一种多轨迹、小振动冷摆辗机的结构优化设计方法与流程

本发明属于摆辗设备优化设计
技术领域：
，具体涉及一种多轨迹、小振动冷摆辗机的结构优化设计方法。
背景技术：
：摆辗是连续局部塑性成形新工艺，具有省力、冲击小、噪声低、节能节材和产品精度高等优点，广泛应用于机械、汽车、电器、仪表、五金工具等众多工业领域。摆辗机是进行摆辗加工的主要设备，现有的双偏心环冷摆辗机可以实现摆头的四种运动轨迹，即圆、直线、多叶玫瑰线和螺旋线轨迹。在不同轨迹下，内外偏心环的结构对于摆辗机的振动影响较大，而摆辗机振动又会影响加工件成形质量以及摆辗机的服役性能和使用寿命。所以迫切需要对内外偏心环进行结构优化设计以减小摆辗机的振动。目前还没有关于多轨迹冷摆辗机内外偏心环结构优化设计方法的报道。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种多轨迹、小振动冷摆辗机的结构优化设计方法，它可以准确计算出双偏心环冷摆辗机摆头不同运动轨迹下摆头质心的加速度，并据此对冷摆辗机的内外偏心环进行结构优化设计。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多轨迹、小振动冷摆辗机的结构优化设计方法，包括以下步骤：s1、获得冷摆辗机摆头质心点的加速度：s101、建立冷摆辗机内偏心环、外偏心环以及摆头的三维模型；s102、获得内偏心环和外偏心环的实际角位移，该实际角位移为考虑输入轴在力偶矩作用下产生的扭转角与角位移之和；s103、根据内偏心环、外偏心环以及摆头的等效转动惯量方程、广义力方程和动力学方程，求出两根输入轴的力偶矩，进而求出内偏心环和外偏心环的实际角位移；s104、通过内偏心环和外偏心环的实际角位移，求出摆头质心点的轨迹方程；s105、根据求解出的摆头质心点的轨迹方程，获得摆头质心点的合速度，进而求得摆头质心点的加速度；s2、先取内偏心环和外偏心环偏心距相等，准确计算出摆头在不同运动轨迹下的摆头质心点的加速度，再令内偏心环和外偏心环偏心距不相等，以内偏心环和外偏心环偏心距的偏心距为变量、减小摆头质心点加速度的最大峰值为目标，对内偏心环和外偏心环进行结构优化设计，当加速度的最大峰值取得最小值时，对应内偏心环和外偏心环偏心距的取值即为内偏心环和外偏心环结构的最优解。按上述技术方案，步骤s102中，考虑两根输入轴分别在力偶矩m1和m2作用下产生的扭转角和分别为其中，g为剪切模量，d1和d2分别为两根输入轴的直径，l1和l2分别为两根输入轴的长度，则内偏心环和外偏心环的实际角位移和的方程为：式中，q1和q2分别为内偏心环和外偏心环的角位移。按上述技术方案，步骤s103中，内偏心环、外偏心环以及摆头的等效转动惯量j11、j22和j12的方程为：式中，e1、m1、ρ1、j1分别为外偏心环的偏心距、质量、质心到中心点的距离、转动惯量，e2、m2、ρ2、j2分别为内偏心环的偏心距、质量、质心到中心点的距离、转动惯量，m3、ρ3、l分别为摆头质量、质心到中心点的距离、摆头总长度；外偏心环、内偏心环所受到的广义力q1和q2的方程为：内偏心环、外偏心环以及摆头的动力学方程为：将方程(3)和方程(4)带入方程(5)中，即可求出两根输入轴的力偶矩m1和m2，进而求出内偏心环和外偏心环的实际角位移和按上述技术方案，步骤s104中，摆头质心点的三维轨迹方程为：其中，按上述技术方案，步骤s105中，根据所求出的摆头质心点的轨迹方程，将x3、y3、z3分别对时间t求导，求出摆头质心点的合速度v：将摆头质心点的合速度v对时间t求导，求出摆头质心点的加速度a：按上述技术方案，步骤s2中，采用遗传算法对内偏心环和外偏心环进行结构优化设计。本发明，具有以下有益效果：本发明考虑输入轴两端在力偶矩作用下产生的扭转角，从而获得内外偏心环的实际角位移，然后通过一系列方程准确计算出冷摆辗机摆头在不同运动轨迹下摆头质心点的加速度，并据此对内外偏心环进行结构优化设计，当加速度的最大峰值取得最小值时，在运动过程中摆头的振动冲击力最小，从而获得内偏心环和外偏心环偏心距的最优解。本发明简单高效，当摆辗机摆头在不同轨迹下运动时，可以对内外偏心环的结构进行优化设计，进而有效降低冷摆辗机的振动。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1a是本发明实施例中外偏心环的俯视图；图1b是本发明实施例中外偏心环的主视图；图2a是本发明实施例中内偏心环的俯视图；图2b是本发明实施例中内偏心环的主视图；图3a是本发明实施例中摆头的主视图；图3b是本发明实施例中摆头的俯视图；图4是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机的三维结构示意图；图5是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在圆轨迹下加速度峰值变化规律图；图6是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在圆轨迹下优化前后加速度曲线图；图7是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在直线轨迹下加速度峰值变化规律图；图8是