基于ADAMS的鋼管碼垛機自動輸送機構的優化設計

元磊，柴曉艷

·設計計算·

基于ADAMS的鋼管碼垛機自動輸送機構的優化設計

元磊1，2，柴曉艷1，2

(1．天津理工大學天津市先進機電系統設計與智能控制重點研究實驗室，天津300384; 2．天津理工大學機械工程學院，天津300384)

自動輸送機構是鋼管碼垛機的重要組成部分之一。利用ADAMS軟件中的參數化建模和分析功能，通過建立參數化點，建立鋼管碼垛機自動輸送機構的參數化模型。運用ADAMS對鋼管碼垛機自動輸送機構進行參數化設計，以液壓缸輸出力最小為優化目的，經過設計研究選取適當的設計變量及其變化范圍，然后再進行優化分析，從而得到液壓缸輸出力的最優解。對Φ219鋼管碼垛機輸送機構優化設計后，使得液壓缸的最大輸出力降低47.2%，平均輸出力降低26.8%，最大功率降低了46.2%，平均功率降低了15.2%。

輸送機構;鋼管碼垛機;液壓缸輸出

0 前言

鋼管廣泛地應用在國內經濟建設中的各個領域，由于中國經濟的快速發展，對鋼管的需求量也日益劇增。為了方便運輸和儲存通常需要將鋼管進行碼垛、打包。一直以來大部分鋼管企業主要以人工碼垛的方式進行。由于人工的成本不斷增加，而且效率低，給企業正常的生產運作帶來了很多困難［1］。天津某公司根據市場需求率先研制出一種新型的鋼管碼垛機設備，該設備可以代替人工完成碼垛這一工序，而且速度快，精度高。為企業帶來了較大的經濟效益，同時也增加了企業間的競爭力。但由于是新型的設備，對液壓缸和電機的選擇沒有系統理論設計作為參照，對各零部件的設計大多采用經驗設計，這樣選擇的液壓缸和電機的功率偏大，零部件的尺寸偏大，產生了不必要浪費。本文運用ADAMS軟件對新型鋼管碼垛機進行參數化建模，對碼垛機的輸送機構進行優化設計，從而得到了最優化的輸送機構。

1 輸送機構的工作過程

此次所研究的鋼管碼垛機自動輸送機構主要是由升降機構和橫移機構兩部分組成，使用的是多桿機構進行運動傳遞，液壓缸和電機配合驅動，然后以步進的方式將待打包的鋼管送入打包架中。

Φ219鋼管碼垛機自動輸送機構簡圖如圖1所示，從圖上可以看出擺桿1與擺桿2長度相等并且平行安裝，所以擺桿1、擺桿2、支撐梁2和底座共同組成了平行四邊形機構，當活塞桿7向右下方運動時，帶動擺桿1和擺桿2同時轉動，使得支撐梁2水平上升，將運動通過芯軸4傳遞給支撐板3，支撐板3被抬起，將停在傳送帶上的鋼管托起。擺桿1、支撐梁2、支撐板3、芯軸4、擺桿2、活塞桿7、液壓缸8和底座共同組成了升降機構。當電機9工作時，運動通過鏈條10傳遞給滑動塊5，滑動塊5帶動支撐板3和鋼管在支撐梁2上水平移動(滑動塊5與橫梁11之間有滾子，圖中沒有畫出)。電機9、鏈條10、橫梁11、滑動塊5、支撐板3共同組成橫移機構。

在機構開始工作之前，鋼管由傳送帶運送到支撐板3上方位置。此時機構開始工作。機構的運動共有4個行程。第1個行程:活塞桿7向右下方運動，通過擺桿1和擺桿2將支撐梁2托起，同時將支撐板3抬起，接觸鋼管后繼續上升，直到擺桿1和擺桿2運動到豎直位置時液壓缸8停止工作，完成第1個行程;第2個行程:電機9開始工作，帶動滑動塊5向左移動一個工位后電機9停止工作，完成第2個行程;第3個行程:液壓缸8推動活塞桿7反向運動，支撐板3勻速下降，鋼管從支撐板3上緩緩滾入到打包架中(圖上未畫出)，完成第3個行程;第4個行程:電機9反轉，帶動滑動塊5水平向右移動到起始位置，完成第4個行程。

