李 震，柴曉艷，賀凱悅

(1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384 2.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))，天津 300384)

基于ADAMS的φ76鋼管碼包機(jī)自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 震1,2，柴曉艷1,2，賀凱悅1,2

(1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384 2.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))，天津 300384)

本文借助ADAMS軟件建立了φ76鋼管碼包機(jī)的三維實(shí)體模型，在動(dòng)力學(xué)仿真運(yùn)行后對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后升降機(jī)構(gòu)最大功率降低了24.96%，平均功率降低了22.13%，極大地降低了能耗和設(shè)備的成本。并對(duì)橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，測(cè)出其最大功率為7 485.7 W，為實(shí)際生產(chǎn)中選擇合適的步進(jìn)電機(jī)提供了理論依據(jù)。

鋼管碼包機(jī)；仿真分析；參數(shù)化建模；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鋼管產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)設(shè)備上都達(dá)到了世界先進(jìn)水平，2016年1～10月份，國(guó)內(nèi)鋼管總產(chǎn)量約為8 298.01萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)5.24%。安全、高效地生產(chǎn)鋼管成為了鋼管產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求，鋼管碼包機(jī)可以對(duì)圓形和方矩形鋼管進(jìn)行自動(dòng)碼包工作，并且包形緊密、整齊。本文利用ADAMS建立碼包機(jī)三維實(shí)體模型，并經(jīng)過(guò)參數(shù)化點(diǎn)、生成設(shè)計(jì)變量、建立設(shè)計(jì)過(guò)程函數(shù)等步驟完成參數(shù)化建模，對(duì)液壓缸的最大功率實(shí)施優(yōu)化，分析優(yōu)化方案數(shù)據(jù)，最終獲得優(yōu)化的自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)。

1 自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及工作原理

鋼管碼包機(jī)自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)如圖1所示，自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)由升降機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)構(gòu)成。升降機(jī)構(gòu)要由液壓缸1、活塞桿2、連桿3、連桿5、支撐梁4、滾子11以及支撐板12組成，橫移機(jī)構(gòu)主要由鏈輪6、鏈7、支撐梁8、滾子9、滑動(dòng)快10、支撐板13組成[1]。通過(guò)升降機(jī)構(gòu)將支撐板舉升到指定高度取下鋼管后，再由橫移機(jī)構(gòu)將鋼管移動(dòng)到左端支撐架上(圖中未畫出)進(jìn)行打包[1]。

自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)共由四個(gè)行程組成。第一個(gè)行程中，當(dāng)活塞桿2下行時(shí)，直接帶動(dòng)連桿3、5向右擺動(dòng)，由于連桿3、5以及支撐梁4組成平行四邊形結(jié)構(gòu)，通過(guò)連桿3、5的向右擺動(dòng)，使得支撐梁4可以水平的升起。支撐板12通過(guò)滾子11與支撐梁4接觸，并隨著支撐梁4被舉起。經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算，支撐板12的斜面恰好在升起到水平位置時(shí)接觸到傳動(dòng)裝置上的鋼管，而后，活塞桿繼續(xù)下行，由于在連桿5處建立了傳感器來(lái)檢測(cè)連桿5水平方向上的位移，所以連桿5擺動(dòng)至豎直位置時(shí)升降機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，液壓缸1停止工作，此時(shí)支撐板12運(yùn)動(dòng)至最高處，第一行程結(jié)束。第二行程，電機(jī)(圖中未畫出)帶動(dòng)鏈輪6逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，鏈條7帶動(dòng)滑動(dòng)塊10通過(guò)滾子9向左運(yùn)動(dòng)，支撐板12托舉鋼管與滑動(dòng)塊10共同運(yùn)動(dòng)至左端支撐架處，橫移機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，電機(jī)停止工作，第二個(gè)行程結(jié)束。第三個(gè)行程是第一個(gè)行程的逆過(guò)程，液壓缸1做反向運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿3使得支撐梁4水平下移，帶動(dòng)支撐板12下移至支撐架上，液壓缸停止工作，通過(guò)支撐板12上自身傾斜角度鋼管平穩(wěn)滾動(dòng)至鋼管收集裝置中(此裝置圖中未畫出)，第三個(gè)行程結(jié)束。第四個(gè)行程是第二個(gè)行程的逆過(guò)程，電機(jī)做反向運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)卸下鋼管的支撐板12沿著支撐梁8向右運(yùn)動(dòng)至初始位置，電機(jī)停止工作，第四個(gè)行程結(jié)束。至此，自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)通過(guò)這四個(gè)行程完成一個(gè)周期的工作。

