基于ADAMS的φ335鋼管端面倒棱機自動輸送機構的優(yōu)化設計

鄭帥1,2，柴曉艷1,2，劉錫軍1,2，元磊1,2

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

摘要：自動輸送機構是鋼管倒棱機中重要組成部分，運用ADAMS軟件建立了自動輸送機構的虛擬樣機模型，進行仿真分析、優(yōu)化設計，優(yōu)化后降低了輸送機構原動件的驅(qū)動力，使升降過程最大升降力降低了62.9%，平均升降力降低了59.4%，使推進過程最大推進力降低了74.8%,平均推進力降低了72.7%。

關鍵詞：輸送機構；鋼管倒棱機；優(yōu)化設計；仿真分析

中圖分類號：TG502文獻標識碼：A

收稿日期：2015-04-27；修訂日期：2015-06-19

基金項目：2014年天津市中小型創(chuàng)新

作者簡介：鄭帥(1990-)，男，天津理工大學碩士研究生。

ADAMS-based optimal design for automatic conveying mechanism ofφ335 steel pipe end chamfering machine

ZHENG Shuai1,2, CHAI Xiao-yan1,2, LIU Xi-jun1,2, YUAN Lei1,2

(1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System,

Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China;

2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China)

Abstract：Automatic conveying mechanism is an important part of steel pipe end chamfering machine. ADAMS software is applied to establish the model of virtual prototype of automatic conveying mechanism. Then the simulation analysis and optimal design have been completed. The driving force of conveying mechanism is reduced through the optimization. The maximum lifting force of lifting process is reduced by 62.9%, and the average lifting force is decreased by 59.4%. The maximum propulsive force of progradation is reduced by 74.8%, and the average propulsive force is decreased by 72.7%.

Keywords：conveying mechanism; pipe chamfering machine; optimal design; simulation analysis

0前言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋼管的產(chǎn)量與日俱增，2014年我國鋼管產(chǎn)量達到了8898.01萬噸，鋼管端面倒棱機是對鋼管兩端進行平頭、倒棱、去毛刺的機構，可提高鋼管的附加值，擴展鋼管更廣泛的用途，鋼管自動輸送機構是鋼管端面倒棱機的重要組成部分[1]。本文對鋼管自動輸送機構在ADAMS中進行了參數(shù)化建模，對輸送機構液壓缸的驅(qū)動力采取兩種優(yōu)化方案，通過比較兩種優(yōu)化方案的結果，可以為改進輸送機構提供最優(yōu)的方案[2]，實現(xiàn)最大程度降低液壓缸能耗的目的，得到優(yōu)化的鋼管自動輸送機構。

1自動輸送機構的工作過程

自動輸送機構如圖1所示，鋼管端面倒棱機由自動輸送機構、銑頭加工機構和夾緊機構三部分組成。由于擺桿1、3長度相等且平行布置，故桿1、2、3和機架AD組成平行四邊形機構，當活塞桿5伸縮時，帶動擺桿1、3擺動，1、3桿擺動時帶動連桿2水平升降，桿1、2、3、5、9和機架組成了升降機構。連桿2分為前后對稱的兩個桿件，在這兩個桿件之間有滾子(圖中未畫出)分布于B、C兩端，滑移塊4被滾子支撐，滑移塊4上有V型塊，滑移塊4隨桿2水平升降，當活塞桿8伸縮時，帶動擺桿7擺動，擺桿7通過連桿6帶動滑移塊4水平移動，由于滑移塊4是支撐在滾子上，所以滑移塊4水平移動時，將產(chǎn)生滾動摩擦。桿6、7、8、10、滑移塊4和機架組成推進機構。

1.擺桿 2.連桿 3.擺桿 4.滑移塊 5.活塞桿 6.連桿 7.擺桿 8.活塞桿 9.液壓缸 10.液壓缸 11.鋼管 圖1　φ335自動輸送機構簡圖 Fig.1　Diagram of φ335 automatic conveying mechanism

