申建磊 劉 杰 許 昕

揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司

多連桿機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

申建磊 劉 杰 許 昕

揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司

機(jī)械壓力機(jī)因其獨(dú)特的功能在國(guó)家工程領(lǐng)域被廣泛采用，機(jī)械壓力機(jī)由眾多不同種類部件組成，每個(gè)部件都具備各自獨(dú)特的功能，不可缺少。其中多連桿機(jī)構(gòu)為大多數(shù)現(xiàn)代機(jī)械壓力機(jī)的工作部件，具有很多優(yōu)點(diǎn)，可提高生產(chǎn)率、延長(zhǎng)模具壽命并降低噪聲的，將其應(yīng)用于機(jī)械壓力部件的研究具有非常重要的意義，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究?；诖吮疚姆治隽硕噙B桿機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

多連桿；機(jī)械壓力機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

1 機(jī)械壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)

1.1 機(jī)械壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)

多連桿機(jī)構(gòu)可根據(jù)構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的桿件數(shù)量分為以下三類：六連桿機(jī)構(gòu)、八連桿機(jī)構(gòu)、十連桿機(jī)構(gòu)。三種多連桿機(jī)構(gòu)雖然相較傳統(tǒng)曲柄結(jié)構(gòu)都具備上節(jié)所述的共同優(yōu)點(diǎn)，但依然各自具有不同的特點(diǎn)。其中，八連桿機(jī)構(gòu)相較六連桿機(jī)構(gòu)具有滑塊工作行程更長(zhǎng)、滑塊工作區(qū)間速度波動(dòng)量更小、回程速度更快、拉深成形性更好；相較十連桿機(jī)構(gòu)具有制造容易，維護(hù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好。

1.2 常用多連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

多連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要在于通過設(shè)計(jì)合理的桿系參數(shù)和桿件相對(duì)位置，以獲得合理的滑塊運(yùn)動(dòng)特性。傳統(tǒng)的桿系設(shè)計(jì)方法有圖解法和解析法。類比作圖法往往需要手工作圖完成，因而存在作圖精度低，設(shè)計(jì)周期漫長(zhǎng)，需要進(jìn)行大量盲目試湊等缺點(diǎn)，類比作圖法很難獲得優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)過程中對(duì)研究人員個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求較高，設(shè)計(jì)過程存在非常大的未知性。解析法則依據(jù)機(jī)械原理的相關(guān)理論基礎(chǔ)，將機(jī)構(gòu)中尺寸參數(shù)以待求解的未知量數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，即列出相關(guān)方程組，然后通過求解方程組以確定桿件參數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)在于方程組的線性化程度具不可控因素，實(shí)際情況中往往由于設(shè)計(jì)變量和約束條件較多，求解高度非線性的方程組幾乎無法完成，從而要想獲得優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案也很難實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)機(jī)械壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步深入研究是具有很高的價(jià)值。

2 多連桿機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)變量的確定

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)變量通常是目標(biāo)函數(shù)和約束條件影響顯著的獨(dú)立變量，這些變量能夠影響設(shè)計(jì)結(jié)果，并且需進(jìn)行選擇，最終確定的參數(shù)。設(shè)計(jì)變量的數(shù)量代表問題的自由度，數(shù)量越多自由度越大，越容易求解得到優(yōu)化結(jié)果。但是也會(huì)相應(yīng)增大問題的求解難度，因而設(shè)計(jì)變量的確定應(yīng)該合理。通常，為降低求解難度應(yīng)盡可能降低設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，將能夠影響設(shè)計(jì)結(jié)果的設(shè)計(jì)參數(shù)定為設(shè)計(jì)變量。

可知機(jī)械壓力機(jī)滑塊的位移、速度、加速度需要符合設(shè)計(jì)要求，因而將影響滑塊位移和速度性能的12個(gè)參數(shù)L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，L8，x，y，θ1，θ2確定為設(shè)計(jì)變量X，即：

優(yōu)化設(shè)計(jì)具有12個(gè)維數(shù)，并且設(shè)計(jì)變量矢量x都是連續(xù)變量。

2.2 目標(biāo)函數(shù)的建立

多連桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)中，用設(shè)計(jì)變量X表征出多連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，這一過程為建立連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)中預(yù)期要達(dá)到的目標(biāo)，是設(shè)計(jì)變量的標(biāo)量函數(shù)。其基本原理就是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)變量從而使優(yōu)化目標(biāo)取最小值的過程。優(yōu)化設(shè)計(jì)問題依據(jù)目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)可分為單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化和多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化兩類。目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)越多，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果越合乎要求，但是求解的難度也隨之而變得更加復(fù)雜。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)一的建立

