一種多軌跡、小振動冷擺輾機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法與流程

本發(fā)明屬于擺輾設(shè)備優(yōu)化設(shè)計
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種多軌跡、小振動冷擺輾機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：擺輾是連續(xù)局部塑性成形新工藝，具有省力、沖擊小、噪聲低、節(jié)能節(jié)材和產(chǎn)品精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機械、汽車、電器、儀表、五金工具等眾多工業(yè)領(lǐng)域。擺輾機是進(jìn)行擺輾加工的主要設(shè)備，現(xiàn)有的雙偏心環(huán)冷擺輾機可以實現(xiàn)擺頭的四種運動軌跡，即圓、直線、多葉玫瑰線和螺旋線軌跡。在不同軌跡下，內(nèi)外偏心環(huán)的結(jié)構(gòu)對于擺輾機的振動影響較大，而擺輾機振動又會影響加工件成形質(zhì)量以及擺輾機的服役性能和使用壽命。所以迫切需要對內(nèi)外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以減小擺輾機的振動。目前還沒有關(guān)于多軌跡冷擺輾機內(nèi)外偏心環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的報道。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種多軌跡、小振動冷擺輾機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，它可以準(zhǔn)確計算出雙偏心環(huán)冷擺輾機擺頭不同運動軌跡下擺頭質(zhì)心的加速度，并據(jù)此對冷擺輾機的內(nèi)外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種多軌跡、小振動冷擺輾機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：s1、獲得冷擺輾機擺頭質(zhì)心點的加速度：s101、建立冷擺輾機內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的三維模型；s102、獲得內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移，該實際角位移為考慮輸入軸在力偶矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角與角位移之和；s103、根據(jù)內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的等效轉(zhuǎn)動慣量方程、廣義力方程和動力學(xué)方程，求出兩根輸入軸的力偶矩，進(jìn)而求出內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移；s104、通過內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移，求出擺頭質(zhì)心點的軌跡方程；s105、根據(jù)求解出的擺頭質(zhì)心點的軌跡方程，獲得擺頭質(zhì)心點的合速度，進(jìn)而求得擺頭質(zhì)心點的加速度；s2、先取內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距相等，準(zhǔn)確計算出擺頭在不同運動軌跡下的擺頭質(zhì)心點的加速度，再令內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距不相等，以內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距的偏心距為變量、減小擺頭質(zhì)心點加速度的最大峰值為目標(biāo)，對內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)加速度的最大峰值取得最小值時，對應(yīng)內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距的取值即為內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。按上述技術(shù)方案，步驟s102中，考慮兩根輸入軸分別在力偶矩m1和m2作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角和分別為其中，g為剪切模量，d1和d2分別為兩根輸入軸的直徑，l1和l2分別為兩根輸入軸的長度，則內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移和的方程為：式中，q1和q2分別為內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的角位移。