（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机技术的锻造操作机动力学仿真研究.pdf

， n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 毋 j u n2 0 0 8 f o r g i n g o t y p e ， p v 话 y j 婶 j 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年4 学位论文作者签名：认计磊 签字日期： 2 d o g “3 口 导师签名： 签字日期： ? i - j 东北大学硕士学位论文摘要 基于虚拟样机技术的锻造操作机动力学仿真研究 摘要 锻造操作机是锻造水压机的主要配套设备，也是国家重载操作设备，其特点是载荷 大、惯量大、自由度多、多维力位操控能力强，与加工设备协调作业，可以大大提高制 造能力、制造精度、生产效率和材料利用率，降低能耗。鉴于锻造操作机很难通过物理 样机进行性能检测，本文利用s o l i d w 6 r k s 和a d a m s 软件平台，建立了锻造操作机的 ，三维数字化虚拟样机，并对其进行了较为系统的多体系统运动学和动力学仿真分析，实 现了计算机对锻造操作机在刚性体和刚柔混合体两种情况下的不同工况仿真分析。本文 主要完成了如下几方面的工作： ( 1 ) 对锻造操作机研究的现状、虚拟样机技术理论的发展和它所需计算机应用平台 a d a m s 软件等进行综述，并对a d a m s 多刚体系统动力学和多柔性体系统动力学 的理论基础进行了介绍； ( 2 ) 根据锻造操作机的结构，简化出适合动力学仿真的物理模型，运用三维实体造 型软件s o l i d w o r k s ，建立锻造操作机整机系统各个部件的三维实体模型，并组装成装配 体。然后使用p a r a s o l i d 标准存储，利用a d a m s 模块，把模型文件成功导入到a d a m s 软件； ( 3 ) 利用a d a m s 厂v i e w 对锻造操作机进行刚性的运动学和动力学仿真，分别进行 了上下平移和上下摆动两种工况的仿真。对钳杆末端的位移、速度、加速度和钳杆与水 平方向的夹角进行了测量，并对上下平移液压缸、上下摆动液压缸、前后推臂间的连杆 和后推臂与钳杆间的连接件进行了支反力的仿真； ( 4 ) 利用a d a m s 儿咖t o f l e x 模块对锻造操作机的连杆和连接件构件进行了柔性化处 理，并对上下平移工况时的运动学和动力学进行了仿真分析，把仿真出来的结果与刚性 _ij 体的进行了比较分析。 l在锻造操作机中引入虚拟样机技术，从而为将来锻造操作机行业进行计算机平台下 虚拟设计的研发打下基础；为锻造操作机的创新设计和优化设计提供先进的技术支持； 对加快锻造操作机研制周期、降低研制成本，也具有重要价值。 关键词：锻造操作机；动力学仿真；刚性体；柔性体；a d a m s i i 0 1 鼍 - 厶 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nr e s e a r c ho nf o r g i n gm a n i p u l a t o r b a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p e1 e c h n o l o g y a b s t r a c t f o r g i n gm a n i p u l a t o r ，t h em a j o r 锄c i l l a r ye q u i p m e n ti nh y d r a u l i cf o 哂n gp r o c e s s ，i s r e g a r d e d 弱n a t i o n a lk e ye q u i p m e i l t af o 哂n gm a n i p u l a t o ri sm o s t l yw i t l ll a f g el o a d ，舻a t i n e n i aa n dm a n yd e g r e e so f 行e e d o m 1 t sa b _ i l i t yo fm 锄i p u l a t i o nw i t hm u l t i d i m e n s i o n a l f o r c e d i s p l a c e r i l e n ta i l dc o o p e r a t i n gw i t ho t h e rm a c h i n i n ge q u i p m e l l t sm a k e st h a tt h ef o 哂n g m a n i p u l a t o ri s m u c hp o w 晌li n i m p r 0 听n gm 锄u 饧c t u n ga b i l i 坝h i 曲e rp r e c i s i o n ， e m c i 锄c yp