基于ADAMS軟件的機(jī)械壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：傳動(dòng)系統(tǒng)是沖壓機(jī)構(gòu)整體系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)的合理性和可靠性，進(jìn)而優(yōu)化機(jī)床的整體性能和質(zhì)量。文章基于ADAMS軟件對(duì)機(jī)械壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。文章首先給出了壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析合數(shù)學(xué)模型;其次運(yùn)用ADAMS軟件分析了虛擬樣機(jī)技術(shù)及其建模流程;最后針對(duì)多連桿樣機(jī)模型進(jìn)行了仿真分析，得到了優(yōu)化以后的系統(tǒng)關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)。最終所得結(jié)論表明，優(yōu)化后的產(chǎn)品性能和質(zhì)量能夠得到有效提升。文章為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行機(jī)械壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：ADAMS;機(jī)械壓力機(jī);六連桿機(jī)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG305

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0117-04

0 引言

長期以來機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的從業(yè)人員通常都采用傳統(tǒng)的圖解設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品優(yōu)化。由于該類型方法具有高度的非線性特征，因而想要從設(shè)計(jì)過程中獲得具體的待定系數(shù)難度較大[1]。因而，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方式下難以獲得較高的設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法的不足更嚴(yán)重制約了機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的綜合與優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量整體提升幅度有限。這一情況在計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展下有望得到解決。

1 壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)分析及數(shù)學(xué)模型

1.1 工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)械壓力機(jī)對(duì)板材進(jìn)行加工時(shí)主要以雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)為最主要的加工工具[3]。雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特征包括：①外滑塊，通過在壓力機(jī)機(jī)身導(dǎo)軌內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于對(duì)板材進(jìn)行壓邊處理;②內(nèi)滑塊，通過在外滑塊的導(dǎo)軌內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于對(duì)板毛坯材進(jìn)行拉伸[4]。在內(nèi)外滑塊的配合工作下，對(duì)板材進(jìn)行拉伸成型，這一加工工藝對(duì)壓力機(jī)的工藝要求較高，因而壓力機(jī)的遭際和制造技術(shù)要求往往會(huì)給廠家的生產(chǎn)帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力。本文針對(duì)這一行業(yè)需求，優(yōu)化了雙動(dòng)拉深壓力機(jī)，構(gòu)建了圖1所示的采用單動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)的新型壓力機(jī)。

1.2 雙曲柄8桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

所設(shè)計(jì)的雙曲柄多連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要需要通過4個(gè)分目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算：①目標(biāo)函數(shù)I，通過對(duì)壓力角h的界定，保證多連桿結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)滑塊獲得最佳下壓力;②目標(biāo)函數(shù)Ⅱ，通過對(duì)速度的界定，保證多連桿機(jī)構(gòu)中的滑塊工藝形成快速返回;③目標(biāo)函數(shù)Ⅲ，通過對(duì)滑塊形成進(jìn)行界定，保證多連桿機(jī)構(gòu)中的滑塊上下極限位置滿足加工工藝要求;④目標(biāo)函數(shù)Ⅳ，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)曲柄長度的界定，保證多連桿機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和裝配便捷性。

1.2.2 設(shè)計(jì)變量

目標(biāo)函數(shù)I-Ⅳ中個(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算均與機(jī)械壓力機(jī)榴蓮干機(jī)構(gòu)的桿長和初始位置角度有關(guān)。本文為優(yōu)化計(jì)算流程，采用ADAMS軟件對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行分析，認(rèn)為可以采用圖l所得的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，對(duì)初始位置各連接點(diǎn)的（x，v）值進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的確定。本文按照多連桿曲柄原點(diǎn)D為固定位置不變的前提，給定原點(diǎn)D坐標(biāo)為（0，0）。設(shè)多連桿機(jī)構(gòu)中滑塊點(diǎn)I與原點(diǎn)應(yīng)在同-y平面內(nèi)，故將滑塊點(diǎn)I的橫坐標(biāo)定位為0，滑塊在系統(tǒng)中共包含9個(gè)連接點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)橫縱坐標(biāo)，除去3個(gè)橫坐標(biāo)，確定本次設(shè)計(jì)變量為DV_2 - DV_16。

