一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法技术

本发明专利技术涉及机械传动的技术领域，更具体地，涉及一种曲柄‑三角连杆‑肘杆机构的错峰设计方法。先作机构分解，将其分解为曲柄‑三角连杆机构及三角连杆‑肘杆机构两个分机构；再分别对两个分机构进行运动和受力分析，并获得各自的最大机械利益表达式A1max和A2max；通过对机构采用负偏置设计，使A1max先于A2max出现，在相应的曲柄转角坐标上错开一定角度，完成曲柄‑三角连杆‑肘杆机构的初步设计，为后续进一步计算机模拟分析和优化提供基础。本发明专利技术在工作行程较大范围内获得大的机械利益，同时改善滑块的运动特性：降低工作行程内滑块平均速度和提高速度的平稳性，对于降低驱动电机容量、提高滑块工作性能具有重要的意义。

A Design Method of Crossing Peak of Crank-Triangular Linkage-Elbow Linkage

The invention relates to the technical field of mechanical transmission, in particular to a peak staggering design method of crank, triangular connecting rod and elbow mechanism. Firstly, the mechanism is decomposed into two sub-mechanisms: crank-triangular linkage mechanism and triangular linkage-elbow mechanism. Then, the motion and force of the two sub-mechanisms are analyzed respectively, and the expressions A1max and A2max of their maximum mechanical benefits are obtained. By adopting negative bias design, A1max appears before A2max, and a certain angle is staggered in the corresponding crank rotation coordinates. The preliminary design of crank, triangle link and elbow bar mechanism is completed, which provides a basis for further computer simulation analysis and optimization. The invention obtains large mechanical benefits in a wide range of working stroke, and improves the motion characteristics of the slider: reduces the average speed of the slider and improves the stability of the speed during the working stroke, which is of great significance for reducing the capacity of the driving motor and improving the working performance of the slider.

