（机械电子工程专业论文）重载锻造操作机设计机理及动态特性研究.pdf

中文摘要 摘要 随着大型装备制造技术的快速发展，对大型锻件的需求和对锻件质量的要求 越来越高，锻造操作机作为锻造加工的关键基础装备，直接关系到锻造生产线的 效率以及锻件的加工质量，在整个锻件加工过程中发挥着重要作用。现阶段我国 对于先进重载锻造操作设备的自主设计和国产化还处于起步阶段。因此，深入研 究操作机设计机理，可以为操作机国产化设计提供理论技术支持。本文主要研究 内容如下： 根据现有的d d s 操作机结构，分析其工作原理，结合其典型的平行升降、 俯仰及大车行走等工况，就其等效平面机构进行设计机理研究。在给定的工作提 升范围、夹持力及夹持力矩的情况下，通过受力分析定出主要构件的基本尺寸； 采用优化算法，计算出缓冲缸的基本长度及安装位置，最后形成锻造操作机设计 流程框图。 操作机等效平面机构进行运动学正逆分析。以提升缸和俯仰缸运动参数作 为输入，正解操作机各构件的运动参数；以钳杆终端的位置作为输入时，反算出 机构的运动情况；对操作机进行受力分析，计算出操作机夹持工件进行平行升降 过程中各铰链所受反力。在此基础上，计算出操作机夹钳受锻打冲击时各铰链受 力情况，分析工件尺寸和锻造深度对液压缸受力的影响。 用多体有限元的技术，构建出操作机有限元全模型，计算在平行升降及俯 仰工况整个过程中各部件应力应变的变化情况，找出最危险姿态以及构件受力最 薄弱的地方，为结构优化提供指导。极大地简化了以往操作机有限元计算工作的 烦冗和不准确的问题。 采用机械液压联合仿真的先进技术，构建出操作机平行升降工况的液压控 制系统数学模型，在s i m u l i n k 中建立控制框图，结合a d a m s 中的操作机整机机械 模型，进行联合仿真，实现了设计阶段的机械模型和液压模型的数据交互，对整 机的优化设计提供理论支撑。 通过本论文的研究，可以更深入地掌握重载操作机的设计机理和工作特性， 为其设计提供了理论依据和技术支持。 关键词：重型锻造操作机，设计机理，运动学，多体有限元，联合仿真 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e d e v e l o p m e n to fl a r g ee n g i n e e r i n gm a c h i n em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to fl a r g ef o r g i n g si sl a r g e r , a n dt h eq u a l i t yo ff o r g i n g si s h i g h e r m a n i p u l a t o ri st h ev e r ys i g n i f i c a n ta n dw i d e l yu s e de q u i p m e n ti nf o r g i n gl i n e w h i c h d i r e c t l ya f f e c t st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y p r e s e n t l y , am a j o r i t yo ft h eh u g e m a n i p u l a t o r sw h i c ha r ei na c t i v es e r v i c ei no u rc o u n t r ya r ei m p o r t e df r o ma b r o a d ： c o n s e q u e n t l y t h ea b i l i t yo fi n d e p e n d e n td e s i g ni sn e e d e dt oi m p r o v e i nt h i ss i t u a t i o n ，t o a n a l y z et h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt op r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r ti sn e c e s s a r y t h em a i n l y c o n t r i b u t i o n so ft h i sr e s e a r c ha r el i s t e da sf o l l o w s ： b a s e do nt h es t r u c t u r eo fd d s m a n i p u l a t o rw ea n a l y z ei t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，t o c o m b i n ew i t hf o r c ea n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，ad e s i g nf l o wd i a g r a mi sg i v e n w h e nt h ec h u c