1.引言：在冲压生产中,冲压工艺对压力机工作性能往往有着特殊的要求。首先,在拉延作业过程中压力机滑块的速度不能太高,否则会引起拉延件的破裂; 其次,在压力机滑块的工作行程中,滑块的速度应基本保持均匀;最后,为了提高压力机的效率, 冲压机构应具有好的急回运动特性。根据以上要求,国内先进拉延专用压力机的工作机构现在基本上采用了多连杆机构,如六连杆冲压机构,该机构使用性能的好坏和效率的高低直接取决于机构的设计。利用ADAMS机械系统仿真软件中优化分析技术对机构进行优化分析,避免了繁杂的编程过程,提高了分析效率和质量,并获得最优化和创新的设计机构。本文在对六连杆冲压机构的工作原理和设计要求进行分析的基础上,建立了六连杆机构参数优化设计的数学模型,采用ADAMS仿真软件对该机构进行运动仿真,并对参数进行了优化计算,为六连杆冲压机构的设计提供了理论依据。
2 冲压机构的设计
2.1冲压机构的工作原理和主要技术要求
2.1.1工作原理
如图1所示[ 2 ] ,冲压机构在冲制薄壁零件时,上模先以较大的速度接近坯料,然后以匀速进行拉
延成形工作,接着上模继续下行将成品推出型腔,最后快速返回。即执行构件在行程中要求具有急 回特性( k > 1) ,同时希望工作过程中压力角α尽量小,以保证机构具有良好的动力特性。上模退出下模后,送料机构从侧面将坯料送至待加工位置,完成一个工作循环。本文只研究使上模按上述运 动要求加工零件的冲压机构的优化设计。
2.1.2主要技术要求
该机构的动力源是电动机, 作转动; 从动件(执行构件)为上模, 作上下往复直线运动, 并具
有快速下沉、等速工作进给和快速返回的特性。上模的行程长度必须大于工作长度的两倍以上。 机构具有较好的传力性能, 当曲柄的转角< 为(1 /3～1 /2)π时, 即机构的工作段, 要保证传动
角γ尽可能大,并使滑块的压力角α尽可能小。
2.1.3六连杆冲压机构的设计
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按上述要求用图解法设计的六连杆冲压
2.2优化设计数学模型的建立
2.2.1设计变量的确定
首先建立整个机构的直角坐标系, 坐标原点取在铰链A 点,决定机构尺寸的各杆长度应列为
设计变量,考虑到在ADAMS软件中建模方便,总共选取了8个结构参数作为设计变量zi(i= 1,2,
?, 8) 。令z1 = lAB = l1 , z2 = lBC = l2 , z3 = lCD = l3 ,z4 = lAD = l4 , z5 = lED =
l5 , z6 = lEF = l6 , z7 = h, z8 = <,
考虑到机构的杆长按比例变化时, 不会改变其运动规律,在计算时常取l1 = 1,而其他杆长则按比
例取为l1 的倍数。因此只有7个独立设计变量,则该设计变量向量Z可表示为:Z = [z1 z2?z7 ]T = [ l2 l3 ? < ]T。
2.2.2目标函数的建立
如前所述,这一机构进行优化设计是要在满足工作要求的前提下,机构具有较好的传力性能,特 别是工作段的压力角α尽可能小,从而提高机构效率。如图2,为将优化目标定为使滑块工作行程内压力角α的平均值最小,目标函数[3 ]可表示为
F ( Z) = Σni =1αi = arcsinlEGil6 I i = 1, 2, ?, n
式中: lEG = l5 sin (β+γ) - h,β= arccosρ2 + l24 - l212ρl4 γ= arccosρ2 + l23 -
l22
2ρl3,ρ= lBD = l21 + l24 - 2l1 l4 cos< 。
2.2.3约束条件的确定
约束条件主要根据前面所述的设计要求确定。此外,还考虑了其他一些方面的因素,给定约束条件如下:(1)曲柄摇杆机构应满足曲柄存在的条件,
可得
g1 ( z) = z1 - z2 ≤0 g2 ( z) = z1 - z3 ≤0 g3 ( z) = z1 - z4 ≤0
g4 ( z) = z1 + z2 - z3 - z4 ≤0 g5 ( z) = z1 + z3 - z2 - z4 ≤0 g6 ( z) = z1 + z4 - z3 - z2 ≤0
(2)要求执行构件工作段压力角尽可能小,对应的曲柄转角:
π3< g7 ( z) = < <π2
2.2.4优化数学模型
minF ( Z)Z∈R7s. t. gj ( Z) j = 1, 2, ?, 7
综上所述,这是一个具有7个设计变量, 7个不等式约束条件的优化设计问题, 本文利用AD2 AMS仿真软件中的优化分析技术对机构进行优化计算。
2.3在ADAMS软件中建模并优化计算
优化分析过程中,可以设定设计变量的变化范围,施加一定的限制以保证最优化设计处于合理的取值范围。通过优化分析,可以获得在给定的设计变量变化范围内,目标对象达到最大或最小值的工况。按设计变量的初始值在ADAMS中建模。为建模方便,将上述的设计变量l1 , l2 , l3 , l4 , l5 , l6 , <, h转换为机构各铰链中心B,C, D, E, 的坐标,图2中, B 点坐标( x1 , y1 ) , C点坐标( x2 , y2 ) , D点坐标( x3 , 0) , E点坐标 ( x4 , y4 ) ,然后创建8个设计变量x1 , y1 , x2 ,y2 , x3 , x4 , y4 ,设计变量的初始值取原设计中的值。创建目标函数:执行构件的压力角α及作用在曲柄上的驱动力矩M (单位N·cm) ,并按上述添加约束条件,假设生产效率为每分钟加工70件,在曲柄上作用一个匀速转动运动,选择Design Evalu2ation菜单开始仿真优化计算。
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作者简介：马东升（1985.07-21）男，汉，安徽肥西人，安徽文达信息工程学院讲师，主要研究方向为动力学
基金项目：本文系安徽文达信息工程学院自然科学研究项目（项目名称：基于ADAMS的八连杆冲压机构仿真与优化研究 项目编号：XZR2018A03 项目编号：KJ2019A0908）