元磊，柴曉艷

·設(shè)計(jì)計(jì)算·

基于ADAMS的鋼管碼垛機(jī)自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

元磊1，2，柴曉艷1，2

(1．天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室，天津300384; 2．天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300384)

自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)是鋼管碼垛機(jī)的重要組成部分之一。利用ADAMS軟件中的參數(shù)化建模和分析功能，通過建立參數(shù)化點(diǎn)，建立鋼管碼垛機(jī)自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型。運(yùn)用ADAMS對鋼管碼垛機(jī)自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以液壓缸輸出力最小為優(yōu)化目的，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量及其變化范圍，然后再進(jìn)行優(yōu)化分析，從而得到液壓缸輸出力的最優(yōu)解。對Φ219鋼管碼垛機(jī)輸送機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu);鋼管碼垛機(jī);液壓缸輸出

0 前言

鋼管廣泛地應(yīng)用在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的各個(gè)領(lǐng)域，由于中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對鋼管的需求量也日益劇增。為了方便運(yùn)輸和儲(chǔ)存通常需要將鋼管進(jìn)行碼垛、打包。一直以來大部分鋼管企業(yè)主要以人工碼垛的方式進(jìn)行。由于人工的成本不斷增加，而且效率低，給企業(yè)正常的生產(chǎn)運(yùn)作帶來了很多困難［1］。天津某公司根據(jù)市場需求率先研制出一種新型的鋼管碼垛機(jī)設(shè)備，該設(shè)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(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也增加了企業(yè)間的競爭力。但由于是新型的設(shè)備，對液壓缸和電機(jī)的選擇沒有系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)作為參照，對各零部件的設(shè)計(jì)大多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣選擇的液壓缸和電機(jī)的功率偏大，零部件的尺寸偏大，產(chǎn)生了不必要浪費(fèi)。本文運(yùn)用ADAMS軟件對新型鋼管碼垛機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模，對碼垛機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到了最優(yōu)化的輸送機(jī)構(gòu)。

1 輸送機(jī)構(gòu)的工作過程

此次所研究的鋼管碼垛機(jī)自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)主要是由升降機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)兩部分組成，使用的是多桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞，液壓缸和電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)，然后以步進(jìn)的方式將待打包的鋼管送入打包架中。

Φ219鋼管碼垛機(jī)自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，當(dāng)活塞桿7向右下方運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺桿1和擺桿2同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得支撐梁2水平上升，將運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)。當(dāng)電機(jī)9工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)通過鏈條10傳遞給滑動(dòng)塊5，滑動(dòng)塊5帶動(dòng)支撐板3和鋼管在支撐梁2上水平移動(dòng)(滑動(dòng)塊5與橫梁11之間有滾子，圖中沒有畫出)。電機(jī)9、鏈條10、橫梁11、滑動(dòng)塊5、支撐板3共同組成橫移機(jī)構(gòu)。

在機(jī)構(gòu)開始工作之前，鋼管由傳送帶運(yùn)送到支撐板3上方位置。此時(shí)機(jī)構(gòu)開始工作。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)共有4個(gè)行程。第1個(gè)行程:活塞桿7向右下方運(yùn)動(dòng)，通過擺桿1和擺桿2將支撐梁2托起，同時(shí)將支撐板3抬起，接觸鋼管后繼續(xù)上升，直到擺桿1和擺桿2運(yùn)動(dòng)到豎直位置時(shí)液壓缸8停止工作，完成第1個(gè)行程;第2個(gè)行程:電機(jī)9開始工作，帶動(dòng)滑動(dòng)塊5向左移動(dòng)一個(gè)工位后電機(jī)9停止工作，完成第2個(gè)行程;第3個(gè)行程:液壓缸8推動(dòng)活塞桿7反向運(yùn)動(dòng)，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(gè)行程;第4個(gè)行程:電機(jī)9反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑動(dòng)塊5水平向右移動(dòng)到起始位置，完成第4個(gè)行程。