圖1 Φ219自動輸送機構簡圖Fig.1Schematic diagram of Φ219 automatic conveying mechanism

2 輸送機構的優化設計

2.1 優化目標

在ADAMS中建立輸送機構模型，如圖2所示。對輸送機構進行動力學仿真分析，測出活塞桿7在工作過程中推進力隨時間的變化曲線，如圖3所示。從圖上可以得知，活塞桿7勻速運動，受力是變化的，圖中出現峰值的時刻是支撐板3剛接觸鋼管時，此時鋼管產生一個水平向上的瞬時加速度，由牛頓第二定律可知，活塞桿7在此時刻受力達到最大值，該最大值為23 137.7 N。由此確定了優化目標是液壓缸8的最大推進力，優化目的是使液壓缸8的最大推進力為最小，從而達到降低液壓缸8能耗的目的［2］。

圖2 輸送機構模型Fig.2Conveying mechanism model

圖3 活塞桿7的推力變化曲線Fig.3Curve of propulsion force from piston rod 7

2.2 參數化建模

結合已經確定的優化目標和優化目的，把對輸送機構運動影響較大的鉸鏈點的坐標進行參數化，共創建了5個參數化點，9個主要設計變量。這些參數化點和設計變量所在的位置如圖4所示［3］。

圖4 參數關系幾何圖Fig.4Geometric figure for parameters relationship

將A點的橫縱坐標分別設為XA和YA，其中YA是自變量，YA的變化會導致桿1角度的變化，所以將桿1與水平方向的夾角設為α。為了滿足不同管徑鋼管的輸送要求，機構上升的行程必須是一定的，即當桿1由起始位置運動到豎直位置時，A點縱坐標的變化量為恒定值H，其中H= 66 mm［4］。由圖4可知各參數之間的表達式。

將B點的橫縱坐標分別設為XB和YB，擺桿1、擺桿2、支撐梁2和底座共同組成了平行四邊形機構，所以B點的橫縱坐標的變化量應該與A點的橫縱坐標的變化量始終保持相等。同時將C點的橫坐標設為XC(C點的縱坐標變化對優化結果是沒有意義的)，XC是自變量。由于擺桿2夾角始終等于90°，當XC變化時，必然會引起D點坐標的變化，所以將D點的橫縱坐標分別設為XD和YD，其中XD為自變量。最后將E點橫坐標設為XE，用來找到液壓缸最佳的出力點。

將圖4中各參數表達式用ADAMS中的參數表示。在優化過程中，部分桿件長度會發生變化，所以每次仿真的時間是不一樣的，為了滿足工作要求，即當擺桿1運動到豎直位置時，系統自動停止仿真，為此建立了傳感器。首先測量A點處的MARKER_1在X方向上的位移，在Simulate-Sensor-New下建立傳感器，在Expression處輸入MARKER_1_MEA_1，將Value值設定為0，即可完成對傳感器的設定，使得每當擺桿1與擺桿2運動到豎直位置時，系統仿真運動停止。

2.3 優化設計

借助ADAMS/View的參數化分析功能可以分析設計參數變化對樣機性能的影響。在參數化分析過程中，ADAMS/View會采用不同的設計參數值，自動的運行一系列的仿真分析，然后返回分析結果［5］。在優化之前應先對各個自變量進行敏感度分析，根據各個自變量在初始值時敏感度的大小和實際工作要求來確定需要優化的自變量。

2.3.1 確定優化參數

由上面的分析結果可知，YA、XC、XD和XE為自變量，XA、α、XB、YB、YD為因變量。對這4個自變量進行敏感度分析，測得各個自變量在初始值時的敏感度，具體數值見表1。

表1 設計變量敏感度Tab.1Sensitivity of design variables

由表1可知，YA、XC和XD的敏感度相對較高，而XE的敏感度相對較低，但由于XE的大小決定了液壓缸的起始安裝位置，需要對它進行優化設計，以便找到液壓缸最佳的安裝位置。故優化參數是YA、XC、XD、XE。

