范云霄，牟 波，管聰聰

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266510 )

基于ADAMS的八連桿壓力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

范云霄，牟 波，管聰聰

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266510 )

運(yùn)用ADAMS建立了多連桿壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并建立了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不干涉約束條件。以滑塊在工作行程內(nèi)速度波動(dòng)量最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對八連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化之后滑塊速度曲線有所改善，滑塊在拉伸區(qū)內(nèi)速度波動(dòng)量較小，減小了滑塊對板料的沖擊，可延長模具的使用壽命。

壓力機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ADAMS

0 引言

多連桿機(jī)構(gòu)作為拉延類壓力機(jī)的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，與曲柄滑塊壓力機(jī)相比具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：1) 內(nèi)滑塊在工作行程階段的速度低且平穩(wěn)，有利于薄板材料的拉延成形，提高了拉延件的品質(zhì)[1]；2) 滑塊在與板料接觸時(shí)速度低，降低了接觸時(shí)產(chǎn)生的噪聲，改善了工人的工作環(huán)境；3) 多連桿機(jī)構(gòu)能夠提高滑塊空程的速度，縮短了滑塊的行程運(yùn)行時(shí)間，提高了壓力機(jī)的沖壓次數(shù)，從而提高了工作效率。

圖1為八連桿壓力機(jī)的傳動(dòng)部分，該機(jī)構(gòu)的工作原理是將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，滑塊下端安裝沖壓模具，從而完成對板料的沖壓。圖2為八連桿壓力機(jī)的平面結(jié)構(gòu)簡圖。

1—偏心體；2—上拉桿；3—上搖桿；4—下?lián)u桿；5—下拉桿； 6—滑塊； 7—主拉桿；8—三角架圖1 八連桿機(jī)構(gòu)組成

圖2 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)簡圖

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)是由美國MDI公司開發(fā)，它使用交互式的圖形環(huán)境和約束庫、零件庫、力庫，可創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，可對建立的虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，后處理部分可輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線及動(dòng)畫仿真[2]。

ADAMS具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能。在建立模型時(shí)，根據(jù)分析需要，創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量。在分析時(shí)，只要修改設(shè)計(jì)變量的值，虛擬樣機(jī)模型便可自動(dòng)更新。ADAMS/View提供了3種參數(shù)化分析方法：1) 設(shè)計(jì)研究(design study)；2) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiments, DOE)；3) 優(yōu)化分析(optimization)。優(yōu)化是指系統(tǒng)變量在滿足給定的約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)取得最大值或最小值[3]。在進(jìn)行優(yōu)化前，首先要對模型進(jìn)行參數(shù)化，然后確定各個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍，最后建立目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)中的設(shè)計(jì)變量對待解決的問題來說應(yīng)該是未知量，并且當(dāng)設(shè)計(jì)變量的值發(fā)生改變時(shí)，將會引起目標(biāo)函數(shù)的變化。

1 八連桿壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的模型建立

1.1 創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量

因?yàn)榘诉B桿機(jī)構(gòu)內(nèi)滑塊的位移，速度，加速度與機(jī)構(gòu)參數(shù)l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,R,a,b，θ1,θ2有關(guān)，所以在ADAMS/View中對應(yīng)的建立12個(gè)設(shè)計(jì)變量。打開ADAMS/View模塊，選擇Build|Design Variable|New菜單項(xiàng)，彈出Create Design Variable對話框，根據(jù)要求創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量。創(chuàng)建的設(shè)計(jì)變量見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量表

1.2 參數(shù)化建模

用參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)的方法參數(shù)化連桿，為計(jì)算方便，取滑塊在下死點(diǎn)時(shí)作為初始狀態(tài)[4]。

各參數(shù)點(diǎn)坐標(biāo)如下：

O：(0,0,0,)

A：(0，-DV_R，0)

B：(DV_a，DV_b，0)

C：(0，-DV_l1+ DV_R)，0)

D：(0,-(DV_R+ DV_l1+ DV_l2)，0)

E：(-75，(-125 - (DV_R+ DV_l1+ DV_l2))，-100)

F：(DV_l3*SIN(DV_θ1)，-DV_R -DV_l3*COS(DV_θ1)，0)

G：(DV_a - DV_l6* COS(ATAN(DV_a / (DV_R + DV_b)) + ASIN((DV_l7**2 - DV_a **2 - DV_l6**2 - (DV_R + DV_b)**2) / (2 * DV_l6 * SQRT((DV_R + DV_b)**2 + DV_a **2)))，DV_b + DV_l6 * SIN(ATAN(DV_a / (DV_R + DV_b)) + ASIN((DV_l7**2 - DV_a **2 - DV_l6**2 - (DV_R + DV_b)**2) / (2 * DV_l6 * SQRT((DV_R + DV_b)**2 + DV_a **2))))，0)