2 運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化

2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其建模流程

通過對(duì)傳統(tǒng)多連桿機(jī)械壓力機(jī)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案需要在確定多個(gè)不同方向設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，由工程人員對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過程中通過發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、完善方案的流程達(dá)到最終的設(shè)計(jì)成果。這一過程對(duì)人力和成本的要求極高，同時(shí)設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到保證[6]。因此，按照?qǐng)D2所示的基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程，構(gòu)建了本文所研究的機(jī)械壓力多連桿機(jī)構(gòu)。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，即可通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化。大大節(jié)約了產(chǎn)品的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)流程，在有限時(shí)間內(nèi)提供了多種待檢驗(yàn)方案。

2.1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

本文結(jié)合學(xué)界有關(guān)虛擬樣機(jī)的研究將虛擬樣機(jī)技術(shù)定義為：一種基于數(shù)字化技術(shù)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)[7]。虛擬樣機(jī)技術(shù)的存在能夠幫助機(jī)械生產(chǎn)和研究林立關(guān)于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模和輔助設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠?qū)δ撤N或某些產(chǎn)品的性能、壽命、使用過程中的強(qiáng)度變化情況等進(jìn)行模擬，從而獲得與真實(shí)產(chǎn)品制造和開發(fā)相同的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。

虛擬樣機(jī)技術(shù)當(dāng)前存在的主要問題在于：①僅能夠滿足機(jī)械研究領(lǐng)域中有關(guān)多體動(dòng)力學(xué)方面的模擬，用途受限[8];②在真實(shí)的模擬過程中需要涉及大量的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行利用和存儲(chǔ)等的技術(shù)門檻較高，國內(nèi)相關(guān)研究較少;③我國關(guān)于虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍較窄，因而該技術(shù)尚不能被廣大用戶和設(shè)計(jì)人員認(rèn)可，暫時(shí)還沒有被完全普及。

2.1.2 6連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模流程

基于Solidworks、ADAMS軟件虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械壓力6連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，搭建了6連桿機(jī)構(gòu)模型，并通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)過程的正確性。

1） Solidworks三維建模

在對(duì)6連桿壓力機(jī)進(jìn)行ADAMS模型處理之前，使用Solidworks軟件創(chuàng)建相應(yīng)三維模型，確保構(gòu)建的零件模型在轉(zhuǎn)換格式并導(dǎo)人虛擬樣機(jī)軟件之后每一個(gè)零部件都能夠獲得單獨(dú)的外型和位置。

2） ADAMS模型處理

將Solidworks三維模型導(dǎo)人ADAMS軟件以后，軟件將會(huì)對(duì)壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)的所有機(jī)構(gòu)進(jìn)行模型定義，根據(jù)實(shí)際的機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)情況添加約束和運(yùn)動(dòng)副，進(jìn)而將不同的機(jī)構(gòu)零部件進(jìn)行模擬裝配形成虛擬樣機(jī)[9]。然而根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況和工作形態(tài)，對(duì)不同機(jī)構(gòu)上的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，添加適當(dāng)?shù)妮d荷后確定系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)值。

3）檢驗(yàn)、修改和驗(yàn)證模型正確性

利用ADAMS模型處理后，對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行虛擬樣機(jī)檢驗(yàn)，篩查所構(gòu)建模型在實(shí)際工作重的問題，最終得到優(yōu)化后的正確模型。

2.2 樣機(jī)模型的仿真分析

構(gòu)建完成并進(jìn)行工作情況驗(yàn)證后的虛擬樣機(jī)模型，需要進(jìn)行各種仿真參數(shù)的輸入從而對(duì)實(shí)際的工作情況進(jìn)行模擬。由于本文在虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)階段對(duì)部分機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了優(yōu)化，因此，在樣機(jī)模型的仿真分析中僅考慮多連桿機(jī)構(gòu)的輸入端扭矩以及從動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.2.1 多連桿傳動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)中的核心部分包括：①離合器，用以控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和停止;②制動(dòng)器，用以對(duì)離合器進(jìn)行摩擦制動(dòng)。機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)從動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)在很大程度上作用于多連桿傳動(dòng)裝置中的離合器和制動(dòng)器，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)磨損和發(fā)熱。離合器制動(dòng)器的啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的摩擦力做工情況如下式（1）所示：

