（机械制造及其自动化专业论文）铜包装生产线双杆曲柄滑块升降台优化设计.pdf

一 k ， y t h eo p t i m i z a t i o no fc o p p e r p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n eo fd o u b l ep o l e s l i 峄c r a c k 1 i r l n gp 1 a t 如r m b y z h a n gw r e i k e b e ( s h a n d o n ga g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a a i ms a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i nt h e s c h o o lo fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gj i a n l o n g m a y , 2 0 1 1 4j1舢2 川58舢8iiiiiiy _ 一 、| 1 r y 、 弋。 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 狼函斜 b 期：汐f f 年占黾 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 日期：加7 ，年月j 日 日期：j 力，年易月厶日 j 呷 - ， r 、i 争 、 、l j r 硕 ：学位论文 目录 目录i 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 国内外机构学研究现状2 1 2 1 国内机构学分析发展及研究2 1 2 2 国外机构学分析发展及研究3 1 3 现代设计理论和方法在产品开发中应用3 1 4 主要研究方法及研究内容5 第2 章升降台模型的建立及机构设计”6 2 1 平面连杆机构简介6 2 2 升降台的工作原理7 2 3 基于0 6 1 8 法的双杆曲柄滑块升降台设计8 2 4 传动系统三维实体建模一9 2 5 本章小结1 0 第3 章双杆曲柄滑块升降台力学分析1 1 3 1 升降台的传动机构等效力学模型1 1 3 2 传动机构的运动学分析”1 1 3 3 传动机构的受力分析1 3 3 4 本章小结1 5 第4 章底座和主轴的静态分析1 6 4 1 有限元方法简介1 6 4 1 1 有限元法的基本思想1 6 4 1 2 有限元法的特点1 7 4 2a n s y s 软件介绍1 8 4 3 底座和主轴的静态分析”1 9 4 3 1 静力分析理论基础和步骤1 9 4 3 2 建立底座和主轴的有限元模型2 0 4 3 3 有限元模型的网格划分以及施加约束和载荷2 1 j ， l l 铜包装生产线双杆曲柄滑块升降台优化设计 4 3 4 求解及结果分析2 4 4 4 本章小结2 7 第5 章升降台底座的动态分析2 8 5 1 底座的模态分析”2 8 5 1 1 模态分析理论基础2 8 5 1 2 模态提取方法2 9 5 1 3 模态分析步骤3 0 5 1 4 分析及求解3 1 5 2 谐响应分析”3 6 5 2 1 谐响应理论分析基础3 6 5 2 2 谐响应分析方法3 6 5 2 3 求解及分析3 7 5 - 3 本章小结3 8 第6 章升降台底座优化设计3 9 6 1 优化设计简介3 9 6 1 1a n s y s 中优化设计相关概念3 9 6 1 2 优化设计步骤4 1 6 1 3 优化程序4 2 6 2 底座优化设计4 3 6 2 1 优化参数建模”4 3 6 2 2 状态变量4 4 6 2 3 定义目标函数4 4 6 2 4 求解结果4 5 6 3 本章小结4 8 结论及展望4 9 参考文献5 0 致谢5 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 n 硕 j 学位论文 摘要 阴极铜板自动包装生产线项目是综合应用机械、电子、液压、精密计量、计算机控 制等不同学科理论研制完成的全自动包装生产线。在该生产线中，上料、配重和整形三 个工位用到升降平台，是生产线组成的关键设备。现场使用过程中升降台存在刚度低、 变形大、动态特性不稳定等现象。本课题旨在通过对升降台承载条件下的静、动态力学 性能研究，发现其薄弱环节，并进行优化改进。本文主要进行了以下工作： ( 1 ) 根据升降台的工作要求，合理设计升降台的传动机构，利用0 6 1 8 法优化设计 了连杆和曲柄的长度，建立了升降台的机构运动简图、等效力学模型并进行了数学分析； 利用p r o e ，建立了升降台的三维实体模型； ( 2 ) 根据受力分析结果，得出升降台的底座和主轴受力情况相对复杂，在p r o e 中 建立的三维实体模型导入有限元分析软件a n s y s 中，重点对这两个核心零件进行有限 元静力学分析，得到其等效位移数值和等效应力数值，提取了该条件下的等效位移、等 效应力云图； ( 3 ) 对底座有限元模型进行动态分析。通过模态分析，采用兰索斯法提取得到底座 的前1 0 阶固有频率、主振型图。