基于ADAMS軟件的機械壓力機工作機構優化設計

摘要：傳動系統是沖壓機構整體系統的關鍵環節，在進行設計時需要綜合考慮系統的合理性和可靠性，進而優化機床的整體性能和質量。文章基于ADAMS軟件對機械壓力機工作機構進行了分析和優化。文章首先給出了壓力機的運動分析合數學模型;其次運用ADAMS軟件分析了虛擬樣機技術及其建模流程;最后針對多連桿樣機模型進行了仿真分析，得到了優化以后的系統關鍵部位數據。最終所得結論表明，優化后的產品性能和質量能夠得到有效提升。文章為機械設計領域進行機械壓力機的機構優化提供了數據支持和優化方案。

關鍵詞：ADAMS;機械壓力機;六連桿機構;優化設計

中圖分類號：TG305

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0117-04

0 引言

長期以來機械設計領域的從業人員通常都采用傳統的圖解設計方法進行機械壓力機工作機構的設計和產品優化。由于該類型方法具有高度的非線性特征，因而想要從設計過程中獲得具體的待定系數難度較大[1]。因而，在傳統的設計和優化方式下難以獲得較高的設計精度和設計效率。同時，設計和優化方法的不足更嚴重制約了機械設計機構進行機構的綜合與優化設計，機構的設計質量整體提升幅度有限。這一情況在計算機技術的飛速發展下有望得到解決。

1 壓力機運動分析及數學模型

1.1 工作機構運動分析

機械壓力機對板材進行加工時主要以雙動拉伸壓力機為最主要的加工工具[3]。雙動拉伸壓力機的結構特征包括：①外滑塊，通過在壓力機機身導軌內作往復運動，用于對板材進行壓邊處理;②內滑塊，通過在外滑塊的導軌內作往復運動，用于對板毛坯材進行拉伸[4]。在內外滑塊的配合工作下，對板材進行拉伸成型，這一加工工藝對壓力機的工藝要求較高，因而壓力機的遭際和制造技術要求往往會給廠家的生產帶來較大的經濟壓力。本文針對這一行業需求，優化了雙動拉深壓力機，構建了圖1所示的采用單動多連桿機構的新型壓力機。

1.2 雙曲柄8桿機構優化設計的數學模型

1.2.1 目標函數

所設計的雙曲柄多連桿機構設計過程中主要需要通過4個分目標函數進行計算：①目標函數I，通過對壓力角h的界定，保證多連桿結構中的驅動滑塊獲得最佳下壓力;②目標函數Ⅱ，通過對速度的界定，保證多連桿機構中的滑塊工藝形成快速返回;③目標函數Ⅲ，通過對滑塊形成進行界定，保證多連桿機構中的滑塊上下極限位置滿足加工工藝要求;④目標函數Ⅳ，通過對驅動曲柄長度的界定，保證多連桿機構的經濟性和裝配便捷性。

1.2.2 設計變量

目標函數I-Ⅳ中個數據的計算均與機械壓力機榴蓮干機構的桿長和初始位置角度有關。本文為優化計算流程，采用ADAMS軟件對各目標函數的數據值進行分析，認為可以采用圖l所得的設計結構圖，對初始位置各連接點的（x，v）值進行設計變量的確定。本文按照多連桿曲柄原點D為固定位置不變的前提，給定原點D坐標為（0，0）。設多連桿機構中滑塊點I與原點應在同-y平面內，故將滑塊點I的橫坐標定位為0，滑塊在系統中共包含9個連接點，共計18個橫縱坐標，除去3個橫坐標，確定本次設計變量為DV_2 - DV_16。

2 運用ADAMS軟件進行機構優化

2.1 虛擬樣機技術及其建模流程

通過對傳統多連桿機械壓力機的設計流程進行調研發現，傳統的設計方案需要在確定多個不同方向設計思路的基礎上，由工程人員對多個設計方案分別進行驗證，驗證過程中通過發現問題、解決問題、完善方案的流程達到最終的設計成果。這一過程對人力和成本的要求極高，同時設計效率和設計質量難以得到保證[6]。因此，按照圖2所示的基于虛擬樣機技術的現代設計流程，構建了本文所研究的機械壓力多連桿機構。在產品的設計階段，即可通過虛擬樣機技術對產品的性能進行優化。大大節約了產品的研發和實驗成本，縮短了產品開發流程，在有限時間內提供了多種待檢驗方案。

2.1.1 虛擬樣機技術

本文結合學界有關虛擬樣機的研究將虛擬樣機技術定義為：一種基于數字化技術的機械系統動態仿真技術[7]。虛擬樣機技術的存在能夠幫助機械生產和研究林立關于利用計算機技術進行建模和輔助設計。虛擬樣機技術能夠對某種或某些產品的性能、壽命、使用過程中的強度變化情況等進行模擬，從而獲得與真實產品制造和開發相同的實驗分析結果。

