Φ406端面銑頭倒棱機(jī)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

柴曉艷，余小巧

(1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384;2.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300191)

1 概述

鋼管在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的位置，其用量每年增長(zhǎng)幾百萬(wàn)t。為了生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值的鋼管，擴(kuò)展鋼管更廣泛的用途，需對(duì)鋼管端面銑頭、倒棱、去毛刺，全自動(dòng)鋼管端面銑頭倒棱機(jī)就是完成這一功能的專用機(jī)床。該設(shè)備包括銑頭加工機(jī)構(gòu)和自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)兩大部分，有單工位和雙工位之分，即一次完成單根還是雙根鋼管端面銑頭、倒棱、去毛刺的工作，雙工位具有更高的效率。本文采用ADAMS軟件利用參數(shù)表達(dá)式、參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)化、使用設(shè)計(jì)變量等手段參數(shù)化建模，然后對(duì)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)中的兩種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得最優(yōu)化的自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)。

2 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

Φ406全自動(dòng)鋼管端面銑頭倒棱機(jī)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)由升降機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)組成，采用的是多桿機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)以步進(jìn)的方式依次將被加工的工件送至工作位置，同時(shí)將工作位置的已加工的工件送出到指定位置，其步進(jìn)停頓的時(shí)間就是工件被加工的時(shí)間。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)與銑頭加工機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。

自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)如圖1所示，活塞桿4伸出，帶動(dòng)搖桿1、3擺動(dòng)，由于1、3桿長(zhǎng)度相等且平行布置，故1、2、3桿和機(jī)架構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，1、3桿擺動(dòng)時(shí)帶動(dòng)連桿2水平升降，桿1、2、3、4、9和機(jī)架組成了升降機(jī)構(gòu)。在連桿2上裝配有可水平移動(dòng)的鋼管定位塊8，鋼管定位塊8可隨連桿2水平升降，當(dāng)活塞桿7動(dòng)作，帶動(dòng)搖桿6擺動(dòng)，通過(guò)連桿5帶動(dòng)鋼管定位塊8沿連桿2水平移動(dòng)。桿5、6、7、8、10和機(jī)架組成了橫移機(jī)構(gòu)。

工作時(shí)首先活塞桿4伸出，帶動(dòng)鋼管定位塊8上升，上升到一定距離后接觸鋼管(如圖1所示)，鋼管定位塊8上有V型槽可將鋼管11托起，當(dāng)1、3桿到達(dá)垂直位置時(shí)，由接近開(kāi)關(guān)控制活塞桿4停止運(yùn)動(dòng)，鋼管定位塊8及其鋼管11在活塞桿7的帶動(dòng)下開(kāi)始向右作水平移動(dòng)，移動(dòng)距離為一個(gè)步進(jìn)的位置，如圖1所示，由于是雙工位，一個(gè)步進(jìn)位置兩個(gè)鋼管之間的距離的兩倍，即650×2=1 300 mm。水平移動(dòng)完成后在接近開(kāi)關(guān)的控制下活塞桿7停止運(yùn)動(dòng)，滑塊8及其鋼管11在升降機(jī)構(gòu)的作用下開(kāi)始下降，下降到一定距離，鋼管11由銑頭加工機(jī)構(gòu)的V型槽托住(圖中未畫(huà)銑頭加工機(jī)構(gòu))，自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的V型槽與鋼管脫離，下降結(jié)束后，橫移機(jī)構(gòu)反向移動(dòng)(向左)，等待下一周期的送料運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，銑頭加工機(jī)構(gòu)開(kāi)始對(duì)鋼管的兩端進(jìn)行銑頭、倒棱等工作。