k i n g p o w e r , c l a m p i n gt o r q u ea n do p e r a t i n gs p a c ei sk n o w n ，t h eb a s i cs i z e b o o m ，c o n n e c t i n gr o da n df l u i dc y l i n d e re g a r ew o r k e do u tb yc a l c u l a t i o n t h ek i n e m a t i ca n dm e c h a n i c a lm o d e li sb u i l t i nt h i sp a r t t h er e a c t i o nf o r c e so f a l lt h eh i n g ep o i n ta r ec a l c u l a t e dd u r i n ge n h a n c i n gp r o c e s s i n v e r s ek i n e m a t i c sa n d m e c h a n i c a la n a l y s i sa r eu s e dt od e s c r i b et h ef o r g i n gp r o c e s s t h i sp a r td i s c u s s e st h e i n f l u e n c eo fw i d t ha n d d e p t ho ff o r g e dp i e c et ot h er e a c t i o nf o r c e t h em u l t i - b o d yf e m t e c h n i q u ei su s e dt ob u i l dt h ew h o l em a n i p u l a t o rm o d e l t h i sw h o l e m o d e lc a nd e s c r i b et h ee n h a n c i n gp r o c e s so fc l a wb e a ma n dl i f f i n gp r o c e s s o fc l a wh e a d t h es t r e s sa n ds t r a i no fe v e r yk e yc o m p o n e n tc a nb eg o t t e ni nt h ew h o l e p r o c e s sw h i c hc a n5 9 t h ed e s i g n j o b c o s i m u l a t i o nt e c h n i q u ei s a d o p t e dt oc r e a t em e c h a n i c a l - h y d r a u l i cc o n t r 0 1 s y s t e m ，w h i c hi sm o r ep r e c i s et od e s c r i b et h er e a l i t y a d a m sa n ds i m u l i n ka r et h ek e y t o o l s ，d a t ai n t e r a c t i o nm a d ec l o s e dl o o pd e s i g nt ob ef e a s i b l e t h i st e c h n i q u ep r e v e n t s t h ee r r o ro fe q u i v a l e n tm e c h a n i c a lm o d e la n dp r o v i d e sc o n v e n i e n c eo fc h o o s i n g p a r a m e t e r so fh y d r a u l i cc o m p o n e n t a c c o r d i n gt ot h e s er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，i tc o u l dp r o v i d eg u i d a n c ea n d t e c h n i c a ls u p p o r tf o rd e s i g nj o b k e yw o r d s ：m a n i p u l a t o r , d e s i g np r i n c i p l e ，k i n e m a t i c ，m u l t i - b o d yf e m ，c o s i m u l a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 锻造操作机是锻造车间实现锻造自动化的关键设备，用于夹持锻件配合压机 完成锻造工艺动作，对其关键技术的掌握体现了国家极端制造能力和制造水平， 影响国民经济和国防建设重大工程的实施。在大锻件生产中，锻造操作机更是必 不可少的设备。随着大型装备制造的快速发展，对大锻件生产又提出了更高的要 求，促进了锻造操作机技术的发展，主要表现在对锻造操作机的需求量不断增加， 对锻造操作机的最大锻件质量要求大大提高，引起了各国对锻造操作机在锻造生 产中的重视。