r o d u c t i o n ，觚ds a v i n gm a t 砸a l ，r e d u c i n g e r g yc o n s u m e ，a 1 1 ds oo n i ti sd i 炳c u l t f o rp r a c t i c a lf 0 晒n gm a i l i p u l a t o r t oc a r 巧o u tp e r f o n n a n c et e s t i n g t h e r e f o r e ，m i sp a p e rb a s e d o ns o 脚a r ep l a t f 0 册s u c ha ss o l i d w b r k sa i l da d a m se s t a b l i s h e sd i 西t a l3 - dv i r m a l p r o t o t y p eo ff o r 舀n gm a n i p u l a t o r c 州e so u ts y s t e m i cm u l t i - b o d ys y s t 锄k i n e m a t i c sa n d d y n 锄i c ss i m u l a t i o na 1 1 a l y s i s w er e a l i z et h es i m u l a t i o na 1 1 a l y s i sf o rf 0 晒n gm a n i p u l a t o ro n d i f 蚤玎e n tc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gd 西dc o n d i t i o na n d 西d f l e x i b l em i x e dc o n d i t i o n ，a n dg a i n r e l e v a l l ts i m u l a t i o n 锄a l y s i sd a t a ，w h i c hp r o v i d e sa i le 衢c i e n tm e t l l o df o rd ) ，i l 锄i ca 1 1 a l y s i s a i l dd e s i 印o ff o 哂n gm a i l i p u l a t o r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r el i s t e d 嬲 f o l l o w s ( 1 ) t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ef e s e a r c l l i n gb a c k g r o u n d a i l d s i 印i f i c a n c e o ff o 晤n g m a n i p u l a t o r ，t h ea c a d 锄i cd e v e l o p m 朗to ft h ev i n u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a n dt h e s t m c t l l r eo fa d a m ss o r w a r e ，w h i c hi s c o m p u t e ra p p l i c a t i o np l a t f o 加o ft h ev i r m a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ) r ，锄dm e l ls u m m 撕z e sm eb a s i ct h e o d ro fm ea d a m s m u l t i - b o d y e s y s t 锄l ( i n e i i l a t i c s ( 2 ) a c c o r d i n gt om er e a ls 觚l c t u r eo ff o 哂n gm a n i p u l a t o r ，t h i sp a p e rs i m p l i f i e st h e p h y s i c a lm o d e l t oa d a p tt 1 1 ed y n a m i c ss i m u l a l i o n ，e s t a b l i s h e st h e3 一dm o d e l so fe v e wp a n a n dm e i ra s s e m b l yo ns o r w a r es o l i d w o r k s ，a n dt h e l li m p o r t si ti n t os o f 啊a r ea d a m sb y p a r a s o l i ds t a n d a r d ，w h i c hc a nr e d u c et h ed a t a1 0 s sd u r i n gt h ef