机械压力机多连杆机构优化设计及运动仿真研究
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摘要
机械压力机是材料塑性成形中应用广泛的设备,可进行冲压、挤压、锻造等工艺,在汽车、航空、五金等工业领域起着重要的作用。
作为现代机械压力机普遍采用的工作机构,多连杆机构是实现拉深、弯曲等各种工艺性能的关键部件,其设计水平的高低直接影响到工作机构性能的好坏,进而影响压力机的性能如工作效率,生产产品的质量等。八连杆机构是其中应用较为广泛的一类,但其优化设计过程复杂,不易得到工艺过程要求的运动曲线,迫切需要进行研究并实现设计和生产的优化。多连杆机构优化设计以最优化方法和计算机程序设计为基础,是解决复杂设计问题的有效工具之一。在产品的设计阶段对机械压力机工作机构进行运动仿真,可以直观地检验工作机构在工作过程中的运动合理与否、工作机构各构件之间是否发生干涉等；通过运动仿真还可以直观的分析、优化设计方案,使设计的工作机构的功能更加完善。因此,机械压力机多连杆机构,特别是八连杆机构的优化设计及运动仿真对合理设计机械压力机的工作机构具有重要的意义。
基于对机械压力机工作机构优化设计及运动仿真的研究现状的回顾和综合,以八连杆内、外滑块机构为例,建立起机械压力机工作机构运动过程的通用数学表达式；通过对工作机构优化设计所需要的合理方法进行了探讨研究,确定采用复合形法对多连杆机构内、外滑块的运动情况进行优化设计,并对机械压力机工作机构的运动性能参数进行优化计算。
对优化设计的具体技术内容,例如数学模型的建立、目标函数的确定、约束条件的建立、优化方法的选择等进行了阐述。对优化的主要方法进行了对比,确定了八连杆机构的优化设计方法。对工作机构进行了运动分析,建立了工作机构内、外滑块在工作循环内的位移与曲柄转角、速度与曲柄转角、加速度与曲柄转角之间的数学关系表达式,为机械压力机工作机构的优化设计、工作机构的运动仿真提供了数学基础。
综合利用复合形法对八连杆内、外滑块机构进行了优化设计,以特定行程内内滑块的速度波动最小和特定行程内外滑块位移波动量最小为目标函数,优化后机构的各项性能比原机构的性能得到了相应提高。
基于Visual C++ 6.0平台开发了机械压力机多连杆机构优化设计及运动仿真软件。对机械压力机工作机构的运动特性进行了动态仿真,检验设计方案的合理性的同时,可以检验工作机构各构件在运动过程中是否发生干涉、机构参数设计是否合理,为机械压力机多连杆机构的设计提供了一个合理的工具。
Mechanical press, an appliance widely used for material plastic forming, enables several processes such as punching, extrusion, forging, which plays an important role in auto industry, aviation industry, hardware, light industry.
As an operating mechanism general used by modern mechanical press, the multi-linkage mechanism is the key part of achieving some technique properties, including drawing, curving, whose level of design can directly affect the function of the operating mechanism. Furthermore, the property of the press such as efficiency, working quality can be influenced in turn. Eight-bar linkage is one of it used successfully hungering for enforcing design and product optimization. Based on the optimization method and the computer progress design, the multi-linkage mechanism optimization design is an effective one of methods to solve the complex design problem. During the period of product designing, the motion simulation of mechanical press can examine the operating mechanism's working rationality and the collision among its components. Meanwhile, the operating mechanism can be analyzed directly and optimized so as to perfect the function of operating mechanism. Therefore, the optimization design and motion simulation of Mechanical press multi-linkage have become the important contents of press design.
Based on reviewing and summarizing the current research situation of the mechanical press optimization design and motion simulation, taking eight-bar linkage as an example, the general mathematical expressions of the whole motion process are made up, and explore and select the reasonable method of optimization on linkage. The optimization design with complex optimization method and the computation of the motion performance parameters of the linkage are carried out.
The specific application technologies of optimization, such as the establishment of mathematical model, the ascertainment of objective function, the determination of the constraint conditions, the selection of the optimization method, are elaborated. The optimization methods of eight-bar linkage are determined by comparing main optimization methods. The motion of operating mechanism is analyzed. Inner and outer sliders of the mathematics expressions on displacement, speed, acceleration and the crank angle are established, which can provide mathematics foundation for the optimization design and motion simulation of linkage.
