面向压铸送料机械手的平面五杆机构优化设计

孙龙跃，张海鸥，王桂兰

（1.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北武汉 430074；2.华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074）

面向压铸送料机械手的平面五杆机构优化设计

孙龙跃1，张海鸥1，王桂兰2

（1.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北武汉 430074；2.华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074）

平面五杆机构是金属溶液压铸成型过程中重要的运送机构，五杆的杆长和相对位置对机构的运动轨迹和负载具有重要的影响，直接关系到压铸件的质量。阐述了Pro/E软件在产品开发中，利用行为建模的方法在特定设计意图和设计约束的前提下，经过一系列参数测试和计算，获得最佳的设计参数。该方法利用计算机强大的运算性能，显著提高设计效率和设计质量。

Pro/E；行为建模；优化设计

压铸（压力铸造的简称）是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的铸造方法。具有生产效率高、经济指标优良、压铸件尺寸精度高和互换性好等特点[1]，广泛应用于摩托、汽车、仪表、五金等领域[2-4]。而压铸送料的方式不外乎人工舀料、给汤机注汤、定量炉注汤等三种。人工舀料工人劳动强度大，质量无法保证；定量炉注汤经济成本较高；市场上多采用的是给汤机注汤。

我国压铸送料机械手生产厂家较多，普遍采用平面五杆机构送料，一般可以收到较好的效果。但现有设计多采用经验法，难以精确得到负载转矩和轨迹曲线，不利于生产自动化。本文利用Pro/E行为建模的方法，将设计量和目标量参数化，通过计算机计算得到优化解。其基本分析步骤如图1所示。

图1 行为建模一般步骤

本文以现有平面五杆机构的杆长为初始值，并进行Pro/E行为建模。优化后，平面五杆机构负载特性明显改善。下面详细介绍平面五杆机构分析和优化过程。

1 平面五杆机构分析

连杆机构分析着重在于连杆机构结构学、运动学及动力学特性的研究。本文首先分析机构的自由度，确定原动件数目；其次对执行部件进行机构运动学分析，确定最佳运动轨迹；然后进行动力学特性研究，分析负载转矩特性，确定电机参数；再利用Pro/E参数化优化方法，研究杆长和相对位置对负载转矩的影响，从而优化设计。

如图2所示的平面五杆机构运动简图，共有5个活动构件，6个铰链构成6个低副。与处有一个复合铰链，有1个转动副。故其中n=5，p1=7，ph=0。由机构自由度公式可得

F=3n-（2p1+pb）=3×5-2×7=1

由上式可知，机构只有一个自由度。这样，仅需一个原动件就可以使机构具有确定运动状态。

图2 平面五杆机构运动简图

1.1 平面五杆机构运动学仿真

首先需设定初始值和相对位置，以此建立三维模型，连杆间通过销钉连接。

在Pro/E机构命令中，选择驱动轴电机并根据实际运行情况反复调整转速，设置初始位置和极限位置。新建运动学分析命令“动力学研究”，利用回放命令可检查干涉性。同时可得到执行末端A点的轨迹曲线，如图3所示。

图3所示轨迹曲线符合给汤机舀取路径的要求。

图3 A点运动轨迹曲线

图4 垂直角度和水平距离曲线

1.2 平面五杆机构动力学仿真

机构动力学主要是分析作用在机构各零件上的力和力矩。根据实际的负载，利用Pro/E动态分析功能，研究作用于主动轴上的负载转矩。并进一步优化负载。使得装置能够平稳高效地运行。

在进行动力学分析时，首先根据设计的连杆机构，设置杆件质量属性，确定每根连杆重量，并添加外部负载和摩擦等。至此就可以实现机构的动力学研究。利用Pro/E测量工具得到负载转矩如图5所示。