H：((DV_a + DV_l5 * SIN(DV_θ2-90-ATAN(DV_a / (DV_R + DV_b)) - ASIN((DV_l7**2 - DV_a **2 - DV_l6**2 - (DV_R + DV_b)**2) / (2 * DV_l6 * SQRT(DV_R + DV_b)**2 + DV_a **2))))), (DV_b - DV_l5 * COS(DV_θ2-90-ATAN(DV_a / (DV_R + DV_b))-ASIN((DV_l7**2 - DV_a **2 - DV_l6**2 -(DV_R +DV_b)**2) / (2 * DV_l6* SQRT((DV_R + DV_b)**2 + DV_a **2))))，0)

根據(jù)參數(shù)化的點(diǎn)，創(chuàng)建模型的各個(gè)構(gòu)件，并添加轉(zhuǎn)動(dòng)副和滑動(dòng)副，最后在O點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)副施加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。建立好的虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

圖3 八連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型

2 八連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)建測量函數(shù)

由曲柄存在的條件，得：

R-l6≤0

R-l7≤0

根據(jù)曲柄存在的條件，在ADAMS/View中創(chuàng)建測量函數(shù)。選擇Build|Measure|Function|New菜單項(xiàng)，彈出Function Builder對話框，在該對話框的Create or Modify a Function Measure文本框中輸入DV_R- DV_l6，單擊OK按鈕，完成測量函數(shù)FUNCTION_MEA_1的創(chuàng)建。采用與創(chuàng)建FUNCTION_MEA_1相同的方法，創(chuàng)建其余5個(gè)測量函數(shù)。

2.2 創(chuàng)建約束函數(shù)

根據(jù)曲柄存在的條件，建立約束函數(shù)方程。在ADAMS/View中，選擇Simulate|Design Constraint|New菜單項(xiàng)，彈出Create Design Constraint對話框，在對話框中選擇Definition by為Measure,在Measure文本框中輸入上一步建立的測量函數(shù)，單擊OK按鈕，完成各約束函數(shù)的創(chuàng)建。

2.3 建立目標(biāo)函數(shù)

壓力機(jī)工作時(shí)，要求滑塊在工作行程階段的速度均勻，且較低，這有利于拉延成形工藝[1]。基于此理論以滑塊在工作行程內(nèi)速度波動(dòng)量最小為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，對壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。速度波動(dòng)量的數(shù)學(xué)模型表示為：

2.4 優(yōu)化計(jì)算

選擇Simulate|Design Evaluation按鈕，彈出Design Evaluation Tools對話框，根據(jù)優(yōu)化要求，完成對優(yōu)化計(jì)算的設(shè)置。單擊Start按鈕，開始對模型進(jìn)行優(yōu)化求解。優(yōu)化過程中各變量的變化情況，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化過程中各變量的變化情況

優(yōu)化后的各個(gè)變量的最終結(jié)果為：

l1=818.73，l2=909.178，

l3=894.445，l4=941.13，

l5=606.879，l6=540.448，

l7=1195.16，l8=181.937，

l9=1149.18，l10=312.44，

l11=46.8177，l12=141.468。

3 結(jié)語

圖5為優(yōu)化前后滑塊速度的對比圖，實(shí)線為優(yōu)化后的速度曲線，點(diǎn)劃線為優(yōu)化之前的速度曲線。從圖中可以看出，優(yōu)化之后滑塊在工作區(qū)內(nèi)(對應(yīng)橫軸0.75-1.25s)的速度明顯有所改善，工作區(qū)內(nèi)滑塊速度均勻，波動(dòng)量很小。這有助于減小對板料的沖擊，降低沖壓時(shí)產(chǎn)生的噪聲，延長了模具的使用壽命，從而為企業(yè)節(jié)省了成本。

圖5 優(yōu)化前后滑塊速度對比

[1] 羅中華，彭炎榮.八連桿板沖壓力機(jī)內(nèi)外滑塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，1998(5)：47-50.

[2] 張龍，馬振書，穆希輝.基于ADAMS虛擬平臺的機(jī)器人夾持器動(dòng)力仿真[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009(5)：63-64.

[3] 魏玉東.滾筒洗衣機(jī)動(dòng)態(tài)研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[4] 彭于華.六連桿壓力機(jī)的分析與混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[D].南京：航空航天大學(xué)，2010.

Optimization Design of Eight-bar Press Based on ADAMS

FAN Yun-xiao，MOU Bo，GUAN Cong-cong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

The ADAMS is used to establish the virtual prototype model of the multi-link press transmission mechanism and the drive noninterference movement condition .The paper proposes to take the speed fluctuation quantity of slider during the working period as the target function, and thus to carry out optimization design for the eight connecting rod drive mechanism. The optimization results show that the slider speed curve is improved after optimization; its speed fluctuation quantity during the working period is small, so that the impact of the slider on the sheet metal is reduced and the life of the mold is extended.

eight-bar press；optimization design；ADAMS

范云霄(1956-),男，山東齊河人，教授，主要從事數(shù)控技術(shù)，機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)檢測與故障診斷。

TH12；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0105-03

2013-02-22