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1、六连杆压力机优化设计和分析1 绪 论1.1 国内外压力机的发展概况 机械压力机作为工程上广泛应用的一种锻压设备，在工业生产中的地位变的越来越重要1。多连杆压力机的多连杆机构是现代机械压力内、外滑块普遍采用的工作机构。多连杆驱动的出发点是：降低工作行程速度，加快空程速度，已达到提高生产率的目的。使用多连杆驱动技术的机械压力机，不用改变压力机的工作行程速度，即可达到提高生产率、延长模具寿命并降低噪声的目的2。目前国内的发展现状:进入21世纪以来，中国锻压机械行业通过技术引进，合作生产及合资等多种方式，已经快速地提高了我国的冲压设备整体水平，近年来设计制造的很多产品，其技术性能指标已经能够接近世界先
2、进水平。目前我国制造的多连杆压力机刚性好、精度高、具有良好的抗热变形能力和良好的平衡性，配备高速高精度的送料装置，采取良好的隔声降噪减振措施。不仅能保证良好的性能、质量和可靠性，在设备的成套、生产线和数控化、自动化等方面也有了很大的发展，能开发、设计、制造大型精密高效的压力机。近年来，随着电子技术、自动控制技术的发展和应用，我国多连杆压力机的自动化程度、安全性、可靠性、生产率、产品质量都得到了明显的改善，压力机的制造能力也不断提高。但我国压力机的生产总体规模小，技术创新能力薄弱，数控化程度相对较差，管理水平落后，品总和规格不全，特别是大、高、精类还需国外的供应，另外，我国的锻压设备与发达国家相
3、比结构陈旧，性能较差，机械化程度差。因此，如何继续缩小与国外先进产品的距离仍是我国设备制造企业需要面对的挑战。 国外发展现状：国外的多连杆压力机的设计生产制造的专门化、自动化程度越来越高，朝着高速度、高精度的方向发展。其产品的品种和规格齐全，结构新颖，性能，质量，机械化程度好，精度，可靠性高，各种设备的材料利用率、生产率都很高。而且规模大，特别是数控化程度非常好，具有很高的创新水平。加工时，实现了软接触和平稳成型，加工冲击小，故模具的寿命特别长，压力机的行程可以任意设定，曲轴的摆角可调，使其在某一需要的角度内摆动。国外设计者们已经在传统的机械压力机上经过反复试验，设计出一些具有创新的压力机。这
4、些压力机可适应多变的工艺过程，通用性比以往有很大提高，拥有更高柔性。 在压力机的传动系统中，采用多连杆机构不但可以使滑块的工作行程保持一个较低的均匀速度，而且能够提高滑块在接近行程和回程的速度，从而缩短滑块的行程循环时间，提高了压力机的行程次数3。目前，采用多连杆机构代替一般曲柄连杆机构已成为机械压力机结构发展的重要方向之一。机械压力机采用多连杆机构具有以下优点4： (1)当普通压力机和多连杆压力机都在材料的允许拉深速度内运行, 多连杆压力机在同样的运动速度时将以更慢的滑块速度接触板料, 从而降低撕裂材料的可能性，故降低了噪声和振动, 减少了模具内部发热,延长了模具寿命。 (2)与普通压力机比
5、较, 多连杆压力机只驱动部分的设计不一样, 压力机的其他部分仍然是标准的,因此成本可以大大降低。在设计参数内, 运动曲线可根据特定工件的需要进行修改。 (3)多连杆压力机拉伸时降低了滑块工作时的速度且速度比较均匀，增加了滑块接近工件与回程的速度，生产效率高。 (4)多连杆机构拉伸深度大，在允许的速度内，多连杆压力机的拉伸深度可达320mm，而一般的曲柄压力机只有70mm左右。 (5)与技术参数相同的曲柄滑块机构传动的压力机相比，多连杆压力机的曲柄半径和扭矩较小，从而使压力机结构紧凑，总体尺寸减小，减轻了机器的重量对大型压力机的制造具有重要意义。 但是多连杆压力机也存在一些缺点，既然多连杆压力机
