（机械工程专业论文）重载夹持装置动态夹持力分析及夹持驱动策略研究.pdf

2 i 原创性声明 洲i l f r lr lr l li i i17 1 11ip u l y 1915 2 6 8 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：栖函扬1 日期：) 盟年尘月竺日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储躲哗燧群m 垃蝴竺日 摘要 在时变重载工况下，作为巨型重载操作装备的关键部件一夹持 装置，要求在转动和移动过程中保证其夹持的稳定性。夹持装置的 性能直接影响着巨型重载操作装备的整体性能，夹持的承载能力是 设计重载操作机驱动装置、传动装置和夹持装置的主要依据，是重 要的评价指标之一。 本文基于力流封闭整体分析法建立了稳定夹持锻件时考虑偏载 特性的动态力学模型，分析了重要参数因素对夹持承载能力的影 响。基于局部分析法建立了所需工作夹紧力摩擦点的接触模型；通 过分析偏载等参数的影响灵敏度，建立了所需工作夹紧力的多参数 耦合分析数据库。基于反向递推方法，对锻造操作机夹持系统设计 了一种多级反演自适应控制器；通过虚拟仿真技术将锻造操作机的 控制模块、液压模块、机械模块集成在一个虚拟仿真平台上，并利 用仿真软件a d a m s 和m a t l a b ，实现了机电液一体化的联合仿 真。 研究结果表明：锻件的偏心和下垂角、夹钳旋转的角位移和角 速度以及钳口夹持接触状态等因素对重载操作机夹持装置动态承载 能力的影响不能忽略；设计的夹持液压系统多级反演白适应控制器 有效地减小了钳口与锻件的碰撞冲击，克服了液压系统强非线性、 参数不确定性和负载扰动等因素的影响，具有较强的鲁棒性和良好 的跟踪性能；巨型重载操作机夹持系统数字虚拟仿真平台极大地方 便了夹持承载能力的研究工作，并将人机界面交互技术应用到自主 研制的重载夹持系统实验平台，得到了夹持承载能力的实验结果， 验证了理论模型的正确性。 关键词：夹持装置，夹持承载能力，夹持过程控制，虚拟仿真平台 a bs t r a c t a sak e yp a r to ft h el a r g es c a l em a n i p u l a t o rw i t hh e a v yl o a d ，t h e g r i p p i n g d e v i c e ss h o u l dm a i n t a i n s t a b i l i t yw h e nt h em a n i p u l a t o ri s r o t a t i n ga n dm o v i n gi nt h ec o n d i t i o no fv a r i e dh e a v yl o a d t h eg r i p p i n g p e r f o r m a n c ed i r e c t l y a f f e c t st h ew h o l ec a p a b i l i t yo ft h e l a r g e s c a l e m a n i p u l a t o r t h eg r i p p i n gb e a r i n gc a p a b i l i t y , a so n eo ft h ei m p o r t a n t c r i t e r i a ，i sam a i nf a c t o rf o rd e s i g n i n gt h ed r i v i n gu n i t ，t r a n s m i t t i n gu n i t ， o n s i d e r e dt h eb i a sl o a dw h e n o nag l o b a la n a l y s i sm e t h o do f f o r c ef l o wc y c l ea n dv a r i o u sf a c t o r si n f l u e n c e dt h eg r i p p i n gc a p a b i l i t yi s a n a l y z e d s i m i l a r l y , c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw o r kp i e c e s ，a m