【技术实现步骤摘要】
一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法
本专利技术涉及机械传动的
，更具体地，涉及一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法。
技术介绍
伺服机械压力机是近些年来出现的新型锻压装备，它去除了飞轮、离合器、制动器，不但简化了传动链、减少能耗、提高了可靠性，而且使滑块的运动特性由不可控变成了可控，提高了设备的自动化和智能化水平。为降低驱动电机的容量，对伺服机械压力机的工作机构提出了更高的要求：1)工作行程具有尽可能大的机械利益；2)工作行程具有低而匀的速度；3)空行程具有高的速度；4)在上、下死点范围内滑块行程应当为曲柄转角的单调增函数。为满足上述要求，伺服机械压力机尤其是大中吨位的伺服压力机，常采用复杂的多连杆机构，曲柄-三角连杆-肘杆机构是目前国内、外伺服机械压力机最普遍采用的机构之一。由于这种机构结构复杂，进行精确的解析比较困难，机构的分析和优化常依赖计算机仿真。仿真时，初始条件、约束条件的建立多依赖经验，对于此类高度非线性的多目标优化设计问题，采用如遗传算法、模拟退火算法等启发式算法，难以找到全局的最优解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，通过偏置设计使两个分机构各自的最大机械利益位置错开，在工作行程较大范围内获得大的机械利益，改善滑块的运动特性，降低工作行程内滑块平均速度，提高滑块运动的平稳性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，所述曲柄-三角连杆-肘杆机构包括顺次铰接的曲柄、三角连杆以及肘杆，所述肘杆包括顺次铰接设置的第一肘杆、第二肘杆以及第三肘杆，所述三角连杆的顶点与曲柄铰接，三角连杆的底边第二连杆与第二肘杆二杆合一，所述第三肘杆的一端连接有滑块；错峰设计方法包括以下步骤：S10.将曲柄-三角连杆-肘杆机构分解为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构，所述曲柄-三角连杆机构包括铰接的曲柄和三角连杆，所述三角连杆-肘杆机构包括铰接的三角连杆和肘杆；S20.将步骤S10中三角连杆-肘杆机构等效简化为等效直线连杆-肘杆机构，并获得等效直线连杆-肘杆机构的最大机械利益A2max；S30.将步骤S10中曲柄-三角连杆机构等效简化为等效曲柄-直线连杆机构，并获得等效曲柄-直线连杆机构的最大机械利益A1max；S40.对步骤S10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行偏置设计，使得A2max与A1max错峰发生。本专利技术的曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，将曲柄-三角连杆-肘杆机构分解为相对简单的曲柄-三角连杆机构和三角连杆-肘杆机构的组合，并分别对分解后的两个分机构单独分析，简化运动学和动力学的计算过程；通过偏置设计，使两个分机构的最大机械利益位置错开，不同时发生，保证这类机械压力机在下死点附近较大范围内具有大的机械利益和平稳的滑块输出速度；对伺服机械压力机降低驱动电机容量、提高滑块工作性能具有重要的意义。优选地，步骤S20中，所述简化的方法为：第一肘杆延长线与第三肘杆延长线的交点与三角连杆的动力输入端的连线为三角连杆的等效直线连杆。优选地，等效直线连杆-肘杆机构的机械利益A2按下式计算：式中，α1为第一肘杆与铅垂线的夹角；α2为第二肘杆与铅垂线的夹角；α3为第三肘杆与铅垂线的夹角；β为等效直线连杆与水平线的夹角；当α1＝α2＝α3＝0时，获得最大机械利益A2max，A2max为∞。可见，最大机械利益A2max出现在第一肘杆、第二肘杆、第三肘杆位于同一铅垂线的位置，即在滑块的下死点位置。优选地，步骤S30中，所述等效的方法为：第一肘杆延长线与第三肘杆延长线的交点与三角连杆的动力输入端的连线为三角连杆的等效直线连杆。优选地，所述等效曲柄-直线连杆机构的机械利益A1按下式计算：式中，α为曲柄与水平线的夹角，β为等效直线连杆与水平线的夹角，R为曲柄回转半径；当α＝β时，获得最大机械利益A1max。当曲柄和等效直线连杆共线时，获得最大机械利益A1max。优选地，步骤S40中，对步骤S10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行负偏置设计，使A1max先于A2max发生。A2max发生于滑块的下死点位置，A1max先于A2max发生，即所谓机械利益的“双峰”现象，这样设置虽然在滑块靠近下死点附近的机械利益会有所减少，但可在滑块下死点前较大行程范围内获得较大的机械利益；相应地，滑块在工作行程内的平均速度会降低，速度的平稳性增加。优选地，当α1＝α2＝α3＝0、即滑块位于下死点时，曲柄回转中心设于经过三角连杆动力输入端的水平线的下方。曲柄中心相对正置机构的下移量初步选定后，通过计算机模拟分析和优化最终确定曲柄-三角连杆-肘杆机构各构件的相对位置和结构参数。优选地，曲柄偏置角θ0按下式计算：式中，e为曲柄中心相对正置机构的下移量，R为曲柄回转半径。优选地，峰值夹角Δα按下式计算：Δα＝|β0|+|θ0|式中，β0为等效曲柄-直线连杆机构出现机械利益峰值时曲柄与水平线的夹角，θ0为等效直线连杆-肘杆机构出现机械利益峰值时曲柄与水平线的夹角。在初步设计时，可暂忽略β0。优选地，所述曲柄偏置角θ0等于机械压力机的公称压力角αn。在实际应用时，本专利技术的曲柄偏置角θ0大致等于公称压力角αn，可根据实际应用需要调整曲柄偏置角θ0的大小。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过错峰设计在工作行程较大范围内获得大的机械利益，同时改善滑块的运动特性；降低工作行程内滑块平均速度和提高速度的平稳性，对于伺服机械压力机降低驱动电机容量、提高滑块工作性能具有重要的意义。(2)本专利技术将复杂的曲柄-三角连杆-肘杆机构拆分为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构两个分机构，并对分机构进行运动和动力学分析，获得机械利益的峰值表达式，简化计算过程，易于求得全局最优解，提高计算结果的准确性。附图说明图1为本专利技术的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。图2为三角连杆-肘杆机构及其等效直线连杆-肘杆机构的结构示意图。图3为曲柄-三角连杆机构及其等效曲柄-直线连杆机构的部分结构示意图。图4为等效曲柄-连杆-肘杆机构的结构示意图。图5为等效曲柄-直线连杆机构最大机械利益A1max出现位置的示意图。图6为等效直线连杆-肘杆机构最大机械利益A2max出现位置的示意图。图7为实施例二中方案A的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。图8为实施例二中方案B的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。图9为实施例二中方案C的曲柄-三角连杆-肘杆机构的结构示意图。图10为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的滑块位移曲线图。图11为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的滑块速度曲线图。图12为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的额定扭矩曲线图。图13为实施例二中三种曲柄-三角连杆-肘杆机构的机械利益曲线图。附图中：1-曲柄；2-第一肘杆；3-第二肘杆；4-第三肘杆；5-第一连杆；6-第二连杆；7-第三连杆；8-滑块。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种曲柄‑三角连杆‑肘杆机构的错峰设计方法，所述曲柄‑三角连杆‑肘杆机构包括顺次铰接的曲柄(1)、三角连杆以及肘杆，所述肘杆包括顺次铰接设置的第一肘杆(2)、第二肘杆(3)以及第三肘杆(4)，所述三角连杆包括顺次铰接的第一连杆(5)、第二连杆(6)以及第三连杆(7)，所述三角连杆的顶点与曲柄(1)铰接，三角连杆的底边第二连杆(6)与第二肘杆(3)二杆合一，所述第三肘杆(4)的一端连接有滑块(8)；其特征在于，所述错峰设计方法包括以下步骤：S10.将曲柄‑三角连杆‑肘杆机构分解为曲柄‑三角连杆机构及三角连杆‑肘杆机构，所述曲柄‑三角连杆机构包括铰接的曲柄(1)和三角连杆，所述三角连杆‑肘杆机构包括铰接的三角连杆和肘杆；S20.将步骤S10中三角连杆‑肘杆机构简化为等效直线连杆‑肘杆机构，并获得等效直线连杆‑肘杆机构的最大机械利益A2max；S30.将步骤S10中曲柄‑三角连杆机构等效为等效曲柄‑直线连杆机构，并获得等效曲柄‑直线连杆机构的最大机械利益A1max；S40.对步骤S10中的曲柄‑三角连杆‑肘杆机构进行偏置设计，使得A2max与A1max错峰发生。