圖1 φ76自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

在ADAMS中建立自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)模型，如圖2所示。實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，機(jī)構(gòu)在連桿5運(yùn)動(dòng)至豎直位置時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，所以要對(duì)連桿5的Marker點(diǎn)進(jìn)行位移檢測(cè)，在連桿5處的Marker點(diǎn)建立位移傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)該位置在水平方向的位移，并設(shè)定傳感器的Value值為0，使得連桿在運(yùn)動(dòng)至豎直位置時(shí)恰好運(yùn)動(dòng)停止。在ADAMS中建立對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,并建立對(duì)活塞桿2的推進(jìn)功率的測(cè)量，得到液壓缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輸出功率隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。圖3中出現(xiàn)峰值的時(shí)刻為支撐板12剛接觸鋼管的那一刻，鋼管產(chǎn)生了一個(gè)瞬時(shí)加速度即活塞桿的輸出推進(jìn)力瞬時(shí)達(dá)到最大值。由圖3的功率變化曲線確定升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)是液壓缸2的最大輸出功率，優(yōu)化目的是使此最大輸出功率最小。在優(yōu)化前，為液壓缸的以及升降機(jī)構(gòu)相關(guān)鉸鏈點(diǎn)的位置輸入一定取值范圍，在優(yōu)化中不斷改變其取值，找到使液壓缸最大輸出功率最小的位置，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的，降低液壓缸的能耗[2]。

圖2 自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)模型

2.2 參數(shù)化建模

對(duì)升降機(jī)構(gòu)的相關(guān)鉸鏈點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化后得到了相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，參數(shù)化后的鉸鏈點(diǎn)如圖4所示[3]。

圖3 優(yōu)化前液壓缸1的功率變化曲線

對(duì)A點(diǎn)的橫坐標(biāo)XA進(jìn)行參數(shù)化(A點(diǎn)的縱坐標(biāo)變化沒有意義)得到DV_1。

圖4 升降機(jī)構(gòu)參數(shù)關(guān)系幾何圖形

D點(diǎn)是為了改變桿長(zhǎng)而設(shè)置的參數(shù)化點(diǎn)，對(duì)D點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)XD、YD進(jìn)行參數(shù)化后得到設(shè)計(jì)變量DV_2、DV_3，設(shè)計(jì)變量DV_3的變化會(huì)使DV_2和連桿3與水平方向的夾角α發(fā)生變化，因此設(shè)α為DV_4，設(shè)DV_3為自變量。當(dāng)連桿3由起始位置運(yùn)動(dòng)至豎直位置時(shí)，所經(jīng)過(guò)的路程為圖中的L1值，其中L1=66 mm(由設(shè)備結(jié)構(gòu)確定的值)，設(shè)連桿5的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，因?yàn)檫B桿5、支撐梁4,、連桿3與機(jī)架共同構(gòu)成平行四邊形,且YD與YE的差值為L(zhǎng)2，所以C點(diǎn)的縱坐標(biāo)恒為L(zhǎng)2，其中L2=35 mm，對(duì)C點(diǎn)的橫坐標(biāo)XC進(jìn)行參數(shù)化得到DV_5，設(shè)DV_5為自變量。由圖4可得

L-L1=YD-L2(YD-L2)/SINα-L1=YD-L2

α=ASIN(YD-L2)/(YD-L2+L1)

(1)

XD=XC-(YD-L2)/TANα

(2)

(1)、(2)式Adams的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

DV_4=ASIN(DV_3-35)/(DV_3+31)

