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肘杆式伺服曲柄压力机动力学仿真与实验研究

作　者: 方雅
导　师: 孙友松
学　校: 广东工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 伺服驱动机械压力机交流伺服电机数值仿真
分类号: TG305
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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引　用: 2次
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内容摘要

传统的机械压力机传动系统多沿用曲柄连杆机构,传动系统增力比小,所需电机功率大,制约了其发展。目前用交流伺服电机取代普通异步电动机,是成形装备领域的发展新趋势。伺服压力机一般没有飞轮,工作压力主要靠电机的瞬时扭矩产生,因而驱动电机容量较普通压力机要大得多,这导致设备造价高,成为伺服压力机推广应用的一大障碍。因此,开发新型传动机构已成为当前伺服驱动压力机技术开发的重要内容之一,同时,该技术也可应用到采用普通电机驱动的压力机中,以实现节能降耗。本项目针对在制造业中广泛应用的机械压力机,应用交流伺服驱动技术,辅以计算机控制技术,将传统的曲柄连杆式压力机变成智能型节能型的肘杆式曲柄压力机。本文主要研究内容如下：(1)通过比较几种常用传动机构,设计出三角连杆—肘杆式机构,并利用UG软件建立其几何模型。(2)对三角连杆-肘杆机构进行运动学和动力学分析,并对电机轴负载转矩和等效转动惯量进行计算,建立运动学和动力学方面的动态数学模型。(3)建立基于MATLAB/Simulink的仿真模块的肘杆式伺服曲柄压力机机电系统动态仿真模型,并根据样机参数进行了压力机运动过程的数值模拟。按照实际工况建立冲压工艺,典型工艺有普通冲压、静音冲裁、高速薄板冲裁、分级压制、精密压印等,并对典型工艺进行数值仿真,预知各种工艺状态下的系统参数。(4)建立几种常用传动机构的运动学仿真模型,并对其仿真结果进行对比分析,进而证明所采用的三角连杆—肘杆机构是较优的传动机构。(5)实验研究,验证数值仿真与实验结果是否吻合,证实仿真模型的有效性。(6)进行压力机性能分析(包括电、力、运动参数、能耗等),对压力机驱动系统提出改进意见。研究结果表明,数值仿真和实验研究二者结果十分吻合,证实了数学仿真模型的正确性,肘杆式伺服曲柄压力机采用交流永磁同步伺服电机代替普通异步感应电机做为压力机的主传动,可以解决其工作特性不可调的缺点,从而提高了机械压力机的工作性能,拓宽了工艺适用性；交流伺服压力机可以实现滑块任意工作曲线,实现了工作特性的柔性化。通过仿真可得伺服压力机比普通压力机节约了56.5%的能量,机械效率提高了23.9%；通过对三种常用传动机构的仿真对比分析,结果表明,与曲柄滑块机构、等长肘杆机构相比,三角连杆—肘杆机构具有更高的增力比和更好的急回与近似停歇特性,不仅可以改善伺服机械压力机的工作性能,还可降低其制造成本。本文通过对交流伺服曲柄压力机机电系统的数值仿真,预知各种工艺状态下的系统参数(电流、电压、速度、加速度等),可以得到任意工艺曲线下的动态电机参数变化情况,这可以为多种冲压工艺的实现提供电机动态输入方面的依据,使曲柄压力机以最佳的性能适应具体工艺用途。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
符号与缩写一览表  14-15
第一章绪论  15-24
  1.1 课题来源、背景及研究意义  15-17
    1.1.1 伺服曲柄压力机研究的目的、意义  15-16
    1.1.2 伺服曲柄压力机机电系统动态分析的目的、意义  16-17
  1.2 国内外相关课题研究现状及分析  17-21
    1.2.1 交流伺服驱动引入成形机械的研究  17-19
    1.2.2 伺服机械压力机常用传动机构  19-21
  1.3 本课题的可行性分析和拟解决的关键问题  21-22
    1.3.1 可行性分析  21-22
    1.3.2 拟解决的关键问题  22
  1.4 本课题主要研究内容及方法  22-24
第二章肘杆式伺服曲柄压力机传动系统的运动学和动力学分析  24-37
  2.1 肘杆式传动机构的模型  24-25
    2.1.1 伺服压力机传动系统的发展现状  24
    2.1.2 三角连杆—肘杆式传动机构的几何模型  24-25
  2.2 传动机构的运动学分析  25-28
    2.2.1 运动学分析的目的和方法  25-26
    2.2.2 三角连杆—肘杆机构运动学分析及数学模型的建立  26-28
  2.3 传动机构的动力学分析  28-32
    2.3.1 机构力学分析的目的和方法  28-29
    2.3.2 理想状态下各构件的受力分析  29-32
  2.4 电机轴负载转矩和等效转动惯量的计算  32-36
    2.4.1 构件摩擦力分析  32-34
    2.4.2 等效转动惯量  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第三章伺服曲柄压力机驱动系统数学模型  37-45
  3.1 永磁同步电机的概述  37-39
    3.1.1 交流永磁同步电机的优越性  37-38
    3.1.2 交流永磁同步电机的基本结构和应用  38-39
  3.2 交流永磁同步电机的数学模型  39-42
    3.2.1 坐标变换与磁场定向控制  40-41
    3.2.2 数学模型  41-42
  3.3 永磁电机交流伺服系统  42-43
  3.4 异步电动机的数学模型  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章肘杆式伺服曲柄压力机系统仿真  45-63
  4.1 仿真软件介绍及算法选择  45-48
    4.1.1 MATLAB/simulink软件介绍  45-46
    4.1.2 算法及步长的选择  46-48
  4.2 仿真模型  48-49
    4.2.1 运动学仿真模型  48-49
    4.2.2 动力学仿真模型  49
  4.3 仿真试验  49-61
    4.3.1 三种传动机构仿真对比试验  50-53
    4.3.2 空载仿真试验  53-54
    4.3.3 常用工艺仿真试验  54-57
    4.3.4 负载能耗仿真对比试验  57-61
  4.4 本章小结  61-63
第5章实验研究以及结果分析  63-69
  5.1 实验原理及准备  63-66
    5.1.1 实验原理与实验装置  63-64
    5.1.2 实验方案及准备  64-66
  5.2 实验结果及分析  66-68
    5.2.1 常规冲压实验  66-67
    5.2.2 空载变速实验  67-68
    5.2.3 压印实验  68
  5.3 本章小结  68-69
结论与展望  69-71
参考文献  71-74
攻读学位期间发表的学术论文  74-76
致谢  76

肘杆式伺服曲柄压力机动力学仿真与实验研究

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