因此，发展巨型重载多自由度操作装备的设计与制造技术是提升我 国大型装备和构件制造能力的关键1 。 1 2 操作机的分类 操作机的升降及倾斜机构是使坯料或工件按照锻造工艺要求3 1 ，以一定速度平 行升降或上下倾斜。按结构形式可以分为机械式和液压式两种。机械式由电机通 过减速器带动各个工作机构实现各种动作，结构庞大，但制造加工简单，如图1 1 所示。 图1 1 机械式夹钳升降及倾斜机构 f i g 1 1m e c h a n i c a lc l a m p i n gb e a me l e v a t i n g l e a n i n gm e c h a n i s m 液压式各个机构均由液压缸或液压马达驱动，具有工作平稳、结构紧凑、操 纵灵敏方便，便于实现与主机联动及自动化等优点，目前被广泛采用。图1 2 中a 、 b 、c 、d 为几种不同形式的液压式升降及倾斜机构。 重庆大学硕士学位论文 l a 址：连杆悬吊式夹钳平行升降及饿斜扼悔 l b ) 下托式夹钳平行升目酸倾斜机构 l c i 双四连杆式夹钳平行秀降及倾斜机构 图1 2 液压传动升降及倾斜机构 f i g 1 2h y d r a u l i cd r i v ec l a m p i n gb e a me l e v a t i n g l e a n i n gm e c h a n i s m 前述的几种结构形式的升降及倾斜机构特点如下表： 表1 1 不同升降及倾斜机构对比 t a b l e l 1t h ec o m p a r i s o na m o n gd i f f e r e n te l e v a t i n g 1 e a n i n gm e c h a n i s m 类型特点 悬吊式 下托式 双四连 杆式 1 ) 平行升降缸与机架相连，倾斜缸与后曲杆相连，与前蓝杆和钳杆相连的分别 是垂直缓冲和水平缓冲缸； 2 ) 钳杆悬吊在垂直缓冲缸和倾斜缸之下； 钳杆位于垂直缓冲缸和倾斜缸之上；2 ) 整机高度低于悬吊式； 1 ) 与机架相连的为倾斜缸； 2 ) 平行升降缸位于上方的平行四边形之内，且该升降缸具有垂直缓冲装置，水 平缓冲采用弹簧缓冲； 黔滞蒜一震驾鬻絮一一作 一、 1 ) 升降及倾斜机构由电机经由减速器实现； ”“ 2 ) 机构庞大，使用可靠但一般只适用于小型锻造操作机； 2 1 绪论 目前，德国d d s 公司与我国具有广泛合作，其产品国际领先，深入研究其产 品设计流程对于我国发展自己的重载锻造操作机具有重要意义。d d s 操作机可以 实现工件的提升、俯仰、缓冲、摆动、大车行走等动作，能够充分满足锻造生产 时对工件位置的控制要求，该操作机是由两组液压缸冗余驱动的并联机构，设计 巧妙，当液压缸固定在某特定位置时，可以实现运动过程的彻底解耦，在锻造过 程中受力均匀，液压控制策略简单可靠，其台架机构结构图如图1 3 所示。 图1 3d d s 操作机台架机构结构图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo fd d sm a n i p u l a t o r 1 3 国内外现状与趋势 现阶段，国外能进行制造操作机的厂家众多，其中又以德国的西马克、威潘 克以及d d s 公司为业界三驾马车。中信重工机械股份有限公司与德国威潘克公司 在二零零七年时签订了合作制造合同，共同制造1 8 5 m n 的自由锻造油压机机组， 该锻造机提供的锻造力为现阶段全世界最大。机组的设计由威普克公司负责开展， 而为这一巨型锻造机配合的锻件夹持机构是由德国d d s 公司设计的，最大夹持力 矩达到7 5 0 t m 、夹持力为2 5 0 t 的巨型锻造操作机，该操作机也是目前世界上最大 最为先进的锻造操作机【2 j 。 在我国，由于技术和制造能力所限，锻造操作机的研发和制造起步较晚，上 世纪六十年代，国内少数一些工厂初步具备了制造有轨操作机的能力，而这些操 作机也往往结构简单，只能用于少数工况。随着制造业的发展，重机行业的热度 提高，七十年代我国开始研制更为先进的操作机，这些操作机主要属于全机械传 动以及一些液压传动的有轨操作机。八十年代，主要用于水压机上的全液压有轨 操作机开始在国内普及，在此之后，我国操作机设计继续提高，到上世纪九十年 代初期，我国自行研制的1 0 0 k n 锻造操作机已经赶上国外八十年代水平，该台操 作机在山西太原投产，并顺利交付使用。这一技术成就的取得对我国重型锻造设 重庆大学硕士学位论文 备能力的发挥提供了强有力的支持，极大地提高了锻造效率，节省了人力物力， 也提高了锻件的质量，成就了我国快锻压机的研制的快速发展【2 1 。目前，国内外对 重载锻造操作机的关键技术研究方向主要集中在以下几个方面： 大型锻造操作机的工作机理分析、结构设计原理和方法； 运动性能与承载能力的协调配置方法； 偏心大载荷条件下的冗余输入和并联结构设计技术； 操作机多自由度结构的协调与同步控制方法； 大流量、大惯量和大载荷运动的精确控制方法； 锻造操作机与液压机的联动控制技术； 大型锻造操作机的远程控制与故障诊断技术； 基于典型锻件的锻造生产工艺程序研究。 