方喜峰，陸宇平，吳洪濤，馬  闖，潘志華，潘殿生
（1．南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016 *2.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003;3．青島卓東機械科技有限公司，山東青島266400）
  摘要：在通用計算機符號演算軟件Mathcmat-ic5.2的環(huán)境下，對新型肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運動學(xué)展開分析，并根據(jù)滑決行程設(shè)計傳動系統(tǒng)各桿件的長度。同時對該數(shù)控沖床機身進(jìn)行動力學(xué)分析，用Lanczos方法求出優(yōu)化前后機身的前10階固有頻率以及振型。運用COSMOS有限元軟件對該沖床的機身進(jìn)行有限元分析與計算，研究其機身的變形和應(yīng)力分布情況。根據(jù)分析結(jié)果，對機身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。
  關(guān)鍵詞：運動和動力學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計；肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床
引言
  數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床使用范圍的擴展對機器的性能和加工工藝提出了新的要求，不斷滿足這些新的工藝要求一直是設(shè)備制造商和模具制造商前進(jìn)的動力。肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的傳動機構(gòu)實質(zhì)上是由不同形式的雙曲柄滑塊機構(gòu)組成，其曲柄半徑小、功率消耗低、工作行程大及回程速度高，在高頻率下能夠得到低而均勻的工藝速度，同時還可以降低振動，減少噪聲到75 dB (A)，比機械壓機和油壓機減少10～20 ciB(A)。本研究結(jié)合軟件應(yīng)用，并選取合適參數(shù)對機身結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀尺寸優(yōu)化
1  主傳動系統(tǒng)運動學(xué)分析
  傳統(tǒng)機械傳動沖床通常采用曲柄滑塊機構(gòu)，雖然具有急回和力放大運動特性，但由于受到機械結(jié)構(gòu)的限制，難以獲得理想的工作行程曲線，其滑塊速度不易改變、行程次數(shù)低、功率消耗大。液壓傳動沖床能夠很好地控制滑塊的沖程和沖壓頻率，能夠根據(jù)沖壓板材和沖裁件很好地控制沖壓力的大小，并在整個行程中瞬時提供更大的工作壓力，工作過程平穩(wěn)，能耗較低，噪聲較??；然而，液壓傳動沖床也有空程和回程速度慢、生產(chǎn)效率低、所需電機功率大、易泄漏及維修復(fù)雜等缺陷。
  肘桿式機構(gòu)是一種簡單的多連桿機構(gòu)，在擠壓機中應(yīng)用比較廣泛，它僅在曲柄連桿機構(gòu)上增加了幾個構(gòu)件，然而卻增加了機構(gòu)工作特性的可變因素。調(diào)整或改變?nèi)魏我粭U的長度或曲柄和擺桿鉸銷之間的距離，將會改變這個機構(gòu)的動力和運動特性。因此，在應(yīng)用肘桿機構(gòu)使之適合沖壓工藝要求方面有很大的選擇范圍。肘桿式數(shù)控機床同時兼具機械式?jīng)_結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便和液壓式?jīng)_床沖速快、噪音低及成型加工好等特點。肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動系統(tǒng)由伺服電機通過減速機構(gòu)驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，由連桿和過渡桿將驅(qū)動力傳遞給肘桿機構(gòu)，再借助于連桿最終將動力傳遞到滑塊。主傳動系統(tǒng)的原理如圖1所示。

  設(shè)曲柄長為Ri，在下死點轉(zhuǎn)角a-0。，在上死點轉(zhuǎn)角為1800，連桿AB長度為L1，滑塊B位移為SB，連桿與滑塊運動方向夾角為B，肘桿CD桿長為M，擺桿OzD長為R2，比例系數(shù)稱為桿系數(shù)。由圖1可知，C點與B點有相同的位移為曲柄OiA轉(zhuǎn)角口為O時（即E在上死點時），擺桿02D與中心線0。E的夾角，A。。為點E在上死點位置時，肘桿CD與過渡桿BC之間的夾角，SF為滑塊位移。借助于Math-ematica5.2數(shù)學(xué)分析軟件，由圖1的幾何關(guān)系求得：

  在沖床傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程中首先要考慮的是滑塊的更大行程，從以上主傳動系統(tǒng)的運動學(xué)分析中，可以得到滑塊行程與各桿件長度的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計要求調(diào)整各桿件長度，直到滿足要求為止。
  滑塊位移曲線如圖2所示。在這種情況下，滑塊的更大行程為0. 25 m，滿足設(shè)計要求?；瑝K的速度、加速度曲線分別如圖3、圖4所示。

 2  機身動力學(xué)分析與優(yōu)化
  數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床中機身是承受全部工作載荷的最關(guān)鍵的部件之一，因此，機身對沖床的精度起著決定性的作用。在設(shè)計過程中要求對關(guān)鍵部件進(jìn)行完整的動力設(shè)計和分析，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。近年來，隨著數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床工作速度的提高，其動態(tài)特性和振動問題的分析越來越重要。單純的靜態(tài)設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計已經(jīng)不能完全滿足工程實際的要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮到各種動態(tài)因素的影響，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)動力分析，以達(dá)到抗振、安全、可靠的目的。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機身是一個質(zhì)量分布連續(xù)的彈性體，具有無限多個自由度。將其離散成若干個集中質(zhì)量，簡化成一個具有有限個自由度的振動系統(tǒng)，然后列出運動微分方程組并求解。得出多個自由度系統(tǒng)振動特性參數(shù)即模態(tài)參數(shù)，如模態(tài)振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)頻率等。
  在本研究中，主要通過有限元分析軟件AN-SYS，采用分塊蘭索斯(Block Lanczos)法對機身進(jìn)行模態(tài)分析，求出沖床的前10階固有頻率和振型。具體是將Solidworks中建立的機身模型轉(zhuǎn)化為Pa-rasolid格式導(dǎo)人ANSYS中，設(shè)定單元類型為SOL-lD92。在機床地腳螺栓處施加約束后，采用Lanc-zos方法求出沖床的前10階固有頻率和振型，與優(yōu)化前的機床機構(gòu)的固有頻率對比如表1所示。

