伺服压力机肘杆机构的运动与动力优化设计研究

论文摘要

伺服压力机是在摒弃传统机械压力机的飞轮和离合器等耗能部件基础上,采用伺服电机驱动和计算机控制系统,实现对滑块位置和速度的精确控制,并可通过程序,实现不同工艺所需的各种滑块运动曲线。伺服机械压力机具有复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪环保性等特点,使得它在成形工艺中的应用愈发重要。伺服驱动压力机传动系统采用传统的曲柄连杆机构,其传动系统增力比小,所需电机功率大,制约了其发展。伺服压力机采用三角肘杆新型传动机构具有以下优点：三角肘杆机构结构简单,刚性较高；三角肘杆机构本身具有急回特性,可以很好的适应成形要求；三角肘杆机构滑块在工作行程内有更好的低速运动特性；三角肘杆机构具有很好的增力特性,可以减少伺服电机的控制以及降低电机的功率需求实现节能降耗。本文通过逆推设计原理,从三角肘杆机构滑块下死点位置进行分析设计,减少了设计变量,并采用参数比例化,可以有效对机构模型进行缩放,达到设计要求,提高了设计的灵活度。采用矢量方程解析法与动态静力学方法建立了机构运动学与动力学的数学计算模型。采用MATLAB优化工具箱对三角肘杆机构运动学与动力学的多目标函数进行了优化,得到了满足工程压力行程滑块速度波动小以及所需机构驱动扭矩小的一组参数。并在ADAMS中建模,进行求解检验,验证了计算得到的滑块速度和位移曲线、在负载4000KN时所需的驱动扭矩曲线、以及在额定扭矩下滑块的输出力曲线都与仿真得到的曲线想吻合。对求得的机构进行了分析,得出了以下规律：在要求得到大工作行程,大增力比,曲柄初始转角应在第一象限；连接曲柄与机架的铰链应设计在垂直方向上靠上位置为佳；应减小三角肘杆部分的质量,增加滑块的质量,曲柄质心尽量靠近原动件方向,上下肘杆的质心应设置在中间位置,可以使所需最大驱动扭矩降低。三角肘杆机构中含有较多的转动副,这些转动副摩擦对三角肘杆机构有较大的影响,尤其是在大型伺服压力机中这种影响更为明显。本文将转动副摩擦计算模型加入到动力学模型中,采用粒子群算法对考虑摩擦的运动与动力学多目标优化模型进行求解,得到与实际更吻合的机构参数。从得到的结果中分析得出铰链摩擦消耗的能量占总能量的23.99%。并与第二章的优化结果进行了比较,得出粒子群算法得到的机构所需驱动扭矩要比MATLAB优化工具箱优化得到的小3198.76N·m,速度波动值也明显小很多。突出了粒子群算法的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源与研究意义
• 1.2 连杆机构运动综合研究进展
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 三角肘杆传动机构的运动学与动力学模型
• 2.1 肘杆传动机构模型
• 2.3 肘杆传动机构的运动学分析
• 2.4 肘杆传动机构的动力学分析
• 2.4.1 各构件形状以及转动惯量的确定
• 2.4.2 各构件的动态静力分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 三角肘杆机构的多目标优化
• 3.1 机构优化设计
• 3.1.1 MATLAB优化工具箱
• 3.1.2 机构优化设计及求解歩骤
• 3.1.3 建立数学模型
• 3.2 三角肘杆传动的优化设计
• 3.2.1 压力机优化设计目标
• 3.2.2 三角肘杆传动机构优化设计变量参数
• 3.2.3 三角肘杆传动机构优化设计目标函数
• 3.2.4 三角肘杆传动机构优化设计的约束条件
• 3.2.5 三角肘杆传动机构优化设计的实现
• 3.2.6 优化结果
• 3.3 ADAMS仿真检验及结果分析
• 3.3.1 ADAMS仿真软件简介
• 3.3.2 模型建立及仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 考虑摩擦的三角肘杆机构优化
• 4.1 铰链摩擦的计算理论
• 4.2 考虑铰链摩擦的三角肘杆动力学计算
• 4.3 粒子群优化算法
• 4.3.1 粒子群算法
• 4.3.2 考虑铰链摩擦的三角肘杆机构多目标优化的粒子群算法
• 4.4 优化结果检验与分析
• 4.5 算法结果比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 三角肘杆机构的参数化解析
• 5.1 不考虑摩擦的三角肘杆机构的解析
• 5.1.1 驱动曲柄位置的影响
• 5.1.2 曲柄初始转角的影响
• 5.1.3 构件重量的影响
• 5.1.4 构件质心位置的影响
• 5.2 考虑摩擦的三角肘杆机构的解析
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录