根據(jù)八連桿機(jī)械壓力機(jī)的應(yīng)用可知，要求其滑塊在工作行程階段速度較低且保持均勻，從而有利于拉延成形[34]，因?yàn)榈投鶆虻厮俣仁拱辶显诶钸^程中更易成型且拉深質(zhì)量較高。從而可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的基本目標(biāo)。

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)二的建立

滑塊行程是指滑塊由上死點(diǎn)運(yùn)行至下死點(diǎn)所走的路程。對(duì)于不同的鍛壓工序，滑塊的行程不同。用作沖裁的壓力機(jī)滑塊行程不需要很大，只要滑塊在上死點(diǎn)時(shí)，便于出料即可。而用于拉伸的壓力機(jī)，滑塊行程要求不小于拉伸件高度的2.5倍，并且用于拉伸的機(jī)械壓力機(jī)行程不可過大，必須考慮材料的拉伸性能，防止過大的行程將其拉裂變形，或者過小的行程造成無法完成拉深要求。因而機(jī)械壓力機(jī)的行程大小要求嚴(yán)格，設(shè)計(jì)行程的大小必須與目標(biāo)行程大小相等。

2.2.3 約束條件

設(shè)計(jì)空間是所有設(shè)計(jì)方案的集合，但并不是所有的設(shè)計(jì)方案在工程上都是可執(zhí)行的。如果一個(gè)設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)者所有的設(shè)計(jì)要求，則是可行設(shè)計(jì)，反之則為不可行設(shè)計(jì)。

2.2.4 適應(yīng)度函數(shù)的建立

在算法迭代過程中，適應(yīng)度被用于評(píng)估種群中每個(gè)個(gè)體在進(jìn)化過程中可能達(dá)到或接近于找到最優(yōu)解的優(yōu)劣程度。適應(yīng)度值越大，表明該個(gè)體能被遺傳至下一代的可能性也會(huì)越大；反之，適應(yīng)度值越小的個(gè)體遺傳至下一代的可能性越小。度量個(gè)體適應(yīng)度大小的函數(shù)稱之為適應(yīng)度函數(shù)。

適應(yīng)度函數(shù)的形式不一，但其建立的最重要依據(jù)都是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)是算法迭代過程中的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，是進(jìn)行自然選擇的唯一依據(jù)。

2.3 可視化系統(tǒng)系統(tǒng)的基本模塊結(jié)構(gòu)

(1)預(yù)處理模塊該模塊對(duì)輸入的八連桿桿系參數(shù)區(qū)間進(jìn)行預(yù)處理判斷。通過輸入的區(qū)間上下限，該模塊將判斷區(qū)間上下限是否符合要求，輸入的參數(shù)是否為有效參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)諸如下限大于上限、參數(shù)為無效參數(shù)等情況，軟件會(huì)終止輸入并提供錯(cuò)誤輸入的位置信息。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊該模塊確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件等核心要素，建立八連桿機(jī)械壓力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，根據(jù)已編寫好的算法模塊進(jìn)行優(yōu)化，得到設(shè)計(jì)要求的結(jié)果方案。(3)運(yùn)動(dòng)分析模塊該模塊用于對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊參數(shù)結(jié)果的運(yùn)動(dòng)分析。其理論基礎(chǔ)為八連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算出一個(gè)工作循環(huán)周期內(nèi)滑塊的位移、速度、加速度數(shù)據(jù)，并生成曲線圖。(4)優(yōu)化結(jié)果后處理模塊針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊以及運(yùn)動(dòng)分析模塊的最終優(yōu)化結(jié)果，完成后期結(jié)果顯示以及優(yōu)化方案的輸出。

總之，多連桿滑塊機(jī)構(gòu)的性能分析是機(jī)械壓力機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中最為重要的組成環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)其的研究。

[1] 王宗強(qiáng).伺服壓力機(jī)三角肘桿式傳動(dòng)系統(tǒng)特性分析與整機(jī)設(shè)計(jì)[D].華中科技大學(xué)，2015.

[2] 張進(jìn).多連桿機(jī)械式壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)分析研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.