鍛造操作機夾持機構的優化分析

阮 瀟 ，朱為國 ，張 馳

（1.南京工業大學，機械與動力工程學院，江蘇 南京 211800；2.淮陰工學院，江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安 223001）

0 引言

裝備制造業是整個國家經濟建設和國防建設的基礎，在整個制造行業中起著舉足輕重的作用，是我國工業發展的中堅力量。目前鍛件朝著大型化、精確化的方向發展，尤其近年來隨著我國國力的增強，鐵路、船舶、核電等重大裝備領域迅速發展，對大型復雜鍛件的需求日益迫切，也對鍛造行業和鍛造操作機的發展提出了更高的要求[1-3]。鍛造操作機是自動化鍛造作業中不可缺少的重要裝備之一，在提高生產效率、保證加工質量等方面發揮著重要作用[4]。鍛造操作機的特點是載荷大、慣量大、自由度多。鍛造操作機配合鍛造液壓機進行鍛造生產，能極大程度地提高制造質量，降低生產成本，提高了工人工作的安全性。

夾持機構是重載鍛造操作機的關鍵組成部分之一，它主要用于夾持鍛件完成各種鍛造操作。鍛件位置的不同，對夾持裝置受力的要求也不同。在時變重載工況下，要保證大型構件在運動過程中的夾持穩定性。操作機在進行升降、旋轉、制動及工件鍛壓等工況時，由于在操作過程中經常頻繁地進行加速提升、旋轉、制動以及鍛壓等不連續動作，致使夾持機構傳遞的作用力變化非常大，從而導致抓取不穩定性或是聯動裝置失效等結果產生[5-7]。因此對鍛造操作機夾持機構的研究很有必要。

本文利用虛擬樣機技術，模擬各個工況下鍛造操作機夾持機構夾持力的大小，將模擬結果與理論計算的結果對比確保模型的準確性。在靜態分析和靈敏度分析的基礎上，分析夾持機構中影響夾持力的參數，建立單目標設計模型，同時定義對應的約束函數，優化機構尺寸，提高夾持機構的夾持力大小。

1 夾持機構的分析及杠桿比計算機

1.1夾持機構運動學分析

鍛造操作機夾持機構運動比較復雜，但是夾持機構主運動機構的不僅結構簡單，而且能夠完成夾持機構最主要的運動，并且能夠清楚的描述機構的受力，所以主要對夾持機構的主運動機構進行分析，夾持機構主運動結構如圖1所示。

圖1 夾鉗機構主運動結構簡圖

在圖1中，以油缸缸體的軸線為x軸，y軸通過C點，建立直角坐標系。通過如圖各參數的關系，可以得到點A、B、C、D點的位置坐標，關系式如下：

1.2杠桿比理論計算

為了滿足復雜運動的同時保證抓取穩定性，夾持機構必須具有更優的力的傳遞效率[8]，機構的杠桿比為機構鉗口處的夾緊力與油缸輸出力的比值。本文分析的狀態是夾持最大轉矩工件的杠桿比。利用靜平衡方程對夾緊機構各個零件進行分析，如圖2所示。

圖2 夾持機構的零件受力圖

由圖2（a）可知，

式中，F1=1/2F0

由圖 2（c）可知，

通過聯立上述公式（1）～（10）可得鉗口處夾持力與輸出力的關系式：

機構的杠桿比為：

式中，K為鉗桿機構杠桿比。

在40 t鍛造操作機中，油缸的最大輸出力F0=0.3100 MN，零件的主要參數為：S1=100 mm，S2=102 mm，L1=220 mm，L2=177 mm，L3=267 mm，L4與夾持工件直徑有關，在夾持最大轉矩工件時，L4=170 mm.將參數帶入公式（11）和公式（12），得到夾持機構的夾持力F2=0.1138 MN，杠桿比K=0.367.

2 鍛造操作機虛擬仿真

根據零件的參數，在PROE軟件中建立零件的三維模型，再將模型帶入ADAMS仿真軟件中，設置模型的材料屬性為steel，在模型中添加約束，最終模型如圖3所示。

圖3 夾持機構在ADAMS中的效果圖

在ADAMS軟件中可以通過測量功能得到鉗口處夾緊力的大小。考慮到受工件重力的影響，本文考慮兩種工況下鉗口夾緊力的狀況。工況一，當重力處于垂直方向時，上鉗口的夾持力F2=1.107e+5 N，杠桿比為0.357，如圖4所示。下鉗口的夾持力F2=1.151e+5 N，杠桿比為0.371.如圖5所示。工況二，當重力處于水平方向且垂直于軸線時，上下鉗口的夾緊力均為1.129e+5 N，杠桿比為0.364，如圖6、圖7所示。實驗測出數據與理論計算結果存在很小的誤差，在不同工況下鉗口的夾緊力符合實際情況，結果充分證明了虛擬樣機的準確性。各關節點的參數表達式見表1.

