孫龍躍，張海鷗，王桂蘭

（1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2.華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

面向壓鑄送料機械手的平面五桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孫龍躍1，張海鷗1，王桂蘭2

（1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2.華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

平面五桿機構(gòu)是金屬溶液壓鑄成型過程中重要的運送機構(gòu)，五桿的桿長和相對位置對機構(gòu)的運動軌跡和負載具有重要的影響，直接關(guān)系到壓鑄件的質(zhì)量。闡述了Pro/E軟件在產(chǎn)品開發(fā)中，利用行為建模的方法在特定設(shè)計意圖和設(shè)計約束的前提下，經(jīng)過一系列參數(shù)測試和計算，獲得最佳的設(shè)計參數(shù)。該方法利用計算機強大的運算性能，顯著提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

Pro/E；行為建模；優(yōu)化設(shè)計

壓鑄（壓力鑄造的簡稱）是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種先進的鑄造方法。具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟指標優(yōu)良、壓鑄件尺寸精度高和互換性好等特點[1]，廣泛應(yīng)用于摩托、汽車、儀表、五金等領(lǐng)域[2-4]。而壓鑄送料的方式不外乎人工舀料、給湯機注湯、定量爐注湯等三種。人工舀料工人勞動強度大，質(zhì)量無法保證；定量爐注湯經(jīng)濟成本較高；市場上多采用的是給湯機注湯。

我國壓鑄送料機械手生產(chǎn)廠家較多，普遍采用平面五桿機構(gòu)送料，一般可以收到較好的效果。但現(xiàn)有設(shè)計多采用經(jīng)驗法，難以精確得到負載轉(zhuǎn)矩和軌跡曲線，不利于生產(chǎn)自動化。本文利用Pro/E行為建模的方法，將設(shè)計量和目標量參數(shù)化，通過計算機計算得到優(yōu)化解。其基本分析步驟如圖1所示。

圖1 行為建模一般步驟

本文以現(xiàn)有平面五桿機構(gòu)的桿長為初始值，并進行Pro/E行為建模。優(yōu)化后，平面五桿機構(gòu)負載特性明顯改善。下面詳細介紹平面五桿機構(gòu)分析和優(yōu)化過程。

1 平面五桿機構(gòu)分析

連桿機構(gòu)分析著重在于連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)特性的研究。本文首先分析機構(gòu)的自由度，確定原動件數(shù)目；其次對執(zhí)行部件進行機構(gòu)運動學(xué)分析，確定最佳運動軌跡；然后進行動力學(xué)特性研究，分析負載轉(zhuǎn)矩特性，確定電機參數(shù)；再利用Pro/E參數(shù)化優(yōu)化方法，研究桿長和相對位置對負載轉(zhuǎn)矩的影響，從而優(yōu)化設(shè)計。

如圖2所示的平面五桿機構(gòu)運動簡圖，共有5個活動構(gòu)件，6個鉸鏈構(gòu)成6個低副。與處有一個復(fù)合鉸鏈，有1個轉(zhuǎn)動副。故其中n=5，p1=7，ph=0。由機構(gòu)自由度公式可得

F=3n-（2p1+pb）=3×5-2×7=1

由上式可知，機構(gòu)只有一個自由度。這樣，僅需一個原動件就可以使機構(gòu)具有確定運動狀態(tài)。

圖2 平面五桿機構(gòu)運動簡圖

1.1 平面五桿機構(gòu)運動學(xué)仿真

首先需設(shè)定初始值和相對位置，以此建立三維模型，連桿間通過銷釘連接。

在Pro/E機構(gòu)命令中，選擇驅(qū)動軸電機并根據(jù)實際運行情況反復(fù)調(diào)整轉(zhuǎn)速，設(shè)置初始位置和極限位置。新建運動學(xué)分析命令“動力學(xué)研究”，利用回放命令可檢查干涉性。同時可得到執(zhí)行末端A點的軌跡曲線，如圖3所示。

圖3所示軌跡曲線符合給湯機舀取路徑的要求。

圖3 A點運動軌跡曲線

圖4 垂直角度和水平距離曲線

1.2 平面五桿機構(gòu)動力學(xué)仿真

機構(gòu)動力學(xué)主要是分析作用在機構(gòu)各零件上的力和力矩。根據(jù)實際的負載，利用Pro/E動態(tài)分析功能，研究作用于主動軸上的負載轉(zhuǎn)矩。并進一步優(yōu)化負載。使得裝置能夠平穩(wěn)高效地運行。

在進行動力學(xué)分析時，首先根據(jù)設(shè)計的連桿機構(gòu)，設(shè)置桿件質(zhì)量屬性，確定每根連桿重量，并添加外部負載和摩擦等。至此就可以實現(xiàn)機構(gòu)的動力學(xué)研究。利用Pro/E測量工具得到負載轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

