电动机功率为电动机设计功率为电动机转矩为曲柄受转矩为曲柄在标称压力角处扭矩值为曲轴上的总转矩第一章 引言1.1伺服压力机的最新进展（1）伺服压力机的发展历程传统的机械式压力机其传动方式主要是由电机的转动经过飞轮、曲轴连杆机构 转变成滑块的直线运动, 并用离合器控制滑块的运动与停止。压力机的历史相对于机械工业来 说非常长,但是它的革新进展却非常慢。自从1 9 60 年欧洲和美国联合开发了连杆机构与连杆运动以来, 驱动机构与压力机滑块运动已经有4 0 年没有明显的改变或进步。现代制造技术的发展要
3、求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载地运转,而且应具有更大的柔性,能迅速、方便地改变输出运动规律。近年来,快速发展的粉末成形、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形技术对冲压设备的工作性能提出了更严格的要求,迫切需要开发新一代柔性机械压力机。随着微电子技术、控制技术和计算机技术的飞速进步,各种电机调速与伺服控制技术获得了突飞猛进的发展,经历了从步进伺服系统到直流伺服系统,进而到交流伺服系统的发展历程。伺服驱动系统的应用几乎遍及社会的各个领域,尤其是在制造业中应用最广,各种机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等,都是利用各种伺服控制系统来实现的。可以说,电机调速与伺
4、服控制技术的发展,对我国装备制造业技术水平的发展起到了重要的促进作用。但是,与金属切削机床相比,锻压机械的伺服化、数字化的开发进程落后了数十年。在上世纪90年代，世界工业发达国家兴起了伺服压力机的研究。美国的WIEDEMANN和W.A.WHITNEY公司、德国的TRUMPF和NIXOORF DARADORN公司、日本的AIDA和NISSHINBO公司以及瑞士的RASKIN公司等都对交流伺服压力机进行了研究。Tokuz建立了交流伺服电机驱动四杆机构的系统模型；R.F.Fung和K.W.Chen通过对压力机的运动学和动力学分析，研究了交流伺服电机曲柄滑块机构的动态模型；Yan和Chen提出一种由交
5、流伺服电机驱动的变转速曲柄滑块冲床，对于不同的冲压加工，冲床可提供不同的输入转速；日本会田（AIDA）和小松（KOMATSU）公司先后推出的新型数控压力机，在传动结构上采用伺服电机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构工作。这些交流伺服压力机类型有：机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、直动式伺服压力机、液压式精密伺服压力机和液压式伺服压力机等等，压力机规格从40kN到25000kN。其中，世界上最大的交流伺服压力机为日本网野公司（AMINO）研制的25000kN机械连杆伺服压力机。网野公司自1995年开始研制大型伺服压力机，已经生产出了机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、直动式伺服压力
6、机和液压式精密伺服压力机等多种类型的伺服压力机，并于2005年开发出世界上最大吨位的25 000 KN大型机械连杆伺服压力机。目前，国内对于伺服压力机的研究也日趋广泛和深入。广东工业大学孙友松教授等对直流伺服电动机直接驱动的机械压力进行了深入的研究，采用超大容量的电容构成的“电子飞轮”来代替传统机械压力机的飞轮。天津大学孟彩芳教授也研究了交流伺服混合输入式机械压力机。于2004年、 2005年又分别开发出了24000kN 和25000 k N 世界最大级的机械肘杆式伺服压力机, 随后日本KOMATSU 也开发了30000 kN 多工位伺服压力 机。近几年, 中国的浙江锻压机械集团、 江苏徐州锻
7、压机床厂集团有限公司 、扬州锻压机床集团 有限公司等推出了1000kN 以下的机械曲柄式伺服压力机。 2007年, 济南二机床厂开发出一种10000kN 级的混合驱动型伺服压力机,2008年齐齐哈尔第二机床集团公司开发了10000kN 级的 具有自主知识产权的机械式伺服压力机, 广东锻压机床厂也开发了一种机械肘杆传动式的2000kN 级伺服压力机, 在国内形成了一股压力机伺服化的潮流 。随着计算机技术、电力电子技术、数字化控制技术的发展，一种新型的动力系统开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Driver，简称SRD）应运而生，它是以现代电力电子与微机数控技术为基础的
8、机电一体化产品，由于其独有的性能，使其非常适用于压力机的动力系统，解决现有动力系统存在的问题，提升压力机的性能。（2）伺服压力机的未来趋势伺服压力机所具有的复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪声、节能环保等优点，充分体现了锻压机床的未来发展趋势。伺服压力机可根据不同的生产需要设定不同的行程长度和成形速度，同时，能够始终保证下止点的成形精度，有效抑制了产品的毛刺等的出现。伺服压力机运行噪音超低，冲压工件时噪声也很小，大大优化了工作环境；同时，模具振动小，可大幅度提高模具寿命。由于没有传统机械压力机的飞轮、离合器、制动器部分，节省了电力和润滑油用量等，使机器使用成本大大降低。总之，伺服压力机已突破