依此为依据，选取液压缸的工作频率尽量远离底座的 固有频率，使震动的危害降到最低。 ( 4 ) 通过静力学分析和动态分析的数据，可对底座进一步进行优化。在有限元分析 软件a n s y s 中建立底座的参数化模型，运用a n s y s 参数化设计语言，采用一阶法， 以底座的各钢板壁厚为优化对象，以底座的体积变化为优化目标进行优化。优化后的底 座体积减小了2 6 5 4 ，最大等效位移较优化前增大了3 m m ；最大等效力为2 2 4m p a 。 关键词：双杆曲柄滑块升降台；有限元；静态分析；模态分析；优化设计 铜包装生产线双杆| f f i 柄滑块，1 降白优化设计 a b s t r a c t t h et h e o r e t i c a l k n o w l e d g e s o f m e c h a n o l o g y ，e l e c t r o n i c s ，h y d r a u m a t i c ，p r e c i s i o n m e a s u r e m e n ta n dc o m p u t e rc o n t r o la r ea p p l i c a t e dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h ep r o j e c to ft h e c a t h o d ec o p p e ra u t o m a t i cp a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e i nt h i sp r o d u c t i o nl i n e ，f e e d i n g , b a l a n c e a n dp l a s t i ca r eu s e di nt h el i f tp l a t f o r mw h i c hi st h ek e ye q u i p m e n to ft h ep r o d u c t i o nl i n e t h e r ea r es e v e r a lf a u l t so ft h el i f tp l a t f o r ms u c ha ss l o ws t i f f n e s s ，m a l f o r m a t i o na n du n s t a b l e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci nt h eu s ep r o c e s s s ot h ep a p e ra i m st oo p t i m i z ea n di m p r o v et h el i f t p l a t f o r mb a s e do nt h es t u d yo ft h es t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb e a r i n g c o n d i t i o n s t h ef o l l o w i n gj o b sa r ep a i da t t e n t i o nt oi nt h i sp a p e r ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s ，w ed e s i g nr e a s o n a b l yt h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo f t h el i f tp l a t f o r ma n dt h el e n g t ho ft h ec o n n e c t i n gr o da n dc r a n kb y0 6 1 8 a s l o ，w ee s t a b l i s h t h ek i n e m a t i cd i a g r a mo fm e c h a n i sa n dt h ee q u i v a l e n tm e c h a n i c a lm o d e lo ft h el i f tp l a t f o r m w h i c ha r ea n a l y z e db yt h em a t h e m a t i c a lm e t h o d u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lc a ds o f t w a r e p r o e ，at h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo ft h el i f tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h es t r e s sa n a l y s i sr e s u l t s ，w ef i n dt h es t r e s so ft h eb a s ea n d c a m