机械工程师论文范文：冲压工艺曲线优化及肘杆传动机械模型性能分析

第一章绪论

1.1研究背景及意义
当前，由于资源和能源短缺以及环保意思加强，节能减排绿色高效制造成为现代制造业追求的目标。冲压成形是制造业中最重要的一种成形工艺之一，具有效率高、精度好、质量轻、成本低且实现机械化和自动化等特点，在现代汽车、电子仪器、航天航空及国防工业等各个部门占有重要作用。大吨位机械压力机是冲压成形产品的主要制造装备。各种各样金属板壳制件在汽车制造、航空航天、电子电器等行业中的大量需要，尤其是汽车行业中车型个性化、多样化、覆盖件大型一体化及生产规模化发展需求，锻压设备也朝着大型重载、高效、精密和柔性化的方向发展。
传统机械压力机的动力源一般为普通电机，输出固定的滑块运动曲线，工艺适应性差，很难满足快速多变的产品不同冲压工艺需求。随着电子技术、变频技术和计算机控制技术发展，伺服机械压力机得到快速发展。采用交流伺服电机代替传统的交流异步电机直接驱动，取消飞轮和离合器-制动器，结构简化，传动精度高，伺服电机与现代的控制系统相配合，可使滑块在运行的过程中能随时加速、减速或停止，动作灵活自由，下死点重复精度高，压力机械的柔性和适应性更好，并且通过控制系统的程序的改变得到所需的工作行程和冲压工艺运动，可满足不同加工材料和产品冲压工艺要求。伺服压力机的传动机构采用工作特性优良、增力比大的三角肘杆传动机构，使滑块的下死点附近具有更好的低速运动特性，可以更好的满足冲压成形金属材料的变形速度，急回特性可以更好的适应"快-慢-快"的成形工艺曲线要求，实现高效加工，更优的增力特性可以降低伺服电机的容量和成本。
本文通过研究冲压工艺特征曲线的特性，利用NURBS曲线对冲压特征工艺曲线进行优化建模，规划出满足不同冲压工艺特征要求的冲压工艺模式，利用有限元软件Dynaform5.6对典型的冲压工艺模式进行模拟仿真，分析模拟结果验证NURBS曲线建模的有效性，进一步实现伺服压力机的柔性化加工。三角肘杆传动机构具有工作特性优良、增力比大等特性，可以更好的满足冲压工艺模式中的低速运动，采用三角肘杆式转动机构作为伺服压力机曲柄输入、滑块输出参数模型。针对不同材料和加工要求，NURBS曲线建模方法为不同伺服压力机工艺曲线设计的可行性解决方案，提高了冲压件质量、冲压的效率及柔性化，延长了模具寿命、降低了噪音、工人劳动强度及生产成本等方面。

1.2国内外伺服机械压力机研究
动态机械压力机是用曲柄连杆、凸轮机构或螺杆机构传动，其工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高，易于实现机械化、自动化，适于在自动线上工作。随着现代科学技术的发展，高速度、高效率、高精度、高柔性是现代机械压力机主要的发展趋势。多数制造厂的生产线上大量使用的是曲柄机械压力机，其基本传动方式是：异步交流电动机---减速机构一飞轮-一离合器、制动器-一曲柄连杆一滑块，它依靠飞轮提供瞬时大冲击力矩进行工作，使滑块在一定的行程范围和行程次数作上下运动,进而使安装在滑块和工作台之间的模具能加工所需的零件。但曲柄压力机行程固定，压力不易控制，尤其是曲柄转速在一个工作周期中近似不变，导致滑块运动曲线固定不变，既不能控制，又不能调整，对工艺的适应性较窄。同时，它采用了飞轮、离合器、制动器等一系列耗能机构，不但降低了压机的可控性，而且大大增加了能耗。
随着全球经济的一体化，使得制造业的国际竞争越来越激烈。高精度、高质量、低价格产品才能满足市场的需求要求，由于制造产品的材料越来越丰富，为此制造业对于能够缩短制造周期，高效率制造高精度、高品质产品的成形加工设备的需求越来越强烈。同时新型材料的出现以及产品趋于个性化、多样化及大型化,急需要开发出能够在新材料的变形加工和产品多样化加工中有着极高的灵活性和通用性的高附加值加工的压力机。由于近年电力电子、计算机控制技术等的快速发展，液压增力机构与肘杆机构等在压力机上的应用，尤其是伺服驱动技术的研发应用，它给压力机的结构设计带来了新的可能性。
伺服压力机实现了柔性化和智能化，工作性能大幅提高。由于不能调节和控制的普通感应电机改为CNC控制的可任意调节的伺服电动机，因此其自动化和智能化程度提高，工作效率也大幅提高；可以获得任意的滑块特性，设备的工艺适应性扩大；可以根据不同工艺采用相应的优化曲线，提高工作性能伺服压力机技术具有划时代的意义，被称为第三代压力机，国外已有商品化的产品。当前，最具典型代表的日本新生产的压力中，伺服压力机占到80%以上。因此在未来压力机市场中，伺服压力机将占到绝对多数，最终会替代那些配备了飞轮的机械式压力机和替代液压伺服技术的压力机成为制造设备的主流。