圖4 工況一上鉗口的夾緊力

圖5 工況一下鉗口的夾緊力

圖6 工況二上鉗口的夾緊力

圖7 工況二下鉗口的夾緊

表1 各關節點的參數表達式

3 夾持機構的優化

3.1鉗桿機構零件參數化

影響夾持力的參數為 α、L1、L2、L3、L4、S1、S2，為了方便的對模型進行優化，先對模型進行簡化。在ADAMS軟件中，首先對設計變量進行設置，建立與關節點對應的 POINT 點，根據式（1）～（4）將點 A、B、C、D用設計變量表示出來，見表1所示。

對設計變量進行參數化設置，L4的尺寸是根據工件的最大直徑和最小直徑確定，最大直徑時L4=196，最小直徑時L4=114，其他變量的最大值按照初始值的110%，最小是按照初始值80%確定[9]。各變量設置及尺寸范圍如表2所示。

表2 變量設置及尺寸范圍

3.2夾持機構參數分析

鍛造操作機的主要功能要求是夾鉗在工作中能夠穩定的夾持工件，因此結構優化的目標是保證夾持機構的杠桿比最大，即夾持機構的夾持力達到最大：

為保證油缸在達到極限位置時鉗口夾持到最小直徑的工件。建立約束關系如下：

式中，yB1為夾持最小直徑工件時B點縱坐標值。

在優化過程中為了控制夾緊缸推進行程的大小，建立如式（15）約束條件，要求優化后的行程不大于100 mm.式中xA1、xA2分別為工件直徑最小和最大時，油缸輸出端A點的橫坐標值。

式中，xA1為夾持最小工件時，油缸輸出端A點的橫坐標；xA2為夾持最大工件時，油缸輸出端A點的橫坐標。

根據建立的目標函數與約束函數，在ADAMS中分別設置對應的測試函數，然后建立目標函數OBJECTIVE_1以及約束函數CONSTRAINT_1和CONSTRAINT_2.

采用ADAMS參數化分析的設計研究（Design study）模塊，由于各個指標的重要性程度不同，所以要確定各個指標的權重[10]，通過軟件分析可得知，設計變量α、S2對夾持力的影響比較顯著，其他變量相對較小。

3.3鉗口夾持力的優化

本文優化利用OPTDES—SQP的二次規劃算法，此方法應用牛頓方法建立海森矩陣。通過二級子程序反復確定尋找方向，然后根據搜索方向確定為方向和步長，通過不斷反復得到最優值，此方法是目前比較科學有效地方法[11]。優化結果如表3所列。

表3 OPTDES-SQP算法優化結果

3.4夾持機構優化性能分析

采用ADAMS的設計變量模塊分析不同直徑工件對夾持力的影響，將L4作為變量，分別對優化前和優化后進行仿真，仿真結果如圖8、圖9所示。得出不同直徑情況下，夾持力隨工件直徑的變化情況。

圖8 優化前設計變量L4對夾持力的影響

圖9 優化后設計變量L4對夾持力的影響

通過表3可以得知經過優化之后鍛造操作機的夾持力比優化前提高了35%，由圖8可以出，優化前夾持力隨工件的增大，夾持力成遞減趨勢，造成了夾持小直徑工件夾持力過剩，夾持大直徑工件夾持力不夠的現象。通過圖9可以看出優化后的機構夾持力隨著工件零件的增大而增大，與實際所需要的夾持力同向變化。

4 結論

（1）建立了夾持機構杠桿比的計算模型，確定了影響夾持力的變量參數，為進一步優化打下了基礎。

（2）通過ADAMS軟件對變量參數進行分析，找本文對夾持力影響最大的兩個參數α、S2，并且對其進行優化設計，最終優化后的夾持力在原先基礎上提高了34.8%.

（3）通過優化后的夾持力更加符合實際工作狀況下的夾持要求。

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