i l et r a n s f 打p r o c e s s ( 3 ) c a r r yo u tk i n e m a t i c sa n dd y n 锄i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sf o rf o 哂n gm a n i p u l a t o rb y m e a n so fa d a m s m e wb l o c k ，s i m u l a t ed i f j f e r e n t c o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gu pa i l d d o w n i i i t r 觚s l a t i o nm o t i o n 粕du p 觚dd o w ns w i n gm o t i o n m e a s u r et h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no ft h ej a wb 甄a n dt h e 柚羽eo fj a wb a rr e l a t i v et o h o 订z o n t a ld i r e c t i o n s i m u l a t i o na n t i - f o r c ea c c o r d i n gt oh y d r a u l i cc y l i n d e r sw h i c hm o v e u p 锄d d o w n 锄ds w i n g u p a n d - d o w n 、c o n n e c t i n gl i l l l ( sb e t w e e nf o 彻e ra 肌s 觚dl a t e ra 册s 锄dc o 衄e c t o r sb e t w 咖 l a t e ra n n sa n dt h ec l a wb e 锄 ( 4 ) t r a n s l a t ec o 肋e c t i n gl i n k s 觚dc o l l l l e c t o r so ft h ei n t of l e x i b l ep a nr e s p e c t i v e l yb y m e 柚so fa d a m s a u t of l e xb l o c k ，c a 玎yo u tk i n e l l l a t i c s 觚dd ) ，i l 锄i c ss i m u l a t i o n 如a l y s i s o nt h ec 0 n d i t i o no fu p 柚dd o w nt r a n s l a t i o nm o t i o n a tl 嬲t ，c o m p a r et h er e s u l to fs i m u l a t i o n w i t l l t h a t o f t h e d 百d b o d y w h a th a v em e n t i o n e da b o v ep r o v i d e s 廿l ef o u n d a t i o nf 0 i s i n m l a t i o nd e s i 鲫s t u d yo f f o 晒n gm a n i p u l a t o r ，p r 0 v i d e st e c h l l i q u es u p p o nf ；叶t h ec r e a t i v ed 铭i 印锄do p t i m i z a t i o no f f o 哂n gm a i l i p u l a t o r ，锄dp l a ) ，s 锄i m p o r t a n tp a i ti ne x p e d i t i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l e 锄d r e d u c i n gt h ec o s t k e yw o r d s ：f o 哂n gm 锄i p u l a t o r ；d ”枷c ss i m u l a t i o n ；r i 昏db o d ) ，；n e x i b l eb o d y ；a d a m s i v t r 厶 东北大学硕士学位论文目录 独创性声明 目录 摘要一：i i i i i 第1 章绪论。