[发明专利]伺服机械压力机三角肘杆工作机构及其优化设计方法

权利要求书

1.一种伺服机械压力机三角肘杆工作机构，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，其特征在于上肘杆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。

2.根据权利要求1所述的伺服机械压力机三角肘杆工作机构，其特征在于上述三角形连杆BCE的CE边为最短边，夹角∠CBE不超过30°。

3.根据权利要求1所述的伺服机械压力机三角肘杆工作机构，其特征在于上述曲轴AB的曲轴中心与上肘杆固定铰接点的位置关系用矢量l₁表示；滑块处于上限位置时，AB、DC、FE相交于一点，滑块处于下限位置时，C点和E点不一定位于DF线上。

4.一种根据权利要求1所述的伺服机械压力机三角肘杆工作机构的优化设计方法，其特征在于包括如下步骤:

1)构建参数化的机构模型

构建参数化的机构模型，需要确定可描述三角肘杆机构的最少结构参数，采用矢量l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆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l₁的方位角φ₁₁、曲柄矢量l₂的方位角φ₂₁、三角形连杆上边矢量l₃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可确定5个关键点的坐标值；确定各几何构件的截面尺寸值后，可分别由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，可采用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，转速可为恒值，大小根据冲压频率确定，转速也可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，所以可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，则可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个结构参数可用向量形式表示为

为了降低优化问题的维度，可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，曲柄驱动函数可用隐函数可表达为：

曲柄驱动扭矩最小化优化问题的目标函数可描述为

（2）确定约束条件：

机身总体结构约束:

横向：

    纵向: 

    其中，为横向限制尺寸，为纵向限制尺寸；

    肘杆摆角约束：

    上肘杆： 

    下肘杆： 

    其中，和 为与设计变量 相关的约束函数，为上肘杆最大限制摆角，为下肘杆最大限制摆角；

    滑块行程约束：

    

    其中， 为与设计变量 相关的约束函数,和分别表示滑块最大行程的上、小限值，可以取相等值；

    滑块下行方向不变约束：

    

    其中， 为与设计变量 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。