第一篇：压力机软件PressMachineX让多连杆机构设计从此不再成为难题
压力机软件PressMachineX让多连杆机构设计从此不再成为难题
付贤明
（上海压力机研究室，上海，201807）(EMAIL:khenz@163.com,TEL:***)摘要 ：汽车行业的高速发展带动锻压机械的需求和发展，普通曲柄连杆压力机难以胜任汽车覆盖件的高难度成型工艺，而多连杆压力机技术的诞生恰好能完成这一重任，并且有较高的性价比。发展多连杆压力机是市场的趋势，而压力机多连杆机构的优化设计一直是困扰锻压行业和各大压力机厂家的技术难题，解决这一难题需要大量数学计算。本文首先介绍了市场上流行的各种压力机多连杆机构及国内主要机械压力机厂家压力机软件方面的技术现状，最后介绍了本人自主开发的多连杆压力机机构优化设计软件PressMachineX，以及各种多连杆机构优化的结果，优化结果能够达到锻压工艺所需的理想要求。关键词：多连杆压力机软件；PressMachineX；多连杆机构；优化设计
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．多连杆压力机研究概况
机械压力机是用于板料成型加工的主要设备。由于板料成型工艺尤其是板料深拉深工艺
要求模具以低而均匀的速度接触工件，而使用普通曲柄连杆压力机拉深过程中滑块的速度和加速度较大，极易造成零件撕裂或起皱，拉伸件的合格率低、废品多、生产成本高，模具在上下模合模的瞬时冲击力较大，使主机、模具的使用寿命降低。汽车行业的高速发展极大地影响着薄板成型行业，一些汽车零部件如车身覆盖件需要深拉深，曲柄连杆压力机固有的缺陷不能胜任汽车行业高效率、低成本、长寿命等方面的技术要求，于是，在20世纪50年代诞生了多连杆压力机，其主要代表是德国SHOLMMAN公司生产的吨位达3000吨的闭式单动双点六杆（肘杆）机构的多连杆机械压力机，在一次冲压工作行程中完成载重汽车大梁的落料、弯曲成型、冲孔等工序。到了60年代，出现了各种不同结构的多连杆驱动的机械压力机，包括6杆、8杆、10杆等在内的不同杆系、不同吨位、单双动、单点双点四点机械压力机[1]。在70年代，法国“Bliss”公司设计了一种具有长行程，特别适用于深拉伸工艺的多连杆压力机，人们称之为“Powerbar Press” [2]，在国内被称为“连杆曲线型”6杆压力机。国内厂家中，济南第二机床集团有限公司处于领先水平，1955年生产了中国第一台160T闭式单点大型压力机，1981年起从美国威尔森压力机公司进行了十年全面技术引进，1998-2000年与德国穆勒·万加顿合作为SGM提供了三条大型冲压线，2002年将具有自主知识产权的LS4_2500多工位压力机出口美国[34]，中国一重集团、合肥锻压集团和太原重工集团等引进日本小松公司压力机和开卷落料线的设计制造技术。目前，世界上已经能够设计生产出最大压下能力为60000KN的单动压力机、最大压下能力为32000KN的双动压力机以及最大压下能力为85000KN的多工位压力机，我国已经能生产出最大下压能力为50000KN的单动压力机和最大下压能力为20000KN的双作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com 动压力机以及最大下压能力为26000KN的多连杆单动压力机[5]。我国锻压机械在研究和生产方面的水平还远远落后于先进国家，按生产产品的质量计，高、中、低档锻压机的构成比约为1：19：80，按此数据看，我国生产的锻压机床明显成金字塔分布，即抵挡产品占到80%，中档产品占到19%，高档产品仅仅占到1%左右。国外发达国家生产锻压机床的高、中、低档的构成比例约为1.0：6.5：2.5，呈橄榄球状分布[5]。因此，提高我国锻压机械的设计生产水平和市场竞争力仍然亟待提高。
图1：6杆内滑块机构简图
图2：8杆外滑块机构简图
图3：8杆内滑块机构简图
图4：10杆内滑块机构简图
