薄壁零件冲压机构优化设计
现代制造工程 !""!（#）
薄壁零件冲压机构优化设计
!陈永琴 !苏三买
摘要 薄壁零件在冲制过程中要求匀速拉延成形。在对机构运动分析的基础上，以执行构件在导程中的最大速度与平
均速度的比值描述工作段滑块接近等速运动的程度，并以此为目标函数，在 !"#$"% 环境下进行机构优化设计。
关键词：冲压机构 滑块 等速运动 运动分析 优化设计
中图分类号：#&’( 文献标识码：% 文章编号：)*+)—’)’’（,--,）-+—--.,—-’
$%&’()( *+,’-. /0 %1+,, (+234.’,( 0/1 &3’./5466 2/(%/.+.&,
!73+. 8/.-9’. !:) :4.(4’
;<,&142& 01233456 7845/9:;; <=>?=52573 12@A4123 B=537:57 C2;=<47D 984;2 782 =?21:74=5 ?1=<233EF3456 782 1:74= =G 782 >:H4>A> C2;=<47D
7= :C21:62 C2;=<47D =G 782 3;4I2 IA1456 782 9=1J456 37=J2，7843 ?:?21 I23<14K23 782 >=74=5 <8:1:<7=14374< =G 782 <=>K452I >2<8:543>，:5I 47
43 :;3= A32I :3 =KL2<74C2 GA5<74=5E M5 !"#$"% 25C41=5>257 782 =?74>:; ?:1:>27213 =G <=>?=5257 :12 6=7725E
=+> 5/1*,：?1+,, (+234.’,( :6’*+ 7/.,&4.& ,%++* (/&’/. =’.+(4&’2, 4.46>,’, $%&’()( *+,’-.
冲制薄壁零件时，要求执行构件先以比较低的速
度接近坯料，然后以等速运动拉延成形，最后快速返
回，即执行构件在整个行程中要求有等速运动工作段，
并具有急回特性，同时希望工作过程中压力角尽量小，
以保证机构具有良好的动力特性。如此复杂的运动过
程，依靠单一的基本机构（如偏置曲柄滑块机构）很难
满足设计要求，因此常采用基本机构组合设计。传统
的组合机构设计不仅依赖设计者的经验，而且工作量
大，未必得到最佳设计。
本文以摆动导杆机构串联一个摇杆滑块机构，设
计如图 ) 所示薄壁零件冲压机构。摆动导杆机构本身
有急回特性，当主动曲柄 !" 匀速运动时，滑块 # 在
垂直 !$ 的导路上往复移动，具有较大的急回特性；改
变 %# 连杆的长度，滑块 N 可获不同运动规律。
一、机构特性分析
图 ) 为用矢量表示的冲压机构简图，其中 !" 为
曲柄，长度 &) ，$% 为导杆，长度 &’ ，$" 长度为 ’’ ，%#
为连杆，长度 &. ，( 为机架高度，’ 为滑块 # 的行程，
!) 为曲柄的角速度，机架 !$，长度 &* 。
采用复数法对机构进行运动分析，确定滑块 # 的
速度。
)E位置分析
在图 ) 中取坐标系 )$*，) 轴与滑块的导路平行，
* 轴与导杆左、右极限位置的对称线重合，用 !"$! 矢
量封闭图形表示曲柄 )、机架（!$）*、导杆 $" 各矢量；
用 $%#+$ 矢量封闭图形分别表示导杆 $%、连杆 %#、
滑块 # 的位移 , 及机架高 ( 各矢量，则该机构可用以
下两个矢量方程式表示：
图 ) 薄壁零件冲压机构
&"
* O &"
) P ’"
’
&"
’ O &"
. P", O"(
相应的复数表示形式为：
-&* O &) .-") P ’’ .-"’ （)）?????????
&’ .-"’ O &. .-". P , O -( （,）???????
按欧拉公式分离式（)）、（,）的实部和虚部得：
&) <=3") P ’’ <=3"’ （’）?????????
&* O &) 345") P ’’ 345"’ （.）???????
&’ <=3"’ O &. <=3". P ) （N）????????
&’ 345"’ O &. 345". P ( （*）????????
由式（’）、（.）求得：
’’ P &,
* O &,
) O ,&* &) 345"# ) （+）??????
"’ P :1<<=3（&) <=3") Q’’ ） （(）???????
由式（*）求得：
". P :1<345［（( R &’ 345"’ ）Q &. ］ （S）????
对于摆动导杆机构，导杆的摆角 # 始终等于极位
夹角$（见图 ,），即：
,.
设备设计与维修
! !" （"#）???????????????
并且在给定行程速比系数 ! 时：
现代制造工程 !""!（#）
"! "$#% ! & "
! ’ " （""）????????????
