基于Pro—E的六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈先

摘 要：使用Pro-E對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個(gè)優(yōu)化過程中首先建立壓力機(jī)六桿機(jī)構(gòu)模型、進(jìn)行敏感性分析，找出對(duì)壓力機(jī)整個(gè)公稱壓力行程所用時(shí)間敏感的獨(dú)立參數(shù)變化范圍，以壓力機(jī)公稱壓力行程12 mm內(nèi)所用時(shí)間最大化為目標(biāo)，以滑塊行程65 mm為約束，通過對(duì)各個(gè)獨(dú)立參數(shù)在其敏感范圍里進(jìn)行迭代運(yùn)算，得出使壓力機(jī)整個(gè)公稱壓力行程所用時(shí)間最大時(shí)各個(gè)獨(dú)立參數(shù)的值，即最優(yōu)解。通過優(yōu)化使壓力機(jī)在公稱壓力行程內(nèi)最大速度和最大加速度明顯下降，急回特性更加明顯。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化 壓力機(jī) 六連桿機(jī)構(gòu) Pro-E

中圖分類號(hào)：TG315.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（a）-0077-02

傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程不是主動(dòng)地設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)，未能真正的體現(xiàn)“設(shè)計(jì)”的含義[1]。一般首先進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，參照同類產(chǎn)品進(jìn)行估算，確定產(chǎn)品的某些參數(shù)的初始值，然后驗(yàn)算機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等是否能滿足要求，確定性能指標(biāo)是否符合要求。如果不能滿足性能指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)人員將依據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)地進(jìn)行分析計(jì)算—性能檢驗(yàn)—參數(shù)修改，直到產(chǎn)品完全滿足對(duì)產(chǎn)品性能指標(biāo)要求。這種反復(fù)試驗(yàn)過程對(duì)經(jīng)濟(jì)和時(shí)間都是很大的浪費(fèi)，而且僅憑經(jīng)驗(yàn)修改參數(shù)后所得的結(jié)果并不一定是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)通常首先分析對(duì)象的設(shè)計(jì)要求，建立數(shù)學(xué)模型，選擇優(yōu)化方法，編寫計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。機(jī)械壓力機(jī)以工作平穩(wěn)、操作條件好、生產(chǎn)率高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，占鍛壓機(jī)械比例的80%以上[2-3] ，六連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械壓力機(jī)通用性好，是目前肘桿機(jī)構(gòu)中用的較多的一種[4]。該文以六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)為例，把一些約束條件輸入計(jì)算機(jī)，運(yùn)用Pro-E 的敏感性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等模塊，通過計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算功能，得出使六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)性能有較大提高的最優(yōu)解，縮短了研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 “連桿曲線”型六連桿機(jī)構(gòu)

“連桿曲線”型六連桿機(jī)構(gòu)原理如圖1所示，它是利用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)O1ABO的一個(gè)特點(diǎn)，即連桿上延伸點(diǎn)的軌跡具有多樣性，將連桿AB上外伸桿BC作為連桿滑塊機(jī)構(gòu)BCD原動(dòng)件，整個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)整參數(shù)R、R1、L1、L2、L3的長(zhǎng)度或角的大小或機(jī)架上兩點(diǎn)O、O1之間的相對(duì)位置，使執(zhí)行構(gòu)件滑塊的運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生改變，降低滑塊工作行程的速度，提高機(jī)構(gòu)空行程速度。六連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)特性較好，由傳動(dòng)零件強(qiáng)度確定的滑塊受力曲線比較高，因此通用性好，是滑塊勻速位移多桿機(jī)構(gòu)中用得較多的一種[1]。

此次優(yōu)化的對(duì)象為六連桿機(jī)構(gòu)，目標(biāo)是降低壓力機(jī)公稱壓力行程（壓力機(jī)沖壓過程）內(nèi)的最大速度和最大加速度，使產(chǎn)品質(zhì)量提高；在沖壓過程中對(duì)模具的沖擊降低，使模具壽命延長(zhǎng)；機(jī)構(gòu)的急回特性更加明顯，提高滑塊每分鐘行程次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

2 對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析

為了使壓力機(jī)在沖壓時(shí)具有良好的傳力特性，要求滑塊在下死點(diǎn)時(shí)OB、BC、CD3桿共線，即機(jī)構(gòu)的壓力角β=0°，所以O(shè)1A桿長(zhǎng)度R1不是獨(dú)立參數(shù)，應(yīng)滿足以下關(guān)系式。

對(duì)一手工設(shè)計(jì)的壓力機(jī)建立Pro-E模型，其參數(shù)為：滑塊行程為65 mm，公稱壓力行程為12 mm，壓力機(jī)的各個(gè)參數(shù)為：R=20 mm，L1=55 mm，L2=115 mm，L3=100 mm，=135°，X=77 mm，Y=10 mm。

六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)優(yōu)化過程中的約束條件為滑塊行程65 mm，目標(biāo)函數(shù)為在公稱壓力行程12 mm內(nèi)最大速度和最大加速度最小化。

通過對(duì)壓力機(jī)模型進(jìn)行分析，六連桿機(jī)構(gòu)的獨(dú)立參數(shù)有7個(gè)：R、L1、L2、L3 、、X和Y，以在壓力機(jī)公稱壓力行程12 mm內(nèi)所用時(shí)間為衡量依據(jù)對(duì)6個(gè)獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得出對(duì)公稱壓力行程內(nèi)所用時(shí)間有較大影響的參數(shù)范圍如表1所示，設(shè)定滑塊行程次數(shù)200次/min，優(yōu)化時(shí)以滑塊行程65 mm為約束，在各個(gè)參數(shù)優(yōu)化范圍里進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后各個(gè)參數(shù)如表2所示。

在MATLAB中輸出機(jī)構(gòu)的優(yōu)化前后的運(yùn)動(dòng)曲線，滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖2所示，公稱壓力行程內(nèi)滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖3所示，機(jī)構(gòu)的急回特性更加明顯，公稱壓力行程內(nèi)最大速度、最大加速度都降低了，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

該文使用Pro-E建立了六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)模型，對(duì)各個(gè)獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出各個(gè)獨(dú)立參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)敏感性較高的變化范圍，利用Pro-E優(yōu)化模塊，加上必要約束，通過改變獨(dú)立參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）滑塊的最大速度和最大加速度下降。壓力機(jī)公稱壓力行程內(nèi)的最大速度和最大加速度降低，使得滑塊在公稱壓力行程速度低而均勻，可以提高拉延零件的質(zhì)量；沖壓時(shí)可以減小傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)載，機(jī)身產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)減小、噪音降低，減少模具磨損，使機(jī)床和模具的壽命提高。

（2）機(jī)構(gòu)的急回特性更加明顯，在滿足相同板料合理拉延速度需要時(shí)，可增加滑塊行程每分鐘次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐厚昌，朱銀鋒.基于Pro_E優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真的綜合運(yùn)用[J].裝備制造技術(shù)，2009（2）：65-66.

[2] 何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[3] 劉海彬.基于ADAMS的多連桿壓力機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2011.

[4] 趙升噸，張宗元，張貴成.回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)不同的工作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究[J].機(jī)床與液壓，2014（11）：32-37.