The complex optimization method is multipurpose used as optimization method. whose objective function is the forming speed of inner slider keeping a lower, fixed value and the displacement of outer slider keeping a lower value. Performance parameter is proved after optimization.
The multi-linkage optimization design and motion simulation software is developed by using Visual C++ 6.0, which provides a useful tool for design multi-linkage, and can examine not rationality of the design but the interference of each bar and the rationality of parameters.
作为现代机械压力机普遍采用的工作机构,多连杆机构是实现拉深、弯曲等各种工艺性能的关键部件,其设计水平的高低直接影响到工作机构性能的好坏,进而影响压力机的性能如工作效率,生产产品的质量等。八连杆机构是其中应用较为广泛的一类,但其优化设计过程复杂,不易得到工艺过程要求的运动曲线,迫切需要进行研究并实现设计和生产的优化。多连杆机构优化设计以最优化方法和计算机程序设计为基础,是解决复杂设计问题的有效工具之一。在产品的设计阶段对机械压力机工作机构进行运动仿真,可以直观地检验工作机构在工作过程中的运动合理与否、工作机构各构件之间是否发生干涉等；通过运动仿真还可以直观的分析、优化设计方案,使设计的工作机构的功能更加完善。因此,机械压力机多连杆机构,特别是八连杆机构的优化设计及运动仿真对合理设计机械压力机的工作机构具有重要的意义。
基于对机械压力机工作机构优化设计及运动仿真的研究现状的回顾和综合,以八连杆内、外滑块机构为例,建立起机械压力机工作机构运动过程的通用数学表达式；通过对工作机构优化设计所需要的合理方法进行了探讨研究,确定采用复合形法对多连杆机构内、外滑块的运动情况进行优化设计,并对机械压力机工作机构的运动性能参数进行优化计算。
对优化设计的具体技术内容,例如数学模型的建立、目标函数的确定、约束条件的建立、优化方法的选择等进行了阐述。对优化的主要方法进行了对比,确定了八连杆机构的优化设计方法。对工作机构进行了运动分析,建立了工作机构内、外滑块在工作循环内的位移与曲柄转角、速度与曲柄转角、加速度与曲柄转角之间的数学关系表达式,为机械压力机工作机构的优化设计、工作机构的运动仿真提供了数学基础。
综合利用复合形法对八连杆内、外滑块机构进行了优化设计,以特定行程内内滑块的速度波动最小和特定行程内外滑块位移波动量最小为目标函数,优化后机构的各项性能比原机构的性能得到了相应提高。
基于Visual C++ 6.0平台开发了机械压力机多连杆机构优化设计及运动仿真软件。对机械压力机工作机构的运动特性进行了动态仿真,检验设计方案的合理性的同时,可以检验工作机构各构件在运动过程中是否发生干涉、机构参数设计是否合理,为机械压力机多连杆机构的设计提供了一个合理的工具。
Mechanical press, an appliance widely used for material plastic forming, enables several processes such as punching, extrusion, forging, which plays an important role in auto industry, aviation industry, hardware, light industry.
As an operating mechanism general used by modern mechanical press, the multi-linkage mechanism is the key part of achieving some technique properties, including drawing, curving, whose level of design can directly affect the function of the operating mechanism. Furthermore, the property of the press such as efficiency, working quality can be influenced in turn. Eight-bar linkage is one of it used successfully hungering for enforcing design and product optimization. Based on the optimization method and the computer progress design, the multi-linkage mechanism optimization design is an effective one of methods to solve the complex design problem. During the period of product designing, the motion simulation of mechanical press can examine the operating mechanism's working rationality and the collision among its components. Meanwhile, the operating mechanism can be analyzed directly and optimized so as to perfect the function of operating mechanism. Therefore, the optimization design and motion simulation of Mechanical press multi-linkage have become the important contents of press design.
Based on reviewing and summarizing the current research situation of the mechanical press optimization design and motion simulation, taking eight-bar linkage as an example, the general mathematical expressions of the whole motion process are made up, and explore and select the reasonable method of optimization on linkage. The optimization design with complex optimization method and the computation of the motion performance parameters of the linkage are carried out.