虛擬樣機技術當前存在的主要問題在于：①僅能夠滿足機械研究領域中有關多體動力學方面的模擬，用途受限[8];②在真實的模擬過程中需要涉及大量的數據和信息，對這些數據進行利用和存儲等的技術門檻較高，國內相關研究較少;③我國關于虛擬樣機技術的應用范圍較窄，因而該技術尚不能被廣大用戶和設計人員認可，暫時還沒有被完全普及。

2.1.2 6連桿機構虛擬樣機建模流程

基于Solidworks、ADAMS軟件虛擬樣機技術對機械壓力6連桿機構進行了運動學分析，搭建了6連桿機構模型，并通過實驗優化實際機械設計過程的正確性。

1） Solidworks三維建模

在對6連桿壓力機進行ADAMS模型處理之前，使用Solidworks軟件創建相應三維模型，確保構建的零件模型在轉換格式并導人虛擬樣機軟件之后每一個零部件都能夠獲得單獨的外型和位置。

2） ADAMS模型處理

將Solidworks三維模型導人ADAMS軟件以后，軟件將會對壓力機6連桿機構的所有機構進行模型定義，根據實際的機械壓力機運動情況添加約束和運動副，進而將不同的機構零部件進行模擬裝配形成虛擬樣機[9]。然而根據實際的運動情況和工作形態，對不同機構上的質量、運動量、轉動慣量等數據進行定義，添加適當的載荷后確定系統驅動值。

3）檢驗、修改和驗證模型正確性

利用ADAMS模型處理后，對構建模型進行虛擬樣機檢驗，篩查所構建模型在實際工作重的問題，最終得到優化后的正確模型。

2.2 樣機模型的仿真分析

構建完成并進行工作情況驗證后的虛擬樣機模型，需要進行各種仿真參數的輸入從而對實際的工作情況進行模擬。由于本文在虛擬樣機的設計階段對部分機構的運動特征進行了優化，因此，在樣機模型的仿真分析中僅考慮多連桿機構的輸入端扭矩以及從動部件的轉動慣量。

2.2.1 多連桿傳動部分轉動慣量

機械壓力機6連桿機構中的核心部分包括：①離合器，用以控制機構的運動和停止;②制動器，用以對離合器進行摩擦制動。機械壓力機6連桿機構從動部件的轉動慣量會在很大程度上作用于多連桿傳動裝置中的離合器和制動器，導致該結構磨損和發熱。離合器制動器的啟動和制動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連桿機構從動系統的轉動慣量，ω為6連桿機構離合器制動器轉動軸的轉動角速度。

由上述計算公式可知，機械壓力6連桿機構中的離合器制動器機構從動件的J越小，則系統的W值越低，說明此時系統能夠獲得更好的離合器一制動器性能。本文利用ADAMS軟件進行相關數據的模擬，得到了表1所示的各從動件的轉動慣量

2.2.2 多連桿傳動部分扭矩

機械壓力機6連桿機構在一個工作周期內，通常只有很短的時間進行機構工作。這一工作時間內6連桿機構從接近下死點位置到抵達下死點位置，我們將這一運動形成內的工作載荷成為公稱力行程。由于多連桿機構工作時間段、公稱力行程小，因此本文所構建的機械壓力機6連桿機構的負載類型屬于沖擊負載，其他非工作時間屬于空城運轉狀態。在機械壓力機6連桿機構進行工作的短時間內，電極需要進行很大的工作扭矩輸出，因此在選取具體的電極型號時，需要對該6連桿機構工作時間內與負載對應的輸出扭矩進行選擇和模擬。

2.2.3 樣機分析結果及實際應用

利于虛擬樣機技術對機械壓力機6連桿機構進行模擬仿真，得到6連桿機構在一個工作周期內的輸入端扭矩曲線圖，優化前后運動曲線的對比如圖4所示。由圖4可知，在利用虛擬樣機技術進行模擬過程中，輸入端扭矩曲線在優化前呈緩慢增大、緩慢降低、突然升高的狀態;通過ADAMS軟件進行優化以后，6連桿機構位置對應的速度曲線在下降過程中呈近30度傾斜狀態，且6連桿工作機構的速度不斷增加，至零位置以后，6連桿機構的曲線速度開始緩慢上升并逐漸接近水平狀態。與優化前的曲線相比，6連桿機構的行程速比系數得到了顯著提升，滿足了用戶對行程速比系數大于1.5的要求;同時大大降低了6連桿機構的返回實踐，符合用戶以及機械加工領域對6連桿機構慢進急回的加工特征。總體而言，優化以后的機械壓力機6連桿機構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。

3

結語

綜上所述，本文以機械壓力機構6連桿機構為主要研究對象，利用ADAMS軟件對該類型機構的運動方式進行了建模分析，并完成對機構設計參數的優化提取。文章指出了機械壓力機6連桿機構設計過程中的部分問題，可以為相關領域科研人員的研究提供理論思路和具體的優化數據參數。

參考文獻

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[9]孫桓，陳作模，葛文杰，機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

作者簡介：趙明俠（1982-），女，陜西寶雞人，工程碩士，講師，研究方向：機械設計，機械CAD設計，三維CAD設計及仿真運動。

基金項目：陜西省教育科學“十三五”規劃2018年度課題（SCH18V062）