李 震，柴曉艷，賀凱悅

(1.天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室,天津 300384 2.機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))，天津 300384)

基于ADAMS的φ76鋼管碼包機自動移管機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李 震1,2，柴曉艷1,2，賀凱悅1,2

(1.天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室,天津 300384 2.機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué))，天津 300384)

本文借助ADAMS軟件建立了φ76鋼管碼包機的三維實體模型，在動力學(xué)仿真運行后對升降機構(gòu)進行參數(shù)化分析與優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計后升降機構(gòu)最大功率降低了24.96%，平均功率降低了22.13%，極大地降低了能耗和設(shè)備的成本。并對橫移機構(gòu)進行動力學(xué)分析，測出其最大功率為7 485.7 W，為實際生產(chǎn)中選擇合適的步進電機提供了理論依據(jù)。

鋼管碼包機；仿真分析；參數(shù)化建模；優(yōu)化設(shè)計

0 前言

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鋼管產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)設(shè)備上都達到了世界先進水平，2016年1～10月份，國內(nèi)鋼管總產(chǎn)量約為8 298.01萬t，同比增長5.24%。安全、高效地生產(chǎn)鋼管成為了鋼管產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求，鋼管碼包機可以對圓形和方矩形鋼管進行自動碼包工作，并且包形緊密、整齊。本文利用ADAMS建立碼包機三維實體模型，并經(jīng)過參數(shù)化點、生成設(shè)計變量、建立設(shè)計過程函數(shù)等步驟完成參數(shù)化建模，對液壓缸的最大功率實施優(yōu)化，分析優(yōu)化方案數(shù)據(jù)，最終獲得優(yōu)化的自動移管機構(gòu)。

1 自動移管機構(gòu)的構(gòu)成及工作原理

鋼管碼包機自動移管機構(gòu)如圖1所示，自動移管機構(gòu)由升降機構(gòu)和橫移機構(gòu)構(gòu)成。升降機構(gòu)要由液壓缸1、活塞桿2、連桿3、連桿5、支撐梁4、滾子11以及支撐板12組成，橫移機構(gòu)主要由鏈輪6、鏈7、支撐梁8、滾子9、滑動快10、支撐板13組成[1]。通過升降機構(gòu)將支撐板舉升到指定高度取下鋼管后，再由橫移機構(gòu)將鋼管移動到左端支撐架上(圖中未畫出)進行打包[1]。

自動移管機構(gòu)的運動共由四個行程組成。第一個行程中，當活塞桿2下行時，直接帶動連桿3、5向右擺動，由于連桿3、5以及支撐梁4組成平行四邊形結(jié)構(gòu)，通過連桿3、5的向右擺動，使得支撐梁4可以水平的升起。支撐板12通過滾子11與支撐梁4接觸，并隨著支撐梁4被舉起。經(jīng)過精確的計算，支撐板12的斜面恰好在升起到水平位置時接觸到傳動裝置上的鋼管，而后，活塞桿繼續(xù)下行，由于在連桿5處建立了傳感器來檢測連桿5水平方向上的位移，所以連桿5擺動至豎直位置時升降機構(gòu)停止運動，液壓缸1停止工作，此時支撐板12運動至最高處，第一行程結(jié)束。第二行程，電機(圖中未畫出)帶動鏈輪6逆時針運動，鏈條7帶動滑動塊10通過滾子9向左運動，支撐板12托舉鋼管與滑動塊10共同運動至左端支撐架處，橫移機構(gòu)停止運動，電機停止工作，第二個行程結(jié)束。第三個行程是第一個行程的逆過程，液壓缸1做反向運動，推動連桿3使得支撐梁4水平下移，帶動支撐板12下移至支撐架上，液壓缸停止工作，通過支撐板12上自身傾斜角度鋼管平穩(wěn)滾動至鋼管收集裝置中(此裝置圖中未畫出)，第三個行程結(jié)束。第四個行程是第二個行程的逆過程，電機做反向運動,帶動卸下鋼管的支撐板12沿著支撐梁8向右運動至初始位置，電機停止工作，第四個行程結(jié)束。至此，自動移管機構(gòu)通過這四個行程完成一個周期的工作。

圖1 φ76自動移管機構(gòu)簡圖

2 升降機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化目標

在ADAMS中建立自動移管機構(gòu)模型，如圖2所示。實際運動中，機構(gòu)在連桿5運動至豎直位置時停止運動，所以要對連桿5的Marker點進行位移檢測，在連桿5處的Marker點建立位移傳感器來監(jiān)測該位置在水平方向的位移，并設(shè)定傳感器的Value值為0，使得連桿在運動至豎直位置時恰好運動停止。在ADAMS中建立對該機構(gòu)的運動學(xué)仿真分析,并建立對活塞桿2的推進功率的測量，得到液壓缸在運動過程中輸出功率隨時間變化的曲線，如圖3所示。圖3中出現(xiàn)峰值的時刻為支撐板12剛接觸鋼管的那一刻，鋼管產(chǎn)生了一個瞬時加速度即活塞桿的輸出推進力瞬時達到最大值。由圖3的功率變化曲線確定升降機構(gòu)的優(yōu)化目標是液壓缸2的最大輸出功率，優(yōu)化目的是使此最大輸出功率最小。在優(yōu)化前，為液壓缸的以及升降機構(gòu)相關(guān)鉸鏈點的位置輸入一定取值范圍，在優(yōu)化中不斷改變其取值，找到使液壓缸最大輸出功率最小的位置，實現(xiàn)優(yōu)化目的，降低液壓缸的能耗[2]。

