基于ADAMS的八连杆压力机的优化设计

范云霄，牟 波，管聪聪

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266510 )

基于ADAMS的八连杆压力机的优化设计

范云霄，牟 波，管聪聪

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266510 )

运用ADAMS建立了多连杆压力机传动机构的虚拟样机模型，并建立了传动机构运动不干涉约束条件。以滑块在工作行程内速度波动量最小为优化目标函数，对八连杆传动机构进行了优化设计。优化结果表明，优化之后滑块速度曲线有所改善，滑块在拉伸区内速度波动量较小，减小了滑块对板料的冲击，可延长模具的使用寿命。

压力机；优化设计；ADAMS

0 引言

多连杆机构作为拉延类压力机的主传动结构，与曲柄滑块压力机相比具有以下几个显著的优点：1) 内滑块在工作行程阶段的速度低且平稳，有利于薄板材料的拉延成形，提高了拉延件的品质[1]；2) 滑块在与板料接触时速度低，降低了接触时产生的噪声，改善了工人的工作环境；3) 多连杆机构能够提高滑块空程的速度，缩短了滑块的行程运行时间，提高了压力机的冲压次数，从而提高了工作效率。

图1为八连杆压力机的传动部分，该机构的工作原理是将曲柄的旋转运动转化为滑块的上下往复直线运动，滑块下端安装冲压模具，从而完成对板料的冲压。图2为八连杆压力机的平面结构简图。

1—偏心体；2—上拉杆；3—上摇杆；4—下摇杆；5—下拉杆； 6—滑块； 7—主拉杆；8—三角架图1 八连杆机构组成

图2 传动部分结构简图

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)是由美国MDI公司开发，它使用交互式的图形环境和约束库、零件库、力库，可创建完全参数化的机械系统动力学模型，可对建立的虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，后处理部分可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线及动画仿真[2]。

ADAMS具有强大的参数化建模功能。在建立模型时，根据分析需要，创建设计变量。在分析时，只要修改设计变量的值，虚拟样机模型便可自动更新。ADAMS/View提供了3种参数化分析方法：1) 设计研究(design study)；2) 试验设计(design of experiments, DOE)；3) 优化分析(optimization)。优化是指系统变量在满足给定的约束条件下，使目标函数取得最大值或最小值[3]。在进行优化前，首先要对模型进行参数化，然后确定各个设计变量的变化范围，最后建立目标函数。目标函数中的设计变量对待解决的问题来说应该是未知量，并且当设计变量的值发生改变时，将会引起目标函数的变化。

1 八连杆压力机传动机构参数化设计的模型建立

1.1 创建设计变量

因为八连杆机构内滑块的位移，速度，加速度与机构参数l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,R,a,b，θ1,θ2有关，所以在ADAMS/View中对应的建立12个设计变量。打开ADAMS/View模块，选择Build|Design Variable|New菜单项，弹出Create Design Variable对话框，根据要求创建设计变量。创建的设计变量见表1。

表1 设计变量表

1.2 参数化建模

用参数化点坐标的方法参数化连杆，为计算方便，取滑块在下死点时作为初始状态[4]。

各参数点坐标如下：

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)

根据参数化的点，创建模型的各个构件，并添加转动副和滑动副，最后在O点处的转动副施加一个转动。建立好的虚拟样机模型如图3所示。

图3 八连杆机构的虚拟样机模型

2 八连杆机构的优化设计

2.1 创建测量函数

由曲柄存在的条件，得：

R-l6≤0

R-l7≤0

根据曲柄存在的条件，在ADAMS/View中创建测量函数。选择Build|Measure|Function|New菜单项，弹出Function Builder对话框，在该对话框的Create or Modify a Function Measure文本框中输入DV_R- DV_l6，单击OK按钮，完成测量函数FUNCTION_MEA_1的创建。采用与创建FUNCTION_MEA_1相同的方法，创建其余5个测量函数。

2.2 创建约束函数

根据曲柄存在的条件，建立约束函数方程。在ADAMS/View中，选择Simulate|Design Constraint|New菜单项，弹出Create Design Constraint对话框，在对话框中选择Definition by为Measure,在Measure文本框中输入上一步建立的测量函数，单击OK按钮，完成各约束函数的创建。

2.3 建立目标函数

压力机工作时，要求滑块在工作行程阶段的速度均匀，且较低，这有利于拉延成形工艺[1]。基于此理论以滑块在工作行程内速度波动量最小为优化设计目标，对压力机传动机构进行优化。速度波动量的数学模型表示为：

2.4 优化计算

选择Simulate|Design Evaluation按钮，弹出Design Evaluation Tools对话框，根据优化要求，完成对优化计算的设置。单击Start按钮，开始对模型进行优化求解。优化过程中各变量的变化情况，如图4所示。

图4 优化过程中各变量的变化情况

优化后的各个变量的最终结果为：

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 结语

图5为优化前后滑块速度的对比图，实线为优化后的速度曲线，点划线为优化之前的速度曲线。从图中可以看出，优化之后滑块在工作区内(对应横轴0.75-1.25s)的速度明显有所改善，工作区内滑块速度均匀，波动量很小。这有助于减小对板料的冲击，降低冲压时产生的噪声，延长了模具的使用寿命，从而为企业节省了成本。

图5 优化前后滑块速度对比

[1] 罗中华，彭炎荣.八连杆板冲压力机内外滑块执行机构的优化设计[J].锻压技术，1998(5)：47-50.

[2] 张龙，马振书，穆希辉.基于ADAMS虚拟平台的机器人夹持器动力仿真[J].CAD/CAM与制造业信息化，2009(5)：63-64.

[3] 魏玉东.滚筒洗衣机动态研究[D].天津：天津大学，2008.

[4] 彭于华.六连杆压力机的分析与混合驱动机构运动学分析[D].南京：航空航天大学，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，山东齐河人，教授，主要从事数控技术，机械运行状态检测与故障诊断。

TH12；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0105-03

2013-02-22