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在直线轨迹下优化前后加速度曲线图；图9是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在螺旋线轨迹下加速度峰值变化规律图；图10是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在螺旋线轨迹下优化前后加速度曲线图；图11是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在多叶玫瑰线轨迹下加速度峰值变化规律图；图12是本发明实施例中双偏心环冷摆辗机在多叶玫瑰线轨迹下优化前后加速度曲线图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在本发明的较佳实施例中，如图1a-图4所示，一种多轨迹、小振动冷摆辗机的结构优化设计方法，包括以下步骤：s1、获得冷摆辗机摆头质心点的加速度：s101、建立冷摆辗机内偏心环、外偏心环以及摆头的三维模型；s102、获得内偏心环和外偏心环的实际角位移，该实际角位移为考虑输入轴在力偶矩作用下产生的扭转角与角位移之和；s103、根据内偏心环、外偏心环以及摆头的等效转动惯量方程、广义力方程和动力学方程，求出两根输入轴的力偶矩，进而求出内偏心环和外偏心环的实际角位移；s104、通过内偏心环和外偏心环的实际角位移，求出摆头质心点的轨迹方程；s105、根据求解出的摆头质心点的轨迹方程，获得摆头质心点的合速度，进而求得摆头质心点的加速度；s2、先取内偏心环和外偏心环偏心距相等(目前摆辗机内外偏心环偏心距都相等)，准确计算出摆头在不同运动轨迹下的摆头质心点的加速度，再令内偏心环和外偏心环偏心距不相等，以内偏心环和外偏心环偏心距的偏心距为变量、减小摆头质心点加速度的最大峰值为目标，对内偏心环和外偏心环进行结构优化设计，当加速度的最大峰值取得最小值时，对应内偏心环和外偏心环偏心距的取值即为内偏心环和外偏心环结构的最优解。在发明的优选实施例中，步骤s102中，考虑两根输入轴分别在力偶矩m1和m2作用下产生的扭转角和分别为其中，g为剪切模量，d1和d2分别为两根输入轴的直径，l1和l2分别为两根输入轴的长度，则内偏心环和外偏心环的实际角位移和的方程为：式中，q1和q2分别为内偏心环和外偏心环的角位移。在发明的优选实施例中，步骤s103中，内偏心环、外偏心环以及摆头的等效转动惯量j11、j22和j12的方程为：式中，e1、m1、ρ1、j1分别为外偏心环的偏心距、质量、质心到中心点o1的距离、转动惯量，e2、m2、ρ2、j2分别为内偏心环的偏心距、质量、质心到中心点o2的距离、转动惯量，m3、ρ3、l分别为摆头质量、质心到中心点o3的距离、摆头总长度；在内外偏心环及摆头系统中，内外偏心环受到外部广义力的作用而发生转动，外偏心环、内偏心环所受到的广义力q1和q2的方程为：内偏心环、外偏心环以及摆头的动力学方程为：将方程(3)和方程(4)带入方程(5)中，即可求出两根输入轴的力偶矩m1和m2，进而求出内偏心环和外偏心环的实际角位移和在发明的优选实施例中，步骤s104中，摆头质心点的三维轨迹方程为：其中，在发明的优选实施例中，步骤s105中，根据所求出的摆头质心点的轨迹方程，将x3、y3、z3分别对时间t求导，求出摆头质心点的合速度v：将摆头质心点的合速度v对时间t求导，求出摆头质心点的加速度a：在发明的优选实施例中，步骤s2中，采用遗传算法对内偏心环和外偏心环进行结构优化设计，具体为运用matlab遗传算法工具箱。本发明在具体应用时，内外偏心环及摆头的材料均为钢，钢的密度为ρ。双偏心环冷摆辗机摆头以圆、直线、螺旋线和多叶玫瑰线轨迹运动时，与四种工况相对应的内外偏心环角位移q1、q2之比分别为1:1、1:-1、8:7、8:-7。其他未知参数取值如表1所示。表1参数名称符号取值单位外偏心环外径r010.21m外偏心环内径r020.1575m外偏心环高度h10.2m内偏心环外径r020.1575m内偏心环内径r030.108m内偏心环高度h20.2m摆头上端圆柱体半径r040.06m摆头中间圆柱体半径r050.15m摆头上端圆柱体高度d10.46m摆头中间圆柱体高度d20.14m摆头底部圆锥体高度d30.05m外偏心环偏心距e10.0105m内偏心环偏心距e20.0105m钢的密度ρ7.9×103kg/m3两根输入轴半径d1、d20.11m两根输入轴长度l1、l20.45m钢的剪切模量g80gpa最终所得到的结果为：摆头以圆轨迹运动时，加速度峰值变化规律如图5所示，优化前后摆头加速度曲线如图6所示，e1优化前后的取值分别是10.5mm和19mm；摆头以直线轨迹运动时，加速度峰值变化规律如图7所示，优化前后摆头加速度曲线如图8所示，e1优化前后的取值分别是10.5mm和20mm；摆头以螺旋线轨迹运动时，加速度峰值变化规律如图9所示，优化前后摆头加速度曲线如图10所示，e1优化前后的取值分别是10.5mm和20mm；摆头以多叶玫瑰线轨迹运动时，加速度峰值变化规律如图11所示，优化前后摆头加速度曲线如图12所示，e1优化前后的取值分别是10.5mm和20mm。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。当前第1页12