Φ406端面銑頭倒棱機自動送料機構(gòu)的優(yōu)化設計

柴曉艷，余小巧

(1.天津理工大學天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384;2.天津理工大學機械工程學院，天津 300191)

1 概述

鋼管在國民經(jīng)濟中占有重要的位置，其用量每年增長幾百萬t。為了生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值的鋼管，擴展鋼管更廣泛的用途，需對鋼管端面銑頭、倒棱、去毛刺，全自動鋼管端面銑頭倒棱機就是完成這一功能的專用機床。該設備包括銑頭加工機構(gòu)和自動送料機構(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)表達式、參數(shù)化點坐標、運動參數(shù)化、使用設計變量等手段參數(shù)化建模，然后對自動送料機構(gòu)中的兩種運動機構(gòu)進行優(yōu)化設計，最終獲得最優(yōu)化的自動送料機構(gòu)。

2 自動送料機構(gòu)的工作過程

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

自動送料機構(gòu)如圖1所示，活塞桿4伸出，帶動搖桿1、3擺動，由于1、3桿長度相等且平行布置，故1、2、3桿和機架構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)，1、3桿擺動時帶動連桿2水平升降，桿1、2、3、4、9和機架組成了升降機構(gòu)。在連桿2上裝配有可水平移動的鋼管定位塊8，鋼管定位塊8可隨連桿2水平升降，當活塞桿7動作，帶動搖桿6擺動，通過連桿5帶動鋼管定位塊8沿連桿2水平移動。桿5、6、7、8、10和機架組成了橫移機構(gòu)。

工作時首先活塞桿4伸出，帶動鋼管定位塊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1、3桿到達垂直位置時，由接近開關控制活塞桿4停止運動，鋼管定位塊8及其鋼管11在活塞桿7的帶動下開始向右作水平移動，移動距離為一個步進的位置，如圖1所示，由于是雙工位，一個步進位置兩個鋼管之間的距離的兩倍，即650×2=1 300 mm。水平移動完成后在接近開關的控制下活塞桿7停止運動，滑塊8及其鋼管11在升降機構(gòu)的作用下開始下降，下降到一定距離，鋼管11由銑頭加工機構(gòu)的V型槽托住(圖中未畫銑頭加工機構(gòu))，自動送料機構(gòu)的V型槽與鋼管脫離，下降結(jié)束后，橫移機構(gòu)反向移動(向左)，等待下一周期的送料運動。同時，銑頭加工機構(gòu)開始對鋼管的兩端進行銑頭、倒棱等工作。

圖1 Φ406自動送料機構(gòu)簡圖

3 升降機構(gòu)的優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化目標

建立升降機構(gòu)模型，如圖2所示。進行運動學仿真，搖桿3與活塞桿4連接點B受力的變化曲線如圖3所示，活塞桿4勻速運動，節(jié)點處的受力是變化的。由圖1可知，A、B鉸鏈的位置決定了活塞桿4的安裝位置，這個位置要考慮桿件尺寸發(fā)生變化時鉸鏈在桿件中所處的位置。當原動件所在的位置不同時，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，在整個升降過程中原動件的輸出力也是變化的，圖3說明了這一點。A、B鉸鏈應在何位置使活塞桿4在升降過程中所輸出的最大力值為最小，這就是升降機構(gòu)的優(yōu)化目標。

3.2 參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化目標，升降機構(gòu)模型中創(chuàng)建了五個參數(shù)化點、十個主要設計變量，這些點和變量所在的位置如圖4所示。這些參數(shù)化點必須與所在位置的構(gòu)件相關聯(lián)，當這些參數(shù)化點的位置改變時，與其相關聯(lián)的構(gòu)件的尺寸也會發(fā)生變化。

圖4 升降機構(gòu)參數(shù)關系幾何圖形

Point1點(A點)的x坐標設為DV_1(A點的y坐標變化是沒有意義的)，活塞桿4的傾角ρ設為DV_2，因為當A、B鉸鏈的位置發(fā)生變化或是桿件的長度在任意方向發(fā)生變化時，活塞桿4的傾角都會隨之發(fā)生變化。由圖4可知