国内多连杆机构优化设计方面，山东工学院的陈庄研究了“连杆曲线型”6杆机构的优化设计[6]，罗中华、彭炎荣研究了6杆机构的优化设计[7]，姚健等研究了对称6连杆肘杆压力机和对称8连杆肘杆式压力机杆系机构，并开发了多连杆压力机运动学性能分析程序MulLinMPAnaSJTU V1.0[8]。罗中华、梅亚夫研究了8杆内外滑块机构的优化设计，所得到内滑块优化参数比原参数在性能上没有提高[9]。罗中华、彭炎荣研究了双动压力机外滑块机构的优化设计并得到满意的结果[10]，梁春棠、杨超云研究了双动压力机8杆外滑块机构优化设计，但优化结果与原机器参数性能指标相差无几[12]。刘于康研究了8杆内滑块机构作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com 的优化设计，计算了滑块的位移、速度、加速度曲线[12]。王晓丽、周天源研究了压力机8杆内滑块机构的优化设计，给出了计算结果，但部分机构参数残缺，其真实性不详[13]。余发国、王园研究了8杆内滑块机构的优化设计，所得优化结果能使滑块的速度、加速度特性达到较优水平[14]。罗中华研究了双动拉延压力机内滑块十杆机构的优化设计，但所得结果是错误的[14]。
2．各种杆系多连杆机构
压力机多连杆机构一般为5～10杆不等，目前市场上较常见的有6杆、8杆和10杆。其机械结构简图如下图1～图4所示。6杆、8杆、10杆内滑块机构特别适用于薄板冲压成型、深拉深工艺，多用于大型薄板覆盖件的大批量生产，如轿车、客车的车身、车门。这几种多连杆机构都可以使模具在拉深工作区的冲击力很小，满负荷工作区长，随着杆数的增加，传动系统结构更加复杂，制造装配精度要求更高，使生产周期和成本增加。
8杆外滑块机构用于闭式双动压力机上，使内滑块在拉深工件时以一定的压紧力压住工件，从而保证工件不被拉裂、起皱。
图5：八杆内、外滑块运动曲线
3．国内主要压力机厂家多连杆压力机软件介绍
国内能够生产多连杆压力机的企业有十几家，济南二机床集团、中国一重机械集团和齐齐哈尔二机床集团实力最强。济南二机床集团是中国最大的机械压力机生产厂家，也是最早引进外国压力机技术的厂家。济南二机床集团从20世纪80年代开始引进美国维尔森公司的压力机设计制造技术，与维尔森公司进行了长达10余年的技术合作。为了消化和吸收国外技术，必须对多连杆机构进行理论分析、优化设计、运动仿真等方面的研究，例如，80年代中期与陕西机械学院合作研究DE4双动压力机多连杆外滑块机构的优化设计技术。经过近多年的研发，于2003年前后已形成了一套较系统、功能较齐全的多连杆压力机软件CAMSA。CAMSA于1991 年开始开发、采用Fortran语言编写，集机构分析与优化、机构运动精度分析、干涉分析、运动仿真等多项功能于一体，已经成功在200余台压力机上获得应用[16]。
对于内外滑块的八连杆机构，CAMSA的基本工作原理如下：① 根据技术要求，确定初始条件。②确定拉延范围、滞后角、压紧波动量。③ 替代计算。④产生机构参数。⑤ 检查是否满足要求。⑥ 若满足停止替代，否则修改初始条件，转③。⑦ 输出。通过以上步骤，做出多种机构方案，通过比较受力特性，选取确定出最佳的机构方案。实际优化设计中，CAMSA 读入一预先编写的形态参数文件来识别机构类型，然后通过逐点分析法对机构上各点、杆的运动参数进行求解。所以，CAMSA的前处理仅仅是编写简单的形态参数文件。由于几何干涉导致求解域约束条件的复杂性，优化过程中不考虑干涉分析，最终结果须在经过干涉分析后才能决定能否使用。CAMSA的干涉分析功能是通过将计算所得到的数据文件和IDEAS的PRG 宏绘图命令文件，在IDEAS-Drafting下执行这些命令文件产生图形并进行动画仿真，如果发生干涉则可进行作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com 交互式修改[16]。图5是CAMSA优化后所得八杆内滑块运动曲线。
