基于ADAMS的八連桿壓力機的優(yōu)化設計

范云霄，牟 波，管聰聰

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266510 )

基于ADAMS的八連桿壓力機的優(yōu)化設計

范云霄，牟 波，管聰聰

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266510 )

運用ADAMS建立了多連桿壓力機傳動機構(gòu)的虛擬樣機模型，并建立了傳動機構(gòu)運動不干涉約束條件。以滑塊在工作行程內(nèi)速度波動量最小為優(yōu)化目標函數(shù)，對八連桿傳動機構(gòu)進行了優(yōu)化設計。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；優(yōu)化設計；ADAMS

0 引言

多連桿機構(gòu)作為拉延類壓力機的主傳動結(jié)構(gòu)，與曲柄滑塊壓力機相比具有以下幾個顯著的優(yōu)點：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速度低，降低了接觸時產(chǎn)生的噪聲，改善了工人的工作環(huán)境；3) 多連桿機構(gòu)能夠提高滑塊空程的速度，縮短了滑塊的行程運行時間，提高了壓力機的沖壓次數(shù)，從而提高了工作效率。

圖1為八連桿壓力機的傳動部分，該機構(gòu)的工作原理是將曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的上下往復直線運動，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 八連桿機構(gòu)組成

圖2 傳動部分結(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)化的機械系統(tǒng)動力學模型，可對建立的虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，后處理部分可輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線及動畫仿真[2]。

ADAMS具有強大的參數(shù)化建模功能。在建立模型時，根據(jù)分析需要，創(chuàng)建設計變量。在分析時，只要修改設計變量的值，虛擬樣機模型便可自動更新。ADAMS/View提供了3種參數(shù)化分析方法：1) 設計研究(design study)；2) 試驗設計(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，使目標函數(shù)取得最大值或最小值[3]。在進行優(yōu)化前，首先要對模型進行參數(shù)化，然后確定各個設計變量的變化范圍，最后建立目標函數(shù)。目標函數(shù)中的設計變量對待解決的問題來說應該是未知量，并且當設計變量的值發(fā)生改變時，將會引起目標函數(shù)的變化。

1 八連桿壓力機傳動機構(gòu)參數(shù)化設計的模型建立

1.1 創(chuàng)建設計變量

因為八連桿機構(gòu)內(nèi)滑塊的位移，速度，加速度與機構(gòu)參數(shù)l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,R,a,b，θ1,θ2有關，所以在ADAMS/View中對應的建立12個設計變量。打開ADAMS/View模塊，選擇Build|Design Variable|New菜單項，彈出Create Design Variable對話框，根據(jù)要求創(chuàng)建設計變量。創(chuàng)建的設計變量見表1。

表1 設計變量表

1.2 參數(shù)化建模

用參數(shù)化點坐標的方法參數(shù)化連桿，為計算方便，取滑塊在下死點時作為初始狀態(tài)[4]。

各參數(shù)點坐標如下：

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，創(chuàng)建模型的各個構(gòu)件，并添加轉(zhuǎn)動副和滑動副，最后在O點處的轉(zhuǎn)動副施加一個轉(zhuǎn)動。建立好的虛擬樣機模型如圖3所示。

圖3 八連桿機構(gòu)的虛擬樣機模型

2 八連桿機構(gòu)的優(yōu)化設計

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，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，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 建立目標函數(shù)

壓力機工作時，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)速度波動量最小為優(yōu)化設計目標，對壓力機傳動機構(gòu)進行優(yōu)化。速度波動量的數(shù)學模型表示為：

2.4 優(yōu)化計算

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)化計算的設置。單擊Start按鈕，開始對模型進行優(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，實線為優(yōu)化后的速度曲線，點劃線為優(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，波動量很小。這有助于減小對板料的沖擊，降低沖壓時產(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.八連桿板沖壓力機內(nèi)外滑塊執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)化設計[J].鍛壓技術(shù)，1998(5)：47-50.

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

[3] 魏玉東.滾筒洗衣機動態(tài)研究[D].天津：天津大學，2008.

[4] 彭于華.六連桿壓力機的分析與混合驅(qū)動機構(gòu)運動學分析[D].南京：航空航天大學，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)，機械運行狀態(tài)檢測與故障診斷。

TH12；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0105-03

2013-02-22