l 1 1 锻造操作机研究背景与意义1 1 2 锻造操作机的研究现状3 1 2 1 锻造操作机生产现状3 1 2 2 锻造操作机研究现状4 1 3 锻造操作机的发展方向一5 1 3 1 锻造操作机的技术特点5 1 3 2 锻造操作机的生产和技术发展趋势6 1 4 本文主要研究内容8 第2 章虚拟样机技术及a d a m s 多体动力学基础理论 2 1 引言1 1 2 2 虚拟样机技术1 2 2 3a d a m s 软件一1 4 2 4a d a m s 多刚体系统动力学理论基础1 5 2 4 1a d a m s 多刚体系统的组成1 5 2 4 2a d a m s 多刚体的坐标系统1 6 t 2 4 3a d a m s 多刚体的自由度l7 2 4 4a d a m s 多刚体动力学理论1 7 2 5a d a m s 多柔体系统动力学理论基础2 2 2 5 1 多柔体系统中的坐标系2 2 2 5 2 柔性多体系统动力学中的能量方程2 3 2 5 3a d a m s 柔性体模块动力学理论2 4 2 6 本章小结：2 6 第3 章锻造操作机仿真模型建立与运动学仿真分析 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 虚拟样机锻造操作机的运动学分析概述2 7 3 1 1 基于虚拟样机技术的运动学分析模式2 7 3 1 2 锻造操作机运动学可视化仿真研究流程2 9 3 2 锻造操作机a d a m s 模型的建立3 0 3 2 1 锻造操作机零部件的三维造型3 0 3 2 2 锻造操作机的虚拟装配3 3 3 2 3 锻造操作机a d a m s 模型的导入3 5 3 3 锻造操作机运动学可视化仿真3 6 t 3 3 1 锻造操作机钳杆上下平移的运动学仿真3 7 3 3 2 锻造操作机钳杆上下摆动的运动学仿真4 0 3 4 本章小结4 3 第4 章锻造操作机刚体动力学仿真分析4 5 4 1 虚拟样机锻造操作机动力学分析研究内容和方法4 5 4 2 虚拟样机锻造操作机动力学仿真4 6 4 2 1 锻造操作机钳杆上下平移的动力学仿真4 6 4 2 2 锻造操作机钳杆上下摆动的动力学仿真5 0 4 3 本章小结5 3 第5 章锻造操作机刚柔混合动力学仿真分析 5 1 利用a d a m s a u t o f l e x 建立锻造操作机柔性体一5 5 5 2 锻造操作机刚柔混合仿真6 l 5 2 1 锻造操作机钳杆上下平移的刚柔混合运动学仿真6 1 5 2 2 锻造操作机钳杆上下平移的刚柔混合动力学仿真6 4 5 3 本章小结6 7 第6 章结论与展望 参考文献 7 l 致t 射7 5 硕士期间发表论文 一v i f 】 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 锻造操作机研究背景与意义 锻造操作机是锻造水压机的主要配套设备，锻造操作机是国家重载操作设备，其特 点是载荷大、惯量大、自由度多、多维力位操控能力强，与加工设备协调作业，可以大 大提高制造能力、制造精度、生产效率和材料利用率，降低能耗。 大型锻件制造业既是国家装备制造业的基础行业，也是关系到国家安全和国家经济 命脉的不可或缺的战略性行业，其发展水平已成为衡量一个国家综合国力的重要标志。 由于大型锻件( 例如电力装备大型铸锻件、石化装备大型铸锻件、冶金设备大型铸锻件、 船用铸锻件等) 形体巨大、服役条件严酷，因此质量要求很高、制造难度很大，加上资 源消耗大、科技含量高，所以，如何促进大型锻件生产向科学化、现代化发展越来越引 起国内外的关注。而锻造操作机在实现大型锻件的锻造方面起着重要的作用，它可使生 产效率平均提高o 5 2 0 倍。 目前，我国在大型构件制造方面落后于世界先进水平，还不具备3 0 0 吨以上钢锭的 制造能力，船舶、电力等大型工业装备制造难以摆脱对国外的依赖，在很大程度上是大 型锻造操作机的相对滞后。例如，如意大利为1 2 6 0 0 吨水压机配备1 5 0 吨米锻造操作 机，生产效率提高2 5 ，加工余量减少1 0 ，降低能耗2 0 ；日本室兰制作所9 0 年代 为四台水压机配备操作机后，生产效率提高1 8 5 倍【l 】。作为世界制造强国，德国不仅数 控机床的制造能力居世界前列，在巨型重载多自由度操作机装备制造方面也具有显著的 技术优势。建国以来，我国的重载制造装备技术水平有了长足的进步。但相比之下，我 国在大型锻造操作机装备方面的研究十分薄弱，现有的6 0 0 0 吨以上的自由锻造机均未 配备操作机，操作装备技术落后严重影响我国大型复杂构件的制造能力、制造质量和制 造效率。譬如我国锻件材料利用率为5 0 5 5 ，而韩国为6 0 6 5 ，日本则高达 7 0 7 5 。 我国“一重”的自由锻造机吨位与韩国“韩重”相当，但由于锻造操作机上的差异， 使年产值仅为“韩重”的1 1 0 。开展大型锻造操作机设计技术研究，是提升我国大型装 备和构件制造能力的关键，进而提升我国大型装备及关键零部件的独立设计和制造能力 水平，是建设“制造强国”的基础，体现了国家重大需求。由于行业自身的发展加上我 国国民经济发展的需求和其他行业的有力拉动，为我国的大型锻造操作机的发展提供了 动力。业内专家认为，“十一五”仍将是我国铸锻件行业大发展的时期，但要想在“十 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一五”末期使我国成长为世界最强的大型锻件制造基地之一，成为世界上的大型锻件的 生产强国，必须加大对大型锻造操作机的研究，以期实现操作机完全国产化。 