基于ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的壓力機(jī)平衡缸優(yōu)化設(shè)計(jì)

杜二虎，莫健華，呂 言，黃海波

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

基于ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的壓力機(jī)平衡缸優(yōu)化設(shè)計(jì)

杜二虎，莫健華，呂 言，黃海波

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

平衡缸是機(jī)械式壓力機(jī)必不可少的一部分，平衡缸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到機(jī)、電、液、氣諸方面。本文應(yīng)用基于ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的仿真與設(shè)計(jì)方法，即利用ADAMS建立平衡缸系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型，利用AMESim建立平衡缸系統(tǒng)的液壓、氣動(dòng)模型以及控制系統(tǒng)。然后利用兩個(gè)軟件對伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及平衡缸系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，得出適當(dāng)增加平衡缸液壓系統(tǒng)軟管直徑和蓄能器容積可以明顯減小電機(jī)負(fù)載。

機(jī)械設(shè)計(jì)；平衡缸；聯(lián)合仿真；ADAMS；AMESim；伺服壓力機(jī)

1 前言

機(jī)械式伺服壓力機(jī)擁有高精度、高柔性、低能耗以及高效率等優(yōu)點(diǎn)。即將取代傳統(tǒng)壓力機(jī)成為塑性加工的主流設(shè)備[1]。

機(jī)械式壓力機(jī)的各連桿、連桿與滑塊之間鉸接處存在著一定的間隙，由于滑塊重量的作用，使間隙偏向一側(cè)。因此，當(dāng)受到工作負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷的方向與重力方向相反，間隙被推到相反一側(cè)，滑塊出現(xiàn)瞬間停止。這種現(xiàn)象成為緩氣現(xiàn)象[2]，而且這個(gè)間隙的轉(zhuǎn)移也會(huì)給壓力機(jī)帶來工作誤差。為了消除緩氣現(xiàn)象，需要設(shè)置滑塊平衡缸裝置使間隙始終偏向一側(cè)。傳統(tǒng)的壓力機(jī)平衡缸的仿真模擬都是單獨(dú)在各個(gè)軟件中仿真，然后互相導(dǎo)入數(shù)據(jù)，忽略了機(jī)械部分和液壓部分實(shí)時(shí)的相互影響[3]。然而實(shí)際情況下，滑塊速度的微小變化都會(huì)對油缸平衡力的曲線產(chǎn)生影響；油缸平衡力的微小變化也會(huì)對滑塊的速度曲線產(chǎn)生影響。所以傳統(tǒng)的仿真方法不能反映整個(gè)機(jī)構(gòu)間液壓部分和機(jī)械部分的實(shí)時(shí)相互作用，因此會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，不能很好地反映實(shí)際情況。本文利用聯(lián)合仿真的方法，用ADAMS和AMESim兩個(gè)軟件聯(lián)合仿真求解、傳輸數(shù)據(jù)，可以反映液壓和機(jī)械部分的實(shí)時(shí)相互作用。中南大學(xué)的郭勇[4]、哈爾濱工程大學(xué)的梁利華[5]等驗(yàn)證了ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性，本文將利用ADAMS和AMESim從另外一個(gè)角度聯(lián)合仿真分析肘桿式壓力機(jī)平衡缸系統(tǒng)的性能并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 問題描述與分析

在壓力機(jī)試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在滑塊上行時(shí)，在距下死點(diǎn)近200mm處過載停機(jī)，經(jīng)分析認(rèn)為問題主要來自以下兩個(gè)方面：

（1）軟管直徑過小?；瑝K運(yùn)動(dòng)速度很高，平衡缸內(nèi)液流速度過高而軟管內(nèi)徑過小產(chǎn)生了很大的流動(dòng)阻力，這樣，滑塊下行時(shí)阻力過大，上行時(shí)油液跟不上就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過載停機(jī)。