圖1 Φ406自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

建立升降機(jī)構(gòu)模型，如圖2所示。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，搖桿3與活塞桿4連接點(diǎn)B受力的變化曲線如圖3所示，活塞桿4勻速運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)處的受力是變化的。由圖1可知，A、B鉸鏈的位置決定了活塞桿4的安裝位置，這個(gè)位置要考慮桿件尺寸發(fā)生變化時(shí)鉸鏈在桿件中所處的位置。當(dāng)原動(dòng)件所在的位置不同時(shí)，在同樣的工作條件下所的力是不同的，即使活塞桿的安裝位置確定，在整個(gè)升降過(guò)程中原動(dòng)件的輸出力也是變化的，圖3說(shuō)明了這一點(diǎn)。A、B鉸鏈應(yīng)在何位置使活塞桿4在升降過(guò)程中所輸出的最大力值為最小，這就是升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)。

3.2 參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，升降機(jī)構(gòu)模型中創(chuàng)建了五個(gè)參數(shù)化點(diǎn)、十個(gè)主要設(shè)計(jì)變量，這些點(diǎn)和變量所在的位置如圖4所示。這些參數(shù)化點(diǎn)必須與所在位置的構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，當(dāng)這些參數(shù)化點(diǎn)的位置改變時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件的尺寸也會(huì)發(fā)生變化。

圖4 升降機(jī)構(gòu)參數(shù)關(guān)系幾何圖形

Point1點(diǎn)(A點(diǎn))的x坐標(biāo)設(shè)為DV_1(A點(diǎn)的y坐標(biāo)變化是沒(méi)有意義的)，活塞桿4的傾角ρ設(shè)為DV_2，因?yàn)楫?dāng)A、B鉸鏈的位置發(fā)生變化或是桿件的長(zhǎng)度在任意方向發(fā)生變化時(shí)，活塞桿4的傾角都會(huì)隨之發(fā)生變化。由圖4可知

當(dāng)DV_3－DV_1＜0時(shí)，活塞桿4的方向發(fā)生變化，此時(shí)活塞桿4的角度為

由此在參數(shù)表達(dá)式中需要判斷DV_3－DV_1的正負(fù)，以決定180°的取舍。這一部分ADAMS參數(shù)表達(dá)式為

DV_2=(ATAN(DV_4/(．model_1．DV_1－．model_1．DV_3))+DV_6) (1)

DV_6=(MAX({0，SIGN(180，．model_1．DV_1－．model_1．DV_3)})) (2)式中，SIGN(180，．model_1．DV_1－．model_1．DV_3)為符號(hào)函數(shù)，表示當(dāng)DV_1－DV_3≥0時(shí)，返回值為180;當(dāng)DV_1－DV_3＜0時(shí)，返回值為 －180。MAX是返回最大值函數(shù)，當(dāng)SIGN函數(shù)返回180時(shí)，MAX返回180;當(dāng)SIGN函數(shù)返回－180時(shí)，MAX返回0。并將MAX的返回值設(shè)置為DV_6，代入式(1)，即完成了ρ角的設(shè)定。

Point2點(diǎn)(B點(diǎn))的x、y坐標(biāo)分別設(shè)為DV_3、DV_4，桿3的傾角α設(shè)為DV_5，point3點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí)，α角也會(huì)發(fā)生變化，由圖4可得

ADAMS參數(shù)表達(dá)式為

當(dāng)DV_3發(fā)生變化時(shí)，DV_4必須隨之發(fā)生變化，變化結(jié)果使B點(diǎn)始終在搖桿3上，其相互關(guān)系圖4。

ADAMS參數(shù)表達(dá)式為

Point3、Point4、Point5點(diǎn)是為了改變桿件長(zhǎng)度而設(shè)置的參數(shù)化點(diǎn)，由于1、2、3桿和機(jī)架是平行四邊形機(jī)構(gòu)，所以該機(jī)構(gòu)無(wú)論是在x方向還是y方向尺寸發(fā)生變化時(shí)，都應(yīng)該同時(shí)有兩個(gè)一樣的增量，即DV_7與DV_9的增量相同，DV_8與DV_10的增量相同，由此完成了升降機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模。

