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直线电动推杆的研究

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点击次数:更新时间:2018-01-11 16:01:45

直线电动推杆的研究
 
在当今持续发展的经济环境中,环保、高附加值的加工方式成为企业与对手在竞争中获胜的有力的手段。冲床做为一种常用的无切削成形工具,其在加工生产中的作用显得越来越重要。 目前冲床的机械式主传动推杆在冲压过程中,有害侧向力(即偏载力)较大,降低了模具的对中精度,使得模具的间隙不合理,直接影响了零部件的加工质量。针对这一问题,本论文提出了将两种直线电动推杆做为冲床的主传动推杆,一种是基于二维的Peaucellier推杆的主传动推杆,另一种是基于三维的Bricard推杆的主传动推杆。由于这两种推杆的输出运动都是直线运动,所以推杆的侧向力几乎为零。将其运用于冲床的主传动推杆中,可以大大减少侧向力对模具的对中精度的影响,提高零部件的加工质量。本论文对这两种推杆的运动学、动力学进行理论系统的深入分析,为应用抗偏载冲床奠定了扎实的基础。
具体内容如下:
 1、对Peaucellier推杆的的运动进行了分析。在分析过程中,通过定义该推杆的向量回路,列出各个杆件的位置方程,再通过一阶、二阶微分得到各杆的速度、加速度函数。由此建立推杆分析的运动学基础。 
2、对Peaucellier推杆的各个杆件尺寸进行优化,目标是使得输入的扭矩最小。通过使用ADAMS软件对推杆的运动进行分析、优化,得出了曲柄长度对输入扭矩的影响最大,其它杆件的影响几乎可以忽略。 
3、针对过约束推杆的特殊性质,运用螺旋理论求解了一种特殊的Bricard推杆的自由度,从而为后续的运动分析奠定了基础。 
4、针对本论文所研究的Bricard推杆,通过分析其闭环方程,得到该推杆的输入输出关系。并且针对该推杆的运用,得到了联系实际运用情况的推杆的输入输出关系。 本论文通过对两种推杆的理论研究,得到了两种推杆的输入输出关系,为以后的对这两种推杆在冲床上的运用提供了一定的理论依据。
考验自己一下,可认得上图左右边分别是什么?这里先介绍上图左边照片里是什么,他是被欧洲媒体誉为现代达文西的荷兰籍动力艺术家泰奥.扬森所发明的仿生兽的一肢机械脚。这有见过吧!至于上图右边照片里是什么,这应该很少人见过,就留在后头介绍了。扬森于一九九0年开始研发动物和昆虫的基因密码,透过数学与物理的计算,一并研究了野兽的骨骼和脚,他想知道野兽的脚部运动轨迹,是如何怎样才能保证行动保持稳定?经过不断的研究并透过精密的数学计算、工艺技术及生物学专业以及机械连杆的运用,让他找到一种基本结构,能依生物运动的原理转化为机械连杆的应用,让其行走形成极具美感的动能工艺。上图左边照片就是由基本结构所组织而成的一肢机械脚。这肢脚藏着透过研究所发现的「黄金密码十三个数字」,将要求上图左边脚部主要各杆需要的尺寸都有一定的比例关系,能使机械脚运转起来,先是抓地倒退向前行的直线运动,接着斜上抬脚动作,以及斜下踩脚踏地动作,这个仿生兽的足部运动是连贯一气呵成的,它是从圆周运动开始运作,再经由特殊设计的兽腿连杆推杆所转换并传递动力,最终完成了行进运动。如果兽腿连杆推杆的尺寸按照经他研究发现的「黄金密码十三个数字」来做,那么仿生兽足部抓地倒退向前行时,肯定是直线运动,当然在此行进间,兽腿高度也保证不起变化,这种运作模式这样才能保证移动时不会有不稳的情况发生。本次博文主要是谈直线运动,本当从简易例子入手,当然不会是以仿生兽为例子,这个较难。
电动推杆原理图
Peaucellier 直线电动推杆与司氏直线电动推杆原理图
 
在公元1864 年,为了解决困扰了近百年如何利用连杆推杆画出直线的难题,一位法国海军军官 Charles-Nicolas Peaucellier 发明了第一个能画出直线的连杆推杆,就是上图右边照片里所示的东西,在当时引起了极大的轰动。正如右图上边所示,粉红色连杆就是Peaucellier直线电动推杆,要解释它还不如证明它,虽然证明不算难,但还是有点复杂,因此就留到本次博文末尾段落再行证明。这里我们要介绍更加简单且更直观的司氏直线推杆,右图下边所示就是该推杆的示意图。如图所示,大三角形里面分隔有两个等腰三角形,此乃等腰连杆组之应用。当连杆AB摆动时,滑块C在滑槽内滑动,此时E点跟随的运动轨迹就是垂直于滑块动向之直线。很简单吧,因此容易实现于推杆动力车里。有关司氏直线电动推杆在推杆动力车里的详细运作情况,后头还会介绍。
 
 就让司氏直线推杆引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,新款推杆动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把司氏直线推杆设计安装在新款车的框架里,这也是推杆动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错,以下就是创新智造出来具有司氏直线推杆特色的新款推杆动力车。
 