6、与普通压力机一样，其滑块都要随曲轴旋转运行360度，那么，多连杆运动后的较慢工作行程必须在行程的其他部分进行补偿，即需要通过提高下个行程开始部分和回程的速度来实现补偿；多连杆驱动的另一局限性在于减少了进料循环的可利用时间。即因工作行程占有了较多的时间， 留给零件传送或进料的空程时间相对减少了( 时间和旋转角度都减少) 。尽管通过周密的计划，多工位模零件在工位之间的传送一般都能实现，但传送时间的缩短毕竟是一个需要慎重考虑的主要问题。多连杆压力机又分为六连杆、八连杆、十连杆等不同杆系的压力机，它们具有各自的特点。六连杆机构（图1.1）压力机的特点：这种机构的压力机主要用于较厚钢板的冲孔、落料、成形
7、等冲压工艺；一般用于较大工艺力的冲压工作，如一次冲压工作中完成重型卡车大梁的落料、成形、冲孔等。其主要特点是机身结构紧凑、刚性强，其冲压和工艺力比同类型的曲柄连杆机构的机械压力机大，满负荷的工作区域较长，工作效率高。图1.1 六连杆机构八连杆机构（图1.2）压力机的特点：这种机构的压力机特别适应薄板冲压成型、深拉伸等工艺工作，多用于大型薄板覆盖件的大批量生产，如轿车、面包车、卡车的车顶、门等等。它特别适应于深拉伸工艺工作，模具在拉伸工作区的冲击力很小，满负荷工作区域长。但由于传动系统结构复杂，要求的加工、装配调试精度高，使制造周期加长，制造成本提高。图1.2 八连杆机构十连杆机构（图1.3）压
8、力机的特点：这种十杆机构常用于闭式双动机械压力机外滑块的传动驱动上。能够保证内滑块在拉伸区域工作时，外滑块能够按要求 压边并保证压边力在内滑块的整个拉伸过程中不变化，达到拉伸件不拉裂、不起 皱的要求，从而保证拉伸件质量。图1.3 十连杆机构连杆机构应用广泛，使用六连杆机构作为机械压力机的工作机构可以较小的偏心距实现大的滑块行程，在工件的塑性变形区，滑块具有较低的工作速度，可防止工件产生裂纹，满足工件拉延的加工要求，提高模具使用寿命，降低冲击振动和噪声延长模具寿命。并且六连杆机构的压力机与八连杆机构和十连杆机构的压力机相比较而言，六连杆机构的压力机的结构更加紧凑、简单，制造的成本低，工作速度低5
9、。因此，本文选择六连杆机构的压力机进行优化研究分析。1.2 压力机多连杆机构的设计方法1.2.1 传统的设计方法 决定杆件尺寸的方法一般有图解法和解析法图解法是利用“手工”作图的方法，从有限的几个方案来决定杆件尺寸这种设计方法形象直观，但设计工作量很大，精度不高，不能保证机构具有最佳的运动特性。解析法是根据机械原理的理论，将机构中已知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量之间的关系用数学式表达出来，列出相应的方程组，用解方程的方法来确定杆件的未知变量但一般情况下所列出的方程组是高度非线性的，而且由于设计变量和约束条件较多，要想从中解出待定参数是很困难或是不可能的，因此不能获得满足约束条件的最优方
10、案。使用最优化设计方法可使上述问题得到圆满解决，获得符合工艺要求的最优解6。1.2.2 优化设计方法 优化设计方法很多，有求解无约束优化问题的一维搜索法、坐标轮换法、Powell法、牛顿法和变尺度法等；有求解约束优化问题的随机方向搜索法、复合形法、遗传算法，优选法、可行方向法以及约束变尺度法等直接解法和惩罚函数法等间接解法工程机械设计优化问题大多数是有约束非线性的复杂优化设计问题，最常用的优化设计方法是遗传算法、复合形法、优选法、惩罚函数法和约束变尺度法等7。 罗中华、彭炎荣8采用复合形法，以滑块在工作行程内速度波动量最小为优化目标，对六连杆传动机构进行优化设计；何予鹏、邹彩虹9等人以滑块在工