s h a f to f t h el i f tp l a t f o r mi sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d a f t e rt a k i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e li n p r o ei n t ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，w ef o c u so nt h ef i n i t ee l e m e n t s t a t i c sa n a l y s i so ft h et w oc o r ep a r t s t h e n ，w eg e tt h ee q u i v a l e n td i s p l a c e m e n tn u m e r i c a la n d e q u i v a l e n ts t r e s sv a l u e ，a n da l s oe x t r a c tt h ee q u i v a l e n td i s p l a c e m e n ta n dt h ee q u i v a l e n ts t r e s s i m a g ei nt h i sc o n d i t i o n ( 3 ) t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb a s ed y n a m i ca n a l y s i s ，g e ti nt h ee n dt h e f i r s t1 0n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o np a t t e r nm a pb yb l o c kl a n c z o s s oa st h eb a s i s ， s e l e c tt h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yo ft h ec y l i n d e ra sf a ra w a yf r o mt h eb a s eo ft h en a t u r a l f r e q u e n c yt om i n i m i z es h o c kh a z a r d s ( 4 ) b ys t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h ed a t a ，t h eb a s ec a n b ef u r t h e ro p t i m i z e d i nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st oe s t a b l i s ht h ep a r a m e t e r so ft h eb a s em o d e l ， u s i n ga n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，f h - s t - o r d e rm e t h o d ，w a l lt h i c k n e s so ft h ep l a t et o t h eb a s eo b j e c tf o rt h eo p t i m i z a t i o n ，v o l u m ec h a n g et ot h eb a s ef o rt h eo p t i m i z a t i o ng o a lt o o p t i m i z e o p t i m i z e db a s er e d u c e st h ev o l u m e 2 6 5 4 ，o p t i m i z a t i o no fe q u i v a l e n td i s p l a c e m e n t t h a nt h ep r e v i o u sl a r g e s ti n c r e a s e s3 m m ，m a x i m a le f f e c ti s2 2 4m p a _ ， 硕卜学位论文 k e yw o r d s ：d o u b l ep o l es l i d e r - c r a c k ；l i f tp l a t f o r m ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s m o d a la n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 铜包装生产线双杆曲柄滑块升降台优化设计 插图索引 图1 1 铜自动包装生产线外形图。2 图2 1 模型建立及求解的一般过程图。6 图2 2i i 、i i i 级基本杆组的类型。