在仿真分析中，當(dāng)桿3到達(dá)垂直位置時(shí)，根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)應(yīng)停止仿真，但是當(dāng)A、B鉸鏈在不同的位置時(shí)，仿真時(shí)間是不同的，為此建立了傳感器，以測(cè)量桿3的角度，當(dāng)桿3運(yùn)動(dòng)到垂直位置時(shí)，仿真運(yùn)動(dòng)立即停止。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

ADAMS/View的參數(shù)化分析功能可以分析設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)樣機(jī)性能的影響，在參數(shù)化分析過(guò)程中，ADAMS/View采用不同的設(shè)計(jì)參數(shù)值，自動(dòng)地運(yùn)行一系列的仿真分析，然后返回分析結(jié)果。通過(guò)對(duì)參數(shù)化分析結(jié)果的分析，可以研究一個(gè)或多個(gè)參數(shù)變化對(duì)樣機(jī)性能的影響，獲得最優(yōu)化的樣機(jī)。

3.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

由上面的分析可知，設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_3、DV_9和DV_10是自變量，其他變量為因變量。系統(tǒng)對(duì)4個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，ADAMS自動(dòng)生成設(shè)計(jì)研究報(bào)告，在設(shè)計(jì)研究報(bào)告中，4個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值的敏感度見(jiàn)表1。通過(guò)表1可以看出:設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_3、DV_9的敏感度較高，DV_10較低，因此，在作設(shè)計(jì)研究時(shí)，將DV_10值增加10%，即該機(jī)構(gòu)在x方向桿長(zhǎng)增加10%，原動(dòng)件桿4最大力的變化僅為0.6%，這說(shuō)明DV_10影響較小，故舍去DV_10，優(yōu)化參數(shù)只有DV_1、DV_3、DV_9。

表1 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果

3.3.2 確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

優(yōu)化參數(shù)DV_1是A鉸鏈的x坐標(biāo)值(見(jiàn)圖4)，應(yīng)在L區(qū)間內(nèi)變化，為了減少優(yōu)化時(shí)間，減少迭代次數(shù)，首先對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，縮小了變量的取值范圍，最終DV_1的取值范圍是(2 630.0，3 200.0)。DV_3是B鉸鏈的x坐標(biāo)值，取值范圍是桿3的x坐標(biāo)值，試驗(yàn)研究后縮小了取值范圍，是(3 065.26，3 282.63)。DV_9是該機(jī)構(gòu)在y方向上的桿長(zhǎng)增量，這個(gè)增量值不能太大，否則就會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)包括與之配套的設(shè)備整體增大，因此設(shè)定在10%之內(nèi)變化。

3.3.3 優(yōu)化計(jì)算和分析

在完成參數(shù)化分析的準(zhǔn)備工作以后，便可以優(yōu)化計(jì)算。在Build菜單下選擇測(cè)量B鉸鏈的合力，在Simulate-Design Evaluation-Measure下選擇測(cè)量最大值，在優(yōu)化目標(biāo)下選擇最小值，優(yōu)化后產(chǎn)生B鉸鏈最大力的變化曲線見(jiàn)圖5，以及迭代過(guò)程中的B鉸鏈最大力的曲線見(jiàn)圖6。

從設(shè)計(jì)研究報(bào)告可以看出，優(yōu)化后各個(gè)變量的取值及B鉸鏈的最大力值，即升降機(jī)構(gòu)原動(dòng)件活塞桿所出的最大力值，還可以看到優(yōu)化前的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2可以看出優(yōu)化效果是非常明顯的，DV_1、DV_3的改變只是改變鉸鏈的位置，不改變桿件的長(zhǎng)度。DV_9使桿件的長(zhǎng)度增加了35 mm，但整體的效果是B鉸鏈的最大力值減少了58.3%。