機構的運動過程包括4個行程，第一行程：活塞桿5驅(qū)動桿1，帶動升降機構上升，上升至接觸鋼管后，繼續(xù)上升至桿1、3到達垂直位置，然后活塞桿5停止驅(qū)動，則第一行程結束。第二行程：液壓缸10驅(qū)動桿7，帶動推進機構向右水平移動，移動1 300 mm后，液壓缸10停止驅(qū)動，則第二行程結束[3]。第三行程：活塞桿5開始收縮，帶動滑移塊4和鋼管11開始水平下降，下降到鋼管接觸夾緊裝置的V型槽時(圖中未畫V型槽)，鋼管被V型槽拖住，然后銑頭加工機構開始對鋼管兩端進行平頭、倒棱等工作，同時滑移塊4上的V型塊與鋼管11脫離，繼續(xù)下降到桿1、3回到初始位置，完成第三行程運動。最后推進機構反向(向左)水平移動一個步進距離，完成最后一個行程運動，等待下一周期的輸送運動。

2升降機構的優(yōu)化設計

2.1優(yōu)化目標

建立升降機構模型，如圖2所示。由于要使得當桿1、3到達垂直位置時機構停止運動，為此要建立對桿1角度的測量，使用ADAMS的傳感器監(jiān)測該角度，使得當桿1與水平方向夾角為90°時，機構停止運動。進行運動學仿真，并建立對活塞桿5的推進力測量，得到活塞桿5在升降運動中推進力隨時間變化的曲線，如圖3所示。圖3中出現(xiàn)峰值的時刻為滑移塊4上的V型塊剛接觸鋼管的那一刻，鋼管產(chǎn)生了一個瞬時加速度，根據(jù)牛頓第二定律，活塞桿5所出推進力瞬時達到最大值，該最大值為48 677.851 8 N[4]。活塞桿5在運動過程中保持勻速運動，通過圖3可以看出其推進力在升降過程中是變化的。升降機構的優(yōu)化目標是液壓缸9的最大推進力，優(yōu)化目的是該最大推進力為最小，通過優(yōu)化原動件液壓缸的安裝位置以及升降機構相關鉸鏈點的位置，實現(xiàn)活塞桿5中最大推進力為最小，從而實現(xiàn)降低液壓缸能耗的目的。

圖2　升降機構模型 Fig.2　Lifting mechanism model

圖3　活塞桿5的推進力變化曲線 Fig.3　Curve of propulsion force from piston rod 5

2.2參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化目標，對升降機構相關鉸鏈點的坐標進行參數(shù)化，參數(shù)化后得到相應的設計變量，參數(shù)化的鉸鏈點如圖4所示[5]。

對F點的y坐標進行參數(shù)化，F(xiàn)點y坐標的變化可以改變桿5的傾斜角度，故不需要對F點的x坐標進行優(yōu)化。當鉸鏈點E、F發(fā)生變化時，桿5與水平方向的夾角α在變化，由圖4可知：

圖4　升降機構參數(shù)關系幾何圖形 Fig.4　Geometric figure for parameters relationship of lifting mechanism

E點進行參數(shù)化后得到設計變量Ex、Ey，設計變量Ex的變化會帶動Ey的變化，其結果是E點始終保持在桿1上[6]。桿1與水平方向的夾角設為β，其相互關系如圖4所示。

Ey=tanβ*Ex

D點是為了改變桿長而設置的參數(shù)化點，對D點的x坐標進行參數(shù)化。

B點進行參數(shù)化后得到設計變量Bx、By，設計變量By的變化會帶動Bx和β的變化。機構的行程是一定的，即圖中的L1值，由夾緊機構來確定該行程，當管徑給定時，該行程是確定的。設桿1長度為L,由圖4可得：