7 图2 3 升降台机构简图7 图2 4 双杆曲柄滑块升降台装配简图8 图2 5 升降台三维实体模型1 0 图3 1 等效力学模型1 1 图3 2 机构受力简图1 3 图3 3 连杆、平台及曲柄的力学模型1 3 图4 1 静力学分析步骤图2 0 图4 2 导入a n s y s 后的升降台底座和主轴三维实体模型图2 1 图4 3 ( a ) 底座网格划分图2 2 图4 3 ( b ) 主轴网格划分图2 3 图4 4 底座和主轴载荷加载图2 4 图4 5 底座和主轴等效位移图2 5 图4 6 底座和主轴等效应力云图2 6 图5 1 底座第一阶振型图3 2 图5 2 底座第二阶振型图3 2 图5 3 底座第三阶振型图3 2 图5 4 底座第四阶振型图3 3 图5 5 底座第五阶振型图3 3 图5 6 底座第六阶振型图3 3 图5 7 底座第七阶振型图3 4 图5 8 底座第八阶振型图3 4 图5 9 底座第九阶振型图3 4 图5 1 0 底座第十阶振型图3 5 图5 1 1 底座x 方向谐响应曲线3 7 图5 1 2 底座y 方向谐响应曲线3 8 图5 1 3 底座z 方向谐响应曲线3 8 图6 1 优化数据走向图4 1 图6 2 状态变量的迭代变化曲线4 6 i v 硕 ：学位论艾 图6 3 设计变量的迭代变化曲线4 6 图6 4 优化后底座等效位移图4 7 图6 5 优化后底座等效应力图4 7 v 一 r 硕 ：学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 铜和铜合金广泛用于轻工、机械、电子、建材和交通运输、军工等行业，在国民经 济中占有十分重要的地位。我国现有铜加工企业1 3 0 0 多个，但生产技术和装备千差力 别，一些企业的设备不配套或设备落后，多年来没有形成应有的生产能力，这些都制约 和影响了与国外先进铜加工企业的竞争，因此淘汰落后生产设备的任务还相当艰巨l l j 。 正是针对目前的状况，我校与金川公司联合研发设计了阴极铜板自动包装生产线。 2 0 0 6 年1 1 月，金川公司年产2 0 万吨铜电解工程建成投产，这标志着中国最大的镍生产 企业，北方最大的铜生产企业金川集团已形成4 0 万吨阴极铜的精炼能力，铜冶炼 规模和技术居国内先进水平。近年来，金川公司围绕优化生产工艺、调整产品结构、推 广信息技术、加强环境保护等四个主攻方向进行技术创新。其中在阴极铜生产工艺流程 关键技术的研究方面( 采矿、选矿、熔炼) 相继取得了一批具有自主知识产权的标志性成 果1 2 1 。 该生产线涉及到机械、电子、液压传动、精密计量、计算机控制等不同学科的基础 理论和专业技术，通过理论分析和计算机仿真等技术手段，对作业过程中涉及到的计量、 配重、整形、致密、贴标、自动打包、标识印制及生产线自动控制等技术进行研究，完 成的铜自动包装生产线，解决了原来人工包装作业劳动强度大、工作环境恶劣、生产成 本高、生产率低下等问题。作业方式是将阴极铜的电解、堆垛、配重包装整合在一条立 体化生产线上，全部作业系统形成一个时间和空间上连续的系统，并不存在独立的包装 作业区。 本课题的实施，不仅能实现阴极铜包装作业的机械化、自动化、从而提高阴极铜包 装作业的生产效率、降低作业人员的劳动强度。提升阴极铜加工技术装备的整体水平。 同时，能更好的符合国内铜版生产企业完善阴极铜包装规范、进一步满足期货市场关于 阴极铜期货交易包装标准，从而提高国内铜板生产企业在国际市场上的竞争力。 在该生产线中，上料、配重和整形三个工位用到升降平台，目的是用于将铜板撑起 脱离输送链，来实现上料、称重和整形。根据机构学知识，可将该机构原理升降台视为 含有组源的曲柄滑块机构，因此其运动学，动力学分析方法就是一般的平面连杆机构的 分析方法。 铜包装生产线双杆曲柄滑块升降台优化设计 图1 1 铜自动包装生产线外形图 1 2 国内外机构学研究现状【3 - 1 1 】 1 2 1 国内机构学分析发展及研究 在我国的机构设计中一般是用手工计算方法、图解法和复数向量法来完成机构运动 学和动力学分析，到目前为止我国的制造行业大多数仍在使用这几种方法。传统手工计 算方法存在诸多弊端。首先，其工作效率非常低下，计算机构中一个杆件在一个位置上 的一个点的位移、速度、加速度和反力可能要花费几天的时间，要完成一个杆件的所 有杆件上的任意点在整个运动周期内的所有运动学和动力学参数计算所需的时间就长 得多了，在科学技术飞速发展的信息时代的当今，这是不允许的。所以，实际上传统手 工计算仅仅是一种凭经验作了极大简化处理的粗略计算，就算如此，还是大大地延长了 设计周期。其次，由于工作效率低下和手工作图计算的不准确，必然造成分析结果的可 信度大打折扣。其三，传统手工计算输出的结果是数字，不够生动形象，给方案评价带 来不便。 图解法所列方程是高度非线性的，想从中解出待定系数困难是很大的。从而制约 了设计精度和设计效率的提高，更重要的是：由于图解法难以把机构综合与优化设计很 好地结合起来，从而也制约了机构设计质量的提高，但图解法作为解析法的辅助手段， 可用于对计算结果正误的判断和解的初值选择，缺点是精度不高、不经任何计算，对曲 柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱因提出，但方法十分复杂。 