第一篇：壓力機軟件PressMachineX讓多連桿機構設計從此不再成為難題

壓力機軟件PressMachineX讓多連桿機構設計從此不再成為難題

付賢明

（上海壓力機研究室，上海，201807）(EMAIL:khenz@163.com,TEL:***)摘要 ：汽車行業的高速發展帶動鍛壓機械的需求和發展，普通曲柄連桿壓力機難以勝任汽車覆蓋件的高難度成型工藝，而多連桿壓力機技術的誕生恰好能完成這一重任，并且有較高的性價比。發展多連桿壓力機是市場的趨勢，而壓力機多連桿機構的優化設計一直是困擾鍛壓行業和各大壓力機廠家的技術難題，解決這一難題需要大量數學計算。本文首先介紹了市場上流行的各種壓力機多連桿機構及國內主要機械壓力機廠家壓力機軟件方面的技術現狀，最后介紹了本人自主開發的多連桿壓力機機構優化設計軟件PressMachineX，以及各種多連桿機構優化的結果，優化結果能夠達到鍛壓工藝所需的理想要求。關鍵詞：多連桿壓力機軟件；PressMachineX；多連桿機構；優化設計

PressMachineX software makes the design of Multi-links mechanical press no longer a hard work

Fu XianMing(Shanghai Institute of Mechanical Press,Shanghai, 201807，China)

Abstract：High speed development of the automobile industry boosts the demand and development of the forging machine industry,the common crank-linkage press is hard to fulfill the task of sheet metal forming of automobile overcasts,but the multi-links mechanical press can fulfill the task very well,and has advantage of a high performance-price ratio.It’s the market trends to develop multi-links mechanical press,but the optimum design of linkages for multi-links mechanical press is always obsessing the forging industry and the main mechanical press companies,it needs a large number of mathematical calculations to solve this technical problem.This Article firstly introduces several kinds of linkages of multi-links mechanical press prevalent on the market and the software of multi-links mechanical press of the main mechanical press companies,later introduces the software of PressMachineX, and it is developed by the author and can accomplish the design of the linkages of multi-links mechanical press.In the end of this article ,the author gets the optimum results and gets a conclusion that the results have gained the ideal needs for the forging process.Keywords：Multi-links machincal press software；PressMachineX；Multi-links mechanism；optimum design

1．多連桿壓力機研究概況

機械壓力機是用于板料成型加工的主要設備。由于板料成型工藝尤其是板料深拉深工藝

要求模具以低而均勻的速度接觸工件，而使用普通曲柄連桿壓力機拉深過程中滑塊的速度和加速度較大，極易造成零件撕裂或起皺，拉伸件的合格率低、廢品多、生產成本高，模具在上下模合模的瞬時沖擊力較大，使主機、模具的使用壽命降低。汽車行業的高速發展極大地影響著薄板成型行業，一些汽車零部件如車身覆蓋件需要深拉深，曲柄連桿壓力機固有的缺陷不能勝任汽車行業高效率、低成本、長壽命等方面的技術要求，于是，在20世紀50年代誕生了多連桿壓力機，其主要代表是德國SHOLMMAN公司生產的噸位達3000噸的閉式單動雙點六桿（肘桿）機構的多連桿機械壓力機，在一次沖壓工作行程中完成載重汽車大梁的落料、彎曲成型、沖孔等工序。到了60年代，出現了各種不同結構的多連桿驅動的機械壓力機，包括6桿、8桿、10桿等在內的不同桿系、不同噸位、單雙動、單點雙點四點機械壓力機[1]。在70年代，法國“Bliss”公司設計了一種具有長行程，特別適用于深拉伸工藝的多連桿壓力機，人們稱之為“Powerbar Press” [2]，在國內被稱為“連桿曲線型”6桿壓力機。國內廠家中，濟南第二機床集團有限公司處于領先水平，1955年生產了中國第一臺160T閉式單點大型壓力機，1981年起從美國威爾森壓力機公司進行了十年全面技術引進，1998-2000年與德國穆勒·萬加頓合作為SGM提供了三條大型沖壓線，2002年將具有自主知識產權的LS4_2500多工位壓力機出口美國[3?4]，中國一重集團、合肥鍛壓集團和太原重工集團等引進日本小松公司壓力機和開卷落料線的設計制造技術。目前，世界上已經能夠設計生產出最大壓下能力為60000KN的單動壓力機、最大壓下能力為32000KN的雙動壓力機以及最大壓下能力為85000KN的多工位壓力機，我國已經能生產出最大下壓能力為50000KN的單動壓力機和最大下壓能力為20000KN的雙作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com 動壓力機以及最大下壓能力為26000KN的多連桿單動壓力機[5]。我國鍛壓機械在研究和生產方面的水平還遠遠落后于先進國家，按生產產品的質量計，高、中、低檔鍛壓機的構成比約為1：19：80，按此數據看，我國生產的鍛壓機床明顯成金字塔分布，即抵擋產品占到80%，中檔產品占到19%，高檔產品僅僅占到1%左右。國外發達國家生產鍛壓機床的高、中、低檔的構成比例約為1.0：6.5：2.5，呈橄欖球狀分布[5]。因此，提高我國鍛壓機械的設計生產水平和市場競爭力仍然亟待提高。

