基于ADAMS的冷镦机曲轴滑台机构优化设计.pdf

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2013年9月机械设计与制造工程Sep．2013第42卷第9期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．42No．9DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2013．09．013基于ADAMS的冷镦机曲轴滑台机构优化设计陈光明，汪帆(南京农业大学工学院机械工程系，江苏南京210031)摘要：曲轴滑台机构作为冷镦机的主要传动部件，在冷镦机整机设计中占有重要意义，基于机械系统动力学分析软件ADAMS，通过修改构件的材料属性，用ADAMS环境下简化模型代替原始复杂结构模型，优化了该机构中连杆构件的尺寸，并对优化后的模型进行了动力学分析，验证了该简化方法的正确性，并得到驱动力矩以及曲轴所受的反作用力。关键词：冷镦机；曲轴滑台机构；ADAMS；优化设计中图分类号：TH113文献标识码：A文章编号：2095—509X(2013)09—0053—05多工位全自动冷镦机是一种无切削、高效全自滑块位移：动冷成形设备，常用于进行紧固件、标准件、异形件LAc=LABcos+L口cco的冷镦加工，广泛应用于航空航天、汽车等各工业滑块速度：部门中。其中曲轴滑台机构作为实现冷镦动作的￡=一Lassinotdol=+LBcsi)关键机构，某种程度上它的运动性能关系到整台机器的运动，也直接影响到冷镦产品的性能和质在l，方向上有量⋯。本文利用曲轴滑台机构的简化模型直接在LBcsinI9+E=LABsinaADAMS环境下建模，以曲轴所需扭矩为目标，利用等式两边对时间求导：其优化设计模块对该机构中连杆的尺寸进行优化。d口daLAsCOSadL口cco按优化后尺寸在Pro／E环境下建立曲轴滑台机构曲柄转速：的实际模型，导人ADAMS后对其进行动力学仿d真，验证了用简化模型分析的可行性。∞因此滑块速度、加速度分别为：1曲轴滑台机构简化模型及理论分析一∞曲轴滑台机构的简化模型是机械设计中常见的负偏置曲柄滑块机构，如图1所示。负偏置机构82CO。==一∞【+LAB0／]的滑块有急回特性，其工作行程速度较小，回程速。。。度较大，有利于冷挤压工艺，常在冷挤压机中采用。2ADAMS动力学分析基础y对于机械系统模型中的每个刚体，其6个广义坐标带乘子的拉格朗13方程及相应的约束方程为：dOK一—d—tf-a_gr，))一罄—加—f十+。砉>—∞—“^=‘．(I1l)J=0(i=1，2，⋯，m)(2)图1负偏置曲柄滑块示意图式中：为系统动能表达式；g为描述系统的广义收稿日期：2013—07—22作者简介：陈光明(1967一)，男，江苏泰兴人，南京农业大学副教授，工学硕士，主要研究方向为先进制造技术、数控技术、机械设计、计算机辅助设计、机器人学等。·53· 2013年第42卷机械设计与制造工程坐标；为系统的描述方程；F为在广义坐标上的3连杆尺寸优化设计广义力；A为m×1的拉格朗日乘子矩阵。3．1优化设计理论模型式(1)、(2)可写成如下矩阵形式：为方便在ADAMS环境中设置尺寸变量，取连，【F、J=D(3)杆水平时刻为初始时刻，此时曲柄滑块机构简图如图2所示。式中：F=，(，，q，A，t)；缈：厂(孑，，t)；O为零矩阵。将其动能定义为：+代入式(1)，合并成简洁的矩阵形式为Mx+A=Q图2简化模型机构简图式中：=(，：，⋯，孟)T；=(，，⋯，q'x)；M=diag[M，M2，⋯，M]；Q=(Q。，3．2曲轴滑台机构优化前模型Q，⋯，Q)To优化前曲轴滑台机构如图3所示。根据冷镦ADAMS对于上述微分方程将二阶降为一阶微机主箱体的尺寸以及冷镦机的产品参数，确定图2rF]中各参数的取值。其中A，曰，C三点的坐标值见表分方程求解，引入：0t，得到{lL垡1一Jl=1。综上所述，对于多刚体系统ADAMS将列出以下刚体运动方程：6个一阶动力学方程为d(OK)一⋯蓑+熹一=。(=1，2，⋯，6)式中：g=(，，，，0，)TO6个一阶运动学方程为[A1一『1=O图3优化前曲轴滑台机构式中：A=(，，，，，)；B=(，，，W，W，)。表1设计点坐标系统约束代数方程、外力定义方程和自定义代数微分方程分别为：(q，q，t)=0F(1l，H，q，t)=0d，U，q，t)=0式中：q为笛卡尔广义坐标系；U为广义坐标的微各构件材料特性及在Pro／E中测量的惯性张分为外力或约束；￡为时间。量见表2。表2各构件参数3．3ADAMS环境连杆尺寸优化示，可变化范围为430±80内。根据冷镦机箱体尺寸，确定连杆尺寸如图4所a．ADAMS坏境中简化模型的建立。·54· 2013年第42卷机械设计与制造工程昌目．日叠誊。口择连杆尺寸为350mm。可以看出，在力加载以及释放开瞬间时刻曲轴受力会M0T10N1MEAlO发生一个突变；滑台位移、速度、加速度皆为正余弦曲2．0E+0O7线，符合理论公式推导结果，如图13所示；图14所示1．5E+007f}{‘．，j／l驱动力矩图为冷镦机的电机功率选择提2供口口2依，q据口2u。21．OE+o0759O958O8＼l、|0OO05．0E+006＼J，}_s．目目《扫一墨a／、_V＼／00．10．20．30．40．50．60．70．80．91．0time／s图9连杆取值不同情况下力矩图k郸墨k。k7；71．．．⋯_I_l～，～4．98I—Cun~ntl／／望4．9／，，Z4．