复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表 达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能、 运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是，过去由于手段的 原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用 的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复 杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品 设计的现代理论和方注。 2 硕 ：学位论文 1 2 2 国外机构学分析发展及研究 早在1 3 世纪连杆机构就己得到应用，最简单的连杆机构是四杆机构。1 8 世纪下半 叶第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，机构学在原来的机械力学基础上发 展成为一门独立的学科，通过对机构结构学、运动学和动力学的研究形成了机构学独立 的体系和独特的研究内容，1 8 1 9 世纪产生的纺织机械、蒸汽机及内燃机等的结构和性 能的完善，对社会经济的发展起了极大的推动作用。 对连杆机构的研究起始于1 8 世纪著名发明家瓦特，1 7 8 4 年他所发明的蒸汽机中曾 应用四杆机构连杆点的近似直线运动导引机构中的另一个杆运动。瓦特在蒸汽机中应用 连杆点的运动多年后，人们才认识到连杆运动的作用，但由于当时缺少连杆运动特性方 面的理论基础，限制了其应用的发展，直到1 9 世纪8 0 年代后，才相继出现了一些有关 连杆方面的文献。在平面连杆机构中最基本的形式为四杆机构，关于四杆机构的分析己 进行了不少研究工作。四连杆机构虽然结构形式简单，但连杆机构以其形式多样、运动 可靠、设计灵活、制造成本低廉并可实现多种多样的运动轨迹和函数而在各类机械中得 到非常广泛的应用，是组成各种机械系统的基础，如活塞发动机，各种纺织机械、印刷 机械等，因此不论在运动学及动力学方面，四杆机构仍有进一步研究的必要。 连杆机构运动分析最新方法的研究，有单开链法、区间分析法、网络分析法等。在 连杆机构综合中提出了解析法与优化法相结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度 综合的同伦方法、机构尺度类型及其性能关系的图谱法等。给出了空间7 r 机构位移方 程式的完美形式( 1 6 次方程) 。采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合。 1 3 现代设计理论和方法在产品开发中应用 生产力的高速发展使人们对机械产品的要求越来越趋于多样化和高层次化，对于 产品设计的复杂性和精确性要求也r 趋提高，采用传统的设计方法对机构进行设计和运 动分析非常费时，并常会导致机构设计的不准确性。而随着计算技术的发展而产生的计 算机仿真技术，使机械设计人员在计算机屏幕上通过机构的动态显示，不仅可以直观地 看到机构的整个运动过程，而且可以分析运动的完成时间、运动轨迹、运动干涉情况以 及机构运动学参数等。这样，设计人员不需等待试制样机就可以提前对设计中可能出现 的问题作出精确的预测、分析和改进，从而将设计中可能存在的问题消除在萌芽状态， 减少试制样机的费用和时间，从而大大缩短产品的更新周期。尤其对于复杂的空间机构 的设计，了解运动构件在空间的相对位置关系，开展空间机构的最优布局研究，进而得 到具有创意性的设计结果是十分重要的。因此，计算机仿真技术已经成为现代机构学重 要的科研手段，在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用。同时， 为计算机仿真提供准确数据来源的运动分析和动力分析也显得尤为重要。主要有以下几 种方法：优化设计、有限元法、计算机辅助设计( c a d ) 、多刚体动力学分析等。 3 铜包装生产线双杆曲柄滑块升降台优化设计 ( 1 ) 优化设计 优化设计方法是通过目标函数和约束条件建立数学模型，最后化为约束条件限定的 可行域内多元函数求极值的问题，以求得整体的权衡折衷，通常采用较多的是有约束非 线性规划法。优化设计的优点在于改善产品性能，减轻零件质量、降低应力、延长寿命、 提高可靠性、降低成本f 1 2 - 1 3 1 。 机械最优设计技术是将数学规划理论、计算机技术和机械设计理论三者结合在一起 的。它既不同于传统的机械设计理论，也不同于机械优化设计，它是将机械问题通过数 学模型的建立，转变为数学函数格式化，然后采用数学规划理论，由计算机寻优迭代确 定设计问题的极值，其结果的唯一性充分体现了设计公认最优i l 4 。 ( 2 ) 有限元法 有限单元法( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，也称为f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 的出现和发展有 着深刻的工程背景，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，其 发展应用最初开始于航空领域。