【技术特征摘要】
1.一种曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，所述曲柄-三角连杆-肘杆机构包括顺次铰接的曲柄(1)、三角连杆以及肘杆，所述肘杆包括顺次铰接设置的第一肘杆(2)、第二肘杆(3)以及第三肘杆(4)，所述三角连杆包括顺次铰接的第一连杆(5)、第二连杆(6)以及第三连杆(7)，所述三角连杆的顶点与曲柄(1)铰接，三角连杆的底边第二连杆(6)与第二肘杆(3)二杆合一，所述第三肘杆(4)的一端连接有滑块(8)；其特征在于，所述错峰设计方法包括以下步骤：S10.将曲柄-三角连杆-肘杆机构分解为曲柄-三角连杆机构及三角连杆-肘杆机构，所述曲柄-三角连杆机构包括铰接的曲柄(1)和三角连杆，所述三角连杆-肘杆机构包括铰接的三角连杆和肘杆；S20.将步骤S10中三角连杆-肘杆机构简化为等效直线连杆-肘杆机构，并获得等效直线连杆-肘杆机构的最大机械利益A2max；S30.将步骤S10中曲柄-三角连杆机构等效为等效曲柄-直线连杆机构，并获得等效曲柄-直线连杆机构的最大机械利益A1max；S40.对步骤S10中的曲柄-三角连杆-肘杆机构进行偏置设计，使得A2max与A1max错峰发生。2.根据权利要求1所述的曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，其特征在于，步骤S20中，所述简化的方法为：第一肘杆(2)延长线与第三肘杆(4)延长线的交点与三角连杆的动力输入端的连线为三角连杆的等效直线连杆。3.根据权利要求2所述的曲柄-三角连杆-肘杆机构的错峰设计方法，其特征在于，等效直线连杆-肘杆机构的机械利益A2按下式计算：式中，α1为第一肘杆与铅垂线的夹角；α2为第二肘杆与铅垂线的夹角；α3为第三肘杆与铅垂线的夹角；β为等效直线连杆与水...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙友松，胡建国，程永奇，魏良模，章争荣，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44