    1.3 国内外冲压工艺研究动态 ...............22-25
    1.4 课题来源 ...............25-27
    1.5 本章小结 ...............27-28
第二章 冲压工艺曲线建模优化及肘杆传动模型性能分析............... 28-44
    2.1 冲压工艺曲线分析及描述方式 ...............28
    2.2 基于冲压工艺曲线的NURBS建模 ...............28-35 
    2.3 肘杆式传动模型运动学性能分析 ...............35-39
    2.4 肘杆式传动模型动力学分析 ...............39-42
    2.5 本章小结 ...............42-44
第三章 典型伺服冲压工艺模式的建模与规划 ...............44-61
    3.1 拉深成形工艺特征分析 ...............44-47
    3.2 拉深拔模工艺模式 ...............47-49
    3.3 拉深保压拔模工艺模式 ...............49-51
    3.4 拉深二次保压拔模工艺模式 ...............51-53
    3.5 拉深工艺模式 ...............53-54
    3.6 拉深保压工艺模式 ...............54-55
    3.7 高速冲裁工艺模式 ...............55-58
    3.8 低速冲裁工艺模式 ...............58-59
    3.9 本章小结 ...............59-61
第四章 伺服冲压工艺模式的模拟仿真研究 ...............61-80
    4.1 伺服拉深模拟仿真流程 ...............61-62
    4.2 基于拉深拔模工艺模式的模拟研究 ...............62-71
    4.3 基于拉深保压拔模工艺模式的模拟研究 ...............71-79
    4.4 本章小结 ...............79-80

总结

本论文在分析了伺服机械压力机和多连杆肘杆传动机构的研究现状后，以三角肘杆式伺服压力机为基础，主要对伺服冲压工艺曲线特性进行研究，利用NURBS曲线对冲压曲线进行优化建模，通过调节权因子和控制点建立满足不同工艺要求的工艺曲线，并对典型的冲压工艺模式进行规划，数值仿真及实验研究。主要的研究结论如下：
1)分析了伺服压力机多连杆肘杆传动机构系统的适用性和优越性，对多种曲线建模方法进行综合比较，引入NURBS曲线建模方法及阐述其优越性，结合冲压工艺特征任务要求对冲压工艺曲线控制模式进行优化建模。
2)利用NURBS曲线来对冲压工艺曲线进行建模，根据冲压工艺的位移、速度来约束权因子的范围，并建立速度、加速度波动最小的目标函数，通过迭代法求出满足目标函数值的最优权因子，就可以确定一条最优的工艺曲线来满足工艺要求，而通过操纵控制顶点及权因子为各种冲压工艺曲线的形状设计提供了充分的灵活性。以三角肘杆式传动机构作为曲柄输入、滑块输出的参数模型，对此模型进行运动学和动力学分析，建立滑块位移、速度、加速度与曲柄转角的关系式，证明在滑块下死点附近，肘杆式传动机构具有有较好的低速特性及机会特性，能够很好地满足低速冲压特性要求。

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