11、作行程内的波动量、最大速度、和传动角为性能参数指标为目标函数，利用遗传算法得到优化六连杆的设计方案；李建，王建新10等人，以滑块在工作行程内速度波动量最小和接触板料速度最小为优化目标的数学模型，利用惩罚函数和复合形相结合的优化算法，获得能满足工程实际应用的六连杆传动机构优化设计方案；杨春峰11等人使用遗传算法，逐步线性规划算法，逐步二次规划算法等多种优化算法，在遗传算法优化的结果的基础上，使用梯度算法优化计算获得具有良好工作特性的六连杆机构优化方案。 综上所述，本课题将采用ADAMS软件的参数化设计与优化，对六连杆机构进行优化设计，并进行运动分析，从而使压力机的滑块的加速度最小和具有良好的工作
12、特性。1.3 本文主要研究内容及研究方法 本文选取六连杆压力机的优化设计进行研究，进行运动学分析。本文主要研究内容如下：第一章 分析了国内外的压力机的发展现状，介绍多连杆压力机的特点，对机械优化设计的主要方法进行了比较，确定了六连杆机构的优化设计方法。最后，给出了本论文的研究内容及研究方法。第二章 分析压力机的工作原理和主要技术参数，确定本文设计的压力机主要技术参数。第三章 对压力机六连杆机构进行了运动分析，建立了六连杆机的运动学模型、独立与非独立参数间的关系，建立了通用的数学表达式，并在此基础上，求出了机构滑块位移、速度、加速度的数学表达式，根据表达式使用matlab软件进行计算，并作出滑块
13、位移、速度、加速度的曲线图。第四章 对压力机传动系统进行布置并进行传动级数的分配，选择电动机，对传动零件进行设计计算和强度校核。第五章 介绍了机械优化设计基础，在ADAMS中建立六连杆机构的参数化模型，确定设计变量和目标函数，对参数进行优化计算，实现基于ADAMS的参数化设计。利用Pro/E软件建立优化后六连杆的三维模型，再将模型导入ADAMS软件中进行运动学仿真分析。第六章 给出了本文研究的结论。2 压力机的工作原理及技术参数2.1 压力机的工作原理 图2.1为压力机的结构简图12，电动机1、带动皮带轮2、飞轮3通过传动轴17和大齿轮5带动偏心轮16旋转，再通过连杆8使滑块10在立柱15的导
14、轨9中往复运动。上模11固定在滑块上，下模12固定在机身工作台14上。导轨保证滑块运动方向准确，工作时上下模具之间不会产生水平错移。气压式刹车/离合器19在电动机转动时，可使曲柄连杆机构运动或停止，并且可以将曲柄连杆机构停止在一定位置。图 2.1 压力机结构简图 1.电动机 2.皮带轮 3.飞轮 4.前小齿轮 5.大齿轮 6.上横梁 7.传动轴 8.连杆 9.导轨 10.滑块 11.上模板 12.下模板 13.底座 14.工作台板 15.立柱 16.偏心齿轮 17.传动轴 18.后小齿轮 19.离合器/制动器2.2 压力机的主要技术参数压力机的主要技术参数有公称压力，滑块行程，滑块每分钟行程次
15、数，封闭高度，封闭高度调节量等。 （1）公称压力Pg(KN) 公称压力是指当滑块运动到距下死点前一定距离(公称压力行程)或曲柄旋转到下死点前某一角度(公称压力角)时，滑块上允许的最大工作压力。 （2）滑块行程S(mm)滑块行程是指滑块从上死点运动到下死点所走过的距离，它的大小和压力机的工艺用途有很大的关系。拉延压力机的行程就比较大，精压力机的行程就比较小。 （3）滑块每分钟行程次数n(次/min)滑块行程次数是指滑块空载时，每分钟从上死点到下死点，然后再回到上死点所往复的次数。 （4）封闭高度H(mm)封闭高度是指滑块在下死点时，滑块底面至工作台表面的距离(不是指垫板）。通过装模高度调整机构，将滑块调整到最上位置，当滑块在下死点时，滑块底面至工作台表面的距离称为最大封闭高度；将滑块调整到最下位置，当滑块在下死点时，滑块底面至工作台表面的距离称为最小封闭高度。 （5）封闭高度调节量(mm)最大封闭高度与最小封闭高度的差值，称为封闭高度调节量。在设计锻冲模时，应使模具的封闭高度小于曲柄压力机的最大封闭高度。本文设计的压力机的主要参数如表2.1所示：表2.1 压力机的主要技术参数名称符号单位量值 公称压力 PgKN