表2 升降機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

4 橫移機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

建立橫移機(jī)構(gòu)模型，如圖7所示。在此模型中優(yōu)化的是橫移機(jī)構(gòu)原動(dòng)件活塞桿的位置，即確定E、F鉸鏈的位置，使活塞桿在橫移過(guò)程中輸出的最大力值為最小，這就是橫移機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)。在確定鉸鏈的位置時(shí)，同時(shí)要考慮桿件尺寸發(fā)生變化時(shí)鉸鏈在桿件中所處的位置。橫移機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)優(yōu)化的意義相同，但兩機(jī)構(gòu)在參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)上均有不同。

圖7 橫移機(jī)構(gòu)模型

4.2 參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化情況，橫移機(jī)構(gòu)模型中創(chuàng)建了三個(gè)參數(shù)化點(diǎn)，六個(gè)設(shè)計(jì)變量，這些點(diǎn)和變量所在的位置見(jiàn)圖8。這些參數(shù)化點(diǎn)必須與所在位置的構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，當(dāng)這些參數(shù)化點(diǎn)的位置改變時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件的尺寸也會(huì)發(fā)生變化。橫移機(jī)構(gòu)坐標(biāo)原點(diǎn)與升降機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)原點(diǎn)是一致的。

圖8 橫移機(jī)構(gòu)參數(shù)關(guān)系幾何圖形

Point6點(diǎn)(E點(diǎn))的y坐標(biāo)設(shè)為DV_11，它的變化將直接影響到F節(jié)點(diǎn)力的大小，E點(diǎn)的x坐標(biāo)優(yōu)化是沒(méi)有意義的，在x方向上找一個(gè)合適的安裝點(diǎn)即可。Point_7點(diǎn)(F點(diǎn))的x、y坐標(biāo)分別設(shè)為DV_12、DV_13，當(dāng)DV_12發(fā)生變化時(shí)，DV_13必須隨之發(fā)生變化，其相互關(guān)系見(jiàn)圖8，由圖8可得:

桿7的角度γ設(shè)為DV_14，當(dāng)E、F鉸鏈位置發(fā)生變化時(shí)，該角度也會(huì)隨之發(fā)生變化。由圖8可得:

Point8點(diǎn)是為了改變桿件長(zhǎng)度而設(shè)置的參數(shù)化點(diǎn)，DV_15、DV_16兩個(gè)變量可以同時(shí)改變5、6桿在x方向或y方向上的桿長(zhǎng)。在改變桿長(zhǎng)的同時(shí)，5、6桿還應(yīng)在新的位置鉸接上。

根據(jù)工藝要求，橫移機(jī)構(gòu)移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)距離(本機(jī)構(gòu)步進(jìn)距離是2×650=1 300 mm)，機(jī)構(gòu)停止推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在仿真分析中，系統(tǒng)應(yīng)停止仿真，但是當(dāng)E、F鉸鏈在不同的位置時(shí)，仿真時(shí)間是不同的，為此需要建立傳感器。見(jiàn)圖8的H'位置，無(wú)論桿長(zhǎng)發(fā)生什么樣的變化，無(wú)論E、F鉸鏈在何位置，構(gòu)件8運(yùn)行一個(gè)步進(jìn)距離L3到H'位置時(shí)，都要停止推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)θ角是一定值。

因此只要監(jiān)測(cè)θ角，到達(dá)指定角度時(shí)，傳感器發(fā)揮作用，系統(tǒng)停止仿真。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

設(shè)計(jì)變量DV_11、DV_12、DV_15和DV_16是自變量，DV_13和DV_14是因變量。因此將DV_11、DV_12、DV_15和DV_16設(shè)定為優(yōu)化參數(shù)。系統(tǒng)對(duì)四個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，ADAMS自動(dòng)生成設(shè)計(jì)研究報(bào)告，在設(shè)計(jì)研究報(bào)告中，4個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值的敏感度見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果