The specific application technologies of optimization, such as the establishment of mathematical model, the ascertainment of objective function, the determination of the constraint conditions, the selection of the optimization method, are elaborated. The optimization methods of eight-bar linkage are determined by comparing main optimization methods. The motion of operating mechanism is analyzed. Inner and outer sliders of the mathematics expressions on displacement, speed, acceleration and the crank angle are established, which can provide mathematics foundation for the optimization design and motion simulation of linkage.
The complex optimization method is multipurpose used as optimization method. whose objective function is the forming speed of inner slider keeping a lower, fixed value and the displacement of outer slider keeping a lower value. Performance parameter is proved after optimization.
The multi-linkage optimization design and motion simulation software is developed by using Visual C++ 6.0, which provides a useful tool for design multi-linkage, and can examine not rationality of the design but the interference of each bar and the rationality of parameters.
引文
[1]汪磊磊.八连杆机械压力机优化设计方法研究：[硕士学位论文].中国科学技术大学,2008
[2]彭向阳.浅谈多连杆压力机.锻压装备,1997(12)：29-31
[3]何德誉.专用压力机.北京：机械工业出版社,1989
[4]何德誉.曲柄压力机.北京：机械工业出版社,1996
[5]李作有等译.曲柄压力机译文集.北京：机械工业出版社,1990
[6]刘惟信.机械最优化设计.北京：清华大学出版社,1994,9
[7]陈立周.机械优化设计方法.北京：冶金工业出版社,1995
[8]罗中华,李社环.精确计算八连杆板冲压力机内外滑块运动参数的通用公式.1999,21(3)：76-77
[9]罗中华,梅亚夫,郭燕伶.八连杆压力机执行机构部分尺寸参数的确定.湘潭大学自然科学学报,1998,6：79-82
[10]张元通,朱灯林.机械压力机肘杆传动机构的优化设计.机械与电子,2008,1：10-12
[11]栾贻国.材料加工中的计算机应用基础.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2005
[12]Pan S x, Liu H b, Feng P e. Optimization Design of 8-bar Linkage Working Mechanism of Wheel Loaders, Journal-TongJi University,2001:1499-1502
[13]Yan Yu, Wan Min, Wang Haibo. Huang Lin. Design and Optimization of Press Bend Forming Path for Producing Aircraft Integral Panels with Compound Curvatures. Chinese Journal of Aeronautics,2010(2):274-282
[14]孙靖民.现代机械设计方法.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003：1-2
[15]秦东晨,陈江义,胡滨生,王丽霞.机械结构优化设计的综述与展望.中国科技信息,2005,9：90-91
[16]Ham, Kyung Chun, Jang, Dong Hwan. Kinematical analysis on the several linkage drives for mechanical presses. Journal of Mechanical Science and Technology,2009. 23(2):512-524
[17]Mundo D, Danieli G A, Yan H S.06-CSME-21-kinematic optimization of mechanical presses by optimal synthesis of CAM-Integrated linkages. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering,2006,30(4):519-532
[18]Zhanhe, L, Wenping, S. On Improving Multi-Objective Optimization of Airfoil Design with Complex Optimum Method. Journal-northwestern Polytechnical University,2004(22):795-800