圖1 Φ219自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)簡圖Fig.1Schematic diagram of Φ219 automatic conveying mechanism

2 輸送機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

在ADAMS中建立輸送機(jī)構(gòu)模型，如圖2所示。對輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，測出活塞桿7在工作過程中推進(jìn)力隨時(shí)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(yùn)動(dòng)，受力是變化的，圖中出現(xiàn)峰值的時(shí)刻是支撐板3剛接觸鋼管時(shí)，此時(shí)鋼管產(chǎn)生一個(gè)水平向上的瞬時(shí)加速度，由牛頓第二定律可知，活塞桿7在此時(shí)刻受力達(dá)到最大值，該最大值為23 137.7 N。由此確定了優(yōu)化目標(biāo)是液壓缸8的最大推進(jìn)力，優(yōu)化目的是使液壓缸8的最大推進(jìn)力為最小，從而達(dá)到降低液壓缸8能耗的目的［2］。

圖2 輸送機(jī)構(gòu)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(shù)化建模

結(jié)合已經(jīng)確定的優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化目的，把對輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響較大的鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，共創(chuàng)建了5個(gè)參數(shù)化點(diǎn)，9個(gè)主要設(shè)計(jì)變量。這些參數(shù)化點(diǎn)和設(shè)計(jì)變量所在的位置如圖4所示［3］。

圖4 參數(shù)關(guān)系幾何圖Fig.4Geometric figure for parameters relationship

將A點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)分別設(shè)為XA和YA，其中YA是自變量，YA的變化會(huì)導(dǎo)致桿1角度的變化，所以將桿1與水平方向的夾角設(shè)為α。為了滿足不同管徑鋼管的輸送要求，機(jī)構(gòu)上升的行程必須是一定的，即當(dāng)桿1由起始位置運(yùn)動(dòng)到豎直位置時(shí)，A點(diǎn)縱坐標(biāo)的變化量為恒定值H，其中H= 66 mm［4］。由圖4可知各參數(shù)之間的表達(dá)式。

將B點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)分別設(shè)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(jī)構(gòu)，所以B點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)的變化量應(yīng)該與A點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)的變化量始終保持相等。同時(shí)將C點(diǎn)的橫坐標(biāo)設(shè)為XC(C點(diǎn)的縱坐標(biāo)變化對優(yōu)化結(jié)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(dāng)XC變化時(shí)，必然會(huì)引起D點(diǎn)坐標(biāo)的變化，所以將D點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)分別設(shè)為XD和YD，其中XD為自變量。最后將E點(diǎn)橫坐標(biāo)設(shè)為XE，用來找到液壓缸最佳的出力點(diǎn)。

將圖4中各參數(shù)表達(dá)式用ADAMS中的參數(shù)表示。在優(yōu)化過程中，部分桿件長度會(huì)發(fā)生變化，所以每次仿真的時(shí)間是不一樣的，為了滿足工作要求，即當(dāng)擺桿1運(yùn)動(dòng)到豎直位置時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止仿真，為此建立了傳感器。首先測量A點(diǎn)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(shè)定為0，即可完成對傳感器的設(shè)定，使得每當(dāng)擺桿1與擺桿2運(yùn)動(dòng)到豎直位置時(shí)，系統(tǒng)仿真運(yùn)動(dòng)停止。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

借助ADAMS/View的參數(shù)化分析功能可以分析設(shè)計(jì)參數(shù)變化對樣機(jī)性能的影響。在參數(shù)化分析過程中，ADAMS/View會(huì)采用不同的設(shè)計(jì)參數(shù)值，自動(dòng)的運(yùn)行一系列的仿真分析，然后返回分析結(jié)果［5］。在優(yōu)化之前應(yīng)先對各個(gè)自變量進(jìn)行敏感度分析，根據(jù)各個(gè)自變量在初始值時(shí)敏感度的大小和實(shí)際工作要求來確定需要優(yōu)化的自變量。