L-L1=By

By/sinβ-L1=By

由圖也可確定Bx值，即

Bx=By/tanβ

C點是為了改變桿長而設置的參數(shù)化點，對C點的x、y坐標分別進行參數(shù)化，由于桿1和桿3始終保持平行，所以該機構B點和C點對應的設計變量應該保持同步變化，由圖4可得

Cx=Dx+Cy/tanβ

Cy=By

由此完成了升降機構的參數(shù)化建模。

2.3優(yōu)化設計

在參數(shù)化建模中，建立了設計變量，設計變量包括因變量和自變量，因變量用自變量的表達式來表達，優(yōu)化前需要對每個自變量進行敏感度分析，通過自變量初始值處的敏感度大小來確定需要優(yōu)化的自變量。

2.3.1確定優(yōu)化參數(shù)

由以上分析可知，設計變量Fy、Ex、Dx、By是自變量，對4個設計變量進行敏感度分析，測得設計變量在初始值處的敏感度，結果見表1。

表1　設計變量敏感度

由表1可知，敏感度較大的自變量是Fy、Ex、By，這三個自變量對優(yōu)化結果的影響較大，Dx的敏感度較小，在設計研究報告中，Dx的值增加10%，即機構在x方向桿長增加10%，活塞桿5的最大力變化僅為1.97%，這說明Dx對機構的影響較小，故舍去Dx，優(yōu)化參數(shù)只有Fy、Ex、By[7]。其中By是與機構整體尺寸有關的參數(shù) ，因此采取兩種優(yōu)化方案：第一種，對機構整體尺寸進行優(yōu)化，即對設計變量Fy、Ex、By進行優(yōu)化；第二種，不對機構整體尺寸進行優(yōu)化，只對機構局部尺寸進行優(yōu)化，即對設計變量Fy、Ex進行優(yōu)化。

2.3.2確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

根據(jù)圖1和圖4分析，F(xiàn)y應該在縱坐標Ky(該標注點見圖9)與By之間變化，故Fy的取值范圍為(-856，By)。Ex應該在桿1上變化，但Ex不能過小，否則活塞桿5推不動桿1，故Ex的取值范圍為(150，Bx)。By是該機構在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包括與之配套的設備整體增大，因此設定在±10%之內(nèi)變化。

2.3.3優(yōu)化計算和分析

兩種優(yōu)化方案的操作步驟相同，在完成參數(shù)化分析的準備工作以后，便可以進行優(yōu)化計算。

(1)按照第一種優(yōu)化方案，對機構整體尺寸進行優(yōu)化，即對Fy、Ex、By進行優(yōu)化后，得到升降機構活塞桿5在迭代過程中的最大推進力變化曲線。

從設計研究報告可以看出，優(yōu)化后各個設計變量的取值以及對應的最大推進力，結果見表2。

表2　升降機構第一種優(yōu)化結果

從表2可以看出，優(yōu)化后Fy、Ex和By都發(fā)生了變化，By增加了10%。通過優(yōu)化最大推進力降低了69.9%，平均推進力降低了49.2%。優(yōu)化后總能耗為

W=Fvt=7273.4276J

式中，F(xiàn)為推進過程中的平均力，F(xiàn)=9 512.473 7 N；v為推進速度，v=0.2 m/s；t為推進時間，t=3.8231s[8]。

(2)按照第二種優(yōu)化方案，對機構局部尺寸進行優(yōu)化，即對Fy、Ex進行優(yōu)化后，得到升降機構活塞桿5在迭代過程中的最大推進力變化曲線。

從設計研究報告可以看出，優(yōu)化后各個設計變量的取值以及對應的最大推進力，結果見表3。

表3　升降機構第二種優(yōu)化結果

從表3可以看出，優(yōu)化后Fy、Ex都發(fā)生了變化，通過優(yōu)化最大推進力降低了62.9%，平均推進力降低了59.4%。優(yōu)化后總能耗為

