转塔冲床齿轮-斜楔机构优化与动力学仿真
陈新，朱灯林
(河海大学机电工程学院,江苏 常州 213022)
为了提高伺服转塔冲床的动态性能，采用齿轮-斜楔机构作为伺服转塔冲床的主传动机构，在ADAMS软件中建立了该机构的参数化动力学模型；以电机所需扭矩最小为优化目标，对机构进行了优化设计。结果表明，该齿轮-斜楔机构能够有效利用伺服电机扭矩。
在板料成型装备中，转塔冲床始终是其重要的组成部分［1］。制造商们不断追求着高速度、高生产效率的加工。但是冲床的传动机构在高速度下会产生较大的惯性力。与静载荷相比，较大的惯性力对电机扭矩要求更高，不能像传统设计方法那样忽视。机构的高速化需要充分利用伺服电机的扭矩，高效利用制动能量成为提高转塔冲床能源利用率的关键［2-3］。本文采用一种新型的齿轮齿条和滚动斜楔的增力传动结构，即齿轮-斜楔机构作为伺服转塔冲床的主传动机构，再通过优化系统参数来提高冲床的动态性能。
以伺服转塔冲床传动机构为研究对象，本文利用虚拟样机技术在机械系统动力学自动分析 (automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS)软件建立了齿轮-斜楔机构的参数化动力学模型。以伺服电机所需输出扭矩最小为优化目标，根据机构特点设定相应的约束条件，对机构进行了优化设计及动力特性分析，分析结果将为高速转塔冲床传动机构的设计提供参考。
1转塔冲床主传动机构简介
图1为齿轮-斜楔传动机构的示意图。伺服电机通过安全联轴器驱动齿轮A，齿轮A、B啮合，和齿轮B同轴安装的齿轮C带动齿条、连接板和斜楔沿导轨水平移动。冲压时斜楔的表面压紧滚柱，压下冲压头，完成冲压过程。当伺服电机反转时，冲压头在气动恢复力作用下复位，完成一个工作循环。该结构中斜楔的理论轮廓曲线通过给定型值点采用三次样条插值获取。曲线一、二阶导数连续，减少了伺服转塔冲床在高速运转下的冲击。
图1 齿轮-斜楔传动机构示意图
2 机构参数化模型的建立
利用ADAMS参数化建模功能，建模所需的参数包括构件的几何参数、物理参数和力学参数。以冲床上死点状态滚柱中心点为坐标零点，斜楔水平位移方向与冲头运动方向作为XY平面。齿轮-斜楔传动机构中待优化的参数有：齿轮A直径d1、齿轮A和齿轮B传动比i、齿轮C直径d2、滚动斜楔总行程s、公称力行程开始时间t和斜楔廓线在冲压行程中的型值点y，因此设计变量为〖WTHX〗X=〖WTBX〗(d1,i,d2,s,t,y)。
在建模过程中，利用设计变量来控制模型中各参数的值。当设计变量的值改变时，所有有关的对象也随之改变，例如各个构件的质心坐标、转动惯量和质量。如齿轮B的直径dB与设计变量d1和i有关，即dB=id1。根据机构齿轮副、齿轮齿条副、.....
作者简介：陈新（1990—），男，安徽马鞍山人，河海大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及优化。
（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）
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