目前我国大型锻造操作机技术研究面临前所未有的发展机遇：首先，世界上主要的 发达国家竞相把生产重点转向附加价值高的高技术产品，而把一些附加价值较低的原材 料及毛坯生产任务纷纷转向生产力相对便宜的第三世界国家特别是我国，随着我国加入 w t o ，这种情况还会明显增加，这就给我国锻造行业带来了很大的发展空间，以此来 推动功能齐全和劳动效率高的锻造操作机的研发。其次，以“一重”、“二重”、“上重” 和“沈重”为代表的我国重机行业现有的装备水平和生产能力难以满足迅速增长的市场 需求，亟需进行大型制造装备的建造和改造，尤其是对大型锻造操作机的需求十分迫切。 另外，其应用不限于制造行业，也可为采矿、交通、建筑、港口机械等重载操作装备设 计与制造提供科学技术支撑。 虽然我国大锻件锻造已有一定规模和水平，且拥有的1 0 0 m n 级大型锻造水压机数 量己跃居世界第三位，但是辅助配套设施还很不齐备。如锻造操作机、大截面切割机、 锻件尺寸测量控制装置、工具操作机、锻造加热炉等都不配套，从而大大影响了被锻钢 锭的材料利用率和生产效率。通常，国内钢锭利用率为5 4 5 6 ，而国际水平为 6 0 6 3 。沈阳重型集团为提高万吨水压机的生产效率，决定配备锻造操作机，如果从 国外买进，价格昂贵，而自行设计制造的话，粗略估计可节约资金2 0 0 0 万元人民币。 因此初步构想自行设计制造万吨水压机配套的3 m n m 锻造操作机。 该产品属国际当代水平，填补国内空白。3 m n m 锻造操作机设计成功后，即可直 接配套公司的万吨水压机，既可以省去几千万的购买费用，又能够提升我公司的装备制 造能力和在重机行业中的地位。并能生产为6 0 0 0 吨以上压机配套的锻造操作机，而且 国内仅我们一家，具有很大的市场潜力和影响力。同时也将会终结我国不能生产大型锻 造操作机的历史，具备很大的社会意义 可见，进行大型锻造操作机的研发以及相关研究已刻不容缓。而产品设计是产品质 量的灵魂，唯有搞好大型锻造操作机的设计，才能成功地研制出具有较高技术水平以及 工作可靠的操作机。 因此，本文将以a d a m s 软件对大型锻造操作机进行动力学仿真研究，力求设计出 综合性能好而且适合我国国情的大型锻造操作机，为我国装备制造业的发展尽一份绵 力。因此，本文的研究具有重要的意义。 一2 一 - t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 锻造操作机的研究现状 1 2 1 锻造操作机生产现状 目前世界上著名的生产锻造操作机的公司主要有德国的d d s 公司，捷克的z d a s 公司等。而在国内，锻造操作机的研究随着国内外市场的需求，已近入一个平稳发展时 期，主要体现在中国第一重型机械集团，安阳市机械研究所锻压机械厂，宁波通迪重型 锻造有限公司，中信重型公司，太原重工集团等等。 1 ) 国外生产锻造操作机的企业 德国d d s 公司是世界著名的锻造操作机专业研发、制造企业，在重型锻造操作机 研制领域具有7 0 多年的历史。d d s 公司设计的7 5 0 吨米锻造操作机，最大可夹持2 5 0 吨重的锻件，最大可形成7 5 0 吨米的转动力矩，是真正的世界“巨无霸”。 捷克z d a s 是捷克共和国重型冶金设备制造公司，具有5 0 多年的历史。z d a s 公 司生产提供重型冶金设备和技术，尤其是锻造液压机械、轧钢及剪切生产线、冶金工程 及机械加工设备和废钢压块剪切处理设备。z d a s 公司的产品出口至德国、英国、美国、 日本等五大洲5 0 多个国家，世界上许多知名企业都在使用z d a s 公司的设备。 韩国h b ep r e s s 是以生产锻造产品为主的企业，其生产的自由锻造压机规格 8 m n 1 5 0 m n 并生产压机配套的锻造操作机。压机的本体设计同乌克兰的n k m z 公司 ( 前苏联最大的重机企业) 合作，形式为传统的俄罗斯三梁四柱型，其锻造制品的精度可 实现士l m m 。控制部分有水传动和油传动两种形式可供选择。 日本三菱长琦生产的操作机拥有高速、高精度的机械手设备以及工业软件控制系 统。随着锻造压力机的速度与精度的改善，操作机具有与压力机机械装置一致的高速度、 高精确度的反应，对于成功的进行先进压力机的操作至关重要。三菱的操作机可以完全 满足：油压的水平升降装置能举起不同重量不同水平位置的锻件；高速锻造时，进给装 置完全跟进配合，将锻件送入压力机；自动循环角度纠正体系防止锻件变形；专门定制 的驱动装置使特定的动作精确执行；一人可控制锻造操作机的全部操作。 2 ) 操作机的国内生产企业 2 0 0 6 年1 2 月3 0 日，我国重要战略装备项目中国首台、世界最大、最先进的 1 5 万吨水压机在黑龙江省齐齐哈尔市中国第一重型机械集团一次热负荷试车成功。 1 5 0 0 0 吨水压机建设项目从2 0 0 2 年初开始启动，所有研制工作都由一重集团的技术人 员独立完成，具有全部自主知识产权。与水压机配套的操作机正在研发当中，预计2 0 0 7 年底有望投产使用，投产后一重集团将每年新增锻件产量7 万吨，产值近4 亿元。 