以上各式中，#" 、#( 、#) 为对应各杆的转角，" 轴
正向逆时针方向为正。
*+速度分析
"）导杆机构 #$% 速度分析
式（"）对时间求导得：
&’"$" (&#" ! )*( (&#( ’ &*($( (&#( （"*）??????
两边同乘以 ( & &#( 后按欧拉公式展开取虚部得：
$( ! ’"$" ,-.（#" &#( ）
*(
（"(）?????????
*）摇杆滑块机构 %+, 速度分析
式（*）对时间求导得：
&’($( (&#( ’ &’)$) (&#) ! -, （")）????????
按欧拉公式展开后，分离实部和虚部得：
& ’($( ./0#( & ’)$) ./0#) ! -, （"1）??????
’($( ,-.#( ’ ’)$) ,-.#) ! # （"2）???????
由式（"2）得：$) ! & ’($( ,-.#(
’) ,-.#)
（"3）?????
以上各式中，$( 、$) 为对应各杆角速度，-, 为滑
块 , 的速度。
(+机构最大压力角
当导杆（摇杆）运动到与滑块导路垂直时，机构具
有最大的压力角%456：
%456 ! 57,./0［（’( & .）8 ’) ］ （"$）???????
)+极限位置时曲柄对应转角
由图 *，曲柄在极限位置时对应转角#$" 、#$* 满足：
#"$" ! "$#% ’"8*，#"$* ! &"8*。
图 * 极限位置时曲柄对应转角
二、机构优化条件
"+设计变量
该机构共有 ’" 、*( 、’( 、’) 、’2 、*、. 七个几何参数，
其中 * 为滑块（上模）的行程，是机构设计时的已知参
数。
为满足上模在整个行程中有较小的压力角，. 按
下式计算：
. ! ’(
* " ’ ,-. "( )* （"9）??????????
由图 *：
’" ! ’2 ./0 "
* （*#）?????????????
* ! *’( ./0 "
* （*"）?????????????
因此在机构要求的行程速比系数 ! 给定后，由式
（3）、（""）、（"9）、（*#）、（*"）可知，七个几何参数中，只
有 ’" 、’) 为独立参数，即机构的设计变量。
*+目标函数
对于板料冲压机构，要求工件以匀速拉延成形，故
可将上模工作段接近等速运动的程度取为目标函数。
首先确定出滑块在工作行程内的平均速度 -,/ ：
-,/ !
!#"$"
#"$*
-,（#" ）:#"
#"$" &#"$*
（**）?????????
上模在工作段接近等速运动的程度用滑块最大速
度 -,456与平均速度 -,/ 的比值来描述，即：
0（#" ，’" ，’) ）! -,456 8-,/ （*(）????????
(+约束条件
"）最大压力角限制
%456 &［%］; #
式中［%］为许用压力角，取［%］! )#%
*）曲柄存在条件及导杆滑块机构几何条件
’" & ’2 ; #
. & ’( & ’) ; #
’2 & ’" & *( ; #
(）设计变量的边界条件（略）
三、优化方法及计算实例
"+优化方法
由上述分析知，该冲压机构设计为多变量、非线性
目标函数、多个约束下的约束优化问题。
优化过程为给定一组变量初值 ’" 、’) ，首先视 ’" 、
’) 为常量，计算滑块在工作行程内速度函数的极值与
速度函数的积分平均值，确定目标函数与约束函数值，
然后根据所采用的优化算法，调整优化变量 ’" 、’) ，重
复以上步骤，直至满足优化精度要求。
本 文以<=>?=@软件为计算平台，利用<=>?=@
()
设备设计与维修
现代制造工程 !""!（#）
磁流体研磨装置中磁场加工区的设计!