97／／图11连杆尺寸优化后图4．9图lO连杆尺寸与驱动力矩关系图Z204曲轴滑台机构动力学仿真分析按上述优化结构在Pro／E中建立连杆，重新装配曲轴滑台机构，优化后曲轴连杆如图ll所示。导人ADAMS，根据ADAMS动力学仿真步骤进行图12曲轴受力图分析，得到曲轴受力曲线，如图12所示，对比图7frgOghj305．0300．O_s．重、嚣基a1u兰275．0270．0Analysis：LastRun2013．05．1516：06：50_图13滑块位移、速度、加速度图E中的特性，修改其材料属性值，通过ADAMS中优化分析模块，以电机驱动力矩为目标，对连杆尺寸进行优化分析，得出连杆尺寸与驱动力矩的关系l5图以及最优解。根据优化的结果，重新在Pro／E环境建立曲轴图14连杆尺寸优化后驱动力矩图滑台的三维模型，导人ADAMS中分析了滑台的位移、速度、加速度以及曲轴受力、驱动力矩曲线。5结论本文根据冷镦机的主传动部件曲轴滑台机构，比较图9和图14可知，驱动力矩相近，验证了在ADAMS环境下建立其简化模型，查询其在Pro／该简化方案的正确性。·56· 2013年第9期陈光明：基于ADAMS的冷镦机曲轴滑台机构优化设计参考文献：[3]葛正浩．ADAMS2007虚拟样机技术[M]．北京：化学工业出[1]朱红萍．冷镦机滑台机构的刚体动力学分析[J]．沙洲职业版社．2010：9—12．[4]陈文华，贺青川，张旦闻．ADAMS2007结构设计与分析实例工学院学报，201l，14(4)：7—8．[M]．北京：机械工业出版社，2009：125—136．[2]林翠青．基于曲柄压力机中曲柄滑块机构的运动分析及其研究[J]．数字技术与应用，2010(7)：67—68．TheOptimumDesignoftheCrankSliderMechanismf0rColdHeadingMachineBasedonADAMSCHENGuangming，WANGFan(NanjingAgriculturalUniversity，JiangsuNanjing，210031，China)Abstract：Thecrankslidermechanismisthemaintransmissionpartandplaysanimportantroleinthedesignofcoldheadingmachine．BasedonADAMSsoftwareitmodifiesthematerialproperties，takesthedynamicsanalysisofthewholemodelandoptimizesthedimensionofthelink．Itillustratestheprocess，theresultsshowthatthedrivingtorqueandtheforceappliedoncrankshaftareachieved．Keywords：ColdHeadingMachine；CrankSliderMechanism；ADAMS；OptimizationDesign第九届中国(南京)国际软件产品和信息服务博览会隆重开幕9月5日上午，以“软件与智慧生活”为主题的第九届中国(南京)国际软件产品和信息服务博览会在南京国际博览中心隆重开幕。工信部副部长杨学山以及科技部、国家版权局、国家贸促会等国家部委领导，省及南京市领导史和平、季建业、王志忠、靳道强、罗群，以及31个国家和地区的驻华使领馆官员、机构代表和企业高管，70多个国内外城市代表团成员、重要客商共500余人出席了开幕式。季建业、史和平、杨学山先后在开幕式上致辞。开幕武上还举行了“中国软件杯”大学生软件设计大赛总决赛颁奖仪式。本届软博会以营造产业发展环境、展示发展成果、探索产业发展趋势、推进交流合作为主线，集技术研讨、人才交流、成果交易、项目对接等专业功能于一体，突出专业化，引入市场化，彰显国际化，内容更加丰富、成效更加显著、影响更加广泛。展会规模10万平方米，继续保持国内领先。共有31个国家和地区、73个国内外城市代表参展参会，参展企业共1118家，数量创历届之最。微软、IBM、HP、SAP、萨蒂扬、源讯、富士通、宏基、华硕、微星、仁宝、华为等12家世界五百强企业，石化盈科、熊猫、中兴、南瑞集团、南瑞继保、怡华、三胞、苏宁等44家国内软件百强企业和知名信息服务企业参展，充分体现了软件名企对南京软博会这一软件行业国际合作与交流重要平台的高度关注和认同。展览展示内容紧扣软件产业发展趋势，突出对云计算、移动互联网、物联网、大数据、未来网络、卫星应用、4G应用等新兴信息技术服务领域的新技术新产品展示，以及两化融合典型案例和工业设计优秀作品，集中展示软件和信息服务业最新发展成果。各专场活动内容丰富、专业、高端，精彩纷呈，一系列论坛和峰会涉及云计算、物联网、大数据、智慧城市、集成电路、北斗卫星应用等技术前沿，引领软件产业未来。软博会期间举办2013中国软件产业发展暨企业创新高峰会、“中国软件杯”大学生软件设计大赛等16场高层次专场活动。展会首次设立动漫游戏展区，名企荟萃、大腕云集，为观众呈现一场前所未有的动漫游戏盛会，移动、电信、联通三大运营商游戏基地，中国(南京)游戏谷以及水晶石、鸿鹰、鸿宝、安讯、阿法贝等众多动漫企业集中展示最新动漫游戏和周边产品，并举办游戏竞技、桌游、动漫表演等丰富多彩的互动娱乐活动。本届软博会由国家工业和信息化部、科学技术部、新闻出版广电总局、中国国际贸易促进委员会、江苏省人民政府联合主办，南京市人民政府和江苏省经信委、科技厅、版权局、贸促会联合承办。·57·