□ 郭蘭滿 □ 劉云翔 □ 陳 林

三一集團(tuán)湖南三一港機(jī)研究院 長沙 410100

1 優(yōu)化背景

抓料機(jī)是一種多用途高效物料起重處理設(shè)備,主要用途是進(jìn)行散雜貨的裝卸及轉(zhuǎn)運(yùn),其工作裝置主要由動(dòng)臂和斗桿組成,通過動(dòng)臂油缸和斗桿油缸的協(xié)調(diào)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)物料的抓取和裝卸。抓料機(jī)工作裝置如圖1所示。抓具的額定載荷是抓料機(jī)的主要性能參數(shù),主要取決于動(dòng)臂和斗桿的鉸點(diǎn)位置分布,以及驅(qū)動(dòng)油缸的幾何參數(shù)。筆者建立抓料機(jī)工作裝置的力學(xué)模型,基于Adams軟件對(duì)動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置進(jìn)行試驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

▲圖1 抓料機(jī)工作裝置

2 力學(xué)模型

建立抓料機(jī)工作裝置力學(xué)模型,如圖2所示。

▲圖2 抓料機(jī)工作裝置力學(xué)模型

O為動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸點(diǎn)、坐標(biāo)原點(diǎn),A為動(dòng)臂與斗桿連接鉸點(diǎn),B為斗桿與抓具連接鉸點(diǎn),C為動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)臺(tái)連接鉸點(diǎn),D為動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂連接鉸點(diǎn),E為斗桿油缸與動(dòng)臂連接鉸點(diǎn),F為斗桿油缸與斗桿連接鉸點(diǎn),M為動(dòng)臂質(zhì)心位置,H為斗桿質(zhì)心位置,F1為動(dòng)臂油缸作用力,F2為斗桿油缸作用力,L1為動(dòng)臂油缸作用力臂,L2為斗桿油缸作用力臂,G為吊點(diǎn)載荷,G1為動(dòng)臂自重,G2為斗桿自重,l1為鉸點(diǎn)A、B之間長度,l2為鉸點(diǎn)O、A之間長度,l3為鉸點(diǎn)O、M之間長度,l4為鉸點(diǎn)O、D之間長度,l5為鉸點(diǎn)C、D之間長度,l6為鉸點(diǎn)O、C之間長度,l7為鉸點(diǎn)A、E之間長度,l8為鉸點(diǎn)A、F之間長度,l9為鉸點(diǎn)E、F之間長度。

以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)定各鉸點(diǎn)初始位置坐標(biāo)為O(0,0)、A(XA,YA)、B(XB,YB)、C(XC,YC)、D(XD,YD)、E(XE,YE)、F(XF,YF),動(dòng)臂質(zhì)心為M(XM,YM),斗桿質(zhì)心為H(XH,YH)。對(duì)工作裝置繞O點(diǎn)求力矩平衡,忽略油缸自重,可得:

F1L1=GXB+G1XM+G2XH

(1)

G=F1L1-G1XM-G2XH/XB

(2)

(3)

(4)

XH=l2cosθ+l1sin[β1+(β+90°-θ)]

(5)

XM=l3cos(θ+β2)

(6)

▲圖3 各鉸點(diǎn)坐標(biāo)

L1=(l4l6sinα)/l5

(7)

α=θ-θ1+θ2

(8)

(9)

由式(2)～式(9)可得動(dòng)臂油缸在最大工作壓力下的允許載荷G′1。

同樣,對(duì)工作裝置繞A點(diǎn)求力矩平衡,得到:

F2L2=G(XB-XA)+G2(XH-XA)

(10)

(11)

L2=(l7l8sinγ)/l9

(12)

γ=β-β3-β4

(13)

(14)

根據(jù)式(10)～式(14)可得斗桿油缸在最大工作壓力下的允許載荷G′2。

為保證抓料機(jī)工作穩(wěn)定性,同時(shí)需考慮傾翻載荷對(duì)抓料機(jī)額定載荷譜的影響。根據(jù)最不利傾翻條件確定最危險(xiǎn)傾翻線,根據(jù)力矩平衡原理得到傾翻載荷作用下的允許載荷G′3。