"潘 晶 刘新才 刘永铭
摘要 针对特定的加工要求，设计磁流体研磨装置中磁场加工区的重要参数，并分析验算设计的合理性。
关键词：磁流体研磨 磁场加工区 设计
中图分类号：!"#$ 文献标识码：% 文章编号：&’#&—$&$$（())(）)#—))**—)*
$%& ’&()*+ ,- .%& /0*+&.)1 -)&2’ /01%)+)+* (301& )+
0 /0*+&.)1 -24)’ 3,2)(%)+* 033050.4(
"60+ 7)+*，8)4 9)+10)，8)4 :,+*/)+*
;<(.501. !+, -,. /0102,3,14 56 2078,39: 69,;< 20:+98987 4/0:, 98 0 2078,39: 6;=9< /5;94+987 0//0103=4 >,1, <,4978,< 35 2,,3 3+,
1,?=91987 56 3+, 4/,:90; 69894+987 :58<939584@%8< 3+, 3+,51,39:0; 080;.494 08< :0;:=;03958 4+5>4 3+03 3+, <,4978 94 1,04580A;,@
=&> ?,5’：@0*+&.)1 -24)’ 3,2)(%)+* @0*+&.)1 -)&2’ /01%)+)+* (301& A&()*+
一、引言
磁流体研磨技术被认为是一种高效的陶瓷精加工
新技术［&］［(］。从 () 世纪 B) 年代至今，日本、美国等一
些学者对此新技术进行过研究［$］［*］［C］，并取得很大的
进展，但尚处于试验室研究阶段。
本文根据磁流体研磨原理，结合国外学者在装置
设计方面的一些研究成果，以陶瓷滚珠为研究对象，对
磁场加工区的磁路和驱动杆、浮板等重要部件进行设
计，并通过理论分析计算，对所设计的参数进行了验
证。
二、磁流体研磨原理和设计方案
如图 & 所示，加工区的容器 # 中装有含一定比例
磨料的磁流体 B，陶瓷滚珠置于其中。当磁流体受到
容器底部永磁体 $ 强烈的吸引力时，其中所含不导磁
的磨料则受到沿磁力线方向向上的磁浮力，磁浮力使
其贴附在工件表面；同时不导磁的浮板 & 也将受到向
上的磁浮力 !" ，并将 !" 传递给陶瓷滚珠。在驱动杆
&) 的高速驱动下，浸没在磁流体中的陶瓷滚珠将会在
驱动杆和浮板的共同作用下产生公转和自转运动，而
磁流体和其中的磨粒由于受磁场力的约束作用与陶瓷
! 江西省自然科学基金资助项目（D%()))&)C*）和江西省重点学科学术带头人培养计划项目（EF()))&))’）
提供的计算函数（62984，?=0
作为哑元传递，巧妙地实现了目标函数求取过程的积
分与极值计算，并用 H%!I%J 优化工具箱中提供的
:58431 函数，完成机构优化设计。
(@优化实例
已知参数：曲柄 $% 的角速度!& K #@C*10
行程 & K *))22；上模的匀速工作段长度为 &()22；行
程速比系 数 ’ K &@ C。优 化 结 果：#& K &)G22，#$ K
’*G22，#* K (()22，#’ K $C)22，( K ’$)22。
图 $ 为经优化设计所得机构中滑块 ) 的速度随
曲柄 $% 转角"& 的变化曲线，其中 $% 为工作行程，*+
为急回行程，+)$ 为接近行程。
从图中可知，当曲柄 $% 由 ’)M 转到 &()M 的过程
中，滑块近似匀速运动，经计算滑块移动距离大于
&()22，因此满足上模匀速工作段长度设计要求。
图 $ 滑块的速度与曲柄转角的关系曲线
参 考 文 献
& 李涛，贺勇军，刘志俭等编@H03;0A 工具箱应用指南———应用
数学篇@北京：电子工业出版社，()))
( 楼顺天，陈生潭，雷虎民等编@H%!I%JC@F 程序设计语言@西
安：西安电子科技大学出版社，()))
作者通讯地址：西安电子科技大学 &GG 信箱（#&))#&）
收稿日期：())()&)B
**
设备设计与维修
薄壁零件冲压机构优化设计
作者： 陈永琴， 苏三买
作者单位： 西安电子科技大学,710071
刊名： 现代制造工程
英文刊名： MODERN MANUFACTURING ENGINEERING
年，卷(期)： 2002，""(7)
被引用次数： 1次
参考文献(2条)
1.李涛.贺勇军.刘志俭 Matlab工具箱应用指南 2000
2.楼顺天.陈生潭.雷虎民 MATLAB5.X程序设计语言 2000
相似文献(4条)
1.学位论文 付继祥 冗余驱动双肘杆新型伺服压力机设计与动态性能分析 2009
大型机械压力机是机械、电子、冶金、化工、汽车、军工、航空、航天等重要工业领域不可缺少的制造装备。伺服压力机具有很好的柔性，低噪音和高精度
，能够适应市场变化快、批量小的特点，兼有传统压力机快速、稳定、低成本的优点。基于伺服电机的数字化重载机械驱动技术，是锻压机械发展的趋势。本文