圖1：6桿內滑塊機構簡圖

圖2：8桿外滑塊機構簡圖

圖3：8桿內滑塊機構簡圖

圖4：10桿內滑塊機構簡圖

國內多連桿機構優化設計方面，山東工學院的陳莊研究了“連桿曲線型”6桿機構的優化設計[6]，羅中華、彭炎榮研究了6桿機構的優化設計[7]，姚健等研究了對稱6連桿肘桿壓力機和對稱8連桿肘桿式壓力機桿系機構，并開發了多連桿壓力機運動學性能分析程序MulLinMPAnaSJTU V1.0[8]。羅中華、梅亞夫研究了8桿內外滑塊機構的優化設計，所得到內滑塊優化參數比原參數在性能上沒有提高[9]。羅中華、彭炎榮研究了雙動壓力機外滑塊機構的優化設計并得到滿意的結果[10]，梁春棠、楊超云研究了雙動壓力機8桿外滑塊機構優化設計，但優化結果與原機器參數性能指標相差無幾[12]。劉于康研究了8桿內滑塊機構作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com 的優化設計，計算了滑塊的位移、速度、加速度曲線[12]。王曉麗、周天源研究了壓力機8桿內滑塊機構的優化設計，給出了計算結果，但部分機構參數殘缺，其真實性不詳[13]。余發國、王園研究了8桿內滑塊機構的優化設計，所得優化結果能使滑塊的速度、加速度特性達到較優水平[14]。羅中華研究了雙動拉延壓力機內滑塊十桿機構的優化設計，但所得結果是錯誤的[14]。

2．各種桿系多連桿機構

壓力機多連桿機構一般為5～10桿不等，目前市場上較常見的有6桿、8桿和10桿。其機械結構簡圖如下圖1～圖4所示。6桿、8桿、10桿內滑塊機構特別適用于薄板沖壓成型、深拉深工藝，多用于大型薄板覆蓋件的大批量生產，如轎車、客車的車身、車門。這幾種多連桿機構都可以使模具在拉深工作區的沖擊力很小，滿負荷工作區長，隨著桿數的增加，傳動系統結構更加復雜，制造裝配精度要求更高，使生產周期和成本增加。

8桿外滑塊機構用于閉式雙動壓力機上，使內滑塊在拉深工件時以一定的壓緊力壓住工件，從而保證工件不被拉裂、起皺。

圖5：八桿內、外滑塊運動曲線

3．國內主要壓力機廠家多連桿壓力機軟件介紹

國內能夠生產多連桿壓力機的企業有十幾家，濟南二機床集團、中國一重機械集團和齊齊哈爾二機床集團實力最強。濟南二機床集團是中國最大的機械壓力機生產廠家，也是最早引進外國壓力機技術的廠家。濟南二機床集團從20世紀80年代開始引進美國維爾森公司的壓力機設計制造技術，與維爾森公司進行了長達10余年的技術合作。為了消化和吸收國外技術，必須對多連桿機構進行理論分析、優化設計、運動仿真等方面的研究，例如，80年代中期與陜西機械學院合作研究DE4雙動壓力機多連桿外滑塊機構的優化設計技術。經過近多年的研發，于2003年前后已形成了一套較系統、功能較齊全的多連桿壓力機軟件CAMSA。CAMSA于1991 年開始開發、采用Fortran語言編寫，集機構分析與優化、機構運動精度分析、干涉分析、運動仿真等多項功能于一體，已經成功在200余臺壓力機上獲得應用[16]。

