申建磊 劉 杰 許 昕

揚州鍛壓機床股份有限公司

多連桿機械壓力機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

申建磊 劉 杰 許 昕

揚州鍛壓機床股份有限公司

機械壓力機因其獨特的功能在國家工程領(lǐng)域被廣泛采用，機械壓力機由眾多不同種類部件組成，每個部件都具備各自獨特的功能，不可缺少。其中多連桿機構(gòu)為大多數(shù)現(xiàn)代機械壓力機的工作部件，具有很多優(yōu)點，可提高生產(chǎn)率、延長模具壽命并降低噪聲的，將其應(yīng)用于機械壓力部件的研究具有非常重要的意義，需要進一步加強對其的研究。基于此本文分析了多連桿機械壓力機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

多連桿；機械壓力機；傳動系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

1 機械壓力機多連桿機構(gòu)

1.1 機械壓力機多連桿機構(gòu)

多連桿機構(gòu)可根據(jù)構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的桿件數(shù)量分為以下三類：六連桿機構(gòu)、八連桿機構(gòu)、十連桿機構(gòu)。三種多連桿機構(gòu)雖然相較傳統(tǒng)曲柄結(jié)構(gòu)都具備上節(jié)所述的共同優(yōu)點，但依然各自具有不同的特點。其中，八連桿機構(gòu)相較六連桿機構(gòu)具有滑塊工作行程更長、滑塊工作區(qū)間速度波動量更小、回程速度更快、拉深成形性更好；相較十連桿機構(gòu)具有制造容易，維護簡單，經(jīng)濟性好。

1.2 常用多連桿機構(gòu)設(shè)計方法

多連桿機構(gòu)的設(shè)計主要在于通過設(shè)計合理的桿系參數(shù)和桿件相對位置，以獲得合理的滑塊運動特性。傳統(tǒng)的桿系設(shè)計方法有圖解法和解析法。類比作圖法往往需要手工作圖完成，因而存在作圖精度低，設(shè)計周期漫長，需要進行大量盲目試湊等缺點，類比作圖法很難獲得優(yōu)秀的設(shè)計方案。設(shè)計過程中對研究人員個人設(shè)計經(jīng)驗要求較高，設(shè)計過程存在非常大的未知性。解析法則依據(jù)機械原理的相關(guān)理論基礎(chǔ)，將機構(gòu)中尺寸參數(shù)以待求解的未知量數(shù)學(xué)形式表達出來，即列出相關(guān)方程組，然后通過求解方程組以確定桿件參數(shù)。這種方法的缺點在于方程組的線性化程度具不可控因素，實際情況中往往由于設(shè)計變量和約束條件較多，求解高度非線性的方程組幾乎無法完成，從而要想獲得優(yōu)秀的設(shè)計方案也很難實現(xiàn)。因此，對機械壓力機工作機構(gòu)的進一步深入研究是具有很高的價值。

2 多連桿機械壓力機傳動關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計變量的確定

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計理論，設(shè)計變量通常是目標(biāo)函數(shù)和約束條件影響顯著的獨立變量，這些變量能夠影響設(shè)計結(jié)果，并且需進行選擇，最終確定的參數(shù)。設(shè)計變量的數(shù)量代表問題的自由度，數(shù)量越多自由度越大，越容易求解得到優(yōu)化結(jié)果。但是也會相應(yīng)增大問題的求解難度，因而設(shè)計變量的確定應(yīng)該合理。通常，為降低求解難度應(yīng)盡可能降低設(shè)計變量的個數(shù)，將能夠影響設(shè)計結(jié)果的設(shè)計參數(shù)定為設(shè)計變量。

可知機械壓力機滑塊的位移、速度、加速度需要符合設(shè)計要求，因而將影響滑塊位移和速度性能的12個參數(shù)L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，L8，x，y，θ1，θ2確定為設(shè)計變量X，即：