（2）蓄能器容積過小。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：

式中，p為氣體壓強(qiáng)，V為氣體體積，n為氣體物質(zhì)的量，R為比例常數(shù)，T為溫度。n、R為常數(shù)，所以當(dāng)溫度一定時(shí)便有pV為常數(shù)。

由于滑塊的行程一定，也就是柱塞缸的行程一定，而且柱塞截面積S為定值，所以不同蓄能器容積的平衡缸液壓系統(tǒng)的蓄能器容積變化量ΔV=Sl為定值。在平衡缸液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中設(shè)置一個(gè)平衡點(diǎn)，使之在該點(diǎn)處平衡掉滑塊及上模具的重量，所以不同蓄能器容積的平衡缸液壓系統(tǒng)在平衡點(diǎn)處的平衡力是定值，也就是系統(tǒng)壓強(qiáng)是定值。設(shè)此時(shí)的系統(tǒng)壓強(qiáng)為p，任意時(shí)刻的系統(tǒng)壓強(qiáng)為p1，則有：

式（4）中，p、S為定值，因此，當(dāng) V 越大時(shí)，p/V越小，即平衡力的曲線斜率越小。這樣在平衡點(diǎn)以上時(shí)，V越大平衡力越大，在距下死點(diǎn)60mm以下時(shí)，V越大平衡力越小。

因此，蓄能器容積過小時(shí)，油缸平衡力隨滑塊行程的變化曲線的斜率會(huì)很大，導(dǎo)致在壓力機(jī)工作行程以上的部分油缸平衡力過小，使電機(jī)負(fù)載增加。

下文重點(diǎn)從以上兩個(gè)問題著手進(jìn)行分析。

3 模型的建立

壓力機(jī)傳動(dòng)部分及平衡油缸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，滾珠絲桿將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線運(yùn)動(dòng)，螺母再帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)由電機(jī)到滑塊的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞，平衡油缸分布在滑塊兩側(cè)，用來平衡滑塊及上模具的自重，并起緩沖作用。

3.1 壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)部分建模

本文研究的壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，要求滑塊平均速度達(dá)到400mm/s。經(jīng)過研究得螺母處速度至少要達(dá)到600mm/s。滾珠絲桿的螺距為20mm，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1800n/min。

在三維建模軟件UG中進(jìn)行壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模，并將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，進(jìn)行必要的合并，賦予材料屬性，添加約束副、阻尼、油缸反力、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。如圖2（a）所示。

3.2 平衡缸液壓系統(tǒng)建模

平衡油缸的平衡力用來平衡滑塊及上模具的重力，消除所謂緩氣現(xiàn)象帶來的加工誤差，但若平衡力過大則會(huì)增加壓力機(jī)的負(fù)載。平衡缸的平衡力隨著滑塊的下行不斷增加，所以要求在上模具接觸工件前，平衡力完全平衡掉滑塊及上模具的重力（本文中為距下死點(diǎn)60mm）?；瑝K加上模具的重量為6000kg，柱塞缸柱塞直徑按標(biāo)準(zhǔn)取為60mm。代入下式可求出油缸完全平衡滑塊及模具重力時(shí)的壓強(qiáng)。

式中：mg——平衡缸負(fù)載、滑塊及上模具總重力的一半，mg ＝3000×9.8=29400（N）（有兩個(gè)油缸）；

d——柱塞直徑60mm。

計(jì)算可得壓強(qiáng)P=10.4MPa，即在滑塊距下死點(diǎn)60mm時(shí)油缸的壓強(qiáng)達(dá)到10.4MPa。

在AMESim軟件中建立平衡缸液壓系統(tǒng)的模型，并設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。如圖2（b）所示，兩個(gè)油缸的負(fù)載相同，所以本文只建立一個(gè)油缸的模型，然后在將油缸反力添加到ADAMS中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)對平衡力乘以2。

4 壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及平衡缸系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真

