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0 引言
連桿機(jī)構(gòu)由于能有效地實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡，很好地完成預(yù)定的動(dòng)作，因而在機(jī)械和儀表等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于圖解法或分析法的連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)無論設(shè)計(jì)精度還是設(shè)計(jì)效率都相對(duì)低下，不能滿足現(xiàn)代機(jī)械高精度的設(shè)計(jì)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為機(jī)構(gòu)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的手段。
1 平面多連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
某壓力機(jī)平面八連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 1所示，此連桿機(jī)構(gòu)通過主動(dòng)件桿以角速度wt等速轉(zhuǎn)動(dòng)引起滑塊滑動(dòng)，要求在工作過程中滑塊工件的莊緊力保持基本穩(wěn)定，即滑塊的工作行程盡可能小。
1.1 確定工作變量
因影響設(shè)計(jì)效果的主要因素包括a,b,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,δ34,δ67等 12個(gè)可變參數(shù)，故取設(shè)計(jì)變量:
1.2 建立目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求外滑塊在壓緊工件時(shí)保持壓緊力基本穩(wěn)定，這就要求滑塊在相應(yīng)位置上位移波動(dòng)量最小。根據(jù)動(dòng)力分析結(jié)果，相應(yīng)位置Φ在 107°-211°之間，因此取優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)
可將連桿機(jī)構(gòu)分為3個(gè)2級(jí)機(jī)構(gòu)，并分別計(jì)算其運(yùn)動(dòng)方程，求出滑塊的工作行程S。
1.3 規(guī)定約束條件
1.3.1 考慮曲柄存在條件
1.3.2 考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性
為使機(jī)構(gòu)具備良好的傳力性能，δ23應(yīng)滿足40°≤δ23≤140°, δ23在δ23.max, δ23min處分別具有最大值和最小值，如圖2所示，可得:
1.3.3 考慮工藝及結(jié)構(gòu)要求
首先，要求滑塊行程有上下限;其次，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上角架在最高位置必須與立柱留有足夠的間隙，下角架不允許同橫梁相碰。可建立約束函數(shù)
1.3.4 設(shè)計(jì)變量取值范圍
參考常規(guī)設(shè)計(jì)，規(guī)定各設(shè)計(jì)變量的上下界。
綜上所述，本機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為求
利用Matlab7.0軟件優(yōu)化工具箱的優(yōu)化函數(shù)，對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。將變量的上下界約束列人 lb和ub向量，優(yōu)化結(jié)果如表 1所示。
2用COSMOSMotion進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真
2.1COSMOSMotion軟件的特點(diǎn)
SolidWorks是基于 Windows環(huán)境的參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，其中與之實(shí)現(xiàn)無縫集成的COSMOSMotion插件更是一個(gè)全功能的運(yùn)動(dòng)仿真軟件，它可以對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，得到系統(tǒng)中各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)情況，包括能量、動(dòng)量、位移、速度、加速度、作用力與反作用力等結(jié)果，并能以動(dòng)畫、圖表及曲線等形式輸出;還可將零部件在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下的載荷情況直接輸出到主流有限元軟件中，從而進(jìn)行正確的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。
2.2 機(jī)構(gòu)仿真的一般步驟
用COSMOSMotion進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程簡(jiǎn)單、手段快捷。COSMOSMotion的機(jī)構(gòu)仿真一般步驟如圖3所示。
2.3 多連桿機(jī)構(gòu)仿真實(shí)例
根據(jù)優(yōu)化結(jié)果利用 SolidWorks軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模的裝配圖如圖4所示。
在 SolidWorks裝配體模塊下直接進(jìn)人 COSMOSMotion仿真環(huán)境。仿真之前，要對(duì)仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如力的單位、時(shí)間單位、重力加速度，以及與動(dòng)畫有關(guān)的幀時(shí)間、幀時(shí)間隔等。在這里，設(shè)置力的單位為N，時(shí)間單位為s，仿真畫面時(shí)間間隔為0.02s,幀數(shù)為100(可根據(jù)仿真精度要求適當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間間隔和幀數(shù))。然后在智能運(yùn)動(dòng)構(gòu)建器中把兩機(jī)架設(shè)為固定件，其余零件之間的約束副可由COSMOSMotion自動(dòng)識(shí)別，無須設(shè)置。再設(shè)置連桿1繞機(jī)架的角速度為360°/s，然后就可以進(jìn)行仿真分析了。
2.4 動(dòng)態(tài)干涉檢查和仿真輸出結(jié)果的分析
在仿真結(jié)束后可以針對(duì)得到的動(dòng)態(tài)干涉結(jié)果進(jìn)行分析，并可直接在裝配環(huán)境下進(jìn)行改進(jìn)，在本例中，由于優(yōu)化最終結(jié)果未發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象，無須改動(dòng)。將仿真結(jié)果輸出為動(dòng)畫或曲線進(jìn)行分析，判斷設(shè)計(jì)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。從本例輸出的滑塊的最終位置(如圖5所示)、速度(如圖6所示)和加速度曲線(如圖7所示)，可以看出滑塊在0.4-0.88s內(nèi)行程基本不變，說明優(yōu)化的結(jié)果基本滿足需要。
3 結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)將機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真有機(jī)結(jié)合起來，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的可視化、實(shí)時(shí)化設(shè)計(jì)新思路。利用文中的方法得出結(jié)果，可以將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與ADAMS等動(dòng)力學(xué)分析軟件結(jié)合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，也可用將得出的力用于應(yīng)力分析，進(jìn)行機(jī)構(gòu)可靠性方面的運(yùn)算求解。
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