9、了常规机械压力机的概念，它的出现必将引起一场机械压力机的革命。由于交流伺服电机及其驱动装置价格昂贵，目前伺服压力机的应用受到限制。造成这一问题的主要原因是大功率伺服电机及其驱动控制系统目前基本被国外所垄断。随着国内相关技术的开发以及与进口产品的竞争，市场价格会迅速降低，伺服技术在成形装备的应用领域也会越来越广。经过百余年的发展，常规成形设备的品种已基本发展成为规格齐全、结构成熟、辅机完整的系列产品。近年来，伺服压力机得到了很快的发展，成形设备的面貌正在发生根本的变化。伺服压力机正朝着精密、高质、高效、节能、低噪声及可持续发展的方向迈进。具体来说，大体有以下几点：1）、高自动化、成套成线化。这是
10、现代化生产的必然要求，也是控制技术、物流技术、计算机技术等各个方面综合水平提高的体现。以汽车覆盖件冲压设备为例，有两大发展趋势：一是侧重于柔性生产的高性能压力机生产线配以自动化上下料机械手;二是采用大型多工位压力机。两种工艺类型均体现了锻压机床向高自动化、成套成线化发展的趋势。2）、节能、精密、高效。这不仅是设备用户的要求，同时也是设备制造商不变的追求，只不过在机床技术日新月异的今天，节能、精密、高效被赋予了更加丰富的内涵。3）、高速度、多功能也是成形设备追求的目标之一。高速压力机的行程数基本都提高到1000次/min以上，为了满足高速压力机对速度和精密性的要求，高速精密压力机都在加大转矩、降
11、低噪声、提高刚性、减少发热、保持滑块运行平稳等方面采取措施，以保证压力机在生产线上高速运行，确保制件合格。4）、在设备规格上，微型与大型并重。为了满足汽车、电子、信息、生物等领域的需求，成型设备的规格正在向两极扩展。随着可持续发展、绿色生产的呼声越来越高，在成形设备中注重安全生产与环境保护、强调可持续发展的倾向也表现得更加明显。181.2本设计的技术参数与设计内容伺服曲柄压力机,标称压力Fg=4000KN; 固定行程：S=250mm；标称压力行程sg=15mm 压力行程次数n=30次/min；连杆系数=0.11.3本设计的目的与意义成形机械是制造业的重要的装备之一，它也是信息产品、电器机械、汽
12、 车、仪器等行业中最主要的装备。我国高档锻压机床制造技术的落后，不但耗 费大量外汇，而且受制于人，严重影响了国家的核心竞争力。机械压力机是最 主要的锻压机床，也是汽车、电器机械、电子信息、仪器仪表、国防工业等制 造业最重要的工艺装备之一。本设计的目的与意义有以下几个方面：提高压力机的通用性及智能化水平。由于具有伺服功能，滑块运动曲线不再仅仅是正弦曲线，而是可以根据工艺要求进行优化设计的任意曲线。提高压力机滑块运动精度。由于采用位置全闭环控制，在曲轴、滑块上分别装有测量曲轴位置和滑块位置的传感器，滑块在压力机工作全程中都具有高的运动控制精度。提高压力机生产率。由于其保留了曲柄压力机的优点，而生产
13、率远高于液压机，体现了液压机的加工质量与机械压力机的生产效率。节能。常规曲柄压力机中驱动电动机旋转，带动飞轮旋转，靠飞轮转动惯性，通过离合器控制滑块运动。而伺服电动机驱动压力机，完全靠电动机的扭矩工作，无离合器，由电动机驱动单元控制电动机的起停。因省去了飞轮，电动机在冲压时才旋转，又由于没有离合器，使普通曲柄压力机电动机和飞轮空转的耗能得以节省，同时也减少了离合器的能耗。减少噪声、提高模具寿命。由于可以设计特殊的工作特性曲线，进而控制冲裁时的冲头速度，便减少了冲裁的振动及噪声，提高了模具使用寿命。维修性好。伺服压力机的维修量是机械压力机和油压机的13，因为不使用飞轮、制动器、离合器及液压阀等，
14、所以没有损耗品。满足新材料成形 航空、航天、航海、核电及汽车工业的发展，涌现出许多先进的高强度板材及铝合金板材。第二章 伺服曲柄压力机的设计分析2.1伺服曲柄压力机的工作原理 图2-1、 工作原理图1电动机 2小带轮 3大带轮 4小齿轮 5大齿轮 6离合器 7曲轴 8制动器 9连杆 10滑块 11上模 12下模 13垫板 14工作台 15导轨 16机身 17转轴工作原理：电动机1通过v带把运动传给大带轮3，再经过小齿轮4、大齿轮5传给曲柄7，通过连杆9转换为滑块10的往返直线运动，若在滑块10和工作台14上分别安装上、下模，可完成相应的材料成形工艺。2.2运动分析图为一通用压力机曲柄滑块机构简图，点为曲柄回转中心，点为连杆与曲柄的连接点，点位连杆与滑块的连接点，曲柄半径为，连杆长度为,以角速度旋转，逆时针为正向，点以速度作往复直线运动，为点距下死点的距离，为曲柄与铅垂线的夹角。（1） 滑块位移与曲柄转角的关系图2-2 结构简图1、滑块位移与曲柄转角的关系 （2-1）式中，R为曲柄半径，L为连杆长度令 （2-2）式中，为连杆由图知 sin 则 cos （2-3）根据几何关系将位移式整理得 S=R