o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nal o c a la n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hc a nb eu s e d t oc a l c u l a t et h eg r i p p i n gf o r c er e q u i r e df o rs t a b l eg r i p p i n go f ja w s b a s e d o nt h eb a c k s t e p p i n gm e t h o d ，t h ea d a p t i v eb a c k s t e p p i n gc o n t r o l l e ri s d e s i g n e df o rt h eg r i p p i n gs y s t e mo ff o r g em a n i p u l a t o r s t h ec o n t r o lu n i t ， h y d r a u l i cu n i t ，a n dm e c h a n i c a l u n i ta r e i n t e g r a t e d o na no p e r a t i n g p l a t f o r mt h r o u g h v i r t u a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g i e s t h e r e f o r e ，t h e i n t e g r a t i o no fm e c h a n i c a l - e l e c t r i c a l - - h y d r a u l i c i sr e a l i z e d b yt h e c o - - s i m u l a t i o no f a d a m sa n dm a = n ，a b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t so fw o r kp i e c eb i a s ，a n g u l a r d i s p l a c e m e n t ，a n g u l a rv e l o c i t y , a n dd r o o pa n g l ec a n n o tb ei g n o r e df o rt h e d y n a m i cg r i p p i n gc a p a b i l i t yo ft h eh e a v yl o a dg r i p p i n gd e v i c e t h e a d a p t i v eb a c k s t e p p i n gc o n t r o l l e ro ft h eg r i p p i n gh y d r a u l i cs y s t e mi s a p p l i e de f f e c t i v e l yt or e d u c et h ei m p a c tb e t w e e nt h ej a wa n df o r g ep i e c e ， w h i c ho v e r c o m e st h ei n f l u e n c e so ft h es t r o n gn o n l i n e a r i t y , p a r a m e t e r s u n c e r t a i n t y , a n dl o a dd i s t u r b a n c eo fh y d r a u l i cs y s t e m s t h ev i r t u a l s i m u l a t i o np l a t f o r mf a c i l i t a t e st h er e s e a r c h e so nt h eg r i p p i n gs y s t e mo f l a r g e s c a l e h e a v yl o a dm a n i p u l a t o r s t h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi s a p p l i e