綜合考慮G′1、G′2、G′3,抓料機(jī)的最大載荷取三者中的最小值。

3 動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置仿真優(yōu)化

3.1 工作裝置動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)G′1、G′2、G′3三者中最小值得到整個(gè)抓料機(jī)的載荷譜,從中提取由G′1計(jì)算的載荷譜進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,根據(jù)G′1載荷譜設(shè)定仿真路徑,根據(jù)斗桿吊點(diǎn)路徑確定動(dòng)臂油缸和斗桿油缸的速度運(yùn)行函數(shù),從而可得動(dòng)臂油缸工作壓力曲線,如圖4所示。

3.2 多變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在某型抓料機(jī)整機(jī)實(shí)際坐標(biāo)系中,O點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)初始絕對(duì)坐標(biāo)值為O(-320,995)、C(-860,180)、D(-1 669、3 291)。因抓料機(jī)動(dòng)臂和斗桿的長度已經(jīng)確定,故僅對(duì)影響動(dòng)臂油缸工作壓力的兩個(gè)油缸鉸點(diǎn)C、D的坐標(biāo)建立設(shè)計(jì)變量PC(PCX,PCY)、PD(PDX,PDY),實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。PC、PD分別為C點(diǎn)、D點(diǎn)的參數(shù)化坐標(biāo)。根據(jù)動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)空間位置,設(shè)計(jì)變量的取值范圍按照相對(duì)值的方法確定,其中各變量下偏差設(shè)置為-50 mm,上偏差設(shè)置為50 mm。以動(dòng)臂油缸工作壓力的最大值作為目標(biāo)函數(shù),定義多變量試驗(yàn)設(shè)計(jì),目標(biāo)函數(shù)為max (F),參變量為(PCX,PCY,PDX,PDY)。

▲圖4 動(dòng)臂油缸工作壓力曲線

基于Adams軟件Insight模塊可快速對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行試驗(yàn)分析,得到各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)響應(yīng)的影響因子,從而針對(duì)影響因子較大的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。基于以上六個(gè)設(shè)計(jì)變量建立因素集,并對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),得到各設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響因子,見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響因子

由表1可知,PCX、PCY、PDX對(duì)動(dòng)臂油缸工作壓力影響較大,PDY對(duì)動(dòng)臂油缸工作壓力影響最小。

3.3 優(yōu)化計(jì)算

針對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)臂油缸工作壓力影響大的三個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,為使吊點(diǎn)在相同位置獲得最大的額定載荷,優(yōu)化目標(biāo)為動(dòng)臂油缸工作壓力在迭代過程中取值最小,以獲得最大的油缸工作壓力裕量,從而使各吊點(diǎn)位置的允許載荷達(dá)到最大。定義優(yōu)化目標(biāo)為min (max(F)),設(shè)計(jì)變量為(PCX,PCY,PDX)。各變量下偏差設(shè)置為-50 mm,上偏差設(shè)置為50 mm。

某型抓料機(jī)的動(dòng)臂油缸初始安裝距為1 965 mm,行程為1 325 mm,建立動(dòng)臂油缸與鉸點(diǎn)變量lCD優(yōu)化分析約束函數(shù)1 965 mm≤lCD≤3 290 mm。

基于Adams軟件View模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化迭代結(jié)果見表2。

由表2可知,當(dāng)PCX取值-910 mm,PCY取值130mm,PDX取值-171 9 mm時(shí),動(dòng)臂油缸工作壓力最大值由1.602 4×106N減小為1.505×106N,減小幅度約為8%,動(dòng)臂油缸工作壓力優(yōu)化前后的曲線對(duì)比如圖5所示。

表2 優(yōu)化迭代結(jié)果

▲圖5 動(dòng)臂油缸工作壓力優(yōu)化前后曲線

4 結(jié)束語

筆者建立抓料機(jī)工作裝置力學(xué)模型,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,基于Adams軟件Insight模塊分析了動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)各設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響因子,為抓料機(jī)各部件優(yōu)化提供了理論依據(jù)和方法。

另一方面,基于Adams軟件View模塊對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響最大的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,得到動(dòng)臂油缸鉸點(diǎn)變量范圍內(nèi)的最優(yōu)點(diǎn)坐標(biāo),動(dòng)臂油缸工作壓力最大值由1.602 4×106N減小為1.505×106N,減小幅度約為8%。若G′1為G′1、G′2、G′3三者中最小值,則抓料機(jī)允許載荷將有同等幅度的提升。

應(yīng)用Adams軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)省時(shí)高效,可以得到精確、直觀的載荷曲線及結(jié)果參數(shù),為后續(xù)整機(jī)系統(tǒng)多目標(biāo)函數(shù)聯(lián)合優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。