  由表1可知，優(yōu)化后機床低頻部分的頻率有所提高，高頻部分的頻率有所下降，該型號的開式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床最高額定沖孔頻率為600次／分，而優(yōu)化后第1振型的固有頻率在2 500次／分以上，額定沖孔頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第1固有頻率，從而有效地避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。限于篇幅，此處只給出機床5階和9階模態(tài)振型如圖5、圖6所示。

  經(jīng)過分析，振型1、2、5、8和9主要表現(xiàn)為沖床上橫梁的上下、左右的振動，這些將直接影響凹模和凸模之間的間隙和位置，從而影響沖床的加工精度以及模具的使用壽命，可以通過提高上橫粱的彎曲剛度來減小振幅的大小。振型3,4、6、7和10表現(xiàn)為機床的局部振動，這部分振動雖然對機床加工精度和模具壽命的影響微乎其微，但將會引起噪音，可以通過在局部增加隔板來減小振動的影響。
3  機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
  機身各構(gòu)件的厚度、形狀及各板間的相對位置對機身的強度、剛度以及角剛度都有不同程度的影響。對機身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目的主要是使機身在滿足一定的強度和剛度的情況下，通過優(yōu)化機身的幾何尺寸及其各部分的厚度使機身重量最輕。對于機身這種整體材料一致的結(jié)構(gòu)，重量最輕實際上等價于機身的體積最小，因此可以選取機身的體積作為目標(biāo)函數(shù)。即
3.1  設(shè)計變量與約束條件確定
  構(gòu)成沖床機身的主要部件有側(cè)板、加強板、頂板、底板、喉口上擋板、喉口下?lián)醢?、喉口立柱、工作臺以及一些其它的擋板。為了簡化優(yōu)化設(shè)計過程，如前所述，所選取的設(shè)計變量主要是機身各部分的板厚，從工藝性的角度出發(fā)，往往不希望在同一個機身中出現(xiàn)過多的板厚規(guī)則。對設(shè)計變量必須給定相應(yīng)的上下限，這種限制構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計的第一類約束即設(shè)計約束。
  約束主要包括：
  a．強度約束。為了保證沖床正常工作，還要對機身的更大應(yīng)力以及更大變形等作～定的限制，狀態(tài)變量的這種上下限構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計的另一種約束，即行為約束或稱作性能約束。根據(jù)壓力機需用應(yīng)力表可查得材料為Q23s鋼的沖床的許用應(yīng)力為40—60 MPa，這里取機身整體的更大Von Mises應(yīng)力<60 MPa。
  b．剛度約束。為了保證沖床有足夠的剛度，優(yōu)化后的更大變形不能大于原始狀態(tài)下的更大變形0. 86 mm。
3.2優(yōu)化設(shè)計過程及結(jié)果分析
  查閱相關(guān)手冊，首先確定鋼板10～100 mm厚度尺寸序列，然后應(yīng)用COSMOS\ Works自帶的優(yōu)化程序，經(jīng)過57次迭代，得到一個最優(yōu)解，并將優(yōu)化后的尺寸進(jìn)行圓整統(tǒng)一，盡量減小板厚的規(guī)則，得到的結(jié)果如表2所示。各鋼板厚度經(jīng)過圓整統(tǒng)一后，用有限元軟件計算出機身的應(yīng)力應(yīng)變與原有參數(shù)對比如表3所示。

  由上表可以看出，優(yōu)化前后，床身的更大應(yīng)力由53.5 MPa降低為43,8 MPa，更大垂直位移由0. 755 mm減小為0.747 mm，機床各性能指標(biāo)比以前略有提升，都達(dá)到了機床的設(shè)計要求，機床重量由7 584 kg降低為7 056 kg，比原有設(shè)計降低了7%。從而在增強機械性能的基礎(chǔ)上節(jié)約了材料，進(jìn)一步降低了沖床的生產(chǎn)成本。
4  結(jié)束語
  通過借助于Mathematica5.2，ANSYS．COS-MOS\Works等分析軟件，結(jié)合某新型肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床設(shè)計實例，詳細(xì)地闡述了其實施過程。運用Mathematica5.2分析軟件方法對該新型肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行了運動學(xué)分析，應(yīng)用ANSYS，COSMOS\Works分析軟件對機身進(jìn)行動力學(xué)分析計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠準(zhǔn)確地計算出機身各個部位的應(yīng)力和應(yīng)變，在保證機身強度、剛度的前提下，提供最優(yōu)化機身的焊接結(jié)構(gòu)形式與焊接鋼板厚度，使所設(shè)計的機身具有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。該系統(tǒng)經(jīng)測試后已交付用戶使用，研究結(jié)合企業(yè)實際情況和特點，具有推廣價值.