do nt h eh e a v yl o a dg r i p p i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fg r i p p i n gc a p a b i l i t y a r eo b t a i n e d t 1 1 ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lm o d e li sv 甜6e d k e y w o r d s ：h e a v yl o a dg r i p p i n gd e v i c e ，g r i p p i n gc a p a b i l i t y , g r i p p i n g p r o c e s sc o n t r o l ，v i r t u a ls i m u l a t i o np l a t f o r m m 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 锻造操作机夹持装置的形式2 1 3 央持承载能力研究现状。3 1 4 夹持过程控制的研究现状5 1 5 数字虚拟仿真技术研究现状一6 1 6 本文研究的主要内容8 1 7 研究的意义8 第二章基于力流封闭整体分析法的提供动态夹持力建模及多参数耦合分析1 0 2 1 概j 走10 2 2 受力状态的复杂性与建模难点。l o 2 3 基于力流封闭整体分析法的夹持力建模1 1 2 4 夹持装置稳定夹持锻件时的承载能力分析1 4 2 5 结论2 0 第三章时变重载工况下所需动态夹紧力稳定性研究2 2 3 1 概述2 2 3 2 钳口夹紧锻件所需工作夹紧力局部分析法建模2 2 3 2 1 钳口与锻件的封闭性2 2 3 2 2 稳定性判断2 4 3 2 3 接触点位置2 5 3 2 4 不对称夹持研究一2 6 3 2 5 工件偏心研究2 8 3 3 钳口夹持锻件所需工作夹紧力稳定性分析3 0 3 3 1 不对称夹持影响分析3 0 3 3 2 工件偏心影响分析。3 5 3 3 3 下垂角影响分析。3 9 3 3 4 销轴摩擦影响分析4 0 3 4 储备系数的确定。4 l 3 5 结论4 2 第四章夹持过程的反演自适应控制研究4 3 4 1 概述4 3 i v 4 2 阀控非对称缸系统模型4 3 4 3 夹持过程b a c k s t e p p i n g 控制4 5 4 3 1l y a p u n o v 稳定性理论4 5 4 3 2a d a p t i v eb a c k s t e p p i n g 控制简介4 6 4 3 3a d a p t i v eb a c k s t e p p i n g 控制器设计4 7 4 3 4 仿真结果5 2 4 4 本章小结5 5 第五章夹持系统虚拟仿真集成技术及实验验证5 6 5 1 概述5 6 5 2g u i 设计工具简介5 6 5 3 虚拟仿真平台系统总体设计步骤5 7 5 4 夹持系统机电液一体化虚拟仿真平台集成技术5 7 5 4 1 夹持系统虚拟仿真平台主界面的设计5 7 5 4 2 液压模块界面5 8 5 4 3 机械模块界面5 9 5 4 4 控制模块界面5 9 5 4 5 联合仿真模块界面6 0 5 4 6 性能分析模块界面6 2 5 5 夹持承载能力的实验验证6 3 5 5 1 实验目的与实验原理。6 3 5 5 2 实验方案6 3 5 5 3 实验装置简介及结构参数6 4 5 5 4 实验内容与测量结果6 6 5 5 5 实验结果分析6 9 5 6 本章小结7 l 第六章全文总结7 2 参考文献7 4 致谢7 9 攻读硕士学位期间的主要研究成果8 0 v 中南大学硕学位论文 第章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着全球工业化和经济的持续发展，我国作为世界制造业大国，制造业的 大力发展与我国国民经济的命脉息息相关。而作为制造产业链中的基础装备一 巨型重载操作装备是国家制造能力和极端制造水平的突出体现，国防安全和国 民经济的重要保障，因此，巨型重载操作装备的深入研究与创新性发展对我国 制造业的大力发展和综合国力的提高具有十分重要的现实意义。 