韓浩然　馮　偉　翟富剛

(1. 二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司重型機械工程公司，四川618000；2. 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江150000；3. 燕山大學機械工程學院，河北066004)

設計

關于一種無軌鍛造操作機升降傾斜機構的優(yōu)化分析

韓浩然1馮偉2翟富剛3

(1. 二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司重型機械工程公司，四川618000；2. 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江150000；3. 燕山大學機械工程學院，河北066004)

摘要：本文例舉了一種鍛造操作機升降傾斜機構，該機構尤其適用于無軌鍛造操作機。對升降軌跡進行數(shù)學建模和運動仿真，得出升降過程中相關桿件的關系方程組。在工程設計上，給定一定桿件尺寸時，能計算出剩余桿件的長度和位置，在符合精度的條件下，保證升降過程中軌跡更接近于直線。通過多組參數(shù)分析對比，得出其精度控制規(guī)律。該分析結果對于鍛造操作機的結構設計和優(yōu)化具有指導意義。

關鍵詞：鍛造操作機；升降傾斜機構；垂直升降；軌跡優(yōu)化

國民經濟的飛速發(fā)展，帶動了我國國防科技、電力電氣、航空航天、船舶車輛以及應用于農業(yè)、道路、建筑等領域的機械制造業(yè)蓬勃發(fā)展。各個領域的機械設備都向著集成化、巨型化、精密化、自動化等方向高速發(fā)展，對大型自由鍛件在規(guī)格、質量和數(shù)量上要求更加嚴格。怎樣在安全環(huán)保和舒適的勞動條件下提高勞動生產率和經濟效益成為當下擺在自由鍛件生產行業(yè)的一個亟待解決的課題。鍛造操作機作為與大中型鍛造壓機配合使用的輔助機械，具有精密、高速、重載、智能、柔性等特點，對鍛造生產效率和鍛件質量的提高以及改善鍛造作業(yè)環(huán)境和節(jié)能減排起到了至關重要的作用。

現(xiàn)有的無軌鍛造操作機傾斜升降機構有懸吊式、下托式、惠爾曼式、塞克式、擺動杠桿式、機械式、倒置式和倒平行四邊形式等。查閱現(xiàn)有的國內外無軌鍛造操作機[1-10]，發(fā)現(xiàn)在升降過程中所有的鍛造操作機都很難保持軌跡的完全豎直，而這一缺陷會大大降低鍛造工藝的精度，從而嚴重阻礙鍛造技術的發(fā)展，尤其是在重型鍛造操作設備上，該缺陷會更加明顯，微小的弧度反應在鍛件上就可能會有數(shù)十毫米的誤差。

1一種新型鍛造操作機升降傾斜機構

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本文例舉了一種結構簡單、緊湊，運動可靠性強，同步性好的鍛造操作機升降傾斜機構，該機構已申請并獲得國家發(fā)明專利(授權公告號：CN 104014706 B)。

該傾斜升降機構尤其適用于無軌鍛造操作機，主要由升降機構和傾斜機構組成，其特征在于機架由一對平行四邊形機構的四個平行桿分別和一對倒三角形架的四頂點相連。三角形架頂邊四頂點通過兩對等長的懸掛桿與夾鉗主軸相連形成平行四邊形機構，與機架平行四邊形機構下端相連的一對桿作為傾斜缸，一對上連接桿中部通過同步桿相連，升降缸鉸接于同步桿中部，兼垂直緩沖功能，水平緩沖缸位于后懸掛桿的某一位置，該機構以夾鉗主軸為中心對稱分布。

鍛造操作機升降傾斜機構外形和結構示意圖分別如圖1和圖2。圖2中，傾斜缸1、三角形架2和上連接桿7組成平行四邊形機構，傾斜缸1和上連接桿7與機架相連，上連接桿中部通過同步桿6相連，升降缸8與同步桿6中部鉸接，夾鉗主軸4通過一對前懸掛桿3和一對后懸掛桿5形成一對平行四邊形機構，與三角形架2上方兩對頂點鉸接。緩沖缸9與后懸掛桿5某位置鉸接。

當實現(xiàn)升降功能時，傾斜缸1鎖死，且與連接桿7等長，形成平行四邊形機構，升降缸8驅動。

當實現(xiàn)傾斜功能時，升降缸8鎖死，緩沖缸9長度不變，所以后懸掛桿5被鎖死，傾斜缸1運動時，前懸掛桿3和后懸掛桿5形成的平行四邊形機構使夾鉗主軸4繞后懸掛桿5下鉸接點旋轉。