按上述技術(shù)方案，步驟s103中，內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的等效轉(zhuǎn)動慣量j11、j22和j12的方程為：式中，e1、m1、ρ1、j1分別為外偏心環(huán)的偏心距、質(zhì)量、質(zhì)心到中心點的距離、轉(zhuǎn)動慣量，e2、m2、ρ2、j2分別為內(nèi)偏心環(huán)的偏心距、質(zhì)量、質(zhì)心到中心點的距離、轉(zhuǎn)動慣量，m3、ρ3、l分別為擺頭質(zhì)量、質(zhì)心到中心點的距離、擺頭總長度；外偏心環(huán)、內(nèi)偏心環(huán)所受到的廣義力q1和q2的方程為：內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的動力學(xué)方程為：將方程(3)和方程(4)帶入方程(5)中，即可求出兩根輸入軸的力偶矩m1和m2，進(jìn)而求出內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移和按上述技術(shù)方案，步驟s104中，擺頭質(zhì)心點的三維軌跡方程為：其中，按上述技術(shù)方案，步驟s105中，根據(jù)所求出的擺頭質(zhì)心點的軌跡方程，將x3、y3、z3分別對時間t求導(dǎo)，求出擺頭質(zhì)心點的合速度v：將擺頭質(zhì)心點的合速度v對時間t求導(dǎo)，求出擺頭質(zhì)心點的加速度a：按上述技術(shù)方案，步驟s2中，采用遺傳算法對內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本發(fā)明，具有以下有益效果：本發(fā)明考慮輸入軸兩端在力偶矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，從而獲得內(nèi)外偏心環(huán)的實際角位移，然后通過一系列方程準(zhǔn)確計算出冷擺輾機擺頭在不同運動軌跡下擺頭質(zhì)心點的加速度，并據(jù)此對內(nèi)外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)加速度的最大峰值取得最小值時，在運動過程中擺頭的振動沖擊力最小，從而獲得內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距的最優(yōu)解。本發(fā)明簡單高效，當(dāng)擺輾機擺頭在不同軌跡下運動時，可以對內(nèi)外偏心環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而有效降低冷擺輾機的振動。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：圖1a是本發(fā)明實施例中外偏心環(huán)的俯視圖；圖1b是本發(fā)明實施例中外偏心環(huán)的主視圖；圖2a是本發(fā)明實施例中內(nèi)偏心環(huán)的俯視圖；圖2b是本發(fā)明實施例中內(nèi)偏心環(huán)的主視圖；圖3a是本發(fā)明實施例中擺頭的主視圖；圖3b是本發(fā)明實施例中擺頭的俯視圖；圖4是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在圓軌跡下加速度峰值變化規(guī)律圖；圖6是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在圓軌跡下優(yōu)化前后加速度曲線圖；圖7是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在直線軌跡下加速度峰值變化規(guī)律圖；圖8是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在直線軌跡下優(yōu)化前后加速度曲線圖；圖9是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在螺旋線軌跡下加速度峰值變化規(guī)律圖；圖10是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在螺旋線軌跡下優(yōu)化前后加速度曲線圖；圖11是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在多葉玫瑰線軌跡下加速度峰值變化規(guī)律圖；圖12是本發(fā)明實施例中雙偏心環(huán)冷擺輾機在多葉玫瑰線軌跡下優(yōu)化前后加速度曲線圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。在本發(fā)明的較佳實施例中，如圖1a-圖4所示，一種多軌跡、小振動冷擺輾機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：s1、獲得冷擺輾機擺頭質(zhì)心點的加速度：s101、建立冷擺輾機內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的三維模型；s102、獲得內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移，該實際角位移為考慮輸入軸在力偶矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角與角位移之和；s103、根據(jù)內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的等效轉(zhuǎn)動慣量方程、廣義力方程和動力學(xué)方程，求出兩根輸入軸的力偶矩，進(jìn)而求出內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移；s104、通過內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移，求出擺頭質(zhì)心點的軌跡方程；s105、根據(jù)求解出的擺頭質(zhì)心點的軌跡方程，獲得擺頭質(zhì)心點的合速度，進(jìn)而求得擺頭質(zhì)心點的加速度；s2、先取內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