4.1 聯(lián)合仿真模型的建立

如前所述，本文利用ADAMS軟件在動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真方面以及AMESim軟件在液壓、氣壓和控制方面的各自優(yōu)勢來仿真伺服壓力機(jī)的平衡缸液壓系統(tǒng)。其中AMESim為聯(lián)合仿真的主控軟件，首先在ADAMS軟件中建立好壓力機(jī)機(jī)械部分的模型，然后創(chuàng)建壓力機(jī)滑塊速度及位移的測量函數(shù)D（Displacement）和 V（Velocity）兩個(gè) ADAMS 的輸出變量作為AMESim中油缸的柱塞位移和速度的輸入變量，創(chuàng)建一個(gè)ADAMS的輸入變量力F（Force）作為AMESim中柱塞的平衡力的輸出變量。通過ADAMS的Control模塊將ADAMS中的壓力機(jī)機(jī)械部分模型輸出為一個(gè)模塊，將這個(gè)模塊導(dǎo)入到主控軟件AMESim中作為AMESim中的一個(gè)模塊，這個(gè)接口模塊即可實(shí)現(xiàn)ADAMS及AMESim之間的信息傳輸，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，其仿真結(jié)果在兩個(gè)軟件中都可以查看。

4.2 聯(lián)合仿真

進(jìn)入AMESim的仿真模塊，設(shè)置仿真時(shí)間為1.3s，仿真步長為0.001（ADAMS中的仿真步長為0.01，在AMESim中要更?。?，即可進(jìn)行仿真。

如前所述，平衡缸液壓系統(tǒng)兩個(gè)因素對壓力機(jī)的電機(jī)扭矩以及壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)性能有較大影響：連接柱塞缸和蓄能器的軟管的內(nèi)徑以及蓄能器的容積，以下重點(diǎn)仿真研究這兩個(gè)因素。

4.2.1 軟管直徑的仿真分析

其他參數(shù)不變的情況下，改變軟管的直徑可以得到不同軟管直徑下平衡缸平衡力隨滑塊行程的變化曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯浌苤睆叫∮?0mm時(shí)，有較大的流動(dòng)阻力，軟管直徑在小于14mm后流動(dòng)阻力急劇增加，這大大增加了壓力機(jī)工作過程中的負(fù)載，同時(shí)在滑塊上行過程中會(huì)出現(xiàn)油壓不足的現(xiàn)象，增加了滑塊上行時(shí)電機(jī)的負(fù)載。而且其不規(guī)則的壓力曲線也對平衡缸的控制帶來難度。仿真發(fā)現(xiàn)在軟管直徑大于30mm后壓力—行程曲線趨于直線，在軟管直徑大于40mm后壓力—行程曲線隨軟管直徑的改變變化不大，因此軟管的直徑取40mm～50mm即可。在ADAMS中可以調(diào)用聯(lián)合仿真中間文件查看電機(jī)扭矩的變化曲線，如圖4所示，在滑塊上行時(shí)，軟管直徑越小，電機(jī)負(fù)載越大，在40mm以上時(shí)無太大變化。

4.2.2 蓄能器容積的仿真分析

其他參數(shù)不變的情況下，改變蓄能器的容積進(jìn)行仿真，即可得到不同蓄能器容積時(shí)的平衡缸平衡力相對于壓力機(jī)滑塊行程的變化曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，蓄能器的容積越大，壓力—行程曲線越平緩。在距下死點(diǎn)60mm處的壓力一定的情況下，蓄能器容積越大時(shí)在60mm以上時(shí)壓力要大些，而在60mm以下時(shí)壓力要小些。這樣在滑塊上行時(shí)電機(jī)負(fù)載會(huì)小一些，如圖6所示。蓄能器容積越大，在距下死點(diǎn)150mm以上時(shí)電機(jī)負(fù)載得到了明顯的減小。