優(yōu)化設(shè)計具有12個維數(shù)，并且設(shè)計變量矢量x都是連續(xù)變量。

2.2 目標(biāo)函數(shù)的建立

多連桿最優(yōu)化設(shè)計中，用設(shè)計變量X表征出多連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，這一過程為建立連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計中預(yù)期要達到的目標(biāo)，是設(shè)計變量的標(biāo)量函數(shù)。其基本原理就是通過優(yōu)化設(shè)計變量從而使優(yōu)化目標(biāo)取最小值的過程。優(yōu)化設(shè)計問題依據(jù)目標(biāo)函數(shù)的個數(shù)可分為單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化和多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化兩類。目標(biāo)函數(shù)的個數(shù)越多，最終的設(shè)計結(jié)果越合乎要求，但是求解的難度也隨之而變得更加復(fù)雜。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)一的建立

根據(jù)八連桿機械壓力機的應(yīng)用可知，要求其滑塊在工作行程階段速度較低且保持均勻，從而有利于拉延成形[34]，因為低而均勻地速度使板料在拉深過程中更易成型且拉深質(zhì)量較高。從而可以實現(xiàn)機械壓力機工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的基本目標(biāo)。

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)二的建立

滑塊行程是指滑塊由上死點運行至下死點所走的路程。對于不同的鍛壓工序，滑塊的行程不同。用作沖裁的壓力機滑塊行程不需要很大，只要滑塊在上死點時，便于出料即可。而用于拉伸的壓力機，滑塊行程要求不小于拉伸件高度的2.5倍，并且用于拉伸的機械壓力機行程不可過大，必須考慮材料的拉伸性能，防止過大的行程將其拉裂變形，或者過小的行程造成無法完成拉深要求。因而機械壓力機的行程大小要求嚴(yán)格，設(shè)計行程的大小必須與目標(biāo)行程大小相等。

2.2.3 約束條件

設(shè)計空間是所有設(shè)計方案的集合，但并不是所有的設(shè)計方案在工程上都是可執(zhí)行的。如果一個設(shè)計方案滿足設(shè)計者所有的設(shè)計要求，則是可行設(shè)計，反之則為不可行設(shè)計。

2.2.4 適應(yīng)度函數(shù)的建立

在算法迭代過程中，適應(yīng)度被用于評估種群中每個個體在進化過程中可能達到或接近于找到最優(yōu)解的優(yōu)劣程度。適應(yīng)度值越大，表明該個體能被遺傳至下一代的可能性也會越大；反之，適應(yīng)度值越小的個體遺傳至下一代的可能性越小。度量個體適應(yīng)度大小的函數(shù)稱之為適應(yīng)度函數(shù)。

適應(yīng)度函數(shù)的形式不一，但其建立的最重要依據(jù)都是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)是算法迭代過程中的內(nèi)在驅(qū)動，是進行自然選擇的唯一依據(jù)。

2.3 可視化系統(tǒng)系統(tǒng)的基本模塊結(jié)構(gòu)

(1)預(yù)處理模塊該模塊對輸入的八連桿桿系參數(shù)區(qū)間進行預(yù)處理判斷。通過輸入的區(qū)間上下限，該模塊將判斷區(qū)間上下限是否符合要求，輸入的參數(shù)是否為有效參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)諸如下限大于上限、參數(shù)為無效參數(shù)等情況，軟件會終止輸入并提供錯誤輸入的位置信息。(2)優(yōu)化設(shè)計模塊該模塊確定優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量以及約束條件等核心要素，建立八連桿機械壓力機優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。同時，根據(jù)已編寫好的算法模塊進行優(yōu)化，得到設(shè)計要求的結(jié)果方案。(3)運動分析模塊該模塊用于對優(yōu)化設(shè)計模塊參數(shù)結(jié)果的運動分析。其理論基礎(chǔ)為八連桿運動學(xué)方程，計算出一個工作循環(huán)周期內(nèi)滑塊的位移、速度、加速度數(shù)據(jù)，并生成曲線圖。(4)優(yōu)化結(jié)果后處理模塊針對優(yōu)化設(shè)計模塊以及運動分析模塊的最終優(yōu)化結(jié)果，完成后期結(jié)果顯示以及優(yōu)化方案的輸出。

總之，多連桿滑塊機構(gòu)的性能分析是機械壓力機設(shè)計環(huán)節(jié)中最為重要的組成環(huán)節(jié)，需要重點加強對其的研究。

[1] 王宗強.伺服壓力機三角肘桿式傳動系統(tǒng)特性分析與整機設(shè)計[D].華中科技大學(xué)，2015.

[2] 張進.多連桿機械式壓力機動力學(xué)分析研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.