圖5 負載轉(zhuǎn)矩

由圖5可知，t在[0，3]s內(nèi)，驅(qū)動軸的負載的力矩Tf在[53.8，77.6]kg·m。負載轉(zhuǎn)矩3秒內(nèi)迅速增大，而電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩是恒定的，負載的突然變化不利于電機的長期平穩(wěn)工作，所以必須對現(xiàn)有機構(gòu)進行優(yōu)化。

2 平面五桿機構(gòu)優(yōu)化

參數(shù)化設(shè)計是目前CAD應(yīng)用技術(shù)中最重要的技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于系列化產(chǎn)品設(shè)計。它以約束來表達產(chǎn)品模型的形狀特征，以一組參數(shù)來控制設(shè)計結(jié)果，能通過變換設(shè)計參數(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品模型的更改或相似產(chǎn)品模型的創(chuàng)建。

本文以桿長和兩固定鉸鏈的相對位置為自變量，負載轉(zhuǎn)矩為因變量。經(jīng)過敏感度，可行性/優(yōu)化分析、多目標設(shè)計研究，非常方便地實現(xiàn)對現(xiàn)有平面五桿機構(gòu)桿長的優(yōu)化設(shè)計。

2.1 敏感度分析

敏感度分析是用來分析模型尺寸或者參數(shù)在制定范圍內(nèi)改變時對測量目標參數(shù)的影響，并顯示影響曲線圖。其目的是確定最能影響負載的桿件。以桿為例，分析的敏感度曲線如圖6所示。

圖6 號桿件敏感度分析

2.2 可行性/優(yōu)化分析及多目標設(shè)計研究

可行性分析是在指定的參數(shù)或者尺寸范圍內(nèi)搜索滿足約束條件的解決方案。找到即提示存在解決方案。優(yōu)化分析能夠指定目標函數(shù)且在設(shè)定的變量范圍內(nèi)，在所有滿足目標的解中尋找最優(yōu)解。

優(yōu)化設(shè)計適合于只有一個設(shè)計目標時的應(yīng)用，而多目標設(shè)計研究用來解決多個設(shè)計目標的優(yōu)化問題。實踐也證明，只為改變負載轉(zhuǎn)矩而改變桿長可能引起軌跡曲線急劇變化，結(jié)果必將適得其反，所以必須用多目標進行研究。

經(jīng)過多目標設(shè)計研究后，重新進行運動學(xué)分析，將優(yōu)化后數(shù)值圓整后得負載轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示，軌跡曲線如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后負載轉(zhuǎn)矩曲線

圖8 優(yōu)化后軌跡曲線

由圖7知，發(fā)現(xiàn)時間t[0，3]s，負載轉(zhuǎn)矩Tf[48.2，67.9]kg·m。顯然通過該方法不但能夠改變負載轉(zhuǎn)矩，執(zhí)行末端的軌跡曲線也滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本文闡述了Pro/E行為建模的方法，首先對平面五桿機構(gòu)進行三維造型，分析機構(gòu)的動力學(xué)和運動學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有機構(gòu)進行參數(shù)化分析和優(yōu)化。實踐證明，經(jīng)該方法設(shè)計的桿長負載特性明顯改善，與其他裝置調(diào)試后能生產(chǎn)效率明顯提高。應(yīng)用前景廣泛。

［1］黃曉鋒，謝銳，田載友.壓鑄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.新技術(shù)新工藝，2008（7）：50-55.

［2］陳金城，翟春泉.快速成長中的中國壓鑄機制造業(yè)［J］.特種鑄造及有色合金，2010（30）：813-816.

［3］黃久暉.我國壓鑄行業(yè)及壓鑄機制造業(yè)的情況介紹［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2006（2）：8-9.

［4］陳金城.中國壓鑄工業(yè)的前景——從中國汽車工業(yè)的躍升說起［J］.特種鑄造及有色合金，2003（6）：33.

Optimal Design of Planar Five-Bar Mechanism to Die-Feeding Robot

SUN Long-yue1，ZHANG Hai-ou1，WANG Gui-lan2
1.State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology，Huazhong University of Science &Technology，Wuhan430074，China；2.State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology，Huazhong University of Science&Technology，Wuhan430074，China）

Planar five-bar mechanism is an important transport mechanism of metal solution casting process，its length and position have an important influence on the equipment's trajectory and load and are directly related to the die castings'quality.This paper describes the use of behavioral modeling approach of Pro/E software in a specific design intent and under the premise of design constraints in the product development，it can get the best design parameters after a series of parameter test and calculation.This method can significantly improve the design efficiency and quality by using computer powerful operation performance and particularly suitable for ordinary design users.

Pro/E；behavior modeling；optimization design

TH122

A

1009－9492(2015)10－0070－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.017

孫龍躍，男，1989年生，江蘇鹽城人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

張海鷗，男，1955年生，教授，博士生導(dǎo)師。

(編輯：向 飛)

2015－04－15