W=Fvt=5932.7961J

其中，F(xiàn)=7598.745 N；v=0.2 m/s；t=3.9038 s。

兩種優(yōu)化方案的比較見表4。

從表4可以看出，雖然第一種優(yōu)化方案的最大力比第二種小，但是第一種優(yōu)化方案的能耗比第二種高1 340.631 5 J，第二種優(yōu)化方案更節(jié)能，故采用第二種優(yōu)化方案，即對升降機構采用局部尺寸優(yōu)化方案。

表4　升降機構的兩種優(yōu)化結果對比

3推進機構的優(yōu)化設計

3.1優(yōu)化目標

建立推進機構模型，如圖5所示。建立對活塞桿8推進力的測量，進行運動學仿真，得到活塞桿8推進力在推進運動中的變化曲線，如圖8所示。曲線在起始階段出現(xiàn)最大力是因為此時推進機構剛開始拉動鋼管，鋼管需要產(chǎn)生一個突變加速度，根據(jù)牛頓第二定律，故活塞桿8的出力在此時產(chǎn)生突變導致出現(xiàn)最大力，最大力為14 657.025 8 N?；钊麠U8在推進過程中保持勻速運動，從圖6可以看出，活塞桿8在運動過程中的驅(qū)動力是變化的。對于活塞桿8，其出力大小與其安裝位置及桿6、7、8的相對位置關系和桿6、7的長度有關。活塞桿8的安裝位置由鉸鏈J、K決定，推進機構的優(yōu)化目標是液壓缸10的最大推進力，優(yōu)化目的是要使得該最大推進力為最小，通過優(yōu)化原動件液壓缸的安裝位置以及推進機構相關鉸鏈點的位置，實現(xiàn)活塞桿8中最大推進力為最小，從而實現(xiàn)降低液壓缸能耗的目的

圖5　推進機構模型 Fig.5　Propulsion mechanism model

圖6　活塞桿8推進力的變化曲線 Fig.6　Curve of propulsion force from piston rod 8

3.2參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化目標，我們對推進機構相關鉸鏈點的坐標進行參數(shù)化，參數(shù)化后得到相應的設計變量，參數(shù)化的鉸鏈點如圖7所示。在圖7中，由于要使推進機構前進一個步進距離L2后機構停止運動，為此要建立對滑移塊4的位移測量，使用傳感器監(jiān)測該位移到達一個步進距離時，機構停止運動，即用傳感器監(jiān)測滑移塊4中的G點前進一個步進距離L2到達G’點時，讓機構停止運動[9]。

圖7　推進機構參數(shù)關系幾何圖形 Fig.7　Geometric figure for parameters relationship of propulsion mechanism

K點的y坐標Ky進行參數(shù)化，Ky的變化結果是使活塞桿的傾斜角度改變，故K點的x坐標不需要優(yōu)化，在x方向上找一個合適的安裝點即可。

J點的x、y坐標進行參數(shù)化后得到設計變量Jx、Jy，設計變量Jx的變化會帶動Jy的變化，變化的結果是J點始終在桿7上。

H點是為了改變桿長而設置的參數(shù)化點，對H點的x、y坐標進行參數(shù)化，Hx、Hy可以同時改變桿6、7在x方向和y方向的長度，Hx、Hy變化時，H點始終保持在桿7上，由圖7可得

即

3.3優(yōu)化設計

3.3.1確定優(yōu)化參數(shù)

由以上分析可知，我們確定自變量為Ky、Jx、Hx、Hy，對每個自變量進行敏感度分析，測得設計變量在初始值處的敏感度，結果見表5。

表5　設計變量的敏感度

從表5可以看出，設計變量Ky、Jx、Hx和Hy的敏感度都較大，故四個設計變量對活塞桿8的出力影響都較大。其中Hx、Hy是與機構整體尺寸有關的參數(shù) ，因此采取兩種優(yōu)化方案：第一種，對機構整體尺寸進行優(yōu)化，即對設計變量Ky、Jx、Hx和Hy進行優(yōu)化；第二種，不對機構整體尺寸進行優(yōu)化，只對機構局部尺寸進行優(yōu)化，即對設計變量Ky、Jx進行優(yōu)化。