在国内，对操作机本体机构研究较多的是上海交通大学高峰教授课题组，他 们对大型锻造操作机本体构型及尺度设计作了大量的工作【3 6 】【3 9 】 4 0 1 ，提出了基于g f 集的锻造操作机构型方法及其构型法则，为锻造操作机机构提出了一种新的思路 并构建了多种锻造机构型的可能性【4 】。 在疲劳分析及结构优化方面：中南大学邓华、何竞飞等在巨型重载夹持机构 和夹钳传动系统方面做了相关研究工作，结合夹钳传动系统的要求和特点，提出 了一种消除齿轮齿隙的双马达功能互换的传动系统，达到平稳换向和精确定位要 求【5 。在夹持机构方面，针对操作机的夹持装置，在承载能力的影响因素方面做了 相关研裂6 1 ，分析了夹持工作过程中的主从动态变换关系，提出了反作用力响应盲 区的概念【7 j 。 中南大学的李群明、吴永宏、高丹等人对重载锻造操作机夹持机构进行了优 化设计及相似性研究，提供研究重载夹持机理实验平台的设计方法，为设计有两 夹持性能的重载夹持机构提供依据【8 。他们建立了操作机夹持机构的数学及仿真模 型描述了夹持力切进行了优化设计，在优化时，使用了线性约束梯度流的方法并 得到了结果，其分析对象是由夹钳的钳口和锻件之间的接触等效模型 9 】。 大连理工大学李刚等在锻造操作机钳臂疲劳分析中，用显式动力学的方法求 得了锻件拔长过程中钳臂的载荷谱分布，并运用有限元的方法对其进行疲劳性能 分析与评估，找出了锻造拔长工序中的最危险工况和钳臂结构的危险部位，同时 对操作机间隙铰接触应力计算方面做了相关研列1o 】【1 1 1 。 在多体动力学、运动学方面：上海交通大学的王皓、王怀彬等人以锻造操作 机为对象，对操作机升降、俯仰、缓冲等操作过程进行了运动学分析得到了位置、 速度的正逆解，此外通过逆动力学分析求得锻造操作机各运动副的约束反力和驱 动力 1 到。 4 1 绪论 中南大学的王艾伦、张友林等提出了一种基于向量键合图的机构等效动力学 分析方法，针对锻造操作机这一具体对象的夹持机构进行了动力学计算研列1 3 j 。 清华大学陈博翁等也以某型锻造操作机台架机构为研究对象，就其5 自由度 台架机构进行运动学建模，给出了该机构的位置正逆解、速度逆解和加速度逆解。 同时计算出该锻造操作机的可达工作空间，规划了各杆的驱动力曲线【l 4 1 。 在液压与控制方面：华中科技大学陈柏金教授以兰石“8 m n 快速锻造液压机组 计算机控制系统”为依托，采用了一种参数自整定模糊p i 控制器来满足电液比例阀 控位置控制系统高精度、高速度的要求【l 5 】【l 6 l 。 太原科技大学李永堂、白墅洁教授针对小吨位使用伺服电机驱动的锻造操作 机在旋转和行走两个动作方面做了相关研究工作【l 。 燕山大学的孔祥东、刘杰等人就基于虚拟样机的锻造操作机阀控马达系统进 行了仿真研究，并运用联合仿真技术得到了快锻和常锻两种工况下的旋转给金和 轴向送进动态特性【l8 1 。 在仿真方面：东北大学任云鹏等在锻造操作机的动力学仿真领域作了相关研 究【1 7 】【18 1 。 清华大学陈博翁等以某型锻造操作机台架机构为研究对象，建立台架机构虚 拟样机模型，进行了动力学仿真分析及机构构件配重的优化设计相关研刭1 4 j 。 大连理工大学李刚等人就重载操作机进行了基于s i m p a c k 的刚柔耦合动力 学分析，更真实地贴近了实际模型，并就提升工况、锻造工况、旋转工况进行仿 真并得到相应结果【2 。 清华大学范苗苗等开展了基于h l a 的多学科协同仿真技术研究【2 ，采用基 于协同仿真适配器的学科模型转换方法，将单学科领域的模型转换成符合h l a 标 准的仿真对象模型。 1 4 课题学术和使用意义 重载锻造操作机在工程领域至关重要，它不仅仅是制造产业链中的关键装备， 同时反映了一个国家的制造加工水平和制造能力，直接关系到我国的国防建设事 业和国民经济的发展。因此，对重在操作机的基础理论研究，分析设计机理，计 算运动及受力规律，提供制造及控制的关键技术对加速重载操作机的国产化尤为 重要，也为我国的化工、国防以及核电、大型制造等领域大型部件的制造加工提 供可行的技术支持和保证【1 1 1 。 1 5 研究目的和来源 具有现代控制技术的锻造操作机与液压机自动控制、联动工作是进行现代化 重庆大学硕士学位论文 锻造生产的必然要求。开发研制大型锻造操作机，配合万吨级液压机进行大型、 特大型、高质量自由锻件的生产，以满足航空航天、船舶、汽车、核电、国防军 工等重大装备制造领域的需求。国内近几年正在建造的万吨级大型自由锻造液压 机超过十台套，都需要配备相应的大型锻造操作机，以保证充分发挥压机设备的 性能。单纯依赖国外进口，不仅价格十分昂贵，而且技术受制于人，设备交货期 和售后服务都无法得到有效保证。因此，研发具有自主知识产权的巨型重载锻造 操作机便显得尤为必要了。 基于这种现状，中国二重集团、燕山大学、西安交大以及重庆大学联合承接 的“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项：“3 0 0 0 k n 7 5 0 0 k n m 大型锻 造操作机”的研制。其中重庆大学重型机械及冶金设备研究室主要负责结构方案 设计、整机性能分析与优化以及安装、调试与应用示范等内容。 