傅蔡安 陳 文

江南大學(xué),無錫,214122

混合輸入沖壓機構(gòu)的運動學(xué)分析及參數(shù)優(yōu)化

傅蔡安 陳 文

江南大學(xué),無錫,214122

簡述了混合輸入沖壓機構(gòu)的原理,對所提出的混合輸入沖壓機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析,在已知輸出運動規(guī)律的條件下,求得輔助驅(qū)動的位置、速度、加速度規(guī)律。由ADAMS軟件完成該機構(gòu)的仿真分析,同時利用該軟件的參數(shù)優(yōu)化模塊實現(xiàn)了機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化分析,改進(jìn)了沖壓機構(gòu)的運動性能。研究結(jié)果對提高零件加工質(zhì)量及模具壽命具有重要意義,同時為混合輸入沖壓機構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供了參考。

混合輸入;沖壓;運動學(xué);ADAMS;參數(shù)優(yōu)化

0 引言

在塑性加工領(lǐng)域,機械式?jīng)_壓機得益于其高效率的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的單自由度機械沖壓機通常采用一個恒速電機作為動力源,機械系統(tǒng)缺乏柔性,要改變滑塊的輸出運動特性,就需要改變壓力機的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù),這種改變通常較困難。近年來,機構(gòu)學(xué)者提出了“混合驅(qū)動機器”的思想[1-3],混合驅(qū)動機構(gòu)既兼容了傳統(tǒng)機構(gòu)和全伺服機構(gòu)的優(yōu)點,又避免了二者的不足,在理論上能夠比較理想地解決柔性化與高速化、高效率、高承載力的矛盾,為現(xiàn)代機械創(chuàng)新設(shè)計提供了一條新思路。

國內(nèi)外對混合驅(qū)動機構(gòu)的研究主要分為兩個方面:一是從伺服電機的跟蹤能力出發(fā)[4],以伺服電機速度波動最小和動力分配比最小為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化設(shè)計機構(gòu)的尺寸參數(shù);二是從機構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新方面出發(fā),設(shè)計新型傳動機構(gòu)類型[5],然后采用伺服電機驅(qū)動,最終實現(xiàn)滑塊速度可調(diào)。

1 混合輸入沖壓機構(gòu)的運動學(xué)分析

本文依據(jù)混合驅(qū)動機器基本原理(圖1),采用機構(gòu)創(chuàng)新法得到適合于混合驅(qū)動沖壓機的機構(gòu)類型,即二自由度混合驅(qū)動Ⅲ級機構(gòu),并對該沖壓機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析[6-7]。近年來,虛擬樣機技術(shù)[8-9]的應(yīng)用大大簡化了機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計工作,設(shè)計過程具有很好的可視性,本文采用該技術(shù)進(jìn)行機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,在保持兩電機驅(qū)動相同且勻速、沖壓效率為 40次/min的條件下,利用ADAMS軟件的優(yōu)化分析模塊優(yōu)化機構(gòu)參數(shù),以降低有效沖壓行程中的沖壓速度并達(dá)到近似勻速的要求。

圖1 混合驅(qū)動機器原理圖

按照應(yīng)用要求,建立的沖壓機構(gòu)模型如圖2所示,曲柄AB由普通電機驅(qū)動,曲柄DE由伺服電機驅(qū)動,ABCDE為一個雙輸入的五桿機構(gòu),l1、l2、l3 、l4 、l5 分別代表五桿機構(gòu)的桿長,此五桿機構(gòu)通過CF桿件與滑塊機構(gòu)FGH IJ相連,從而將運動傳遞到?jīng)_壓機構(gòu)的輸出端。桿件IJ為滑塊輸出端。

圖2 混合輸入沖壓機構(gòu)構(gòu)型圖

以下對混合輸入沖壓機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析,即已知主驅(qū)動曲柄AB位置角度參數(shù)和運動規(guī)律,機構(gòu)三個固定點 A 、E 、G 的位置,α,β,各個桿件的桿長,以及輸出端I點的位置、速度、加速度,求輔助驅(qū)動曲柄ED的運動規(guī)律也即伺服電機的運動規(guī)律。

1.1 位置分析

由圖2可得

則可得 θ4=2arctan z(0 ≤θ4≤2π)。

θ4有兩組解,需要根據(jù)機構(gòu)初始安裝角度來決定舍去哪一組解。最后可得

1.2 速度分析

1.3 加速度分析

2 混合輸入沖壓機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化分析

沖壓加工時滑塊速度是沖壓機構(gòu)的一項重要性能指標(biāo),在保持沖壓效率不變的情況下,降低有效沖壓行程中的滑塊速度,可以大大提高零件質(zhì)量和模具壽命。本文首先在ADAM S中建立機構(gòu)參數(shù)化虛擬樣機模型,通過運動仿真分析[10]及機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[11],降低滑塊在有效沖壓行程中的速度,獲得更優(yōu)的機構(gòu)運動性能。