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 安阳市机械研究所锻压机械厂生产的d y 系列锻造机械手，采用全液压传动，高集 成阀块，超大流量通径，使系统压力损失少，密封性能高，油温控制好。三级连动机构 使钳口平行升降，钳杆倾斜，3 6 0 度旋转，三维空间任意灵活转动。机械手造型美观， 结构紧凑，转动极其灵活，能出色地完成庞大的操作机无法完成的动作，让操作工体验 到人机合一、随心所欲的感觉，充分体现操作机向机械手转变的根本意义。产品主要用 于7 5 0 k g 空气锤、1 0 0 0 k 争2 0 0 0 k g 电液锤、模锻锤或其它相应吨位的锻锤，是我国锻造 行业最先进的设备之一。 7 0 m n 自由锻造压机及8 0 0 k n 操作机落户宁波通迪重型锻造有限公司。北京哈特曼 机电设备有限公司作为德国威普克液压公司( w 印u k o p a l l n k e ) 中国总代理于今年三月十 六日与宁波通迪重型锻造有限公司签订了7 0 m n 自由锻造压机及8 0 0 k n 操作机设备购 买合同，该机组将于2 0 0 7 年底正式投产。该机应用最先进的泵控技术及油泵直接传动， 是第一台大吨位的压机与操作机联动自动化控制，能够实现锻件尺寸精度控制，是锻造 速度最快、每分钟锻造次数最高先进的现代化的自由锻造液压机机组。 中信重型公司( 河南省洛阳) 与德国d d s 公司合作，将在2 0 0 8 年底共同制造、安装、 调试完成为1 8 5 0 0 吨油压机配套的7 5 0 吨米锻造操作机。同时世界上目前技术最成熟、 自动化程度最高的锻造辅助装备，也在中信公司投产。这台锻造操作机是三千吨水压机 的配套设备，由捷克制造，它的投产使三千吨水压机的工作效率能由原来不足4 0 提高 7 0 以上，不仅大大降低了锻造能耗，而且从根本上提高了工件的内在质量。 2 0 0 6 年1 2 月0 3 日，太原重工集团与中钢集团邢台机械轧辊有限公司签订了设计 制造一台8 0 0 0 吨自由锻造油压机及配套操作机的合同，总金额超过1 亿元。 1 2 2 锻造操作机研究现状、 锻造操作机作为进行锻造工艺的重要设备，国内外众多研究人员和公司都对其进行 了系统化地研究。德国e u m u c o 公司、韩国h b ep r e s s 公司以及捷克z d a z 公司目 前的锻造操作机的水平都处在世界的前列，其产品特点具有技术先进和使用可靠的特 点。 由于国内锻造操作机的研究起步比较晚，在一些技术方面与国外相比还有一定的差 距。因此我们要在基础研究和创新方面投入更多的人力和财力，为我国锻造操作机的发 展提供广阔的平台。以下罗列的是最近一段时期国内研究锻造操作机的情况。 孟宪国【2 j 等对钳口夹紧力和夹紧缸能力进行了计算。文中以1 0 t 操作机钳口夹紧力 和夹紧缸能力的计算为例，详细说明了计算过程，得出了一些有价值的结论。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 韩永生【3 一钉分析了2 0 0 t - m 锻造操作机液压系统的现状，指出采用先进技术对其进行 改造，才能解决液压备件问题，论述了状态监测、故障诊断、二通插装阀等先进技术的 应用。 韩志引5 】对操作机的固定方式进行了研究。提出采用2 个半圆形挡圈固定的联结方 式来固定操作机。用这冲方式固定可以避免螺栓松动、活塞和拉杆损坏，从而降低了操 作机停机维修率，提高了了生产效率。 逢振剧6 】等在分析快速锻造操作机的工作原理和技术要求的基础上，针对锻造工艺 的特殊性，对操作机进行计算机控制研究，保证了锻造操作机可靠的和精度的工作。 1 3 锻造操作机的发展方向 1 3 1 锻造操作机的技术特点 锻造操作机可以视为在重载荷条件下作业的巨型工业机器人，可实现灵巧的多维力 位操作。一般地，锻造操作机由小车、夹钳、钳杆、液压系统组成，见图1 1 。操作机 可完成坯料的装炉、出炉、搬运、堆放、以及模具的操作等工作，其效率与人工相比有 一个质的飞跃【7 9 】。 图1 1 捷克z d a s 公司生产的操作机 f i g 1 1f o 蟛n gm 觚i p u l a t o ro fc z e c h i cz d a s ( 1 ) 采用锻造操作机工作具有以下一些优点【1 0 】： 1 ) 代替了锻工的繁重体力劳动并大大节约了人力。 2 ) 进一步提高了劳动生产率，由于操作机可夹持较重锻件并且动作比较灵敏，减 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 少了不少辅助时间，故使锻锤和水压机等主机的设备利用率得到很大的提高，根据现有 经验一般认为水压机或锻锤配备操作机后，生产效率平均可提高o 5 2 0 倍。 3 ) 改善了锻工的劳动保护和安全条件，避免了高温锻件的直接烤烫，并大大减少 了安全事故的产生。 4 ) 节约了燃料，由于采用操作机后缩短了辅助时间，相应地减少了锻件的加热火 次，因而提高了加热炉的利用率，并节约了燃料消耗。 