基于变胞机构的自动送料冲压机构设计 ①

李宪芝, 王漫潼, 于传琳, 刘 威, 张占英

(营口理工学院机械与动力工程学院,辽宁 营口 115014)

0 引 言

变胞机构是1998年首次提出的一种能从一种拓扑结构形式变换到另一种拓扑结构形式，通常是在工作中自由度和有效构件数也跟着发生变化的机构[1]。工作时该机构可高度折叠和展开，具有结构状态变化和自动组合等特点。该机构还可根据所要实现功能的需求或环境等的变化，进行重新组建和重新架构，在运动中改变结构构态，从而构件自由度或构件数量发生改变，以达到不同工作要求环境下所需要机构的任务需求，应用于不同场合。

在冲压加工中，冲床的送料机构是极其重要的组成部分。送料机构需要作往复式运动。运动周期小于冲模的上下运动周期，在冲模下降进入工作阶段之前，送料机构要将板材送入指定位置(即下模之上)，当冲压加工完成之后，进入下一次加工之前，送料机构再进行下一次送料，如此往复进行。在此，为了满足一些特定的加工要求，减少设计成本，对送料机构进行改进设计，在设计中进行了机构重新组合变化，摆动导杆机构和曲柄摇杆机构的组合即可满足此需求。

在此，对自动送料冲压机构进行设计，可实现送料冲压一体化操作，又能保证停歇运动要求，简化了送料冲压机构的设计。

1 设计方案

1.1 自动送料冲压机构组成

自动送料冲压机构主要由两个部分组成：送料部分和冲压部分。其装配图如图1所示。冲压部分主要由冲头、连杆、摇杆组成，实现冲压功能。送料部分主要由曲柄、滑块、导杆、连杆、推块组成，实现间歇送料。

1.冲头 2. 挡板 3. 出料口 4. 推块

1.2 冲压机构中平面变胞机构间歇运动的实现

如图2所示，将导杆CD由直杆件改为空心槽，滑槽的长度与机架AC等长，AB杆的A点、DC杆的C点、E点都铰接在固定机架上，此时机构自由度F=3n-2PL-PH=3×9-2×13=1 ，见图2(a)。当滑块在滑槽中运动处于推程阶段时，滑块没有碰到限位板，此时的机构仍是曲柄导杆机构。但当滑块B受到限位板的阻挡时，滑块继续向上运动，受到弹簧的阻力，滑块在曲柄力的作用下继续运动，此时机构的自由度为F=3n-2PL-PH= 3×8-2×11=2 ，见图2(b )。机构的自由度1变化为2，机构构态也随之发生了变化，形成变胞机构，实现了变胞功能。这种构态的变化，既可以使机构运动灵活，又可实现机构的间歇运动。由于该机构的运动形态主要是二维的，该送料冲压机构属于平面变胞机构。该机构通过对传统的摆动导杆机构进行改造，机构在运动过程中，整个机构可以由原来自由度为1的运动状态变为自由度为2的运动状态，实现两种状态的转换，同时输出构件还能够实现有停歇的往复运动[2]。

(a)

2 机构三维建模与仿真

通过对关键尺寸的确定，利用三维建模软件SolidWorks对整个机构进行三维建模及装配，三维模型见图3所示。然后应用SolidWorks自带的Motion分析模块，对机构进行运动仿真。通过对运动中的一些重要物理量的测量，进行整个机构的运动仿真分析,检查整体设计运动状态是否合适，是否存在运动干涉情况。分析各运动构件的位移、速度及加速度变化规律,弄清曲柄、摇杆、导杆、冲头及推块等运动情况, 修改设计参数, 促进机构的优化设计[3]。

图3 自动送料冲压机构三维仿真模型

经过运动仿真分析，得到冲头及推块的位移及速度线图见图4-图7所示。根据线图可知，冲头及推块的运动平稳无波动，变化连续无冲击。

图4 冲头位移

图5 冲头速度

图6 推块位移

图7 推块速度

3 系统设计特点

在设计中，将摆动导杆机构的导杆滑块与限位板和弹簧结合起来，组成运动副变胞送料机构，使得该机构在送料的推程途中，限位板不与弹簧接触，在回程途中，限位弹簧与导杆滑块接触，并开始压缩弹簧，此时机构自由度发生变化，实现了运动副变胞过程。

3.1 设计实例

具体要求为生产率为30件/min，送料距离为150mm，板料送进阻力为500N，冲头行程为100mm。取机架AC长为800mm，导杆机构的行程系数比K=1.4，曲柄AB长为400mm，则由作图法可做出并量得B1B2=680mm，根据实际要求的送料距离为150mm，以200/680=0.3的比例缩小机构，即可以得到设计所要求的尺寸。

3.2 传统机构与变胞机构的比较

传统冲压机中，送料机构和冲压机构是两个独立机构，分别由两个传动装置去进行控制，传动路线长，结构也比较复杂。将冲压机构和送料机构组合在一起，由一个机构实现送料及冲压，既可简化整体结构，又可提高生产效率。

对于送料机构的停歇运动，大都采用凸轮机构来实现。凸轮机构为高副机构，不适合应用在受力较大的场合，而且凸轮轮廓曲线加工困难、精度难以保证。如果采用平面变胞间歇运动机构来实现送料机构及冲压机构的停歇，并且这种停歇可以根据需要的停歇时间，综合相关构件尺寸得以准确实现，通过修改机构尺寸还可以对机构的停歇进行调整[4]，这样使得机构中各构件的设计与加工变得非常容易。

4 结 语

在传统方案设计中，凸轮轮廓曲线的加工有些困难、精度保证困难，文中的设计方案克服了传统送料机构及冲压机构方案中的这些缺点，在实际设计过程中，运用变胞间歇机构来完成自动送料及冲压运动规律，按照设计方法通过SolidWorks软件进行零件尺寸设计、建模，完成整体装配，再通过运动仿真模拟各部件的受力状况及强度要求，证明机构的设计结果可以满足一定条件下的使用，说明此方案可以完全实现机构的设计要求。此外，平面变胞间歇运动机构还有过载保护的作用，当载荷比较大时，虽然机构的运动状态会发生改变，但在机构继续运行的情况下，也不至于会损坏整个机械装置，起到保护机构装置的作用。