圖1　鍛造操作機升降傾斜機構外形示意圖

1—傾斜缸　2—三角形架　3—前懸掛桿　4—夾鉗主軸

2升降軌跡豎直的優(yōu)化分析

2.1建模仿真

通過建模仿真發(fā)現(xiàn)，在設計完成其他桿件的長度之后，通過控制水平緩沖缸的長度和位置得到不同的升降運動軌跡。當水平緩沖缸的長度由短變長時，可知夾鉗的運動軌跡逐漸由凸弧變?yōu)橐粭l在一定豎直范圍內的近似直線。當水平緩沖缸的長度繼續(xù)變長時，夾鉗的運動軌跡由近似直線逐漸變?yōu)榘蓟?。當水平緩沖缸的位置由低變高時，可知夾鉗的運動軌跡逐漸由凸弧變?yōu)橐粭l在一定豎直范圍內的近似直線。當水平緩沖缸的位置繼續(xù)向上移動時，夾鉗的運動軌跡由近似直線逐漸變?yōu)榘蓟　＜丛撥壽E在緩沖缸位置和長度的變化過程中呈現(xiàn)由凸弧到凹弧的漸變。

通過初步分析得到結論：必有一組緩沖缸的長度和位置使得升降軌跡為近似直線。

通過對關鍵桿件的分析得出，夾鉗的運動軌跡與后懸掛桿下端點的運動軌跡相同，相當于一個曲柄搖桿機構的外延端點軌跡。建立以上連接桿和機架的鉸接點為原點的直角坐標系。

圖3　升降動作相關桿件機構簡圖

圖3中a為上連接桿長度，b為后懸掛桿上部長度，d為后懸掛桿下部長度。在該結構模型中，設定初始條件為上連接桿以及緩沖缸都處于水平狀態(tài)。

對機構進行幾何分析，首先假定后懸掛桿下端點做直線運動，即為理想狀態(tài)，可以建立此狀態(tài)下機構運動的方程組為：

式中，把a，b，d這三個桿長設為已知量，即由鍛造操作機機械結構設計而得；n為后懸掛桿下端點的縱向坐標；x為后懸掛桿和緩沖缸鉸接點的橫向坐標；y為后懸掛桿和緩沖缸鉸接點的縱向坐標；k為上連接桿相對于橫軸的轉向角，在該方程組分析中為控制變量；e為緩沖缸和機架鉸接點的橫向坐標，為該方程組主要分析對象。

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。本文中利用MATLAB的相關功能解方程組，并編寫優(yōu)化設計程序。

利用MATLAB解方程組(1)，可得e的表達式為：e=f(a,b,d,k) 。

在表達式中，可知a，b，d為給定值。設定k為控制變量，k的取值范圍通過夾鉗上下移動范圍而定。依照k取定不同的值，可得出e的一組值。

繼續(xù)對此機構進行幾何分析，可得方程組

(x+acosk)2+(y-asink)2=b2

(2)

在方程組(2)中，m為后懸掛桿下端點的橫坐標，是本方程組主要分析對象。e為控制變量。利用MATLAB解方程組(2)，可得m及n的表達式為：

m=f(a,b,d,k,e)

n=f(a,b,d,k,e)

對于e的某個取值，通過k值即上連接桿的角度的變化，可得出m的一組取值，即為后懸掛桿下端點的橫向坐標取值，同樣可得n的一組取值，即為后懸掛桿下端點的縱坐標的變化。要控制本機構后懸掛桿下端點的運動曲線近似為直線，需要控制m值的變化范圍。根據(jù)機構設計，當k為0時，m為-a，因而取p=|m+a|，即p為控制誤差，應依據(jù)工藝要求在設計階段給定此值。

經過以上分析，可以給出一種優(yōu)化設計方法，即首先根據(jù)工藝要求確定夾鉗的升降范圍，得出k的取值范圍。取k的一組值，依據(jù)e=f(a,b,d,k) 可得出e的一組取值。將e的所有取值依次代入m=f(a,b,d,k,e)中，針對e的每一個值可得到一組m值，必須使其滿足|m+a|