距相等(目前擺輾機內(nèi)外偏心環(huán)偏心距都相等)，準(zhǔn)確計算出擺頭在不同運動軌跡下的擺頭質(zhì)心點的加速度，再令內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距不相等，以內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距的偏心距為變量、減小擺頭質(zhì)心點加速度的最大峰值為目標(biāo)，對內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)加速度的最大峰值取得最小值時，對應(yīng)內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)偏心距的取值即為內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。在發(fā)明的優(yōu)選實施例中，步驟s102中，考慮兩根輸入軸分別在力偶矩m1和m2作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角和分別為其中，g為剪切模量，d1和d2分別為兩根輸入軸的直徑，l1和l2分別為兩根輸入軸的長度，則內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移和的方程為：式中，q1和q2分別為內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的角位移。在發(fā)明的優(yōu)選實施例中，步驟s103中，內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的等效轉(zhuǎn)動慣量j11、j22和j12的方程為：式中，e1、m1、ρ1、j1分別為外偏心環(huán)的偏心距、質(zhì)量、質(zhì)心到中心點o1的距離、轉(zhuǎn)動慣量，e2、m2、ρ2、j2分別為內(nèi)偏心環(huán)的偏心距、質(zhì)量、質(zhì)心到中心點o2的距離、轉(zhuǎn)動慣量，m3、ρ3、l分別為擺頭質(zhì)量、質(zhì)心到中心點o3的距離、擺頭總長度；在內(nèi)外偏心環(huán)及擺頭系統(tǒng)中，內(nèi)外偏心環(huán)受到外部廣義力的作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動，外偏心環(huán)、內(nèi)偏心環(huán)所受到的廣義力q1和q2的方程為：內(nèi)偏心環(huán)、外偏心環(huán)以及擺頭的動力學(xué)方程為：將方程(3)和方程(4)帶入方程(5)中，即可求出兩根輸入軸的力偶矩m1和m2，進(jìn)而求出內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)的實際角位移和在發(fā)明的優(yōu)選實施例中，步驟s104中，擺頭質(zhì)心點的三維軌跡方程為：其中，在發(fā)明的優(yōu)選實施例中，步驟s105中，根據(jù)所求出的擺頭質(zhì)心點的軌跡方程，將x3、y3、z3分別對時間t求導(dǎo)，求出擺頭質(zhì)心點的合速度v：將擺頭質(zhì)心點的合速度v對時間t求導(dǎo)，求出擺頭質(zhì)心點的加速度a：在發(fā)明的優(yōu)選實施例中，步驟s2中，采用遺傳算法對內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，具體為運用matlab遺傳算法工具箱。本發(fā)明在具體應(yīng)用時，內(nèi)外偏心環(huán)及擺頭的材料均為鋼，鋼的密度為ρ。雙偏心環(huán)冷擺輾機擺頭以圓、直線、螺旋線和多葉玫瑰線軌跡運動時，與四種工況相對應(yīng)的內(nèi)外偏心環(huán)角位移q1、q2之比分別為1:1、1:-1、8:7、8:-7。其他未知參數(shù)取值如表1所示。表1參數(shù)名稱符號取值單位外偏心環(huán)外徑r010.21m外偏心環(huán)內(nèi)徑r020.1575m外偏心環(huán)高度h10.2m內(nèi)偏心環(huán)外徑r020.1575m內(nèi)偏心環(huán)內(nèi)徑r030.108m內(nèi)偏心環(huán)高度h20.2m擺頭上端圓柱體半徑r040.06m擺頭中間圓柱體半徑r050.15m擺頭上端圓柱體高度d10.46m擺頭中間圓柱體高度d20.14m擺頭底部圓錐體高度d30.05m外偏心環(huán)偏心距e10.0105m內(nèi)偏心環(huán)偏心距e20.0105m鋼的密度ρ7.9×103kg/m3兩根輸入軸半徑d1、d20.11m兩根輸入軸長度l1、l20.45m鋼的剪切模量g80gpa最終所得到的結(jié)果為：擺頭以圓軌跡運動時，加速度峰值變化規(guī)律如圖5所示，優(yōu)化前后擺頭加速度曲線如圖6所示，e1優(yōu)化前后的取值分別是10.5mm和19mm；擺頭以直線軌跡運動時，加速度峰值變化規(guī)律如圖7所示，優(yōu)化前后擺頭加速度曲線如圖8所示，e1優(yōu)化前后的取值分別是10.5mm和20mm；擺頭以螺旋線軌跡運動時，加速度峰值變化規(guī)律如圖9所示，優(yōu)化前后擺頭加速度曲線如圖10所示，e1優(yōu)化前后的取值分別是10.5mm和20mm；擺頭以多葉玫瑰線軌跡運動時，加速度峰值變化規(guī)律如圖11所示，優(yōu)化前后擺頭加速度曲線如圖12所示，e1優(yōu)化前后的取值分別是10.5mm和20mm。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12