2.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

由上面的分析結(jié)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(gè)自變量進(jìn)行敏感度分析，測得各個(gè)自變量在初始值時(shí)的敏感度，具體數(shù)值見表1。

表1 設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便找到液壓缸最佳的安裝位置。故優(yōu)化參數(shù)是YA、XC、XD、XE。

2.3.2 確定優(yōu)化參數(shù)的取值范圍

優(yōu)化參數(shù)YA是A點(diǎn)的縱坐標(biāo)，是為了改變桿件長度而設(shè)置的優(yōu)化參數(shù)，當(dāng)桿件長度過小時(shí)，不能滿足行程的要求，當(dāng)桿件長度過大時(shí)，會(huì)使輸送機(jī)構(gòu)和與它配套的設(shè)備的尺寸偏大，故其變化范圍在±10%之內(nèi)。通過YD的表達(dá)式可知，當(dāng)XC與XD的值接近時(shí)，會(huì)使YD的值過小，使結(jié)構(gòu)變得不合理。經(jīng)過大量的試驗(yàn)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(diǎn)的橫坐標(biāo)，同樣也是為了改變桿件長度而設(shè)置的優(yōu)化參數(shù)，當(dāng)桿件長度過小時(shí)，則需要更大功率的液壓缸才能完成工作，當(dāng)桿件長度過大時(shí)，會(huì)使整個(gè)輸送機(jī)構(gòu)和與它配套的設(shè)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(nèi)［6］。2.3.3優(yōu)化計(jì)算和分析

在完成參數(shù)化分析的準(zhǔn)備工作之后，下一步就是開始進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在Simulate-Design Evaluation-Optimization-Measure下選擇測量力的最大值，優(yōu)化目標(biāo)選擇最小值。優(yōu)化后液壓缸產(chǎn)生的最大推進(jìn)力的變化曲線如圖5所示，迭代過程中液壓缸最大推進(jìn)力的變化曲線如圖6所示，以及優(yōu)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(jī)的功率選擇這方面并沒有作詳細(xì)的計(jì)算，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇電機(jī)。現(xiàn)在利用ADAMS軟件作動(dòng)力學(xué)分析之后，得到了電機(jī)在整個(gè)工作過程中的功率變化曲線，為電機(jī)功率的選擇提供了可靠的理論依據(jù)，避免了選擇電機(jī)功率過大的情況。電機(jī)功率變化曲線如圖9所示。

圖7 優(yōu)化前的功率變化曲線Fig.7Power change curve before optimizing

圖8 優(yōu)化后的功率變化曲線Fig.8Power change curve after optimizing

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

從優(yōu)化設(shè)計(jì)研究報(bào)告中能夠得到優(yōu)化前后每一個(gè)設(shè)計(jì)變量的數(shù)值和液壓缸的最大推進(jìn)力和平均力的數(shù)值，見表2。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化效果十分明顯。

表2 優(yōu)化結(jié)果Tab.2Optimization result

3 結(jié)論

本文利用ADAMS軟件建立了Φ219鋼管碼垛機(jī)輸送機(jī)構(gòu)模型，以降低液壓缸最大推進(jìn)力為優(yōu)化目標(biāo)，找到合適的設(shè)計(jì)變量及其取值范圍，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到了Φ219鋼管碼垛機(jī)輸送機(jī)構(gòu)在安裝時(shí)最佳的起始位置。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)省了能源，并且為橫移過程中電機(jī)的選擇提供了可靠的理論依據(jù)。優(yōu)化后得到的數(shù)據(jù)還可以作為選擇標(biāo)準(zhǔn)件和校核關(guān)鍵零部件的有效依據(jù)，完成了由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向理論設(shè)計(jì)的重大轉(zhuǎn)變。目前已將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)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(chuàng)新基金項(xiàng)目(14ZXCXGX00334)

元磊(1991－)，男，天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。