1 6 本文主要研究内容 锻造操作机作为锻造加工生产链中的关键基础装备，直接关系到锻造生产线 的效率以及锻件的加工质量，在整个锻件加工过程中发挥着重要的作用。现阶段 我国所采用的重载锻造操作机多是引进国外的先进设备，对于先进锻造操作设备 的自主设计和国产化还处于比较落后的阶段，因此，搞清设计机理，并为设计过 程提供理论技术支持显得尤为重要。本文将以d d s 大型锻造操作机为原型，分析 其设计机理，拟合出设计原理图。在此基础上，分析操作机的运动和受力特性， 引入多体有限元和联合仿真等全新分析手段到操作机的研究中来，为操作机的设 计提供了技术及理论的支持。研究内容主要包括以下几个方面： 依托现有锻造操作机的设计图纸，根据其部件的特定尺寸分析其设计思路， 将已知工件尺寸、夹持力大小以及提升高度作为输入条件，初步设计出钳夹机构、 前后转臂、前吊臂、连杆的尺寸，并画出设计流程图，为自主设计类似操作机提 供了理论指导。 当液压缸处于某些特定位置时，操作机的提升运动彻底解耦，对其进行运动 学分析，得出操作机钳杆机构夹钳的运动轨迹。根据各构件间的几何关系，求出 操作机的逆运动学解。考虑各铰链摩擦圆的情况下计算操作机在锻打过程中提升 缸和缓冲缸的受力情况，以及缓冲缸受力与接触宽度锻打深度的关系，为液压缸 的选取提供依据。 在大型非线性有限元软件中建立锻造操作机整机模型，通过多体计算，得到 在平行升降过程中，各部件的应力分布；利用操作机整机多体模型，进一步计算 了当钳杆提升到中位时做俯仰运动到极限位置的整个过程操作机各部件的应力应 变情况，为操作机的初步设计提供了依据。操作机多体有限元模型的建立，极大 1 绪论 的简化了整机刚强度校核的工作量，避免了传统算法中各部件约束和边界条件难 以施加和不准确的问题，以及多次调整和创建模型的繁冗过程。 探索机电液联合仿真在锻造操作机设计中的应用。建立操作机液压提升系统 的数学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 中建立对应的控制框图，在m s c a d a m s 中建立 操作机台架机构的动力学模型，对二者进行联合仿真，得到液压元件重要参数对 整个操作机提升过程中控制的影响。对操作机平行升降运动进行液压控制，画出 其在指定输入信号下的输出曲线，更加真实具体地为液压系统的元件及参数的选 取提供依据。 7 重庆大学硕士学位论文 2 操作机设计机理 2 操作机设计机理研究 2 1 锻造操作机的工作原理 图2 1 操作机台架机构结构图 f i g 2 1t h es 缸u c t i l r eo fm a n i p u l a t o r d d s 操作机的核心动作除开大车行走外基本上全由台架机构完成。如图2 1 所示，该图表示的是d d s 锻造操作机的台架机构，通过这组机构便能实现锻造操 作机钳夹的升降、俯仰、缓冲和摇摆等运动。1 为工件，2 为钳夹机构，3 为前转 臂，4 为连杆，5 为后转臂，6 为前吊臂，7 为方位导向臂。其中前转臂是由两个平 行的臂板通过一根连接筒连接，使得两个臂板始终保持一致的运动，类似的后转 臂也是又两块臂板组成，前后转臂之间由两根连杆相连。如图2 2 所示，前转臂的 铰链点a 与机架相连，后转臂的铰链点b 与机架相连，提升缸的铰链点c 与机架 相连。当操作机工作时，前转臂绕a 点转动，后转臂绕b 点转动。在图中看不到 的另一面，也有着对应的铰链。 图2 2 台架机构与机座铰链示意图 f i g 2 2t h ep o s i t i o no fh i n g e s 9 重庆大学硕士学位论文 操作机的提升、俯仰等动作的动力由液压缸提供，如图2 3 所示。t 1 和t 2 所 在的虚线处表示两个平行的提升缸，该提升缸提供钳杆夹持工件升降运动时的动 力。而h 1 和h 2 所在的虚线处表示两个平行的缓冲缸，当操作机大车行走或者锻 打工况时对冲击力完成缓冲作用，从而保护操作机各部件，使受力更优。两个提 升缸工作时动作一致，在控制系统作用下实现并行冗余驱动，这样可以使得提升 大吨位锻件以及锻造过程中受力更好，使得各零部件不会承受过大的载荷。缓冲 缸跟提升缸类似，都是平行冗余驱动，使得每个缓冲缸受力更小，便于油缸的选 取。 图2 3 操作机液压缸位置 f i g 2 3t h ep o s i t i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e r 图2 4 操作机关节轴承位置 f i g 2 4t h ep o s i t i o no fo s c i l l a t i n gb e a r i n g 在图2 4 中，f 1 所在的虚线处表示的是俯仰缸，俯仰缸主要控制钳杆机构与 水平面的倾角，从而使夹钳实现抬头或低头的动作。d 、e 、f 、g 处表示的是关节 轴承，由于操作机是平行冗余驱动的，同理在图2 4 中看不到的那一面，也有着对 应的关节轴承。关节轴承能承受较大的负荷，根据其不同的类型和结构，可以承 受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷。由于在内圈的外球面 上镶有复合材料，故该轴承在工作中可产生自润滑。一般用于速度较低的摆动运 动，和低速旋转，也可在一定角度范围内作倾斜运动，当支承轴与轴壳孔不同心 度较大时，仍能正常工作。