作为实现锻造车间机械化、自动化的重要设备之一的锻造操作机，起步于 6 0 年代，从全机械传动阶段发展到混合传动阶段，再到全液压传动阶段，主要 用于夹持锻件来配合主机完成所夹持工件的相关锻造加工工艺，也可用于坯料 在加工车间的装出炉、运输和堆放，以及用来央持模具或工具进行操作【l 2 】。如 图1 1 所示为锻造车间的锻造操作机。 图卜1 锻造操作机 锻造操作机的锻造能力是锻压车间最主要的评价指标之一，大吨位的锻造 操作装备的性能和生产制造水平代表了一个国家的科学技术水平和先进制造能 力【3 , 4 1 ，而人类极端制造能力的突破也是以重型装备的技术进步为基础的。因此 通过采取相应的有效举措来提高锻造操作装备的整体性能是提高我国的生产锻 件和制造能力的关键，比如采用改良配套锻造操作机的性能、利用先进液压 机、液压机控制系统以及改进锻造加工工艺等等措施【5 l 。其中作为锻压机配套 设备的锻造操作机是锻造车间实现自动化的重要设备之一，其高性能对提高加 工车间设备的利用率和劳动生产率、提高锻件质量和降低生产成本、改善劳动 条件以及减轻劳动强度等方面有着至关重要的作用【l 】。近年来，国内外关于锻 造操作装备的研究有了长足发展 6 1 。许多研究机构和企业正在不断研制适用性 好、结构简单和成本低的高性能锻造操作机。比如我国青岛华东工程有限公司 自主设计生产的5 0 t 全液压驱动式锻造操作机；德国d d s 公司研发生产的 中南大学硕t ：学位论文 第章绪论 8 5 0 k n ，1 7 0 0 k n m 无轨锻造操作机引进到了上海重型机械厂；s m s m e e r 公 司研制的2 5 0 0 k n ，6 3 0 0 k n m 有轨锻造操作机应用到一藿集团公司的锻造车 间；还有一些技术较先进的锻造操作机制造商潘克( w e p u k o ) 公司、g l a m a 公司等生产的锻造操作机都应用到工程实际中，为世界经济的发展做出了突出 贡献。夹持装置是巨型重载操作装备的重要组成部分，如何提高锻造操作机的 夹持承载能力和央持稳定性必然首先纳入研究对象。目前世界上已装备的万吨 自由锻造机有近三十台，其中最大的模锻水压机载荷能力已高达7 5 万吨，最 大的六自由度锻造操作机操作力矩已达6 3 0 0 k n m 【_ 7 1 。然而，长期以来，巨型 重载操作装备的设计、制造以及技术创新是由相关企业完成，相关的基础科学 研究十分薄弱，理论上有必要进一步革新。虽然我国已经具备了万吨级锻压装 备的设计和制造能力，但巨型重载操作装备依然完全依赖于国外进口，相关的 基础研究仍是空白。为了满足经济建设和增长对大型锻件的迫切需要，提高巨 型重载操作装备的自主研发和生产能力已成为当务之急【4 j 。 1 2 锻造操作机夹持装置的形式 绿色制造、数字制造、极端制造已成为当今世界制造的时代主题，对锻造 操作机设计、性能、制造等方面提出了更高的要求。作为巨型重载锻造操作机 关键部件之一的夹持装置，对锻造操作机的整体性能的影响至关重要，所以要 选择结构紧凑、节省能量而且能更好地满足锻件生产要求的操作机夹持装置形 式。夹持装置常见的有机械式、吸盘式以及电磁式等多种多样的形式。其中机 械式夹持装置是最基本的形式且种类繁多【3 】，因此广泛应用于锻造操作机中。 锻造操作机的夹持装置由钳头和拉紧装置两部分组成，一般分为拉杆式央持装 置和压杆式夹持装置。根据拉杆式夹持装置结构特点，又可以分为长杠杆式、 短杠杆式和滑块斜槽式峭j 。 如图1 2 所示，长杠杆式夹持装置由钳口、钳臂、连杆、钳壳、拉杆滑块 以及拉杆组成。该种形式的夹持装置通过拉杆向左拉动滑块带动连杆左移，使 钳臂绕固定于钳壳上的销轴摆动，从而达到钳口夹紧锻件的目的。由于钳臂的 后臂比前臂长，故给定相同的驱动力能获得较大的夹紧力，改善了零部件的受 力情况。但由于行程较长，使钳头尺寸增大，零件增多，加工制造难度加大。 如图1 3 所示，短杠杆式夹持装置由钳口、钳臂、钳壳以及拉杆滑块四部 分组成。钳臂的末端为圆柱状，向左拉动滑块带动装在拉杆滑块的横向方孔内 的钳臂末端圆柱状端头，使短杠杆式夹持装置的钳臂摆动，从而使得钳口夹紧 锻件。比较长杠杆式夹持装置，拉杆行程较小、夹持装置结构紧凑、零件少、 加工制造容易，但拉紧力大，圆柱状末端与横向方孔为线接触容易磨损。 2 中南大学硕卜学位论文 第一章绪论 9g 争z l 图1 - 2 长杠杆式夹持装置图1 - 3 短杠杆式夹持装置 如图l - 4 所示，滑块斜槽式央持装置由钳口、t 形钳壳、钳臂、滑块以及小 滑块五部分组成，用销轴将钳臂的末端与装在滑块的斜槽内的小滑块连接。向 左拉动滑块摆动钳臂，从而钳口夹紧锻件。