(3)

DV_2=DV_5-(DV_3-35)/TAN(DV_4)

(4)

在運(yùn)動(dòng)中，連桿3的夾角始終等于90°，B點(diǎn)隨C點(diǎn)的變化而變化，對(duì)B點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)XB、YB進(jìn)行參數(shù)化得到設(shè)計(jì)變量DV_6、DV_7，設(shè)DV_7為自變量。

由圖4可得：YB=(XB-XC)/TANα+L2

轉(zhuǎn)化為Adams的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

DV_7=(DV_6-DV_5)/TAN(DV_4)+35

(5)

對(duì)E點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)XE、YE進(jìn)行參數(shù)化得到設(shè)計(jì)變量DV_8、DV_9。由圖4可得

XE=XD-XCYE=YD-L2

轉(zhuǎn)化為Adams的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

DV_8=DV_2-DV_5

(6)

DV_9=DV_3-35

(7)

由此完成了升降機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模[4]。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

參數(shù)化建模中，建立了4個(gè)自變量DV_1、DV_3、DV_5、DV_6和5個(gè)因變量DV_2、DV_4、DV_7、DV_8、DV_9，可以看出，因變量隨自變量變化而變化。在優(yōu)化前需要對(duì)自變量的敏感度進(jìn)行分析，根據(jù)敏感度的大小可以確定需要進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)。通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的分析，可以確定一個(gè)或者多個(gè)自變量的變化對(duì)樣機(jī)的影響，從而得到最優(yōu)化的樣機(jī)。

2.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

對(duì)DV_1、DV_3、DV_5、DV_6等4個(gè)自變量進(jìn)行敏感度分析，可以得到4個(gè)自變量在初始值處的敏感度，見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量敏感度

由表1數(shù)據(jù)可得，敏感度較大的自變量是DV_3、DV_5、DV_6，這三個(gè)自變量對(duì)機(jī)構(gòu)的影響較大。DV_1的敏感度最小，但DV_1決定了自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)液壓缸的出力位置，如將此值去掉，會(huì)使優(yōu)化結(jié)果相差較大，因此DV_1不可去掉，確定優(yōu)化參數(shù)有DV_1、DV_3、DV_5、DV_6[5]。

2.3.2 確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

DV_1決定了液壓缸最佳出力點(diǎn)的位置，XA應(yīng)在活塞桿2上變化，XA不能過(guò)小，否則根據(jù)力矩的計(jì)算公式，活塞桿2會(huì)推不動(dòng)連桿5,其在±10%之內(nèi)變化。DV_3是機(jī)構(gòu)在y方向上的桿長(zhǎng)增量，此增量值決定了機(jī)構(gòu)的整體尺寸，因此這個(gè)增量值不能太大，否則會(huì)使機(jī)構(gòu)的整體尺寸和與之配套的設(shè)備尺寸增大，設(shè)定其在±10%之內(nèi)變化。DV_5應(yīng)在XB與XD之間變化，為縮短優(yōu)化分析的所用時(shí)間，減少迭代次數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行多次試驗(yàn)分析，縮小DV_5的變化范圍，最終確定DV_5的變化范圍是1 700≤Dx≤1 850。由公式DV_7=(DV_6-DV_5)/TAN(DV_4)+35，可得XB與XC不能太接近，否側(cè)將使結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究確定1 900≤XB≤2 100[6]。

2.3.3 優(yōu)化計(jì)算和分析

在確定了優(yōu)化參數(shù)以及取值范圍后，對(duì)該優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)力Motion進(jìn)行測(cè)量，然后點(diǎn)擊菜單欄中的simulate-Design Evalution并選擇方案要求的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)方案的要求，需要對(duì)設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_3、DV_5、DV_6進(jìn)行優(yōu)化，并選定優(yōu)化目標(biāo)為液壓缸輸出的最大功率值最小，迭代后在ADAMS/PostProcessor中得到功率優(yōu)化后的變化曲線見圖5。