2.1 參數(shù)化虛擬樣機模型的建立

機構(gòu)桿長尺寸以及桿件初始位置轉(zhuǎn)角是根據(jù)沖壓基本參數(shù)確定的,它們需要隨著不同的沖壓參數(shù)要求而改變,將桿長l1～l7以及桿件初始位置夾角定義為變量,通過輸入變量的值,即可獲得所需模型。機構(gòu)存在A～I(xiàn)共9個桿件關(guān)節(jié)點,其中,A、E、G三點是機構(gòu)最為重要的位置確定點,用包含這三點和前面定義的變量的關(guān)系表達(dá)式來描述其他關(guān)節(jié)點,當(dāng)9個設(shè)計點關(guān)聯(lián)確定后,機構(gòu)模型的位置就基本確定了。

為了讓模型各桿件能夠隨設(shè)計點位置的變化而改變,需要建立桿件與設(shè)計點之間的關(guān)聯(lián)表達(dá)式。其關(guān)聯(lián)方法是,將各桿件的幾何體位置標(biāo)記點marker與設(shè)計點POINT設(shè)計綁定起來,同時將桿件長度、桿件安裝角度用含有設(shè)計點、設(shè)計變量的表達(dá)式來描述,這樣,一旦改變了設(shè)計點坐標(biāo)和設(shè)計變量的參數(shù),與之相關(guān)聯(lián)的桿件位置及長度方向等參數(shù)也會隨之變化。完成設(shè)計變量的定義、設(shè)計點的設(shè)置、構(gòu)件與設(shè)計變量間關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立這三個步驟之后,機構(gòu)參數(shù)化虛擬樣機模型基本完成,模型如圖3所示。

2.2 機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化分析

在ADAMS中,參數(shù)優(yōu)化分析就是自動地對模型設(shè)計參數(shù)及設(shè)計效果進(jìn)行分析。在分析過程中,按照機構(gòu)運動參數(shù)要求,先將設(shè)計變量設(shè)置在特定范圍內(nèi),然后每次取一個不同的設(shè)計參數(shù)值自動進(jìn)行仿真分析,分析流程如圖4所示。

圖3 機構(gòu)虛擬樣機的參數(shù)化模型

圖4 參數(shù)化分析流程圖

具體的參數(shù)優(yōu)化分析方法分為兩種:一種是在某個設(shè)計變量發(fā)生變化并保持其他變量不變的情況下,研究虛擬樣機的主要性能將如何變化;另一種是同時考慮多個設(shè)計變量之間的不同組合對虛擬樣機的主要性能的影響。

此次優(yōu)化分析的目的是降低有效工作行程的沖壓速度,并保持其在一段時間內(nèi)近似勻速,將有效工作行程滑塊速度作為參數(shù)優(yōu)化研究的目標(biāo)函數(shù),在保證沖壓行程在允許范圍內(nèi)的情況下,通過更新設(shè)置的變量值即各關(guān)鍵點的位置以及機構(gòu)桿長參數(shù),考察目標(biāo)函數(shù)隨變量值的更新而發(fā)生的變化。

將機構(gòu)A、E兩處的驅(qū)動運動速度均設(shè)置為勻速240°/s,即保持 40次/min的沖壓效率,總沖壓行程為(150±5)mm。

方法一 依次將各個變量取不同的值(需保證總沖壓行程在(150±5)mm范圍內(nèi)),觀察滑塊速度變化曲線,找出影響較為顯著的變量。以ED桿長l4為例,在總沖壓行程保持(150±5)mm范圍時,ED桿長l4的變化區(qū)間為180～220mm,取其變化序列為 180mm、190mm、200mm、210mm、220mm,分析不同桿長時,有效工作行程中滑塊速度的變化曲線(圖5)。

圖5 滑塊速度及有效工作行程隨桿長l4變化曲線

由圖5可以看出,取不同的ED桿長,滑塊速度發(fā)生相應(yīng)的變化,ED桿長對滑塊有效工作行程的大小有很大影響,因此,需要綜合考慮這兩者間的關(guān)系,即在保持滑塊有效工作行程滿足要求的情況下,選擇滑塊速度較低且變化不大的最優(yōu)桿長,這樣就可以縮小桿長優(yōu)化范圍,從而逐步逼近最優(yōu)解。

方法二 同時改變多個變量值,不同的變量值根據(jù)排列組合原理自動生成不同的組合,如同時考慮ED桿長l4與C點縱坐標(biāo)yC變化。根據(jù)總沖壓行程保持在(150±5)mm范圍內(nèi)的原則選取l4與 yC的變化區(qū)間。選取 l4的變化序列為200mm、210mm、220mm,同時 yC變化序列數(shù)也為3,變化范圍為27.336～32.366mm,那么參數(shù)組合數(shù)n=3×3=9組,分別取這9組參數(shù)進(jìn)行分析研究,有效沖壓行程中滑塊速度變化情況如圖6所示,圖中,l4、yC的單位為mm 。