[19]王秋珍.机械优化设计的几种方法与评判指标.重庆工学院学报,2006,20(8)52-56
[20]Wang L C T, Tsai C C, Optimal Dimensional Synthesis of Watt's Type Ⅱ Double-Stroke Six-Bar Linkage, Journal-chinese Society of Mechanical Engineers, 2002(23):333-344
[21]陈永会,李海虹,李志谭.复合形法解决多维非线性有约束优化问题.精密制造与自动化,2002,3：37-38
[22]何予鹏,邹彩虹,袁志华,赵迎芳.多连杆机械压力机遗传算法优化设计.河南农业大学学报,2005,39(4)：453-455
[23]王晓丽,周天源,冯利臻.基于步长搜索法的多连杆压力机优化设计.机械传动,2008：44-45
[24]孙国勇,刘浙.工程可视化仿真技术应用和发展.2006,23(1)：176-179
[25]王小同,杜芳,潘永仁,范立础.可视化仿真及其应用综述.1998,9：20-22
[26]郭谆钦,王承文.现代设计方法在机械优化设计中的应用.机电产品开发与创新,2007.20(2)：106-108
[27]Singh V P, Sharma S, Thakur B S. Kinematic Synthesis and Optimization of Four-bar Linkage, Journal-institution of Engineers India Part MC Mechanical Engineering Division,2005:199-206
[28]李启鹏,刘万俊,仝崇楼,龚小平.基于SolidWorks运动仿真的平面八连杆机构优化设计.机械传动,2009,33-1：63-67
[29]徐元.基于ADAMS的双曲柄压力机七杆机构的运动仿真及优化设计.重庆工商大学学报(自然科学版),2010,27(5)：509-512
[30]沈庆云,沈自林.基于UG的四连杆机构的运动分析仿真.轻工机械,2006,24(4)：74-75
[31]陈伶,胡范文,周桓.机械压力机多连杆机构优化设计与动画仿真.锻压装备与制造技术.2002,12：60-61
[32]王凤岐.现代设计方法及其应用.天津大学出版社,2008
[33]杨黎明,杨志勤.机构选型与运动设计.国防工业出版社,2007
[34]范宏才.现代锻压机械.北京,机械工业出版社,1994
[35]Shiakolas P S, Koladiya D, Kebrle J. On the optimum synthesis of six-bar linkages using differential evolution and the geometric centroid of precision positions technique. Mechanism and Machine Theory,2005(40):319-336
[36]杨黎明,杨志勤.机构选型与运动设计.国防工业出版社,2007
[37]洪凯,王玉山.多连杆压力机的特点介绍.山东机械,1998(3)：37-39
[38]罗中华,彭炎荣.双动拉延压力机外滑块传动机构的优化设计.锻压设备,1997,3：46-50
[39]罗中华,彭炎荣.八连杆板冲压力机内外滑块执行机构的优化设计.锻压技术,1998,5：47-50
[40]董桂伟.拉延压力机多连杆机构运动分析与优化设计：[硕士学位论文].山东大学,2006
[41]曹惟庆.连杆机构的分析与综合.北京,科学出版社,2002,5
[42]Cai-Fang Meng, Ce-Zhang, Yong-Hui Lu, Zhao-Guang Shen. Optimum design and control of a novel press with an extra motor. Mechanism and Machine Theory,39, 2004:811-818
[43]邹慧君,傅祥志,张春林等.机械原理.北京：高等教育出版社,1999：75-85
[44]唐泽圣,孙延奎,邓俊辉.科学计算可视化理论与应用研究进展.清华大学学报(自然科学版),2001,41(4)：199-202
[45]李燕梅.科学计算可视化技术的研究进展.思茅师范高等专科学校学报,2006,22(3)：38-40
[46]张水波等Visual C++ 2008完全学习手册.北京：清华大学出版社,2011
[47]辛长安,王颜国Visual C++权威剖析：MFC的原理、机制与开发实例.北京：清华大学出版社,2008
[48]何斌等Visual C++数字图像处理.北京：人民邮电出版社,2002
[49]Michael J. Young. Visual C++ 6从入门到精通.电子工业出版社,1999
[50]董士海.计算机用户界面及工具.科学出版社,1994
[51]王海峰,侯玉红.多连杆机构运动分析及其系统的应用.锻压机械,1997(2)：32-34
[52]徐元.再现运动函数的平面连杆机构优化设计系统的研究.机械设计与制造,2005(54)：25-27
[53]姚健,周微,郭为忠.多连杆压力机模块化运动学性能分析.锻压技术,2008(6)：111-116
[54]宿洁华.装载机工作装置优化设计及运动仿真研究：[硕士学位论文].济南,山东大学,2002
[55]宿洁华.装载机工作装置优化设计及运动仿真研究：[硕士学位论文].济南,山东大学,2002
[56]许蔷,冯谦,吕宁.基于ADAMS-Matlab的复杂机构运动优化设计.江苏冶金,2008(36)：44-46
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[59]孙恒,陈作模.机械原理.北京：高等教育出版社,1995：44-75
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