從優(yōu)化報(bào)告中得出功率以及各設(shè)計(jì)變量的變化見表2

圖5 優(yōu)化后液壓缸1的功率變化曲線

最大功率/W平均功率/WDV_1/mmDV_3/mmDV_5/mmDV_6/mm優(yōu)化前3559.9319.18239022618002004優(yōu)化后2671.5248.532366.7247.161850.02099.2

優(yōu)化后最大功率、平均功率以及各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化見表2。由表2明顯看出，優(yōu)化后DV_1、DV_3、DV_5、DV_6都有一定變化，其中DV_1減少了0.98%，DV_3增加了9.36%，DV_5增加了2.78%，DV_6增加了4.75%，。通過(guò)設(shè)計(jì)變量的變化，最大功率降低了24.96%，平均功率降低了22.13%，優(yōu)化效果顯著[4]。

橫移機(jī)構(gòu)是自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)的主要組成部分，橫移機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇對(duì)機(jī)構(gòu)的整體成本起著關(guān)鍵作用。在ADAMS-View中對(duì)自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在ADAMS/PostProcessor中得到橫移機(jī)構(gòu)電機(jī)的功率變化曲線如圖6所示，圖中出現(xiàn)峰值為第二個(gè)行程瞬時(shí)啟動(dòng)的時(shí)刻，此時(shí)鋼管產(chǎn)生了一個(gè)瞬時(shí)加速度即活塞桿的輸出推進(jìn)力瞬時(shí)達(dá)到最大值，其最大功率為7 485.7 W。根據(jù)曲線可以選擇功率合適的電機(jī)。

圖6 電機(jī)的功率變化曲線

3 結(jié)論

本文利用ADAMS-View模塊對(duì)碼包機(jī)中的升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、參數(shù)化分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)后，找到液壓缸最佳出力點(diǎn)位置以及桿長(zhǎng)等設(shè)計(jì)參數(shù)。該方案對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化在節(jié)約能耗上非常明顯，最大功率降低了24.96%，平均功率降低了22.13%。極大地降低了能耗。并對(duì)橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到電機(jī)功率變化曲線，其最大功率為7 485.7 W，進(jìn)而可以在實(shí)際生產(chǎn)中選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，目前本方案所得數(shù)據(jù)以用于φ76鋼管碼包機(jī)中。

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機(jī)械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006：6-11.

[2] 劉錫軍，柴曉艷，鄭帥，等. 基于ADAMS的φ76鋼管夾緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 重型機(jī)械，2015(06)：47-52.

[3] 柴曉艷，余小巧.φ406鋼管端面銑頭倒棱機(jī)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 重型機(jī)械，2010(06):41-46.

[4] 鄭帥，柴曉艷，劉錫軍，等. 基于ADAMS的φ335鋼管端面倒棱機(jī)自動(dòng)移管機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 重型機(jī)械，2015(05):63-68.

[5] 趙武云，史增錄，戴飛，等.ADAMS2013基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[6] 芮成杰，柴曉艷.鋼管端面銑頭倒棱機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 重型機(jī)械，2012(06)：43-48.

ADAMS-based optimal design of the automatic conveyingmechanism in φ76 steel tube stacking machine

LI Zhen1,2,CHAI Xiao-yan1,2,HE Kai-yue1,2

(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control,School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China 2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education (Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

In this paper, the 3D entity model ofφ76 steel tube stacking machine is established by ADAMS. The parametric analysis and optimization design of lifting mechanism are carried out through running the dynamics simulation. The optimized lifting mechanism maximum power is decreased by 24.96%, the average power is decreased by 22.13%, greatly reduces the cost of energy consumption and equipment. Through carrying the dynamic analysis of transverse mechanism, the maximum power is 7 485.7 W, which provides a theoretical basis to choose the appropriate stepper motor in production.

steel tube stacking machine; simulation analysis; parameterized model; optimization design

TG333.3

A

1001-196X(2017)05-0084-04

2017-02-28；

2017-04-20

李震(1993-)，男，天津理工大學(xué)在讀碩士研究生。