2.3.2 確定優化參數的取值范圍

優化參數YA是A點的縱坐標，是為了改變桿件長度而設置的優化參數，當桿件長度過小時，不能滿足行程的要求，當桿件長度過大時，會使輸送機構和與它配套的設備的尺寸偏大，故其變化范圍在±10%之內。通過YD的表達式可知，當XC與XD的值接近時，會使YD的值過小，使結構變得不合理。經過大量的試驗研究后，確定XC的取值范圍是(1700，1850)，XD的取值范圍是(1900，2100)。XE是E點的橫坐標，同樣也是為了改變桿件長度而設置的優化參數，當桿件長度過小時，則需要更大功率的液壓缸才能完成工作，當桿件長度過大時，會使整個輸送機構和與它配套的設備的尺寸偏大，所以不宜有較大的變化范圍，故使其變化范圍在±10%之內［6］。2.3.3優化計算和分析

在完成參數化分析的準備工作之后，下一步就是開始進行優化計算。在Simulate-Design Evaluation-Optimization-Measure下選擇測量力的最大值，優化目標選擇最小值。優化后液壓缸產生的最大推進力的變化曲線如圖5所示，迭代過程中液壓缸最大推進力的變化曲線如圖6所示，以及優化前后液壓缸功率的變化曲線如圖7、圖8所示［7］。

圖5 液壓缸最大力變化曲線Fig.5Curve of the maximum force of hydraulic cylinder

圖6 迭代過程中最大力變化曲線Fig.6Curve of the maximum force in the iterative process

在橫移過程中，最初對電機的功率選擇這方面并沒有作詳細的計算，只是根據經驗選擇電機。現在利用ADAMS軟件作動力學分析之后，得到了電機在整個工作過程中的功率變化曲線，為電機功率的選擇提供了可靠的理論依據，避免了選擇電機功率過大的情況。電機功率變化曲線如圖9所示。

圖7 優化前的功率變化曲線Fig.7Power change curve before optimizing

圖8 優化后的功率變化曲線Fig.8Power change curve after optimizing

圖9 電機的功率變化曲線Fig.9Power change curve of motor

從優化設計研究報告中能夠得到優化前后每一個設計變量的數值和液壓缸的最大推進力和平均力的數值，見表2。從表2的數據可以看出，優化效果十分明顯。

表2 優化結果Tab.2Optimization result

3 結論

本文利用ADAMS軟件建立了Φ219鋼管碼垛機輸送機構模型，以降低液壓缸最大推進力為優化目標，找到合適的設計變量及其取值范圍，然后進行優化設計，找到了Φ219鋼管碼垛機輸送機構在安裝時最佳的起始位置。優化設計之后，使得液壓缸最大力從23 137.7 N減少到12 227.9 N，降低了47.2%，平均力從1 865.1 N減少到1 364.76 N，降低了26.8%，最大功率從4 627.5 W減少到2 389.2 W，降低了46.2 %，平均功率從373.83 W減少到316.95 W，降低了15.2%，大大節省了能源，并且為橫移過程中電機的選擇提供了可靠的理論依據。優化后得到的數據還可以作為選擇標準件和校核關鍵零部件的有效依據，完成了由經驗設計向理論設計的重大轉變。目前已將優化后的設計參數及結構應用到生產實際中。

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Optimal designing of automatic conveying mechanism for steel pipe stacker crane based on ADAMS

YUAN Lei1，2，CHAI Xiao-yan1，2
(1．Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent of the Advanced Mechatronics System，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2．School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Automatic conveying mechanism is an important part of steel pipe stacker crane．Using the parametric modeling and analysis functions via ADAMS，the parametric model of automatic conveying mechanism of steel pipe stacker crane was build according to parameterized points．This paper parametric design to automatic conveying mechanism by ADAMS，for the purpose of the minimum propulsion force of hydraulic cylinder，then select suitable design variables and range of variation，and obtain the optimal output force of hydraulic cylinder through optimal analyzing．After automatic conveying mechanism for Φ219 steel pipe stacker crane was optimized，the maximum output force，the average output force，the maximum power and the average power of hydraulic cylinder has reduced by 47.2%，26.8%，46.2%，and 15.2%respectively．

conveying mechanism;pipe stacker crane;hydraulic cylinder output

TG335

A

1001－196X(2017)01－0065－05

2016－05－26;

2016－08－03

2014年天津市中小型創新基金項目(14ZXCXGX00334)

元磊(1991－)，男，天津理工大學機械工程學院碩士研究生。