在锻造操作机中，这几个关键轴承主要在钳夹机构实 现左右摆动的情况下发挥作用，可使运动协调。 当钳夹机构要进行左右摆动时，在前吊耳的连接筒上左右各带有一个油缸， 图2 5 中箭头所示，当右端的油缸起作用时，钳夹机构左摆，关节轴承发挥作用， 提供灵活的自由度。同理，当要求钳杆机构右摆时，左端的液压缸发挥作用。钳 杆机构的左右摆动为钳夹终端的锻件提供了更灵活的运动，可方便在锻打操作过 程中适时地微调工件位置以获得更好的锻打效果。与钳杆直接相连的三个关节轴 承保证操作机钳杆可实现在水平面内做水平摆动的动作。 l o 2 操作机设计机理 图2 5 操作机左右摆动示意图图2 6 操作机平面等效机构化简图 f i g 2 5s w i n gm o t i o no f m a n i p u l a t o r f i g 2 6p l a n ee q u i v a l e n tm e c h a n i s md i a g r a m 由于锻造操作机的驱动装置是平行的冗余驱动，在只分析其提升、缓冲、俯仰 这三个常见工况，而不重点讨论锻造操作机左右摆动的工况的情况下，可以将其 简化为一平面机构来考虑。如图2 6 所示，粗实线勾勒部分表示简化操作机各零部 件的形状，虚线部分表示操作机的三组液压缸。简化后的d d s 锻造操作机平面机 构图如图2 7 所示： 图2 7 操作机平面等效机构图 f i g 2 7t h ep l a n ee q u i v a l e n tm e c h a n i s md i a g r a mo f m a n i p u l a t o r 重庆大学硕士学位论文 d d s 锻造操作机的升降及倾斜机构为平行四连杆式。工作过程中，要实现竖 直平面内的工件平行升降、钳杆倾斜、水平缓冲等动作。m g 为夹钳，g e 为钳杆， i h g 为前吊臂，i j k l 为前转臂，b c d 为后转臂，c j 为连杆。l f 为提升液压缸， 起提升和竖直缓冲作用。a h 为水平缓冲缸，起水平缓冲作用。俯仰液压缸d e 作 为后吊臂。如图2 7 所示，根据操作机设计图纸知道，j k 与c b 的长度相等，j i 和c d 的长度相等，于是三角形j i k 和三角形c d b 为全等三角形，当俯仰缸d e 的长度等于i g 的长度时，红色虚线相连的点可形成四个平行四边形，分别是j c b k 、 i j c d 、k b d i 和i d e g ，从而保证了前后转臂运动的一致性，并且保证了j c 、k b 、 i d 、g e 在提升液压缸l f 伸缩的过程中始终是平行的，由于k 点和b 点是前后转 臂与机架的连接点，于是k b 的倾斜角一定，那么在整个钎杆升降过程中g e 的角 度也是确定的，当m g 与g e 成一个特定的角度时，便保证了钳杆的水平移动。 对平面机构进行自由度分析，平面机构一共由1 1 个构件组成，构件之间由1 2 个旋转副和3 个滑移副共1 5 个低副连接： ，= 3 n 2 p = 3 11 - 2x ( 1 2 + 3 ) = 3 ( 2 1 ) 所以操作机终端钳夹的运动由三个液压缸的作用决定。当需要保持钳夹提升过 程水平时，俯仰缸锁定一个长度使得d e 的长度等于i g ，缓冲缸在提升过程中也 保持定长的情况下，机构的自由度为： f = 3 n 一2 p = 3 9 - 2 ( 1 2 + 1 ) = 1 ( 2 2 ) 这时操作机整个升降运动就完全由提升缸决定了。当钳杆提升到指定位置后， 要调整钳夹的俯仰角度时，提升缸锁定，完全由俯仰缸决定，这时俯仰缸的伸长 和缩短可以使钳夹抬头或低头以实现指定动作。钳夹的俯仰角度范围在7 0 到9 。之 间。另外在大车行走过程和工件锻造过程中，缓冲缸起到承载冲击载荷的作用。 2 2 操作机机构设计机理 本节将从受力分析及运动要求出发，分析操作机钳杆机构、前后转臂、前吊 臂等机构以及关键铰链点位置等具体参数的确定由来，为操作机的自主设计提供 指导。 2 2 1 夹钳及钳杆的确定 夹钳及与钳杆的设计需要进行运动学和动力学分析，得到所需要的夹钳液压缸 推力，从而以此选择液压缸的大小。操作机工作过程中，钳头需要经常旋转，钳 口的位置也不断变化。当钳口处于不同位置时，钳口的受力情况也不相同，力和 力矩的平衡关系也随之改变，通过分析垂直位置时的夹紧力最大瞳引。 图2 8 为钳口与工件受力图。图中n 1 、n 2 分别表示钳口法向反力；q 表示钳 口夹角；1 表示钳口宽度；f 表示钳口与锻件接触处的摩擦力；r 1 、r 2 分别表示钳 1 2 2 操作机设计机理 口上下夹钳夹紧力的合力；g 表示锻件的重量；l 表示锻件质心到钳口末端的距离； y 表示上、下夹钳夹紧力合力r 1 与r 2 之间的距离。 捻 ， 厂 g f 糊涔炒矿 贯 一 工 图2 8 钳口及工件受力图 f i g 2 8t h ef o r c ed i a g r a mo f j a wa n dw o r k p i e c e 根据垂直万同的力半衡夫糸和对r 1 作用点的力矩半衡关系，有 r + g = 恐 r z y + f h = g 三一丢c z y ， 设锻件直径为d ，锻件与钳口的摩擦系数为i t ，则有 m = 端 2 = i ：r 丽2 2 即p 1 _ 2 p 尚= 且s i n ( a 2 ) 。 