從表3可以看出:設(shè)計(jì)變量DV_15對(duì)活塞桿力值的敏感度較大，DV_11影響最小，但從設(shè)計(jì)研究報(bào)告看出，在DV_11的變化范圍內(nèi)，活塞桿力值變化了1.4倍，故它對(duì)活塞桿力值的影響不能舍棄。

4.3.2 確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

優(yōu)化參數(shù)DV_11是E鉸鏈的y坐標(biāo)值(見(jiàn)圖8)，取值范圍是(0，918)，918是圖8中G點(diǎn)在y方向所能達(dá)到的最大值。DV_12是F鉸鏈的x坐標(biāo)值，F(xiàn)鉸鏈應(yīng)始終在桿6上變化，最大值不能超過(guò)G點(diǎn)的x坐標(biāo)值，最小值不能過(guò)小，否則推不動(dòng)6桿的擺動(dòng)，最終確定優(yōu)化范圍是(6 200.98，DV_15)。DV_15、DV_16是為了改變桿件長(zhǎng)度而設(shè)置的變量，它是在原桿長(zhǎng)的基礎(chǔ)上±10%變動(dòng)，桿長(zhǎng)過(guò)小，不能滿足推進(jìn)行程的要求，桿長(zhǎng)過(guò)大會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)增大，同時(shí)DV_15的最小值不能低于DV_12。

4.3.3 優(yōu)化計(jì)算和分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與升降機(jī)構(gòu)相同，這里不再重復(fù)。經(jīng)試驗(yàn)研究縮小優(yōu)化范圍后，開(kāi)始優(yōu)化計(jì)算，產(chǎn)生F鉸鏈最大力的變化曲線見(jiàn)圖9，迭代過(guò)程中的F鉸鏈最大力的曲線見(jiàn)圖10，從設(shè)計(jì)研究報(bào)告可以看出，優(yōu)化后各個(gè)變量的取值及F鉸鏈的最大力值，即橫移機(jī)構(gòu)原動(dòng)件活塞桿所出的最大力值，還可以看到優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。分析表4可以看出:DV_11、DV_12雖然變化較大，但只是鉸鏈位置發(fā)生變化，不改變桿件的長(zhǎng)度。DV_15使桿件長(zhǎng)度變化較大，但也僅是增加了5.4%，DV_16又使桿件長(zhǎng)度減小了0.8%，整體的效果是F鉸鏈的最大力值減少了78.4%優(yōu)化效果是非常明顯的。

5 結(jié)論

本文利用ADAMS軟件對(duì)生產(chǎn)效率較高的Φ406雙工位全自動(dòng)鋼管端面銑頭倒棱機(jī)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)建立了仿真模型、進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出了機(jī)構(gòu)工作中的最佳受力位置，獲得了最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)優(yōu)化可以使升降機(jī)構(gòu)中的最大升降載荷由原先的117 744 N減少到49 046 N，減少了58.3%，使橫移機(jī)構(gòu)中的最大推進(jìn)載荷由原先的3 814.81 N減少到837.9 N，減少了78.4%，大大的節(jié)省了能源，同時(shí)采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)還可以作為選擇標(biāo)準(zhǔn)件和計(jì)算校核零部件的依據(jù)，完成了由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向理論設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。目前已將優(yōu)化的參數(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中。

［1］ 李軍，邢俊文，覃文潔．ADAMS實(shí)例教程［M］．北京理工大學(xué)出版社，2002．

［2］ 鄭建榮．ADMAS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

［3］ 曹家酮．國(guó)外連續(xù)爐焊鋼管生產(chǎn)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1996:13－26．

［4］ 申永勝．機(jī)械原理教程［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1999．

［5］ 邱宣懷等．機(jī)械設(shè)計(jì)(第四版)［M］．北京:高等教育出版社，1997．

［6］ 吳風(fēng)梧．國(guó)外高頻直縫焊管生產(chǎn)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1985:40－44．