W=1/2Jω

（1）

式（1）中，J表示6連桿機(jī)構(gòu)從動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為6連桿機(jī)構(gòu)離合器制動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

由上述計(jì)算公式可知，機(jī)械壓力6連桿機(jī)構(gòu)中的離合器制動(dòng)器機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的J越小，則系統(tǒng)的W值越低，說明此時(shí)系統(tǒng)能夠獲得更好的離合器一制動(dòng)器性能。本文利用ADAMS軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的模擬，得到了表1所示的各從動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

2.2.2 多連桿傳動(dòng)部分扭矩

機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)在一個(gè)工作周期內(nèi)，通常只有很短的時(shí)間進(jìn)行機(jī)構(gòu)工作。這一工作時(shí)間內(nèi)6連桿機(jī)構(gòu)從接近下死點(diǎn)位置到抵達(dá)下死點(diǎn)位置，我們將這一運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)的工作載荷成為公稱力行程。由于多連桿機(jī)構(gòu)工作時(shí)間段、公稱力行程小，因此本文所構(gòu)建的機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)的負(fù)載類型屬于沖擊負(fù)載，其他非工作時(shí)間屬于空城運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作的短時(shí)間內(nèi)，電極需要進(jìn)行很大的工作扭矩輸出，因此在選取具體的電極型號(hào)時(shí)，需要對(duì)該6連桿機(jī)構(gòu)工作時(shí)間內(nèi)與負(fù)載對(duì)應(yīng)的輸出扭矩進(jìn)行選擇和模擬。

2.2.3 樣機(jī)分析結(jié)果及實(shí)際應(yīng)用

利于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，得到6連桿機(jī)構(gòu)在一個(gè)工作周期內(nèi)的輸入端扭矩曲線圖，優(yōu)化前后運(yùn)動(dòng)曲線的對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，在利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬過程中，輸入端扭矩曲線在優(yōu)化前呈緩慢增大、緩慢降低、突然升高的狀態(tài);通過ADAMS軟件進(jìn)行優(yōu)化以后，6連桿機(jī)構(gòu)位置對(duì)應(yīng)的速度曲線在下降過程中呈近30度傾斜狀態(tài)，且6連桿工作機(jī)構(gòu)的速度不斷增加，至零位置以后，6連桿機(jī)構(gòu)的曲線速度開始緩慢上升并逐漸接近水平狀態(tài)。與優(yōu)化前的曲線相比，6連桿機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)得到了顯著提升，滿足了用戶對(duì)行程速比系數(shù)大于1.5的要求;同時(shí)大大降低了6連桿機(jī)構(gòu)的返回實(shí)踐，符合用戶以及機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)?連桿機(jī)構(gòu)慢進(jìn)急回的加工特征?？傮w而言，優(yōu)化以后的機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)整體性能得到了顯著提升，最終加工形成的成品交付使用以后，得到了用戶滿意的回復(fù)。

3

結(jié)語

綜上所述，本文以機(jī)械壓力機(jī)構(gòu)6連桿機(jī)構(gòu)為主要研究對(duì)象，利用ADAMS軟件對(duì)該類型機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了建模分析，并完成對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化提取。文章指出了機(jī)械壓力機(jī)6連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的部分問題，可以為相關(guān)領(lǐng)域科研人員的研究提供理論思路和具體的優(yōu)化數(shù)據(jù)參數(shù)。

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作者簡介：趙明俠（1982-），女，陜西寶雞人，工程碩士，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械CAD設(shè)計(jì)，三維CAD設(shè)計(jì)及仿真運(yùn)動(dòng)。

基金項(xiàng)目：陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度課題（SCH18V062）