3.3.2確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

Ky的變化范圍是Iy到Hy之間，故Ky的取值范圍是(-856，Hy)。Jx在桿7上變化，但Jx不能太接近Ix，太接近會導致活塞桿8推不動7桿，故Jx的取值范圍是(Hx，5200)。Hx和Hy是為了改變桿件在x方向和y方向的長度而設置的變量，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和相關配套設備尺寸增大，故取值范圍是原桿長度的±10%[10]。

3.3.3優(yōu)化分析和計算

兩種優(yōu)化方案的操作步驟相同，在完成參數(shù)化分析的準備工作以后，便可以進行優(yōu)化計算。

(1)按照第一種優(yōu)化方案，對推進機構整體尺寸進行優(yōu)化，即對設計變量Ky、Jx、Hx和Hy進行優(yōu)化，得到迭代過程中推進機構活塞桿8最大力的變化曲線。

從設計研究報告可以看出，優(yōu)化后各個設計變量的取值以及對應的推進機構的最大推進力，見表6。

表6　推進機構第一種優(yōu)化結果

從表6可以看出，優(yōu)化后各個設計變量的值都發(fā)生變化，Hx減小2.2%，Hy增加4.9%。通過優(yōu)化，推進機構活塞桿8的最大力降低了74.8%，平均力降低了72.7%。優(yōu)化后總能耗為

W=Fvt=708.982 3 J

其中，F(xiàn)=689.926 6 N；v=0.2 m/s；t=5.138 1 s。

(2)按照第二種優(yōu)化方案，對推進機構局部尺寸進行優(yōu)化，即對設計變量Ky、Jx進行優(yōu)化，得到迭代過程中活塞桿8最大力的變化曲線。

從優(yōu)化設計報告可以看出，優(yōu)化后各個設計變量的取值以及對應的推進機構最大力，見表7。

表7　推進機構第二種優(yōu)化結果

從表7可以看出，優(yōu)化后各個設計變量的取值都發(fā)生變化。通過優(yōu)化，推進機構活塞桿8的最大力降低了70.3%，平均力降低了66.6%。優(yōu)化后的總能耗為

W=Fvt=842.0978 J

其中，F(xiàn)=843.4473 N；v=0.2 m/s；t=4.992 s[11]。

推進機構兩種優(yōu)化結果比較見表8。

表8　推進機構兩種優(yōu)化結果比較

從表8可以看出，第一種優(yōu)化方案的最大力比第二種小，而且第一種優(yōu)化方案的能耗比第二種少133.115 5 J，故采用第一種優(yōu)化方案，即對推進機構采用整體尺寸優(yōu)化方案。

4結論

本文利用ADAMS軟件建立了φ335鋼管端面倒棱機自動輸送機構的仿真分析模型，對升降機構和推進機構分別進行了整體尺寸和局部尺寸的優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結果，對升降機構采用局部尺寸優(yōu)化方案，此優(yōu)化方案節(jié)能效果更明顯，優(yōu)化后升降機構的最大載荷由原先的48 677.851 8 N減少到18 081.5 N，減少了62.9%，平均載荷由原先的18 730.907 5 N減少到7 598.745 N，減少了59.4%。對推進機構采用整體尺寸優(yōu)化方案，優(yōu)化后推進機構的最大載荷由原先的14 657.025 8N減少到3 695.65 N，減少了74.8%，平均載荷由原先的2 525.589 9 N減少到689.926 6 N，減少了72.7%。將優(yōu)化的結果數(shù)據(jù)應用到選擇機構的標準件上，同時還可以將結果數(shù)據(jù)應用到零件的強度校核上。目前已將該優(yōu)化結果應用到φ335鋼管端面倒棱機上。

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