有限元素法是利用变分原理将力学、热力学中的微分方 程边值问题归结于泛函数求极值问题，并利用计算机求解。其基本思想是通过节点或单 元描述，把复杂的结构合理的划分为若干可以计算的微小单元，通过有限个单元的组合 求出由单元描述的结构整体行为l l 孓1 6 1 。 ( 3 ) 计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助设计( c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是2 0 世纪5 0 年代诞生于美国，6 0 年代后开始发展起来的现代设计方法的重要分支，8 0 年代中期以来，c a d 技术向标 准化、集成化、智能化方向发展。进入2 1 世纪，随着电子和电气技术的发展，人 工智能和专家系统技术引入c a d ，出现了智能c a d 技术，使c a d 系统的问题求 解能力大为增强，设计过程更趋自动化，它从根本上改变了机械设计的传统模式，引 起工程设计领域的深刻变革【协1 8 】。 ( 4 ) 多刚体动力学模拟( m u l t i b o d i e ss i m u l a t i o n ) 机械系统大多有许多构件组成，研究这些复杂的系统时，可以将构成系统的各构件 简化为刚体，而刚体之间靠“铰”接起来，从而得到“多刚体系统”。多刚体动力模拟( m b s ) 即是根据实际系统由计算机建造物理模型，根据物理原理，对模型进行仿真分析。m b s 提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来 越广泛的应用。其最大优点就是在设计分析时不用样机的实际生产。目前的m b s 软件 主要有p r o m e c h a n i c a , 、w o r k i n gm o d e l3 d 、a d a m s 等【1 9 - 2 0 。 随着各种自动化的计算机控制系统以及不同领域科技创造性手段和方式的发展，对 机械工程学产生巨大影响，使机构学理论研究发生巨大变化，其主要表现在【2 1 。2 4 】： ( 1 ) 社会、生产与科学技术的发展对机构学提出了大量新的课题，诸如高精度、高 速、重载等各类机构研制中的课题。它们促进了机构学新分支的出现，如机器人机构学 的的研究表现极为活跃，而柔体机构学、微型机构学的诞生定是未来不久之事。 4 硕f ：学位论文 ( 2 ) 多种学科( 如流体理论、微电子学、传感器、材料学和计算机等) 与机构学产生 交叉、补充、渗透及融合。例如机械技术与电子技术相结合，使传统机械向具有高度自 治功能、在各种环境中进行作业和具有高灵活性的智能化机械发展。 ( 3 ) 机构的发明与创新将沿着两种途径发展：一种是开发新机构取代原有机构；一 种是组合多学科下的研究机构，产生组合机构替代原有单一机构。 ( 4 ) 机构设计应对整个机械系统进行功能综合分析，其设计技术手段向自动化方式 发展，以适应计算机集成制造与控制系统发展的要求。 1 4 主要研究方法及研究内容 根据最新的技术发展状况，结合实际情况，本课题采用理论分析和虚拟样机技术相 结合的方法。主要就是以三维c a d 软件p r o e 与有限元分析软件a n s y s 作为主要研 究工具，对升降台结构进行仿真模拟分析，找出薄弱环节，进行优化设计。主要研究内 容如下： ( 1 ) 根据升降台的结构及工作原理确定运动方案，建立机构运动简图，再运用优化 设计方法确定各个杆件尺寸。 ( 2 ) 再根据运动学、动力学理论知识以及实际的受力情况，对简化机构的受力进行 分析。 ( 3 ) 运用三维c a d 软件p r o e 对升降台曲柄滑块机构的各零部件进行三维实体建 模，并确定各组成部件的质量特性参数和材料特性参数。 ( 4 ) 将在p r o e 中建立的升降台三维实体模型导入有限元分析软件a n s y s 中，定 义模型的单元属性、划分网格、施加载荷，建立有限元分析模型后对曲柄滑块机构进行 静力学分析，得到升降平台承载后核心零件的变形云图。 ( 5 ) 对模型进行模态分析，得到升降平台的前1 0 阶模态和主振型图。对升降平台模 型进行谐响应分析，得到谐响应曲线。 ( 6 ) 根据仿真分析结果，运用a n s y s 参数化a p d l 语言对双杆同步凸轮升降平台 底座进行优化设计，得到其最优结果。 5 铜包装生产线双杆曲柄滑块升降矗优化设计 第2 章升降台模型的建立及机构设计 随着计算机技术及相关仿真软件的不断发展，计算机仿真技术已经成为目前对系统 进行运动学分析、静力学分析、动态分析的重要手段。其过程主要是建立系统的三维实 体模型，对模型施加约束和载荷，再辅以边界条件等，然后利用计算机技术来完成仿真 图2 1 模型建立及求解的一般过程图 2 1 平面连杆机构简介 任何机构都包含机架、原动件和从动件系统三部分。由于机构具有确定运动的条件 是原动件的数目等于机构的自由度数目，因此，如将机构的机架以及和机架相连的原动 件与从动件系统分开，则余下的从动件系统的自由度应为零。有时这种从动件系统还可 分解为若干个更简单的、自由度为零的构件组。