2.2驗證

2.2.1行程為1 400 mm，p=0.5 mm

依據(jù)上述思路，編寫了相應的MATLAB程序，并代入數(shù)據(jù)進行驗證。試設計一臺20 t的無軌鍛造操作機，根據(jù)技術要求以及結構設計取a=3 000 mm，b=1 100 mm，d=1 300 mm(見圖3)，升降行程為1 400 mm，則取上連接桿上下俯仰角為-14°

圖4　升降行程為1 400 mm，p=0.5 mm時

由圖4可得，在其技術要求的升降范圍內(-3 100 mm～ -1 700 mm)，后懸掛桿下端點的軌跡為近似直線，其最大偏差小于p(p=0.5 mm)，滿足設計要求。

2.2.2升降行程為1 400 mm，p=0.3 mm

再次運行程序，依舊輸入相應的桿長數(shù)值，以及角度，但這次我們提高精度要求，使p=0.3 mm，輸入p的數(shù)值后運行程序，這次得到e的取值范圍是e=2 483.31 mm～2 483.84 mm，取e的值為2 483.50 mm，再次代入程序，可得后懸掛桿下端點運動軌跡,如圖5所示。

圖5　升降行程為1 400 mm，p=0.3 mm時

由圖5可得，在其技術要求的升降范圍內(-3 100 mm～ -1 700 mm)，后懸掛桿下端點的軌跡為近似直線，其最大偏差小于p(p=0.3 mm)，滿足設計要求。

再次運行程序，依舊輸入相應的桿長數(shù)值，以及角度，再次提高精度要求，使p=0.1 mm，輸入p的數(shù)值后運行程序，這次程序并未返回任何e的取值，說明此系統(tǒng)不可能達到p=0.1 mm的精度要求，同樣對于p=0.2 mm也沒有e的返回值，說明此系統(tǒng)在此誤差精度范圍內的極限誤差為p=0.3 mm。

2.2.3升降行程為1 000 mm，p=0.08 mm

下面減小操作機的升降行程，將其升降行程降為1 000 mm，則取上連接桿上下俯仰角度為-10°

圖6　升降行程為1 000 mm，p=0.08 mm時

由圖6可得，在其技術要求的升降范圍內(-2 900 mm～ -1 900 mm)，后懸掛桿下端點的軌跡為近似直線，其最大偏差小于p(p=0.08 mm)，滿足設計要求。

通過對上述模型的求解以及制圖可知減小行程可以顯著地減小操作機進行豎直動作時的誤差，因此可以針對不同的工作要求(具體細化為不同的升降工作范圍)，設置不同的e值，可以顯著地提高動作精度。

該方法亦可通過已得方程組，在給定e和(b+d)值的情況下，確定b或d的取值。即給定緩沖缸的長度，求出其在后懸掛桿上最佳安裝位置，以保證升降軌跡的直線近似度。過程與求e值類似，只需對程序稍加改動即可。

從數(shù)學建模的角度出發(fā)，反映出各個相關桿件與軌跡近似豎直之間的關系，通過編程可以直接應用于設計實際，解決工程問題。

3結論

本文例舉了一種無軌鍛造操作機升降傾斜機構，具有結構簡單、緊湊，運動可靠性強，同步性好，視野廣闊，承載能力強，調整好水平緩沖缸的位置和長度，能實現(xiàn)升降軌跡近似于豎直等特點。通過數(shù)學分析其升降動作的運動軌跡得出相關桿件的關系公式，經驗證明得出其優(yōu)化曲線為一條近似直線，在給定誤差和技術要求的情況下通過編程得出一組最優(yōu)解，同時通過多組數(shù)據(jù)的對比分析，得出在技術要求升降行程減小的情況下，能進一步降低升降過程中的水平誤差，對該機構的鍛造操作機的優(yōu)化設計具有直接的實際意義，對相似機構的鍛造操作機也具有很高的參考價值。

參考文獻

[1]張營杰, 衛(wèi)凌云, 牛勇, 韓炳濤. 鍛造操作機發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2012, (2): 11-13.

[2]萬勝狄. 鍛造機械化與自動化[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1983: 169-172.

[3]余發(fā)國. 鍛造操作機的設計原理研究[D]. 秦皇島: 燕山大學工學博士學位論文, 2009: 3-4.