4.3 平衡缸液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

從上一節(jié)的分析得知，軟管直徑越大、蓄能器容積越大時(shí)可以減小滑塊上行時(shí)的電機(jī)負(fù)載。但是考慮到實(shí)際情況以及壓力機(jī)尺寸限制，不可能很大幅度地增加軟管直徑和蓄能器容積，因此，綜合考慮后將軟管直徑由原來的10mm增加為45mm，將蓄能器容積由原來的10L增加到20L。這時(shí)通過聯(lián)合仿真可以得出電機(jī)負(fù)載有了明顯的小，如圖7所示。可以看出：

（1）蓄能器容積為10L、軟管直徑為10mm時(shí)，電機(jī)扭矩曲線在滑塊上行和下行時(shí)有較大的偏差，而當(dāng)蓄能器容積為20L、軟管直徑為45mm時(shí)，滑塊上行和下行時(shí)的曲線完全重合。

（2）滑塊上行過程中，增大蓄能器容積同時(shí)增大軟管直徑后，電機(jī)扭矩得到了明顯的降低，最大扭矩從275N·m降低到了235N·m，降低了17%左右；平均扭矩也從 132N·m降到了 113N·m，降低了16.8%。有效降低了電機(jī)的負(fù)載。通過實(shí)際修改后，

5 結(jié)論

（1）通過聯(lián)合仿真分析，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加軟管直徑和蓄能器容積后，有利于減小電機(jī)負(fù)載，并且消除本文所研究的伺服壓力機(jī)的電機(jī)過載問題。

（2）采用ADAMS和AMESim的聯(lián)合仿真，可以發(fā)揮兩個(gè)軟件各自在建模以及計(jì)算方面的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了仿真的時(shí)間，減小了復(fù)雜模型的建模困難，而且還可以得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。該聯(lián)合仿真模型的建立以及聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)，為壓力機(jī)平衡缸系統(tǒng)的特性分析研究以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種全新的方法?；瑝K上行時(shí)，電機(jī)不再出現(xiàn)過載。

（3）滑塊下行過程中，在工作行程（距下死點(diǎn)60mm以內(nèi)）以外電機(jī)扭矩有一定的增加，但這對壓力機(jī)的正常工作影響很小。

[1]莫健華，鄭加坤，古嗣伸裕，等.伺服壓力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，（5）：19-22.

[2]楊 群.機(jī)械壓力機(jī)的基礎(chǔ)知識.北京：電子工業(yè)出版社，1990.

[3]莫健華，張正斌，呂 言，等.三角肘桿式伺服壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真與優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，（1）：21-25.

[4]郭 勇，彭 勇，過新華，等.運(yùn)用ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的LUDV液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析.現(xiàn)代制造工程[J]，2010，（7）：30-34.

[5]梁利華，寧繼鵬，史宏宇.基于AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真技術(shù)的減搖鰭液壓系統(tǒng)仿真研究.機(jī)床與液壓[J]，2009，（8）：200-202.

Optimization design of balance cylinder for servo press based on co-simulation of ADAMS and AMESim

DU Erhu,MO Jianhua,LV Yan,HUANG Haibo
（State Key Lab of Material Processing and Die&Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei China）

In order to simulate and optimize the balance cylinder system precisely,the simulation and optimal design method based on ADAMS and AMESim co-simulation has been proposed in the text.The mechanical dynamic system of the model has been built on ADAMS platform,while the hydraulic,pneumatic and control systems of the model have been built on AMESim platform.Then,a co-simulation of the transmission and balance cylinder system for the servo press has been carried out by use of two kinds of software.It is found out that proper increase of the hose diameter and the accumulator volume of the hydraulic system can apparently reduce the load of the motor.

Balance cylinder;Co-simulation;ADAMS;AMESim;Servo press

TG315.5

A

1672－0121（2012）03－0026－04

2011-12-05

杜二虎（1987-），男，碩士在讀，主攻材料加工裝備與技術(shù)研究