滑块斜槽式夹持装置效率较低，但 制造维修较方便。 如图1 5 所示，压杆式夹持装置由连杆、支架、钳臂、钳口四部分组成。 通过销轴将钳臂两端分别与钳口和连杆连接。向右推动推杆使钳臂摆动，从而 夹紧锻件。压杆式夹持装置体积小，零件少，制造维修方便，但连杆容易自 锁，故夹持锻件的尺寸范围小。 图卜4 滑块斜槽式夹持装置图1 - 5 压杆式夹持装置 文献【9 】已经通过理论验证压杆式钳头较拉杆式钳头省力，故本文主要以压 杆式夹持装置为研究对象，进一步对重载锻造操作机的夹持承载能力进行探 讨，建立较为完整的夹持承载能力数据库。 1 3 夹持承载能力研究现状 在时变重载工况下，作为巨型重载操作装备关键部件的夹持装置，要求其 3 中南大学硕士学位论文第一蕈绪论 保证在转动和移动过程中的夹持稳定性，其夹持动力学响应在设计、研究的过 程中不可忽视。夹持装置的性能直接影响着巨型重载操作装备的整体性能，其 夹持承载能力是设计夹持驱动装置、传动装置和夹持装置的主要依据，是重要 评价指标之一。夹持承载能力由于一些客观原因而计算相对复杂，如图1 - 6 所 示：夹持状态、锻件偏载特性、接触点布局、夹持条件等因素均影响着夹持装 置夹持锻件的稳定性，同时夹持装置结构简单造成其存在运动学缺陷，钳面与 锻件接触状态复杂等导致存在过约束和静不定问题等原因使得直接简单使用力 学分析困难。在承载能力的设计计算中，夹持装置所提供的夹持力若小于工作 所需夹持力，则将导致工程实践中绝不允许发生的夹持失效。反之，若所提供 的夹持力过大必然引起原材料、能源等浪费，锻件变形，甚至因为连杆、钳臂 等零部件出现疲劳断裂而发生严重事故【l o j ，因此，夹持装置稳定夹持锻件时所 提供的夹持力与锻件所需工作夹紧力的评价至关重要。 图卜6 锻造操作机偏载夹持 目前，对重载操作机夹持装置的夹持承载能力已经做了一些相关研究，如 夹持装置油缸驱动力与钳口夹持力关系的确定一直以来是其设计和研究过程中 的关键。大多通过简单的力矩平衡公式 s a i l ：除以钳臂的力臂比，然后乘以驱 动力储备系数和夹持装置效率得到驱动力与所提供夹持力的关系，该方法忽略 了夹持装置的多样性以及各构件的重力、销轴摩擦力矩、惯性力等因素的影响 且表现出很大的局限性，无法满足油缸驱动力的实时控制要求。文献【1 2 l 以锻造 操作机压杆式夹持装置为研究对象，建立了考虑角速度、角位移、销轴摩擦系 数以及锻件半径影响的动态夹持力模型，需进一步考虑偏载特性对夹持装置稳 定夹持锻件的承载能力影响。 涉及所需工作夹紧力的研究资料较多，大多以夹持装置几何尺寸设计为目 的。文献【l l 】中提到清华大学、上海交通大学教程上公式研究以锻件无下垂角为 前提，加大了所需工作夹紧力。文献【3 】推导了一种考虑锻件下垂角的所需工作 夹紧力公式，但在一定程度上不符合实际情况。文献【1 2 l 在夹持装置处于水平和 4 中南大学硕e 学位论文 第一章绪论 垂直位置研究的基础上进一步讨论了任意位置时的动态工作夹紧力，同样忽视 了锻件特性对所需工作夹紧力的影响。夹持稳定性的保证需要同时满足力封闭 和形封闭条件，当夹持满足力封闭充要条件时，一定范围内的载荷或扰动力旋 量作用可以保证稳定夹持锻件。但若接触力过大将导致钳口或锻件变形而破坏 形封闭条件，使夹持失去稳定性。因此，有必要对已知的外载荷旋量和央持状 态，通过内力分配算法来优化接触力。文献l i3 j 中t r i n k l e 在任何虚位移都不会引 起抓取系统势能减少的基础上讨论了形封闭稳定性抓取，但该方法不能描述外 力旋量对抓取的影响，甚至不能有效判断形封闭抓取。文献1 1 4 j 中m a n t r i o t a 提出 一种以接触点摩擦系数极小化的定量抓取规划方法，使得力封闭条件对摩擦力 的依赖性最小，但未考虑抓取法向约束条件，对无摩擦点接触抓取( 形封闭性 分析) 也不适用。文献5 】建立了钳口摩擦点接触力模型，基于拉格朗日乘子法 搜索到了接触点位置，并利用线性约束梯度流优化方法得到了钳口与锻件的最 小接触力，但没有考虑偏载特性。 1 4 夹持过程控制的研究现状 按驱动装置来分类，锻造操作机可分为机械传动、液压传动和混合传动操 作机。由于巨型重载操作机负载大，驱动装置采用电气传动或者机械传动将过 于庞大，复杂。根据液压传动具有响应快，运行精度高，执行机构的扭矩惯量 比和功率重量比大从而能以较小的质量和体积输出较大的转矩和力等特点而在 重工业机械设备的驱动、传动和控制中【1 4 j 得到广泛应用。 