[4]王飛宇. 重載鍛造操作機設計機理及動態(tài)特性研究[D]. 重慶大學工學碩士學位論文, 2012:1-7.

[5]Rail Forging Manipulators. http://www.sms-meer.com/pro-dukte.

[6]Dango & Dienenthal Forging Manipulator. http://www.dds-gmbh.com.

[7]Manipulators-Forging. http://www.wepuko.com/wpe-manipulators.

[8]GLAMA Rail-Bound Forging Manipulator. http://www.glama.de.

[9]QKKRailForgingManipulators. http://www.zdas.cz/en/content.aspx?catid=8.

[10]Rail Forging Manipulators. http://www. tkpo.ryazan.ru/index_e.htm.

[11]韓木林,吳順達. 鍛造行業(yè)節(jié)能減排技術措施及發(fā)展方向研究[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2010(5): 15-20.

[12]Nowitzki, Werner. Manipulators with mass division increase throughput and save energy in high-precision forging[J]. MPT Metallurgical Plant and Technology International, 2008, 31(5):46-48.

[13]王勇勤, 熊乙錕, 嚴興春, 韓炳濤, 等. 鍛造過程中DDS操作機動力學特性研究[J].鍛壓技術, 2012,37 (6):156-161.

[14]許允斗. 基于并聯(lián)機構理論大型鍛造操作機設計與分析[D]. 燕山大學工學博士論文, 2012.

[15]劉杰, 基于虛擬樣機的鍛造操作機閥控馬達系統(tǒng)仿真研究[D]. 燕山大學碩士論文.2010.

[16]Fu Xin, Xu Ming, Wang Wei, Zou Jun, et al. Hydraulic system design and simulation of the forging manipulator[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(11):49-54.

[17]Yan Changya, Gao Feng, Zhang Yong. Kinematic modeling of a serial-parallel forging manipulator with application to heavy-duty manipulations[J]. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2010, 38(1):105-129.

[18]夏峰. 國產化最大噸位600 t·m全液壓操作機在煙臺順利投產[J].鍛壓技術, 2012,37 (1):90.

[19]張寅, 孔祥東, 翟富剛, 艾超. 200 kN液壓鍛造操作機監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].鍛壓技術, 2013,38 (2):90-93.

[20]姚靜. 鍛造油壓機液壓控制系統(tǒng)的關鍵技術研究[D]. 秦皇島: 燕山大學工學博士學位論文, 2008.

[21]劉琳琳, 王艾倫, 馬強, 楊相穩(wěn). 卸荷溢流閥動態(tài)特性的數(shù)字仿真研究[J].機床與液壓, 2006, (9): 124-126.

[22]孔祥東, 權凌霄, 姚靜, 闞超, 等. 基于力學分析的蓄能器數(shù)學模型建立及實驗研究[J]. 機床與液壓, 2006, (7): 31-33.

[23]孔祥東, 翟富剛, 張楊, 龐逢祥，等. 鍛造操作機夾鉗平行升降機構運動學分析[J]. 燕山大學學報, 2011,35(3):198-202.

[24]馮志軍. 淺談溢流閥故障及排除方法[J]. 液壓氣動與密封, 2006, (4): 50-51.

[25]宮燃. 傳動裝置動密封失效分析及試驗研究[D]. 杭州: 浙江大學工學博士學位論文, 2008.

編輯陳秀娟

Analysis on Optimization of Lifting and Tilting Mechanism for a Trackless Forging Manipulator

Han Haoran, Feng Wei, Zhai Fugang

Abstract：A kind of forging manipulator lift and tilting mechanism has been enumerated in the paper, and it is especially suitable for a trackless forging manipulator. Relation formula of related rods in the lifting process has been obtained by making mathematical modeling and movement simulation on the lifting trajectory. When a certain dimension of rod is given in engineering design, the length and location of the residual rod can be calculated, and it can be ensured that the trajectory is close to the straight line during lifting under the condition of accuracy. The accuracy control law has been obtained by comparing multiple sets of parameters. The analysis results have guiding significance for the structure design and optimization of forging manipulator.

Key words：forging manipulator; lifting and tilting mechanism; vertical lift; trajectory optimization

收稿日期：2015—12—02

作者簡介：韓浩然(1991—)，男，本科，助理工程師。電話：15283885889，E-mail：haoran1005@qq.com

中圖分類號：TH113.2

文獻標志碼：A