h = d s i n ( a 2 、 则 f h = p 置j 将式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 带入式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 解得 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 重庆大学硕士学位论文 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 可见，夹紧力的大小与钳口宽度和夹持锻件直径的大小有 关，而与钳口夹角o l 无关，y 的选取范围通常为y = ( 1 3 2 3 ) 1 ，y 值对夹紧力大小影 响很大。 夹钳是一个上下对称的夹紧机构，图2 9 为夹紧机构的结构简图，其中f 为液 压缸的推力，e 点为夹钳的钳口。 图2 9 夹紧机构简图 f i g 2 9t h ec l a m pm e c h a n i s md i a g r a m 对c 点的力矩平衡方程为 r b s 3s i n 了3 7 r 一( p + p + 7 ) _ 皿4c 。s 卢 式中，r 为单侧钳口夹紧力 比= 瓦f 忑 r = 2 l - l + i z d g 2 yj 广d ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ，y ：a r c c o s s s + s 3s i n ( t r - - ( 3 - - 3 ) ) - s i ( 2 1 6 ) 1 4 氅 、j 砭 + 墨 k 2 得 = ， r 中 ，4，j2l入 代 ，2，l2l，li2，l 将 2 操作机设计机理 令 p = a r c s i n 1 6 二盟 s 五 f 一 兰些竺! 垒塑2 s 3s i n t 丢7 r 一( 臼+ p + 7 ) f ：丝墨二! 丝宰垒竺! 墅呈2 g ( 2 y + i z d ) s 3s i n - ；7 r 一( p + p + 7 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) s 3s i n - 詈7 r 一( 0 + p + 7 ) 】 f = l 一 ( 2 2 0 ) s 4e o s f l s i n 3 s 3 贝0 f ：( 垒垒2 茎( 2 2 1 ) 切 k 为夹紧力的裕度系数，取k = i 1 7 ；i 为钳臂的杠杆比，即主动杆绕原点的垂 直长度与从动杆绕原点的垂直长度之比，当i 1 时叫短杠杆，当i 1 是叫长杠杆； t 1 一夹紧机构效率一般取0 8 5 f z 6 1 。 根据夹钳的受力分析，计算出的推力可又确定夹紧液压缸的型号与尺寸，夹紧 液压缸安装在钳杆内，再结合钳杆与夹钳的联接机构、夹钳的旋转机构就可又最 终确定钳杆的长度，而钳杆的直径大小再根据夹钳基本尺寸确定。 2 2 2 前转臂及提升液压缸的确定 i 图2 1 0 前转臂机构 f i g 2 10t h ed i a g r a mo ff r o n tr o d 从现有的d d s 锻造操作机的结构可以看出，钳夹的提升高度和前转臂机架铰 链点与吊臂铰链点之间的固定距离相等。当要保证钳夹提升过程平稳，须尽量保 重庆大学硕士学位论文 证钳夹终端提升轨迹接近一条直线，从而减小在水平方向上的惯性力，所以钳夹 最低点和最高点最好在一条直线上。将前转臂结构简化为i k 杆，如图2 1 0 中所示。 的转角为2 a ，i 点的提升高度为h ，此处h 就对应着夹钳的提升高度，根据几何 关系可以得出 k = s i n q ( 2 2 2 ) 其中，z ，f 为i k 的长度。根据操作机所要求实现的提升高度办和前转臂的转角 2 乜就可以确定前转臂的尺寸。由几何关系可知，当h 等于的长度，且前转臂在 提升过程中的转角的中心线水平时，转臂和最终位置i k 构成的三角形i k i 为 等边三角形，a 为3 0 0 ，则i k 的长度就等于钳夹提升的高度h 。 在操作机的平行四边形机构中，形成了一个封闭的受力关系，力在这封闭的 系统里实现闭环传递。现对四边形机构作受力分析，将各杆件单独出来建立受力 方程。由于前后吊臂、前后转臂以及连杆的质量远小于夹钳和钳杆的质量，所以 在进行受力分析时忽略它们的质量，将俯仰缸和连杆视为二力杆。m 表示夹钳和 钳杆的质心，m 表示工件的质心，质心的精确位置从三维软件中求得，各杆件受 力示意图如图2 1 1 所示。 i n i l a ) 钳籽 d1 el 心 l b l 俯仰缸 n c 恐_ j c l d ) 前转臂 e l 连杆f 前爵臂 图2 1 1 操作机各构件受力图 f i g 2 11t h ef o r c m gm o d e l o f r o d so fm a n i p u l a t o r 对以上构件受力示意图， 从图2 1 1 ( a ) 中可得 建立力和力矩平衡方程。 