伺服机械压力机三角肘杆工作机构的优化设计方法

摘要

本发明是一种伺服机械压力机三角肘杆工作机构优化设计方法。包括有曲柄AB、连杆BCE、上肘杆CD、下肘杆EF，由F点构建的滑块，其中上肘杆CD与下肘杆EF不等长，且上肘杆CD短于下肘杆EF，D点与F点处于垂直线上，由B、C点和E点构建三角连杆BCE。三角肘杆工作机构的优化设计方法包括如下步骤：1)构建参数化的机构模型；2)建立参数化虚拟样机模型；3)分析各结构参数的灵敏度；4)建立优化模型及求解。通过优化设计能在保证机身机构紧凑、滑块行程足够、滑块下行单调的情况下，具有较高的增力比，可大幅降低曲柄所需的驱动扭矩，进而降低伺服电动机的容量和成本。用本发明设计的伺服机械压力机三角肘杆工作机构结构合理，方便实用。

主权项

1.一种伺服机械压力机三角肘杆工作机构的优化设计方法，所述三角肘杆工作机构包括有由A点和B点构建的曲柄AB，由B点、C点和E点构建连杆BCE，由C点和D点构建的上肘杆CD，由E点和F点构建的下肘杆EF，由F点构建的滑块，A点建立曲轴与机身之间的旋转副，在B点建立曲轴与三角连杆之间的旋转副，在C点建立三角连杆与上肘杆之间的旋转副，在D点建立上肘杆与机身之间的旋转副，在E点建立三角肘杆与下肘杆之间的旋转副，在F点建立下肘杆与滑块之间的旋转副，在滑块与机身之间建立移动副，上述上肘杆CD与下肘杆EF不等长，且上肘杆CD短于下肘杆EF，D点与F点处于垂直线上，由B点、C点和E点构建连杆为三角连杆BCE；其特征在于三角肘杆工作机构的优化设计方法包括如下步骤：1)构建参数化的机构模型构建参数化的机构模型，需要确定描述三角肘杆机构的最少结构参数，采用矢量构成的两个封闭矢量环来描述机构的尺度，三角肘杆机构的一组最少结构参数包括：上肘杆固定铰接点至曲轴中心距离l₁、曲柄长度l₂、三角形连杆上边长度l₃、三角形连杆下边长度l₄、下肘杆长度l₆，以及上肘杆固定铰接点至曲轴中心矢量的方位角φ₁₁、曲柄矢量的方位角φ₂₁、三角形连杆上边矢量的方位角φ₃₁、三角形连杆上下边矢量夹角γ、下肘杆矢量的方位角φ₆₁，其中，坐标系采用右手笛卡尔坐标系，坐标原点建立在曲轴中心上，所有方位角都是起始于X轴正向，并以逆时针旋转方向为正；2)建立参数化虚拟样机模型参数化虚拟样机模型的建立包括：参数化几何建模、约束建模和力与驱动的施加，几何建模：建立10个设计变量DV1、DV2、…、DV10，分别对应参数化机构模型中的10个结构参数l₁、l₂、l₃、l₄、l₆，φ₁₁、φ₂₁、φ₃₁、γ和φ₆₁；用设计变量表示关键点A、B、C、D、E和F的X和Y轴坐标，给定一组设计变量的初始值即确定5个关键点的坐标值；确定各几何构件的截面尺寸值后，分别由A点和B点构建曲柄AB，由B点、C点和E点构建三角连杆BCE，由C点和D点构建上肘杆CD，由E点和F点构建下肘杆EF，由F点构建滑块；约束建模：在A点建立曲轴与机身之间的旋转副，在B点建立曲轴与三角连杆之间的旋转副，在C点建立三角连杆与上肘杆之间的旋转副，在D点建立上肘杆与机身之间的旋转副，在E点建立三角肘杆与下肘杆之间的旋转副，在F点建立下肘杆与滑块之间的旋转副，在滑块与机身之间建立移动副，并设置各运动副的摩擦系数以及转动副销轴半径；力与驱动的施加：在滑块上施加模拟冲压负载的随时间变化的单力，采用STEP、IF或AKIMA函数建立冲压负载曲线；在曲轴与机身之间的旋转副上施加驱动力矩，转速为恒值，大小根据冲压频率确定，转速也为随时间变化的驱动函数，旋转方向一般为逆时针，摆动工作和自由工作模式下为双向，由驱动函数给定；3)分析各结构参数的灵敏度为了降低优化模型的复杂性，应该尽量减少参与优化计算的设计变量的数量，则需要对所有结构参数进行灵敏度分析，分析各参数的重要性；通过执行设计研究，分析结构参数对目标的灵敏度，具体包括：创建目标对象：增力比是滑块负载与曲柄驱动扭矩之间的比值，在设计时要求滑块在公称压力行程内滑块负载不大于公称压力，所以假定在整个公称压力行程内滑块负载为等于公称压力的恒定值，则将增力比最大化问题转化为曲柄驱动扭矩最小化问题，即将目标对象设定为曲柄驱动扭矩；结构参数赋值：给定结构参数初始值，指定各结构参数取值范围；逐个分析结构参数的灵敏度后，选择灵敏度较高的结构参数作为优化用设计变量；4)建立优化模型及求解(1)确定设计变量与目标函数：上述10个结构参数用向量形式表示为为了降低优化问题的维度，根据结构参数灵敏度分析的结果，选取灵敏度较大的结果参数作为设计变量；根据动力学解析模型，曲柄驱动扭矩与各杆质量、质心位置、转动惯量、滑块负载、转动副销轴半径、摩擦系数以及上述10个结构参数相关；当确定杆件材料、给定负载和销轴半径后，曲柄驱动扭矩仅与上述10个结构参数相关，曲柄驱动扭矩由内部求解器通过Newton-Raphson数值计算方法求得，在此，曲柄驱动函数用隐函数表达为：T＝f(X)曲柄驱动扭矩最小化优化问题的目标函数描述为minf(X)(2)确定约束条件：机身总体结构约束：横向：纵向：其中，Lh为横向限制尺寸，Lv为纵向限制尺寸；肘杆摆角约束：上肘杆：g_{Angle_CDF}[X]≤[CDF]下肘杆：g_{Angle_EFD}[X]≤[EFD]其中，g_{Angle_CDF}[X]和g_{Angle_EFD}[X]为与设计变量X相关的约束函数，[CDF]为上肘杆最大限制摆角，[EFD]为下肘杆最大限制摆角；滑块行程约束：S_min≤g_{Slide_D}[X]≤S_max其中，g_{Slide_D}[X]为与设计变量X相关的约束函数，S_min和S_max分别表示滑块最大行程的上、下限值，取相等值；滑块下行方向不变约束：g_{Slide_v}[X]≤0其中，g_{Slide_v}[X]为与设计变量X相关的约束函数；(3)优化计算：定义目标函数为曲柄驱动扭矩，定义目标为使目标函数最小化，添加设计变量和约束条件，选择广义简约梯度法为优化算法，设置收敛误差限、最大迭代次数以及差分方式为默认值，启动优化计算。