在结合国家重大产业对高质量锻压件的迫切需求，在国家863计划和国家自然科学基金等支持下，对双肘杆新型伺服压力机的设计进行了比较全面的研究。内容包
括冗余驱动机构构型设计、双肘杆冲压机构性能图谱尺度最优化、考虑丝杠和伺服电机的压力机整体性能参数分析、机架优化设计分析，并进行了相应的仿真校
核。论文取得以下研究成果：
1.讨论伺服电机直接驱动机械压力机的优越性，分析总结2-DOF机构特点；以混合输入七杆机构为机构原型,应用机构拓扑优化理论，得到创新机构构型—平
面七杆5R2P作为冗余驱动构型；推导出二伺服电机功率模型，建立冗余驱动机构模型，在ADAMS进行仿真验证；
2.分析冗余驱动双肘杆伺服压力机性能指标，应用有限解空间模型理论，把双肘杆杆长尺寸纳入到四面体有限空间模型内，绘制其性能图谱；提出伺服压力
机性能指标优化函数：在冲压过程中，机械增益尽可能最大、各杆受力均载尽可能小，采用有限解空间-复合形法求解出，从而对双肘杆冲压杆系尺度空间的最优
化设计，并进行算例验证。
3.以伺服压力机机架为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具，进行有限元静、动态特性分析。通过机架各部分结构对机架应力和变形的影响分
析，提出机架修改建议，为伺服压力机结构动态性能优化提供基础。
4.考虑滚珠丝杆和伺服电机的多连杆压力机性能参数分析。验证肘杆机构的增力和减速特性，分析伺服电机和滚珠丝杠对选择合适的冲压滑块工作位置定义
工作压力值和速度值的影响；用3次NURBS 曲线进行插值光滑拟合压力机任务特征工艺曲线，绘制满足伺服压力机技术参数的能力曲线，即适合不同材料及相同材
料不同厚度的不同工作行程和工作次数的速度规律。
2.期刊论文 陈永琴.苏三买 基于遗传算法的冲压机构优化设计 -机械2003,30(2)
冲压机构要求执行构件在工作行程中有等速段,并具有急回特性.本文以摆动导杆机构串联摇杆滑块机构,设计了一种冲压机构.在对机构运动分析的基础上,提
出了机构优化的目标函数,并采用遗传算法对机构进行优化设计.
3.期刊论文 庞勇 混合驱动压力机机构优化设计 -锻压装备与制造技术2003,38(5)
混合驱动机械压力机使用伺服电机与常规电机配合驱动冲压机构,能够通过编程控制伺服电机,灵活地调节冲压滑块的位置和速度.本文从正运动学和逆运动学
两种途径,用优化方法建立了压力机混合驱动机构尺寸综合数学模型,并进行了对比研究.
4.学位论文 陈志嵩 对称布局的增力型曲柄压力机的创新设计与力学性能研究 2009
基于曲柄-连杆-滑块机构的普通机械压力机，属于一级增力型压力机，至今仍在工业领域大量应用。该类压力机具有机结构平衡性极差，体积笨重，噪声极
大，摩擦损失大，力学性能曲线不合理，不便于自动控制等突出缺点。此外，由于增力机构仅是一次型的，在需要大的公称压力的场合，这类压力机难以胜任
，使得人们不得不选择容易造成环境污染的液压传动压力机，或结构甚为复杂的摩擦.螺旋传动压力机。
针对传统曲柄压力机的上述缺点，根据科学美学的对称性理念，以及串联组合增力机构的设计方法，分别设计了对称布局的一级、二级、三级增力的曲柄压
力机。新进行的主要研究工作如下：
(1)对传统曲柄压力机机构进行了数学建模和详细的运动学和动力学分析，从理论上分析指出了其力学性能的不足之处。
(2)对创新设计的对称布局一级增力曲柄压力机，在介绍工作原理的基础上，通过数学建模及力学性能曲线的对比，说明其相对于传统理论的非对称布局压力
进的优越之处。
(3)为了在输入转矩相同的条件下，得到相对更大的输出压力，利用曲柄连杆机构与铰杆机构进行串联组合，分别设计了对称布局的二级与三级增力压力机。
在要求的工作行程较小的条件下，采用串联组合增力机构，相对与传统的一级增力压力机，可显著缩小输入转矩。
(4)利用上述增力机构，将动力元件由普通交流电动机置换为伺服电动机，结合运用“电子飞轮”储能技术，形成便于进行自动控制的机电一体化数控压力机
。数控压力机在结构上更为紧凑，能源利用率高，可任意设置行程，并可编程设计伺服电机的角速度曲线，而使压力机工作结构的动力学性能的到显著改善。
(5)介绍数控步冲压力机的基本原理，结合串联组合增力机构形成的新型数控步冲机，能有效克服伺服电动机功率与输出转矩小的缺点。
(6)利用MATLABGUI面向对象设计，建立了各类冲压机构详细的数学模型，并设计了程序界面。用户只需按照界面上的提示，输入机构的相应参数，即可得到
所需压力机的运动曲线和力学曲线图，极大地缩短了开发和选用压力机的周期。
引证文献(1条)
1.贺军涛 盒形件拉深的研究[学位论文]硕士 2004
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgys200207020.aspx
下载时间：2010年11月1日
薄壁零件冲压机构优化设计.pdf