这种最简单的、不可再分的、自由度为 零的构件组称为基本杆组或称为阿苏尔杆组l 2 5 j 。 根据自由度的计算公式f - - 3 n 2 p l - p h ，组成平面机构基本杆组应满足条件 f = 3 n 一2 p l - p h = 0 。 如果基本杆组的运动副全为低副( 高副可用低副代替) ，则上式可变为：f = 3 n 2 p i = o 由于活动构件数n 和低副数p l 都必须是整数，所以，根据上式，n 应是2 的倍数， p l 应是3 的倍数，它们的组合有：n = 2 ，p l = 3 ；n = 4 ，p l = 6 ；。由此可见，n = 2 ，p l = 3 是最简单 的平面基本杆组，是由两个构件三个低副组成的，称之为i i 级组；n = 4 ，p l = 6 是由四个构 件六个低副组成的杆组，称之为i i i 级组：。而在基本杆组中又以i i 级和为常见。根据 i i 级组和i i i 级组中低副的不同形式f 是转动虿l j ( r e v o l u t ep a i r ) ，常用r 表示还是移动副 ( p r i s m a t i cp a i r ，常用p 表示) ) 和它们所在的不同位置又分成不同的类型，如图2 2 所示。 其中平面四杆机构的基本形式有双曲柄机构、双摇杆机构，其演化形式有偏置曲柄 滑块和对心曲柄滑块机构、双滑块机构、导杆机构、直动滑杆机构等等。 6 硕i j 学位论文 运动静 e r r r r pr p rp r pr p p n简 。害户x b ，、， b 级 圈 y 。q c 缎 l 运动副 r r - r r - r r躲一r r - r pr r _ r r p r r l 卜p r - r p聍一隙一r p 筒 f d f 矧 f 黔 翮f 柳f 级 图 西 。切 组 图2 2i i 、i i i 级基本杆组的类型 机构设计的的基本问题是根据给定的运动要求选定机构的形式，并确定其各构件的 尺寸参数。根据机械的用途和性能等要求的不同，对连杆机构设计的要求是多种多样的， 这些设计要求可以归结为以下三类【孙2 8 】： ( 1 ) 满足预定的规律要求。即要求各杆件的运动能满足预定的对应关系或者要求原 动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确或近似的满足预定的运动规律要求。 ( 2 ) 满足预定的连杆位置要求。即要求连杆能依次占据一系列的预定位置。这类i ；- j 题又称为刚提到因问题。 ( 3 ) 满足预定的轨迹要求。即要求机构在运动过程中，连杆上某点能实现预定的轨 迹。 2 2 升降台的工作原理 本课题的升降台技术参数如下：额定承载量为2 5 吨、平台最低高度为6 4 0 m m 、升 降高度为2 0 0 m m 。根据工作要求，工作台只做垂直方向的运动运动，也就是一个自由 度，根据其技术参数选择正置曲柄滑块机构，机构结构则是双杆同步结构。机构简图如 图2 3 。 该机构的工作原理是：液压缸l 推动连杆2 通过主轴带动曲柄3 转动，再通过连杆 4 驱动升降台5 作垂直方向直线运动。 图2 3 升降台机构简图 7 铜包装乍产线双杆曲柄滑块升降台优化设计 2 3 基于0 6 1 8 法的双杆曲柄滑块升降台设计 以连杆和工作台速度方向之间的夹角，即压力角为优化目标，优化该机构。 压力角的的约束函数为 ，c o s 护= 警 z - ，h ，i s 分别是曲柄，连杆和回转中心到连杆和平台的连接处的长度。优化区间从1 5 0 开 始，到6 0 0 结束，即a = 1 5 0 ，b = 6 0 0 收敛精度e 为0 0 0 0 1 ，升降台行程为2 0 0 m m 。优化 程序如下： 1 0 0r e mm ( 2 2 ) 0 6 1 8 f 1 1 0d e ff n a ( x ) = 铷s 秒= 生盟 、7 2 1 , 1 , 1 2 0i n p u t a ，b ，e 。 1 3 0x i = b - 0 6 1 8 宰( b - a ) ：f i = f n a ( x 1 ) 1 4 0x 2 = a + 0 6 1 8 术( b a ) ：f 2 = f n a ( x 2 ) 1 5 0i fb a f 2t h e na = x 1 ：x i = x 2 ：f 1 = f 2 ：g o t o1 4 0 1 7 0b = x 2 ：x 2 = x 1 ：f 2 = f 1 1 8 0x i = b - 0 6 1 8 书( b a ) ：f i = = f n a ( x 1 ) ：g o t o1 5 0 1 9 0i ff i 6 0 0 ( m p a ) 、屈服强度： 3 5 5 ( m p a ) 、弹性模量e = 2 1 l o p a 、泊松比g = 0 2 7 密度p = 7 8 9 1 0 3k g m 3 ，全系数取2 。采用四面体单元和自由网格划 分形式，选用s o l i d 9 2 进行网格划分，该单元为四面体l o 节点三维实体线性单元。该 底座在划分单元时，采用自由划分网格的方式，s m a r t s i z e 选为6 ，划分网格后的模型如 图3 1 所示：底座共划分节点数1 3 1 4 8 ，单元数6 2 1 3 ，凸轮轴