5 ) 操作机与水压机联动可进一步缩短了辅助时间，以解决锻造温度范围比较狭窄 的一些合金钢的锻造问题。 ( 2 ) 锻造操作机的功能要求和技术特征【】 锻造操作机和锻造压机是配合在一起联合工作的，工作的过程中操作机保持着保持 频繁的重复动作，因此其功能要求主要表现为：要求提高各种动作速度；要求减少无用 和死程的时间；要求在精整时整车行程的精确尺寸，以达到快速锻造和得到尺寸精确的 锻件。 与加工装备相比，大型操作机装备的特点是载荷大、惯量大、自由度多、多维力位 操控能力强。锻造操作机的主要技术特征表现在如下两个方面： 1 ) 在重载操作条件下，操作机构件的分布式弹性变形直接影响末端执行器的操作 精度。因此，在装备的机构设计中，一方面要保证操作装备在整个工作空间中具有理想 的刚度特性，另一方面需要通过运动学设计对结构变形在装备运动链中的传递特性进行 控制，减少几何变形在运动界面和操作界面的积聚效应。此外，锻造操作机长期在非连 续工作条件下进行操作，尤其是其动力学性能在空载和负载操作情况下存在显著差别。 因此，如何保证装备在不同工况条件下的动力学性能，也是其设计需解决的难题。 2 ) 大型锻造操作机制造成本高、设计与制造周期长，通常采用单台制造模式。譬 如世界上最大的6 3 0 0 k n m 锻造操作机迄今为止只生产了一台。因此，重载操作机通常 无法通过物理样机实验对其操作性能进行分析和验证。因此，高效、高保真的模拟仿真 技术成为锻造操作机设计、性能评估与优化的重要支撑技术。 1 3 2 锻造操作机的生产和技术发展趋势 ( 1 ) 锻造操作机的发展概况 1 ) 国外锻造操作机的发展概况 9 0 年代中期，国外大型快锻造压机与操作机联动技术已经成熟。例如德国的d d s 公司生产的1 0 0 l ( n 锻造操作机，它是3 1 5 m n 锻造水压机的配套设备，用于钛合金的锻 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 件生产，也可用于配套1 6 m n 、2 0 m n 自由锻造水压机。该操作机能夹持l o 吨和1 0 吨 以上的锻件做翻转、升降、倾斜、侧移、侧摆、夹持放松和进退七个主要动作。在和压 机的配合下，能完成钢锭开坯、拔长、镦粗、整圆等一系列锻造工艺。表1 为该操作机 的一些技术参数。 表1 1 德国的d d s 公司生产的1 0 0 i 洲锻造操作机技术参数 t a b 1 1l0 0 k nf o r g i n gm a n i p u l a t o r st e c h n i c a lp a r a m e t e r so fg e n t l a n i cd d s 钳子夹重量 1 0 吨 钳口夹持范围 钳杆中心线至轨面的距离 钳杆的左右摆角 钳杆上下倾角 钳杆左右平移距离 最人水平缓冲量 最大垂直缓冲量 移动部分最大尺寸 行走轨道有效行驶长度 总功率 轨下最大深度 整机重量 1 4 0 m m 1 0 0 0 i i l l i l l o o ( ) m m 1 8 0 0 m m 6 度 5 度 3 0 ( ) m m 3 0 0 m m 1 5 0 1 1 1 】眦 9 6 9 5 m m 4 5 6 0 i 珈m 3 5 2 5 m m 1 6 m 2 7 5 k w 1 7 0 1 0 8 3 吨 2 ) 我国锻造操作机的发展及应用情况 上世纪6 0 年代到7 0 年代初期，我们国内也有不少工厂为1 吨左右的锻锤制造了操 作机，这对减轻笨重的体力劳动、改善操作条件起了不少作用。由于1 吨锻锤尤其是1 吨以下的小锻锤行程速度高，锻件重量也不十分大，这就要求操作机反应灵敏，动作多 样化。从6 0 年代以后的十多年间，我国就有一些单位进行研究这些机械手，可以自动 完成比较复杂的动作，载重量一般为几百千克，驱动方式多采用液压或气动，并由程序 控制或数字控制位置进行控制，只需按工艺要求预先编好程序就可以完成需要的操作。 1 9 7 4 年我国首次制订了自己的锻造操作机系列标准，大力推广液压传动操作机。 到了8 0 年代，当时主要用于7 5 0 k g 锤和水压机上。9 0 年代初期我国自行设计制造的 1 0 0 k n 锻造操作机主要技术性能已达到世界8 0 年代水平，能替代国内进口同类产品。 该台锻造操作机于1 9 9 2 年5 月在太原试制成功【l2 1 ，它的试制成功和采用，对发挥大型 自由锻造水压机的能力，提高劳动生产率，减轻锻造工人的繁重体力劳动，提高锻件的 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 质量等方面都将起到显著的作用，并为我国大型快锻油压机的开发奠定了基础。 国内一些企业为了提高锻造技术水平，提高生产率向国外引进了先进的锻造设备与 相应的操作机，如德阳第二重型机器厂锻造分厂水压机车间引进日本t h ej a 脚削 s t e e lw o r k sl t dm o r o r a nd l a n t 的t m 2 0 e o 全液压操作机与水压机配用。