图5 负载转矩

由图5可知，t在[0，3]s内，驱动轴的负载的力矩Tf在[53.8，77.6]kg·m。负载转矩3秒内迅速增大，而电机的额定输出转矩是恒定的，负载的突然变化不利于电机的长期平稳工作，所以必须对现有机构进行优化。

2 平面五杆机构优化

参数化设计是目前CAD应用技术中最重要的技术之一，广泛应用于系列化产品设计。它以约束来表达产品模型的形状特征，以一组参数来控制设计结果，能通过变换设计参数来实现产品模型的更改或相似产品模型的创建。

本文以杆长和两固定铰链的相对位置为自变量，负载转矩为因变量。经过敏感度，可行性/优化分析、多目标设计研究，非常方便地实现对现有平面五杆机构杆长的优化设计。

2.1 敏感度分析

敏感度分析是用来分析模型尺寸或者参数在制定范围内改变时对测量目标参数的影响，并显示影响曲线图。其目的是确定最能影响负载的杆件。以杆为例，分析的敏感度曲线如图6所示。

图6 号杆件敏感度分析

2.2 可行性/优化分析及多目标设计研究

可行性分析是在指定的参数或者尺寸范围内搜索满足约束条件的解决方案。找到即提示存在解决方案。优化分析能够指定目标函数且在设定的变量范围内，在所有满足目标的解中寻找最优解。

优化设计适合于只有一个设计目标时的应用，而多目标设计研究用来解决多个设计目标的优化问题。实践也证明，只为改变负载转矩而改变杆长可能引起轨迹曲线急剧变化，结果必将适得其反，所以必须用多目标进行研究。

经过多目标设计研究后，重新进行运动学分析，将优化后数值圆整后得负载转矩曲线如图7所示，轨迹曲线如图8所示。

图7 优化后负载转矩曲线

图8 优化后轨迹曲线

由图7知，发现时间t[0，3]s，负载转矩Tf[48.2，67.9]kg·m。显然通过该方法不但能够改变负载转矩，执行末端的轨迹曲线也满足设计要求。

3 结束语

本文阐述了Pro/E行为建模的方法，首先对平面五杆机构进行三维造型，分析机构的动力学和运动学特征，在此基础上对现有机构进行参数化分析和优化。实践证明，经该方法设计的杆长负载特性明显改善，与其他装置调试后能生产效率明显提高。应用前景广泛。

［1］黄晓锋，谢锐，田载友.压铸技术的发展现状与展望［J］.新技术新工艺，2008（7）：50-55.

［2］陈金城，翟春泉.快速成长中的中国压铸机制造业［J］.特种铸造及有色合金，2010（30）：813-816.

［3］黄久晖.我国压铸行业及压铸机制造业的情况介绍［J］.中国铸造装备与技术，2006（2）：8-9.

［4］陈金城.中国压铸工业的前景——从中国汽车工业的跃升说起［J］.特种铸造及有色合金，2003（6）：33.

Optimal Design of Planar Five-Bar Mechanism to Die-Feeding Robot

SUN Long-yue1，ZHANG Hai-ou1，WANG Gui-lan2
1.State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology，Huazhong University of Science &Technology，Wuhan430074，China；2.State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology，Huazhong University of Science&Technology，Wuhan430074，China）

Planar five-bar mechanism is an important transport mechanism of metal solution casting process，its length and position have an important influence on the equipment's trajectory and load and are directly related to the die castings'quality.This paper describes the use of behavioral modeling approach of Pro/E software in a specific design intent and under the premise of design constraints in the product development，it can get the best design parameters after a series of parameter test and calculation.This method can significantly improve the design efficiency and quality by using computer powerful operation performance and particularly suitable for ordinary design users.

Pro/E；behavior modeling；optimization design

TH122

A

1009－9492(2015)10－0070－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.017

孙龙跃，男，1989年生，江苏盐城人，硕士研究生。研究领域：机械结构设计。

张海鸥，男，1955年生，教授，博士生导师。

(编辑：向 飞)

2015－04－15