由圖6可以看出,取1、2、3號參數(shù)組合時,在0～0.2s區(qū)間內(nèi)機構(gòu)的滑塊速度變化幅度最小且速度基本接近40mm/s,因此就可以在這3組參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小參數(shù)變化范圍,進(jìn)一步逼近最優(yōu)解。

參數(shù)優(yōu)化后機構(gòu)的運動特性得到了改進(jìn),從優(yōu)化前后的滑塊總沖壓行程與速度曲線(圖7)可以看出,滑塊速度特性曲線得到了明顯改善:保持總沖壓行程在(150±5)mm區(qū)間內(nèi),同時在有效沖壓行程中減小了滑塊速度的變化幅度,并保持低速運動(沖壓速度低于40mm/s),實現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo),為后期采用伺服電機驅(qū)動創(chuàng)造了條件。

圖 6 有效沖壓行程中的滑塊速度隨l4、yC變化曲線

圖7 參數(shù)優(yōu)化前后滑塊行程和滑塊速度曲線

結(jié)合上述機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果,將由ADAMS參數(shù)優(yōu)化出的關(guān)鍵點位置坐標(biāo)(表1)代入運動學(xué)位置分析方程組中進(jìn)行求解,即可以驗證運動學(xué)分析的正確性。

表1 參數(shù)優(yōu)化后機構(gòu)設(shè)計點的位置坐標(biāo) mm

3 結(jié)語

本文基于運動學(xué)反解原理對所提出的混合輸入沖壓機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析,求得了機構(gòu)輔助驅(qū)動運動規(guī)律,即初始位置、速度、加速度等與機構(gòu)輸出運動規(guī)律以及機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)表達(dá)式,并且利用參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果反向驗證其正確性,為類似的沖壓機構(gòu)的控制提供了理論方法。

采用虛擬樣機技術(shù)優(yōu)化機構(gòu)參數(shù),運用ADAMS軟件對該機構(gòu)進(jìn)行了仿真分析,并且利用該軟件的參數(shù)優(yōu)化模塊實現(xiàn)了機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,改進(jìn)了沖壓機構(gòu)的運動性能,在兩驅(qū)動均為勻速運動的條件下,實現(xiàn)了有效沖壓行程內(nèi)的近似勻速低速運動。研究結(jié)果對提高零件質(zhì)量和模具壽命都具有重要意義,為后續(xù)采用伺服電機驅(qū)動創(chuàng)造了條件,也為混合輸入沖壓機構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供了參考。

[1] 李輝.混合驅(qū)動可控壓力機的基礎(chǔ)理論研究[D].天津:天津大學(xué),2003.

[2] 魯潔,王秀葉.一種新型機械式曲柄鍛造壓力機[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2005(2):56-58.

[3] 李輝,張策.混合驅(qū)動壓力機的可行性研究[J].機械科學(xué)與技術(shù),2004,23(10):1253-1256.

[4] 賀利樂,肖理,段至善.混合驅(qū)動二自由度并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,39(3):429-432.

[5] 孟彩芳,張策,陸永輝.新型混合輸入式曲柄壓力機械的優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程,2003,14(10):834-836.

[6] 于紅英,唐德威,王建宇.平面五桿機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)特性分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,39(6):940-943.

[7] 尹志光,莫錦秋,梁慶華.實現(xiàn)特定要求軌跡的混合驅(qū)動五桿機構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[J].輕工機械,2009,27(1):42-45.

[8] 張慶功,馬曉麗,周兆忠.基于ADAMS軟件的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)運動學(xué)分析[J].輕工機械,2008,26(10):38-39.

[9] 王湘,蔡敢為.混合驅(qū)動機構(gòu)虛擬樣機仿真控制研究[J].計算機仿真,2009,26(8):233-236.

[10] 郭旭偉,王知行.基于ADAMS的并聯(lián)機床運動學(xué)和動力學(xué)仿真[J].現(xiàn)代制造工程,2003,32(7):119-122.

[11] 謝慧萍,季英瑜.基于ADAMS軟件的六連桿沖壓機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].輕工機械,2009,27(2):47-50.

Kinematics Analysis and Parameter Op tim ization of a Hybrid Input M echanical Press

Fu Cai'an Chen Wen
Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu,214122

This paper estab lished the p rinciples of hybrid inputmechanism.Kinematic analysis on themechanism w as carried out under the condition o f the given law of output.The variation law s of position,speed and acceleration of auxiliary driven were obtained.The simulation analysis and parameter optimization of thismechanism w ere comp leted with the aid of ADAMS parametricmodule,thus the kinematic performance of thismechanism is improved,and the quality of partsand life of dies are improved too.Then a reference basis is provided for the app lications in engineering project of hybrid inputmechanical press.

hybrid input;press;kinematics;ADAMS;parameter optimization

TH 122

1004—132X(2011)06—0666—05

2010—03—08

(編輯 蘇衛(wèi)國)

傅蔡安,男,1954年生。江南大學(xué)機械工程學(xué)院教授。主要研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)。獲中國發(fā)明專利2項。發(fā)表論文20余篇。陳 文,女,1986年生。江南大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。