n g m g m g ne = 0 1 6 ( 2 2 3 ) 2 操作机设计机理 m g 一n e 眨一m g r 3 = 0 ( 2 2 4 ) n g 为前吊臂作用于钳夹的拉力，n e 为缓冲缸作用于钳杆上的拉力，r l 、r 2 、r 3 分别为以钳夹悬挂点为支点，m g 、m g 、n e 三个力的力臂。 图2 1 1 ( b ) 中所示为俯仰缸的受力，n d 表示的是俯仰缸作用在后转臂上的反 作用力。 一d = 0( 2 2 5 ) 图2 1 l ( c ) e o 表示的为后转臂，n g 、n c 分别表示俯仰缸对后转臂的作用力和连 杆对后转臂的拉力，a 和b 分别表示这两个力相对于后转臂支点的力臂。 n c b 一d a = 0 ( 2 2 6 ) 图2 1l ( e ) q u 表示的为连杆受力，n j 、n c 分别为前后转臂作用在连杆上的力， 连杆考虑为二力杆，所以，两个力大小相等方向相反 u c = n j ( 2 2 7 ) 图2 1 l ( d ) q u 表示的为前转臂的受力，n i 、n l 、n j 分别表示前吊耳对前转臂的 拉力，提升缸对前转臂的作用力以及连杆对前转臂的拉力。 n i a n j b n l c = 0 ( 2 2 8 ) 图2 1 i f t ) 表示的为前吊臂的受力，n i 、n g 分别表示前转臂和钳夹对前吊臂 的反作用力。 川一n g = 0 ( 2 2 9 ) 联立方程( 2 2 3 ) ( 2 2 9 ) ，解得 札= 兰( 他+ r a g ) ( 2 3 0 ) e 整个封闭四边形中的受力求解按照逆时针的力流传递，其中，为提升液压 缸的提升力，m g 为工件质量，m g 为夹钳和钳杆的总重量，式2 3 0 说明，操作机 的夹钳、钳杆和工件的重量都作用在提升液压缸上，液压缸提升力的大小与其他 无关，只与钳杆机构和工件的重力，以及液压缸提升力和前吊臂拉力相对于前转 臂支点的力臂有关，当前转臂的尺寸和初始姿态确定后，当a 与c 比值最大处可求 得，的值，就可以很容易确定提升液压缸的型号与尺寸。 2 2 3 连杆与转臂的确定 为了保证钳杆在提升过程中作平动，使重量全部由提升液压缸承受，这就可以 靠一个四边形结构来实现，所以后转臂的结构应与前转臂相同，故可以直接根据 前转臂尺寸来确定后转臂尺寸，即图2 1 1 ( c ) 和( d ) 中 1 7 重庆大学硕士学位论文 i b d = 乞，i b c = l r j ，k = t j i ( 2 3 1 ) 这样便形成了两个全等三角形，保证了前后转臂运动的一致性，从而达到了 钳杆在整个提升过程中平动的目的。连杆在动力学分析中为二力杆件，在长度方 向能够适应机构所满足的范围即可，由于已经确定了钳杆机构，当选取一个合适 的杠杆比便可以确定前吊臂作用于钳杆上的位置，于是，前吊臂作用点到俯仰缸 作用于钳杆的作用点之间的距离g e 就可以初定连杆的长度，因为要确保钳杆平 动，需要靠平行四边形来传递，有j c = i d = g e 。 2 2 4 前吊臂与俯仰缸的确定 a 前吊挂机构 一 b ) 操作机前吊挂机构简匿 图2 1 2 前吊臂及缓冲缸机构简图 f i g 2 1 2t h ed i a g r a mo ff r o n tr o da n db u f f e t i n gc y l i n d e r 前吊臂承受着钳杆的重量，以及锻造过程中的冲击载荷，长度由前转臂的位置 以及钳杆的结构尺寸决定。将前吊臂的结构独立出来，如图2 1 2 ( a ) 所示。 图2 1 2 ( a ) 表示前转臂处于最低位置，此时钳杆也处于最低位置l l o = 厅，一， 其中：z 船为前掉臂的长度，曩为i 点此时离地面的高度，嘛为前吊臂与钳杆铰点 g 离地面的高度，设计中要保证钳杆与前转臂不发生运动干涉，即h i 要依据实际要 求确定一个合理的值。 俯仰缸应该与前吊臂的长度一致，以保证初始状态夹钳处于水平。结合俯仰缸 的受力和钳杆的俯仰角范围7 0 到一9 0 ，就可以确定俯仰缸的选型和尺寸。 2 2 5 水平缓冲缸的确定 锻造过程中，锻件的塑性变形会对夹钳产生水平和竖直方向的冲击载荷，水 平力通过传递被水平缓冲缸吸收，竖直方向则采用主动顺应消除 27 1 。水平缓冲缸 在钳杆的提升过程中会使钳杆在水平方向会有位移，为提高定位精度同时也使得 提升过程中在水平方向上的惯性力减小，应使此误差最小。水平缓冲缸的两端铰 2 操作机设计机理 点位置决定了此误差，所以在选择缓冲缸时，要先定缓冲缸的安装位置，即两端 的铰链点的位置。 缓冲缸的安装关系着平行升降过程的水平方向定位精度，甚至影响工件锻造 的精度。将前台架机构分离出来，如图2 1 2 ( b ) 所示。图中a h 代表缓冲缸， 为前转臂，i h g 为前吊臂，g 点与钳杆铰接，前转臂i k 在提升缸的作用下绕k 点 旋转，为保证g 点运动过程的水平误差最小，就要求选择最佳的h 点和a 点的位 置。在设计过程中，可以用优化的思想对此机构优化，找到缓冲缸与前吊臂的最 佳铰点，从而确定缓冲缸的参数。 2 3 缓冲缸尺寸及安装位置的优化设计 本节将详细讨论用优化的方法设计缓冲缸的过程，最终通过优化算法，确定 一组缓冲缸的长度以及安装铰链位置的具体参数。 2 3 1 包含缓冲缸的前台架运动学分析 在提升过程中，提升缸的运动变化对夹钳末端运动的影响可以通过几何