基于ADAMS的推送裝置六連桿機構的優化

于景華，朱玉泉

(1.中北大學朔州校區 能源與機械工程系，山西 朔州 036002；2.朔州市農業機械化發展中心，山西 朔州 036002)

0 引言

推送裝置是用于把物料從一個位置自動推送到另一個位置的裝置，在推送時一般要求運動盡量平穩、傳力性能好、效率高、行程大，六連桿機構可以滿足推送要求，因此可用于推送裝置。

連桿機構傳統的設計方法有圖解法和解析法，這兩種算法計算量大、精度不高[1]，使用優化方法設計連桿機構是常用的設計方法。在眾多優化設計方法中，多體動力學分析軟件ADAMS避免了復雜的數學公式推導和繁瑣的編程，可以提高優化設計的速度，從而縮短設計進程[2]。

本文以沖床上自動物料推送裝置六連桿機構為例，在ADAMS軟件中建立其動力學模型，對其進行運動仿真，獲得仿真曲線，再通過參數化建模，以機構平均壓力角最小為目標[3]，進行了機構的優化設計。

1 推送裝置六連桿機構的簡化模型及性能要求

1.1 推送裝置六連桿機構的簡化模型

推送裝置六連桿機構的運動簡圖如圖1所示，以曲柄AB為原動件順時針勻速旋轉，通過連桿BC帶動搖桿CD擺動，搖桿CD通過連桿EF帶動滑塊沿著水平方向滑動，滑塊從左向右運動為工作階段，從右向左運動為空回行程階段，如此往復實現對物料的推送。圖1中，α為執行構件滑塊的壓力角，在運動過程中其大小在時刻變化。

1.2 推送裝置六連桿機構性能要求

為了減小驅動力并提高生產效率，推送裝置六連桿機構應具有較好的傳力特性[4]，因此機構在工作階段應使執行構件滑塊傳動角盡可能大，傳動角與壓力角互余，也即壓力角要盡可能小。

2 推送裝置六連桿機構的ADAMS建模與仿真

2.1 六連桿機構幾何模型的建立

根據圖1中各關鍵點的坐標數據，原點取在D點，在ADAMS中建立推送裝置六連桿機構的幾何模型，如圖2所示。

圖1 推送裝置六連桿機構運動簡圖

圖2 推送裝置六連桿機構模型

2.2 添加約束

對于建好的幾何模型，首先給相互連接的構件之間添加運動副約束，接下來在主動曲柄上添加驅動，主動曲柄轉速設為30 °/s，軟件系統默認為逆時針方向，考慮到滑塊從左到右運動為工作行程，曲柄應順時針回轉，最終添加驅動為-30 °/s；最后在滑塊上添加生產阻力，工作階段阻力為60 N，空回行程階段阻力為10 N，添加方式為單向載荷力[5]，用step函數表示為-60+step(time，6，0，6.01，70)，單位為N。

2.3 六連桿機構運動仿真

在ADAMS軟件里添加仿真時間為12 s，也即一個周期，步數為1 000步，運行仿真后通過測量得到壓力角一個周期的變化曲線,如圖3所示。

圖3 壓力角一個周期的變化曲線

驅動力矩和生產阻力一個周期的變化曲線如圖4所示。

圖4 驅動力矩和生產阻力一個周期的變化曲線

3 推送裝置六連桿機構的優化

3.1 設計變量的選擇及其敏感度分析

用ADAMS進行優化設計需要先完成參數化建模，這里將圖2建好的模型各關鍵點坐標參數用設計變量代替，取各點橫、縱坐標為設計變量。當設計變量在許可范圍內變化時模型也跟著變化，設計變量每取一個值都能得出一條壓力角變化曲線，從而能得出各點位置對壓力角平均值的影響程度，也即敏感度，這一分析過程可以用ADAMS的“Design Study”功能完成，分析結果如表1所示。

表1 設計變量初始值及其敏感度

從表1中可以得出變量DV_1、DV_3、DV_6、DV_7、DV_8、DV_10 對壓力角的敏感度較大，忽略其余變量變化對壓力角的影響，取這6個敏感度較大的變量對壓力角進行優化。

3.2 約束條件

(1)四桿機構ABCD為曲柄搖桿機構，應滿足曲柄存在的條件：曲柄AB為最短桿且最短桿與最長桿的長度之和小于等于其余兩桿長度之和[6]。用桿長關系表示為：

lAB-lBC≤0，

lAB-lCD≤0，

lAB-lAD≤0，

lAB+lAD-lBC-lCD≤0，

lAB+lCD-lBC-lAD≤0，

lAB+lBC-lCD-lAD≤0.

用設計變量表示各桿長度如式(1)～式(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

在ADAMS中約束條件設置過程為先創建測量函數，再創建約束函數，最后在優化計算對話框中添加約束函數。

(2)滿足壓力角條件，滑塊一個周期的最大壓力角要小于40°,表示為αmax-40°≤0，其中αmax為滑塊的最大壓力角。

在ADAMS中添加壓力角約束條件的過程為：先創建測量函數為“MEA_ANGLE_1-40”，再創建約束函數，最后在優化計算對話框中添加上這個約束函數。

3.3 優化目標

機構要求有較好的傳力特性，而減小執行構件壓力角可以提高傳力性能，因此以平均壓力角最小作為目標進行優化。

3.4 優化設計

對模型添加完約束條件和目標函數，運用ADAMS中的“optimization”功能完成優化。優化前、后各參數對比如表2所示，壓力角及驅動力矩優化前、后對比分別如圖5和圖6所示。

表2 優化前后參數值對比 mm

圖5 壓力角優化前、后對比

圖6 驅動力矩優化前后對比

從圖5、圖6中通過測量得到：壓力角優化前的平均值為12.3°，優化后的平均值為 1.2°，減小了92.5%；驅動力矩優化前的平均值3.568 N·m ,優化后的平均值為3.027 N·m ,減小了15.3%。

4 結論

通過以上分析可知：該推送裝置六連桿機構優化后平均壓力角明顯減小，滿足優化設計目標要求，并且壓力角減小的同時驅動力矩平均值也減小了，這一方面說明滿足提高效率的優化設計要求，另一方面也驗證了優化設計的合理性。