四 川江油钢厂购进奥地利生产的载重力矩为l o k n m 的无轨全液压传动操作机与自由锻锤 配用。重庆特殊钢厂引进奥地利生产的8 0 0 l 【n 卧式精锻机。 ( 2 ) 锻造操作机的技术发展趋势 1 ) 大型压机需要大型锻造操作机与之配套 人类制造能力的突破是以重型装备的技术进步为基础的。目前世界上装备的万吨级 自由锻造机近三十台，最大的模锻水压机载荷能力高达7 5 万吨，最大的六自由度锻造 操作机操作力矩达6 3 0 0 k n m ，多自由度变位机最大承载能力高达1 8 1 0 吨，大型、重型 机床广泛应用。目前，我国已具备了万吨级锻压装备的设计与制造能力，如中国一重自 主设计、自主制造的世界上最先进的1 5 0 0 0 吨自由锻造水压机2 0 0 6 年末已经投产使用， 但与之配套的大型锻造操作机仍在研发当中，相关的基础研究还有待于共同研究。 2 ) 要注重操作机相关的成套设备的控制及调度问题，以实现锻压生产的自动化 为了进一步实现锻压生产的机械化和自动化，操作机在自动化生产工艺流程上实现 成套设备的联动机制、合理利用能量的最有效的操作。在冶金与机械制造厂中锻造各种 锻件，即使是在锻造技术发展的初期，也力求在锻造中有效机具的配合动作。那时，机 具的联动十分简单，其水平也主要取决于人工操作的熟练程度。但是，随着辅助设备机 械化程度的不断提高，如采用翻料机、操作机、工具操纵机和转料台等锻造时间，尤其 是大锻件的锻造时间显著减少，靠观察和体力操作已限制了操作速度的提高，并因此而 留有较多的加工余量，给下道加工工序增加了切削量和加工工时。因此，只有使用合适 的测量和控制设备，才能保证产品的产量和质量。近代锻压设备的设计须遵此要求，使 联合操作的设备实现机械化和最终的自动化。 1 4 本文主要研究内容 本文是在锻造操作机机构确定的基础上，进行的运动学和动力学的仿真分析，通过 仿真可以进一步确认操作机机构的合理与否，采用的软件平台有s o l i d w | o r k s 和 a d a m s ，具体包括如下研究内容： ( 1 ) 对锻造操作机研究的现状、虚拟样机技术理论的发展和它所需计算机应用平台 a d a m s 软件等进行综述，并对a d a m s 多刚体系统动力学和多柔性体系统动力学 一8 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的理论基础进行了介绍； ( 2 ) 在选取的平行连杆式锻造操作机机构的基础上，对它进行三维可视化 s o l i d w b r k s 实体建模； ( 3 ) 在a d a m s 中建立锻造操作机虚拟样机，并对锻造操作机进行运动学仿真，描 绘钳头上下摆动和上下平移工况下的运动曲线； ( 4 ) 在添加载荷的情况下，对锻造操作机进行刚体动力学仿真，计算主要构件的支 。 反力； ( 5 ) 同载荷情况下，对锻造操作机进行柔性体动力学仿真，计算相同构件的支反力， 并与刚体下的支反力进行比较。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 一1 0 东北大学硕士学位论文第2 章虚拟样机技术及a d a m s 多体动力学基础理论 第2 章虚拟样机技术及a d a m s 多体动力学 基础理论 2 1 引言 随着人类社会进步的加快，人们生活水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越 高，同时社会竞争激烈，产品复杂程度越来越高，产品开发周期越来越短，产品保修维 护期望越来越高，生产计划越来越灵活，在现实中还有一些客观的约束条件，例如昂贵 的物理样机实验，严格的法律法规要求等，因此要提高产品质量，缩短开发周期，并不 是件容易的事情。要克服以上困难，一个行之有效的方法就是通过虚拟样机进行仿真模 拟，在未真正生产出真实的产品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止 各种设计缺陷的存在，提出改进意见【”j 。 传统的产品开发过程如图2 1 所示，该过程是一个大循环过程，不仅难以提高产品 质量，而且消耗大量的时间和资金。而通过物理样机技术，在制造物理样机之前，就可 以进行样机的测试，找出和发现潜在的问题，缩短产品开发周期的4 0 7 0 ，其过程 如图2 2 所示，这样不仅节省时间和金钱，还可大幅度地提高设计质量。 图2 1 传统的产品开发流程 f i g 2 1n ee x p l o 妇t i o np r o c e s so f 舰d i t i o n a lp r o d u c t 图2 2 虚拟样机开发流程 f i g 2 2t h ee x p l o i t a t i o np r o c e s so f v i r t u a lp r o t o t y p e 虚拟样机就是构造一个数字化的样机模型来部分代替甚至完全取代物理样机，使我 们在物理样机出来之前可以对我们要建造的系统的性能有一个了解，可以对整个系统进 行系统级的优化，节省系统开发的时间和成本。近