面向壓鑄送料機械手的平面五桿機構優化設計

孫龍躍，張海鷗，王桂蘭

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

面向壓鑄送料機械手的平面五桿機構優化設計

孫龍躍1，張海鷗1，王桂蘭2

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

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

Pro/E；行為建模；優化設計

壓鑄（壓力鑄造的簡稱）是近代金屬加工工藝中發展較快的一種先進的鑄造方法。具有生產效率高、經濟指標優良、壓鑄件尺寸精度高和互換性好等特點[1]，廣泛應用于摩托、汽車、儀表、五金等領域[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，質量無法保證；定量爐注湯經濟成本較高；市場上多采用的是給湯機注湯。

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

圖1 行為建模一般步驟

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

1 平面五桿機構分析

連桿機構分析著重在于連桿機構結構學、運動學及動力學特性的研究。本文首先分析機構的自由度，確定原動件數目；其次對執行部件進行機構運動學分析，確定最佳運動軌跡；然后進行動力學特性研究，分析負載轉矩特性，確定電機參數；再利用Pro/E參數化優化方法，研究桿長和相對位置對負載轉矩的影響，從而優化設計。

如圖2所示的平面五桿機構運動簡圖，共有5個活動構件，6個鉸鏈構成6個低副。與處有一個復合鉸鏈，有1個轉動副。故其中n=5，p1=7，ph=0。由機構自由度公式可得

F=3n-（2p1+pb）=3×5-2×7=1

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

圖2 平面五桿機構運動簡圖

1.1 平面五桿機構運動學仿真

首先需設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機構命令中，選擇驅動軸電機并根據實際運行情況反復調整轉速，設置初始位置和極限位置。新建運動學分析命令“動力學研究”，利用回放命令可檢查干涉性。同時可得到執行末端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 平面五桿機構動力學仿真

機構動力學主要是分析作用在機構各零件上的力和力矩。根據實際的負載，利用Pro/E動態分析功能，研究作用于主動軸上的負載轉矩。并進一步優化負載。使得裝置能夠平穩高效地運行。

在進行動力學分析時，首先根據設計的連桿機構，設置桿件質量屬性，確定每根連桿重量，并添加外部負載和摩擦等。至此就可以實現機構的動力學研究。利用Pro/E測量工具得到負載轉矩如圖5所示。

圖5 負載轉矩

由圖5可知，t在[0，3]s內，驅動軸的負載的力矩Tf在[53.8，77.6]kg·m。負載轉矩3秒內迅速增大，而電機的額定輸出轉矩是恒定的，負載的突然變化不利于電機的長期平穩工作，所以必須對現有機構進行優化。

2 平面五桿機構優化

參數化設計是目前CAD應用技術中最重要的技術之一，廣泛應用于系列化產品設計。它以約束來表達產品模型的形狀特征，以一組參數來控制設計結果，能通過變換設計參數來實現產品模型的更改或相似產品模型的創建。

本文以桿長和兩固定鉸鏈的相對位置為自變量，負載轉矩為因變量。經過敏感度，可行性/優化分析、多目標設計研究，非常方便地實現對現有平面五桿機構桿長的優化設計。

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在制定范圍內改變時對測量目標參數的影響，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/優化分析及多目標設計研究

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

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

經過多目標設計研究后，重新進行運動學分析，將優化后數值圓整后得負載轉矩曲線如圖7所示，軌跡曲線如圖8所示。

圖7 優化后負載轉矩曲線

圖8 優化后軌跡曲線

由圖7知，發現時間t[0，3]s，負載轉矩Tf[48.2，67.9]kg·m。顯然通過該方法不但能夠改變負載轉矩，執行末端的軌跡曲線也滿足設計要求。

3 結束語

本文闡述了Pro/E行為建模的方法，首先對平面五桿機構進行三維造型，分析機構的動力學和運動學特征，在此基礎上對現有機構進行參數化分析和優化。實踐證明，經該方法設計的桿長負載特性明顯改善，與其他裝置調試后能生產效率明顯提高。應用前景廣泛。

［1］黃曉鋒，謝銳，田載友.壓鑄技術的發展現狀與展望［J］.新技術新工藝，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［J］.特種鑄造及有色合金，2010（30）：813-816.

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

［4］陳金城.中國壓鑄工業的前景——從中國汽車工業的躍升說起［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。研究領域：機械結構設計。

張海鷗，男，1955年生，教授，博士生導師。

(編輯：向 飛)

2015－04－15