齐齐哈尔二机床集团与德国爱尔福特 成形技术公司于1993年开始合作，以合作 生产的方式承接了由PE4-HH-600.2Ts及 PD4-HH-500/600.2Ts组成的两条生产线共 12台的供货任务。并于1994年研制完成我 国第一条重型数控多连杆压力机生产线。PE4的驱动机构为单动10杆机构，PD4的驱 动机构内外滑块均为10杆机构。到1995年, 已自行开发的一套实用软件“多连杆运 动分析系统”, 它适用于各种多连杆机构 的运动分析。该系统在自行设计的8000kN 多连杆压力机上得到了成功的应用。对于 上述的十杆内滑块机构, 利用该系统运算 后, 得到了如图6所示结果[1718]。
图6：齐二机床十杆内滑块运动曲线
4．多连杆压力机软件PressMachineX介绍
PressMachineX主要由一五个模块组成，PressMachine6Bar、PressMachine8BarOutside、PressMachine8BarInside、PressMachine10Bar和PressMachinePost组成，分别完成6杆内滑块机构、8杆外滑块机构、8杆内滑块机构、10杆内滑块机构的优化设计和多连杆机构运动曲线的绘制、构件静力学平衡受载曲线的绘制、双动压力机的相关计算等功能。另外还有一个Pro/Engineer插件可以实现在Pro/Engineer环境下导入多连杆机构参数并自动生成多连杆机构装配三维实体模型。
图7：PressMachinePost主界面
PressMachineX的主要工作原理如下，用户只需输入多连杆机构的设计指标等相关参数，点击“开始计算”按钮，即可得到满足要求的多连杆机构参数的数据文件。用户可以将生成的数据文件导入到PressMachinePost中查看滑块的运动曲线和构件的力学曲线。用户可以选择“给定数目的可行解”和“所有可行解”两种方式来终止程序的计算过程。选择后者往往需
作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com
(a)位移曲线
(a)位移曲线
(b)速度曲线
(b)速度曲线
(c)加速度曲线
(c)加速度曲线
图8： 6杆内滑块机构运动曲线
图9： 8杆外滑块机构运动曲线 要很多时间，并且所找到的可行解是局部最优解而不能满足要求，以及可行解文件很大而使人工处理费时。故常选择前者，在发现局部最优解不能满足要求时可及时停止计算并修改参数搜索取值范围，用户在任何时刻可停止计算，程序自动将找到的最优机构参数数据以文件保存。
限于篇幅的限制，本文只列举PressMachinePost的工作界面和多连杆机构运动曲线的优化结果。图7 为PressMachinePost主界面，图8～图11为多连杆机构运动曲线，图12为Pro/Engineer插件工作界面。
作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com
(a)位移曲线
(a)位移曲线
(b)速度曲线
(b)速度曲线
(c)加速度曲线
图10： 8杆内滑块机构运动曲线
作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com
(c)加速度曲线
图11： 10杆内滑块机构运动曲线
(a)主菜单
(b)10杆内滑块机构工作界面
图12： Pro/Engineer插件工作界面
5．结论
PressMachineX软件具有优越的性能，操作简单、计算准确、快捷，能够极大的缩减了产品设计周期。
参考文献：
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作者简介：付贤明(1981)，男，工程师 电子信箱：khenz@163.com
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