圖2 自動移管機構(gòu)模型

2.2 參數(shù)化建模

對升降機構(gòu)的相關(guān)鉸鏈點進行參數(shù)化后得到了相應(yīng)的設(shè)計變量，參數(shù)化后的鉸鏈點如圖4所示[3]。

圖3 優(yōu)化前液壓缸1的功率變化曲線

對A點的橫坐標XA進行參數(shù)化(A點的縱坐標變化沒有意義)得到DV_1。

圖4 升降機構(gòu)參數(shù)關(guān)系幾何圖形

D點是為了改變桿長而設(shè)置的參數(shù)化點，對D點的橫縱坐標XD、YD進行參數(shù)化后得到設(shè)計變量DV_2、DV_3，設(shè)計變量DV_3的變化會使DV_2和連桿3與水平方向的夾角α發(fā)生變化，因此設(shè)α為DV_4，設(shè)DV_3為自變量。當連桿3由起始位置運動至豎直位置時，所經(jīng)過的路程為圖中的L1值，其中L1=66 mm(由設(shè)備結(jié)構(gòu)確定的值)，設(shè)連桿5的長度為L，因為連桿5、支撐梁4,、連桿3與機架共同構(gòu)成平行四邊形,且YD與YE的差值為L2，所以C點的縱坐標恒為L2，其中L2=35 mm，對C點的橫坐標XC進行參數(shù)化得到DV_5，設(shè)DV_5為自變量。由圖4可得

L-L1=YD-L2(YD-L2)/SINα-L1=YD-L2

α=ASIN(YD-L2)/(YD-L2+L1)

(1)

XD=XC-(YD-L2)/TANα

(2)

(1)、(2)式Adams的數(shù)學(xué)表達式為

DV_4=ASIN(DV_3-35)/(DV_3+31)

(3)

DV_2=DV_5-(DV_3-35)/TAN(DV_4)

(4)

在運動中，連桿3的夾角始終等于90°，B點隨C點的變化而變化，對B點的橫縱坐標XB、YB進行參數(shù)化得到設(shè)計變量DV_6、DV_7，設(shè)DV_7為自變量。

由圖4可得：YB=(XB-XC)/TANα+L2

轉(zhuǎn)化為Adams的數(shù)學(xué)表達式為

DV_7=(DV_6-DV_5)/TAN(DV_4)+35

(5)

對E點的橫縱坐標XE、YE進行參數(shù)化得到設(shè)計變量DV_8、DV_9。由圖4可得

XE=XD-XCYE=YD-L2

轉(zhuǎn)化為Adams的數(shù)學(xué)表達式為：

DV_8=DV_2-DV_5

(6)

DV_9=DV_3-35

(7)

由此完成了升降機構(gòu)的參數(shù)化建模[4]。

2.3 優(yōu)化設(shè)計及分析

參數(shù)化建模中，建立了4個自變量DV_1、DV_3、DV_5、DV_6和5個因變量DV_2、DV_4、DV_7、DV_8、DV_9，可以看出，因變量隨自變量變化而變化。在優(yōu)化前需要對自變量的敏感度進行分析，根據(jù)敏感度的大小可以確定需要進行優(yōu)化的參數(shù)。通過對優(yōu)化結(jié)果的分析，可以確定一個或者多個自變量的變化對樣機的影響，從而得到最優(yōu)化的樣機。

2.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

對DV_1、DV_3、DV_5、DV_6等4個自變量進行敏感度分析，可以得到4個自變量在初始值處的敏感度，見表1。

表1 設(shè)計變量敏感度

由表1數(shù)據(jù)可得，敏感度較大的自變量是DV_3、DV_5、DV_6，這三個自變量對機構(gòu)的影響較大。DV_1的敏感度最小，但DV_1決定了自動移管機構(gòu)液壓缸的出力位置，如將此值去掉，會使優(yōu)化結(jié)果相差較大，因此DV_1不可去掉，確定優(yōu)化參數(shù)有DV_1、DV_3、DV_5、DV_6[5]。

2.3.2 確定優(yōu)化參數(shù)取值范圍

DV_1決定了液壓缸最佳出力點的位置，XA應(yīng)在活塞桿2上變化，XA不能過小，否則根據(jù)力矩的計算公式，活塞桿2會推不動連桿5,其在±10%之內(nèi)變化。DV_3是機構(gòu)在y方向上的桿長增量，此增量值決定了機構(gòu)的整體尺寸，因此這個增量值不能太大，否則會使機構(gòu)的整體尺寸和與之配套的設(shè)備尺寸增大，設(shè)定其在±10%之內(nèi)變化。DV_5應(yīng)在XB與XD之間變化，為縮短優(yōu)化分析的所用時間，減少迭代次數(shù)，對模型進行多次試驗分析，縮小DV_5的變化范圍，最終確定DV_5的變化范圍是1 700≤Dx≤1 850。由公式DV_7=(DV_6-DV_5)/TAN(DV_4)+35，可得XB與XC不能太接近，否側(cè)將使結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)過試驗研究確定1 900≤XB≤2 100[6]。