對于內外滑塊的八連桿機構，CAMSA的基本工作原理如下：① 根據技術要求，確定初始條件。②確定拉延范圍、滯后角、壓緊波動量。③ 替代計算。④產生機構參數。⑤ 檢查是否滿足要求。⑥ 若滿足停止替代，否則修改初始條件，轉③。⑦ 輸出。通過以上步驟，做出多種機構方案，通過比較受力特性，選取確定出最佳的機構方案。實際優化設計中，CAMSA 讀入一預先編寫的形態參數文件來識別機構類型，然后通過逐點分析法對機構上各點、桿的運動參數進行求解。所以，CAMSA的前處理僅僅是編寫簡單的形態參數文件。由于幾何干涉導致求解域約束條件的復雜性，優化過程中不考慮干涉分析，最終結果須在經過干涉分析后才能決定能否使用。CAMSA的干涉分析功能是通過將計算所得到的數據文件和IDEAS的PRG 宏繪圖命令文件，在IDEAS-Drafting下執行這些命令文件產生圖形并進行動畫仿真，如果發生干涉則可進行作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com 交互式修改[16]。圖5是CAMSA優化后所得八桿內滑塊運動曲線。

齊齊哈爾二機床集團與德國愛爾福特 成形技術公司于1993年開始合作，以合作 生產的方式承接了由PE4-HH-600.2Ts及 PD4-HH-500/600.2Ts組成的兩條生產線共 12臺的供貨任務。并于1994年研制完成我 國第一條重型數控多連桿壓力機生產線。PE4的驅動機構為單動10桿機構，PD4的驅 動機構內外滑塊均為10桿機構。到1995年, 已自行開發的一套實用軟件“多連桿運 動分析系統”, 它適用于各種多連桿機構 的運動分析。該系統在自行設計的8000kN 多連桿壓力機上得到了成功的應用。對于 上述的十桿內滑塊機構, 利用該系統運算 后, 得到了如圖6所示結果[17?18]。

圖6：齊二機床十桿內滑塊運動曲線

4．多連桿壓力機軟件PressMachineX介紹

PressMachineX主要由一五個模塊組成，PressMachine6Bar、PressMachine8BarOutside、PressMachine8BarInside、PressMachine10Bar和PressMachinePost組成，分別完成6桿內滑塊機構、8桿外滑塊機構、8桿內滑塊機構、10桿內滑塊機構的優化設計和多連桿機構運動曲線的繪制、構件靜力學平衡受載曲線的繪制、雙動壓力機的相關計算等功能。另外還有一個Pro/Engineer插件可以實現在Pro/Engineer環境下導入多連桿機構參數并自動生成多連桿機構裝配三維實體模型。

圖7：PressMachinePost主界面

PressMachineX的主要工作原理如下，用戶只需輸入多連桿機構的設計指標等相關參數，點擊“開始計算”按鈕，即可得到滿足要求的多連桿機構參數的數據文件。用戶可以將生成的數據文件導入到PressMachinePost中查看滑塊的運動曲線和構件的力學曲線。用戶可以選擇“給定數目的可行解”和“所有可行解”兩種方式來終止程序的計算過程。選擇后者往往需

作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com

(a)位移曲線

(a)位移曲線

(b)速度曲線

(b)速度曲線

(c)加速度曲線

(c)加速度曲線

圖8： 6桿內滑塊機構運動曲線

圖9： 8桿外滑塊機構運動曲線 要很多時間，并且所找到的可行解是局部最優解而不能滿足要求，以及可行解文件很大而使人工處理費時。故常選擇前者，在發現局部最優解不能滿足要求時可及時停止計算并修改參數搜索取值范圍，用戶在任何時刻可停止計算，程序自動將找到的最優機構參數數據以文件保存。

限于篇幅的限制，本文只列舉PressMachinePost的工作界面和多連桿機構運動曲線的優化結果。圖7 為PressMachinePost主界面，圖8～圖11為多連桿機構運動曲線，圖12為Pro/Engineer插件工作界面。

作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com

(a)位移曲線

(a)位移曲線

(b)速度曲線

(b)速度曲線

(c)加速度曲線

圖10： 8桿內滑塊機構運動曲線

作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com

(c)加速度曲線

圖11： 10桿內滑塊機構運動曲線

(a)主菜單

(b)10桿內滑塊機構工作界面

圖12： Pro/Engineer插件工作界面

5．結論

PressMachineX軟件具有優越的性能，操作簡單、計算準確、快捷，能夠極大的縮減了產品設計周期。

參考文獻：

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作者簡介：付賢明(1981)，男，工程師 電子信箱：khenz@163.com