 
保有司氏直线推杆特色处于待命状态的新款推杆动力车
 上图是运用司氏直线推杆特色设计而成的新款推杆动力车,而这台车的动力灰色中齿轮是安排在后轮轴上,因此是一台后轮驱动车。这里已经将前面所提司氏直线推杆的示意图上下倒过来实现,车中上头水平不制的黄色长连杆相当于示意图中的滑块作用,并直接铰链黑色中连杆积木,铰链处就是示意图中的C点,此黑色中连杆末端乃充当卡榫,此点就是示意图中的E点,且在黑色连杆中间另铰链一短连杆,铰链处就是示意图中的B点,之后在短连杆末端再与中框骨架铰链起来,视作示意图中的A点。由于此时黑色中连杆卡榫卡住了后轮轴上的中齿轮,这样就形成处于待命状态的情况。当我们在车后头水平方向碰撞一下长连杆尾端,这连杆触发会起得直线电动推杆作用,使得卡榫点E顺势线性向上提起,这就松开了尾端卡榫,实际情况就如下图所示。此时卡榫脱离了后轮轴上灰色中齿轮的齿牙,进而抛开束缚,现在已松动后轮轴上的中齿轮了,说时迟那时快,储能立马转换成为快速运转的动力,只见,推杆动力车像一只脱缰之马往前奔驰。
 
 
保有司氏直线推杆特色已触发启动的新款推杆动力车
连杆推杆几何关系图601
Peaucellier 连杆推杆几何关系图电动推杆原理
 
四杆推杆运动时,连杆上任一点的运动都会形成不同形状的曲线,而生产实践中对平面连杆推杆的运动轨迹会提出要求,例如工作要求需要精确直线运动的推杆设计,这时Peaucellier直线电动推杆就能派上用场。如果生产工厂老板一再强调说,我怎么知道你设计的连杆推杆直线运动是精准无误的呢?要接这门生意,可以,但首先你要证明给我看!一般来说,连杆推杆运动设计的方法有解析法、几何作图法和实验法。其中,作图法直观,解析法精确,实验法常需试凑。实验法就是本系列博文实现推杆动力车一直在采用的方法,虽能用但算不上精准,因此,得用解析法精确证明Peaucellier直线电动推杆的确能带出精准的直线运动,起码这在理论上是成立的,以下就是这个证明。
 
Peaucellier连杆推杆的运作原理并不难理解,首先要画出如右上图所示的Peaucellier 连杆推杆几何关系图,再利用初中几何知识。就足以证明 Peaucellier 连杆推杆的精准性正确解。Peaucellier 连杆推杆原始设计是由七根连杆所组成,其中令共点两摇臂AC=AD≡a为等长关系,又BCDE是已知的平行四边形(也就是设计上所制定的要求) ,因此有各边等式关系有 BC=CE=ED=DB≡b ,只有OB 连杆可设为任意长度。在取固定 A 点和 O 点的位置时,必须满足 OA 的距离恰好等于 OB 杆长,则 E 点将会精准描绘出一条正交于 AO延伸线的垂直线出来。从右图容易看出, A 、 B 、 E 三点恒在同一条直线上。此处先来证明,AB×AE是一个常数。首先过点 C 作垂线CR⊥AE ,垂足为R 。于是 AB×AE = (AR-RB) ×(AR+RE)= AR2 – BR2 = (AC2 – CR2) – (BC2 – CR2) = a2 – b2 = 已知常数。为什么当 AB×AE 为常数时,就能保证 E 点的轨迹是一条直线呢?我们先过 A 点作出以圆心 O 且直径 AP必过B点的圆 ,接着在射线 AP 上找出一点 Q 使得 AP×AQ 也等于这个常数。由于 AP×AQ = AB×AE正是AP/ AE =AB/ AQ ,这正是相似三角形其对应边成比例的关系,所以,我们立即据此推知 △ABP∽△AQE ,又由泰勒斯定理可证得圆内接三角形其最长边是直径的话,该长边所对的圆周角必为直角,换言之,∠ABP必成直角,又相似三角形其对应角相等,因此∠AQE =∠ABP = 90° ,也就是说EQ与AQ始终垂直。这就证明了,E点的轨迹确实是一条正交于 AO 延伸线的垂直直线。
非圆齿轮型匀速往复直线电动推杆原理
现有的用于输出匀速往复直线运动的非圆齿轮型匀速往复直线电动推杆中,非圆齿轮有三种形式:椭圆齿轮+减速圆柱齿轮、卵形齿轮和偏心圆共轭非圆齿轮。这三者在适当选取偏心率后输出的运动规律十分相似,都只是近似的匀速的往复直线运动。本发明提供的非圆齿轮型匀速往复直线电动推杆,其中非圆齿轮传动副中主从动齿轮1、2的节曲线完全按预先设定的理想输出运动曲线设计,与原有的非圆齿轮型匀速往复直线电动推杆相比,滑杆6所输出的运动在动程中部速度不匀完全消失。所提供的非圆齿轮型匀速往复直线电动推杆是具有真正匀速往复运动特性的往复匀速直线电动推杆。
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