2.3.3 優(yōu)化計算和分析

在確定了優(yōu)化參數(shù)以及取值范圍后，對該優(yōu)化方案進行優(yōu)化。首先對樣機的驅(qū)動力Motion進行測量，然后點擊菜單欄中的simulate-Design Evalution并選擇方案要求的設(shè)計變量進行優(yōu)化。

根據(jù)方案的要求，需要對設(shè)計變量DV_1、DV_3、DV_5、DV_6進行優(yōu)化，并選定優(yōu)化目標為液壓缸輸出的最大功率值最小，迭代后在ADAMS/PostProcessor中得到功率優(yōu)化后的變化曲線見圖5。

從優(yōu)化報告中得出功率以及各設(shè)計變量的變化見表2

圖5 優(yōu)化后液壓缸1的功率變化曲線

最大功率/W平均功率/WDV_1/mmDV_3/mmDV_5/mmDV_6/mm優(yōu)化前3559.9319.18239022618002004優(yōu)化后2671.5248.532366.7247.161850.02099.2

優(yōu)化后最大功率、平均功率以及各個設(shè)計參數(shù)的變化見表2。由表2明顯看出，優(yōu)化后DV_1、DV_3、DV_5、DV_6都有一定變化，其中DV_1減少了0.98%，DV_3增加了9.36%，DV_5增加了2.78%，DV_6增加了4.75%，。通過設(shè)計變量的變化，最大功率降低了24.96%，平均功率降低了22.13%，優(yōu)化效果顯著[4]。

橫移機構(gòu)是自動移管機構(gòu)的主要組成部分，橫移機構(gòu)電機的選擇對機構(gòu)的整體成本起著關(guān)鍵作用。在ADAMS-View中對自動移管機構(gòu)進行三維建模，并對橫移機構(gòu)進行動力學(xué)分析，在ADAMS/PostProcessor中得到橫移機構(gòu)電機的功率變化曲線如圖6所示，圖中出現(xiàn)峰值為第二個行程瞬時啟動的時刻，此時鋼管產(chǎn)生了一個瞬時加速度即活塞桿的輸出推進力瞬時達到最大值，其最大功率為7 485.7 W。根據(jù)曲線可以選擇功率合適的電機。

圖6 電機的功率變化曲線

3 結(jié)論

本文利用ADAMS-View模塊對碼包機中的升降機構(gòu)進行三維建模、參數(shù)化分析、優(yōu)化設(shè)計后，找到液壓缸最佳出力點位置以及桿長等設(shè)計參數(shù)。該方案對機構(gòu)的優(yōu)化在節(jié)約能耗上非常明顯，最大功率降低了24.96%，平均功率降低了22.13%。極大地降低了能耗。并對橫移機構(gòu)進行動力學(xué)分析，得到電機功率變化曲線，其最大功率為7 485.7 W，進而可以在實際生產(chǎn)中選擇合適的步進電機，目前本方案所得數(shù)據(jù)以用于φ76鋼管碼包機中。

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006：6-11.

[2] 劉錫軍，柴曉艷，鄭帥，等. 基于ADAMS的φ76鋼管夾緊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 重型機械，2015(06)：47-52.

[3] 柴曉艷，余小巧.φ406鋼管端面銑頭倒棱機自動送料機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 重型機械，2010(06):41-46.

[4] 鄭帥，柴曉艷，劉錫軍，等. 基于ADAMS的φ335鋼管端面倒棱機自動移管機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 重型機械，2015(05):63-68.

[5] 趙武云，史增錄，戴飛，等.ADAMS2013基礎(chǔ)與應(yīng)用實例教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[6] 芮成杰，柴曉艷.鋼管端面銑頭倒棱機夾緊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 重型機械，2012(06)：43-48.

ADAMS-based optimal design of the automatic conveyingmechanism in φ76 steel tube stacking machine

LI Zhen1,2,CHAI Xiao-yan1,2,HE Kai-yue1,2

(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control,School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China 2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education (Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

In this paper, the 3D entity model ofφ76 steel tube stacking machine is established by ADAMS. The parametric analysis and optimization design of lifting mechanism are carried out through running the dynamics simulation. The optimized lifting mechanism maximum power is decreased by 24.96%, the average power is decreased by 22.13%, greatly reduces the cost of energy consumption and equipment. Through carrying the dynamic analysis of transverse mechanism, the maximum power is 7 485.7 W, which provides a theoretical basis to choose the appropriate stepper motor in production.

steel tube stacking machine; simulation analysis; parameterized model; optimization design

TG333.3

A

1001-196X(2017)05-0084-04

2017-02-28；

2017-04-20

李震(1993-)，男，天津理工大學(xué)在讀碩士研究生。