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

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

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)為符號函數(shù)，表示當DV_1－DV_3≥0時，返回值為180;當DV_1－DV_3＜0時，返回值為 －180。MAX是返回最大值函數(shù)，當SIGN函數(shù)返回180時，MAX返回180;當SIGN函數(shù)返回－180時，MAX返回0。并將MAX的返回值設置為DV_6，代入式(1)，即完成了ρ角的設定。

Point2點(B點)的x、y坐標分別設為DV_3、DV_4，桿3的傾角α設為DV_5，point3點的位置發(fā)生變化時，α角也會發(fā)生變化，由圖4可得

ADAMS參數(shù)表達式為

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

ADAMS參數(shù)表達式為

Point3、Point4、Point5點是為了改變桿件長度而設置的參數(shù)化點，由于1、2、3桿和機架是平行四邊形機構(gòu)，所以該機構(gòu)無論是在x方向還是y方向尺寸發(fā)生變化時，都應該同時有兩個一樣的增量，即DV_7與DV_9的增量相同，DV_8與DV_10的增量相同，由此完成了升降機構(gòu)的參數(shù)化建模。

在仿真分析中，當桿3到達垂直位置時，根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)應停止仿真，但是當A、B鉸鏈在不同的位置時，仿真時間是不同的，為此建立了傳感器，以測量桿3的角度，當桿3運動到垂直位置時，仿真運動立即停止。

3.3 優(yōu)化設計

ADAMS/View的參數(shù)化分析功能可以分析設計參數(shù)變化對樣機性能的影響，在參數(shù)化分析過程中，ADAMS/View采用不同的設計參數(shù)值，自動地運行一系列的仿真分析，然后返回分析結(jié)果。通過對參數(shù)化分析結(jié)果的分析，可以研究一個或多個參數(shù)變化對樣機性能的影響，獲得最優(yōu)化的樣機。

3.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

由上面的分析可知，設計變量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4個設計變量進行優(yōu)化分析時，ADAMS自動生成設計研究報告，在設計研究報告中，4個設計變量在初始值的敏感度見表1。通過表1可以看出:設計變量DV_1、DV_3、DV_9的敏感度較高，DV_10較低，因此，在作設計研究時，將DV_10值增加10%，即該機構(gòu)在x方向桿長增加10%，原動件桿4最大力的變化僅為0.6%，這說明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 設計變量優(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坐標值(見圖4)，應在L區(qū)間內(nèi)變化，為了減少優(yōu)化時間，減少迭代次數(shù)，首先對模型進行了試驗研究，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坐標值，取值范圍是桿3的x坐標值，試驗研究后縮小了取值范圍，是(3 065.26，3 282.63)。DV_9是該機構(gòu)在y方向上的桿長增量，這個增量值不能太大，否則就會使整個機構(gòu)包括與之配套的設備整體增大，因此設定在10%之內(nèi)變化。

3.3.3 優(yōu)化計算和分析

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

從設計研究報告可以看出，優(yōu)化后各個變量的取值及B鉸鏈的最大力值，即升降機構(gòu)原動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，不改變桿件的長度。DV_9使桿件的長度增加了35 mm，但整體的效果是B鉸鏈的最大力值減少了58.3%。

表2 升降機構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

4 橫移機構(gòu)的優(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化目標

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

圖7 橫移機構(gòu)模型

4.2 參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化情況，橫移機構(gòu)模型中創(chuàng)建了三個參數(shù)化點，六個設計變量，這些點和變量所在的位置見圖8。這些參數(shù)化點必須與所在位置的構(gòu)件相關聯(lián)，當這些參數(shù)化點的位置改變時，與其相關聯(lián)的構(gòu)件的尺寸也會發(fā)生變化。橫移機構(gòu)坐標原點與升降機構(gòu)的坐標原點是一致的。

圖8 橫移機構(gòu)參數(shù)關系幾何圖形

Point6點(E點)的y坐標設為DV_11，它的變化將直接影響到F節(jié)點力的大小，E點的x坐標優(yōu)化是沒有意義的，在x方向上找一個合適的安裝點即可。Point_7點(F點)的x、y坐標分別設為DV_12、DV_13，當DV_12發(fā)生變化時，DV_13必須隨之發(fā)生變化，其相互關系見圖8，由圖8可得:

桿7的角度γ設為DV_14，當E、F鉸鏈位置發(fā)生變化時，該角度也會隨之發(fā)生變化。由圖8可得:

Point8點是為了改變桿件長度而設置的參數(shù)化點，DV_15、DV_16兩個變量可以同時改變5、6桿在x方向或y方向上的桿長。在改變桿長的同時，5、6桿還應在新的位置鉸接上。

根據(jù)工藝要求，橫移機構(gòu)移動一個步進距離(本機構(gòu)步進距離是2×650=1 300 mm)，機構(gòu)停止推進運動。在仿真分析中，系統(tǒng)應停止仿真，但是當E、F鉸鏈在不同的位置時，仿真時間是不同的，為此需要建立傳感器。見圖8的H'位置，無論桿長發(fā)生什么樣的變化，無論E、F鉸鏈在何位置，構(gòu)件8運行一個步進距離L3到H'位置時，都要停止推進運動，此時θ角是一定值。

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

4.3 優(yōu)化設計

4.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

設計變量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設定為優(yōu)化參數(shù)。系統(tǒng)對四個設計變量進行優(yōu)化分析時，ADAMS自動生成設計研究報告，在設計研究報告中，4個設計變量在初始值的敏感度見表3。

表3 設計變量優(yōu)化結(jié)果

從表3可以看出:設計變量DV_15對活塞桿力值的敏感度較大，DV_11影響最小，但從設計研究報告看出，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坐標值(見圖8)，取值范圍是(0，918)，918是圖8中G點在y方向所能達到的最大值。DV_12是F鉸鏈的x坐標值，F(xiàn)鉸鏈應始終在桿6上變化，最大值不能超過G點的x坐標值，最小值不能過小，否則推不動6桿的擺動，最終確定優(yōu)化范圍是(6 200.98，DV_15)。DV_15、DV_16是為了改變桿件長度而設置的變量，它是在原桿長的基礎上±10%變動，桿長過小，不能滿足推進行程的要求，桿長過大會使整個機構(gòu)增大，同時DV_15的最小值不能低于DV_12。

4.3.3 優(yōu)化計算和分析

優(yōu)化設計方法與升降機構(gòu)相同，這里不再重復。經(jīng)試驗研究縮小優(yōu)化范圍后，開始優(yōu)化計算，產(chǎn)生F鉸鏈最大力的變化曲線見圖9，迭代過程中的F鉸鏈最大力的曲線見圖10，從設計研究報告可以看出，優(yōu)化后各個變量的取值及F鉸鏈的最大力值，即橫移機構(gòu)原動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，不改變桿件的長度。DV_15使桿件長度變化較大，但也僅是增加了5.4%，DV_16又使桿件長度減小了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軟件對生產(chǎn)效率較高的Φ406雙工位全自動鋼管端面銑頭倒棱機自動送料機構(gòu)建立了仿真模型、進行了優(yōu)化設計，找出了機構(gòu)工作中的最佳受力位置，獲得了最佳設計參數(shù)。通過優(yōu)化可以使升降機構(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%，使橫移機構(gòu)中的最大推進載荷由原先的3 814.81 N減少到837.9 N，減少了78.4%，大大的節(jié)省了能源，同時采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)還可以作為選擇標準件和計算校核零部件的依據(jù)，完成了由經(jīng)驗設計向理論設計的轉(zhuǎn)化。目前已將優(yōu)化的參數(shù)應用到實踐中。

［1］ 李軍，邢俊文，覃文潔．ADAMS實例教程［M］．北京理工大學出版社，2002．

［2］ 鄭建榮．ADMAS-虛擬樣機技術入門與提高［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2002．

［3］ 曹家酮．國外連續(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．機械原理教程［M］．北京:清華大學出版社，1999．

［5］ 邱宣懷等．機械設計(第四版)［M］．北京:高等教育出版社，1997．

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