目前，类似于通过满足系统的静态性能要求和完成执行装置预定的动作循 环来实现【1 4 1 控制的一般传统的液压驱动系统控制方法，锻造操作机广泛利用电 磁阀开关、节流阀和极限开关等来完成液压驱动系统的控制，或者采用比例流 量阀、液压伺服阀等p i d 控制方法简单的将所建液压系统模型在操作点附近线 性化或以线性化模型为基础来控制液压回路，以保证锻造操作机夹持装置推杆 的位姿的控制精度【1 6 l 。随着液压驱动技术的飞速发展和机电液一体化程度的逐 渐加深，液压驱动系统与自动控制系统本身存在的复杂性、液压驱动系统在运 行过程中动态响应特性以及对液压系统的速度控制、精度要求以及工作可靠性 要求使得传统的液压驱动系统控制器设计方法已经不能满足新一代设备系统要 求【1 4 1 。为此，研究液压驱动系统的控制技术具有十分重要的意义。液压驱动系 统的控制一般包括液压缸的位移及速度控制和液压马达的转角及转速控制。 由于p i d 控制系统具有简单容易实现、鲁棒性好以及可靠性高等特点而在 运动、过程控制系统中被广泛采用，应用领域更是扩展到液压控制系统的应用 之中。然而在实际中往往由于液压驱动系统中阀的流量一压力特性、流体可压 5 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 缩性、阀的死区特性、系统内部的摩擦特性以及轴的内漏特性等使液压驱动系 统具有显著的强耦合性和非线性特性。同时，系统外部负载的变化、泄漏以及 温度变化而导致弹性模量等参数变化，管道效应和外部干扰等因素的影响【1 7 4 9 l 引起液压驱动系统中的很多参数具有不确定性和时变性的特点。而且在实际生 产过程中，p i d 控制器的适应性较差、参数整定方法繁杂、对精确数学模型依 赖性强，因此，p i d 控制器对复杂过程的控制效果不太理想，液压驱动系统的 强非线性和参数不确定性是其控制器设计面临的两大主要难题【2 0 j 。针对这些问 题，滑模控制、模糊控制以及自适应控制等非线性控制方法都被应用于提高液 压响应能力的液压伺服控制中。如文献【l 啦l l 采用自适应策略和摩擦力补偿建立 了液压驱动系统的反馈线性化控制器( f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n ) ，考虑了系统的强 非线性却忽略了系统参数不确定性的影响。文献【2 2 , 2 3 1 应用滑模变结构控制方法 来补偿液压驱动系统中强非线性、参数不确定性和时变性的影响，然而滑模控 制容易激发系统高频模态，并导致高频控制量抖动和不稳定。2 0 世纪后期，非 线性控制理论和应用有了突破性进展【2 4 l ，a s a b e r i 、p v k o k o t o v i c 和 h j s u s s m a n n 等人提出了适合非线性系统的b a c k s t e p p i n g 设计方法。进而针对 液压驱动系统的参数不确定性，t o n gs h a o c h e n g t 2 5 1 、l i uz u oz 1 2 6 1 等人提出了一 种适合在线估计非线性系统参数的a d a p t i v eb a c k s t e p p i n g 控制设计方法。该 方法基于一种静态补偿思想引进虚拟控制量，将状态变量变化、不确定参数的 自适应调节和l y a p u n o v 函数、虚拟控制量结合起来，通过逐步修正算法实现非 线性不确定系统的全局稳定跟踪，从而达到期望的性能指标。故这种方法因具 有设计过程系统化和结构化、可控制相对阶为n 的非线性系统以及有效处理参 数不确定性和外部干扰等优点而广泛应用于鲁棒控制、自适应控制等领域【2 1 1 。 1 5 数字虚拟仿真技术研究现状 目前，数字虚拟现实仿真技术的应用研究领域随着其自身的快速发展而不 断成熟和扩大，通过该技术所构建的人机友好和谐的虚拟仿真环境已经成为仿 真领域中崭新的发展方向【2 8 - 3 0 1 。同时，由于巨型重载操作装备集机电液于一 体，具有设计制造周期长、复杂性、实时性以及成本高等特点而通常采用单台 制造模式，比如当今世界上最大的6 3 0 0 k n m 锻造操作机迄今为止只生产了一 台。这导致巨型重载操作装备的操作性能通常无法通过现场物理样机的实验来 进行分析与验证，因此，高效和高保真的数字虚拟仿真技术成为巨型重载操作 装备设计、性能评估与优化的重要支撑技术。 数字虚拟仿真技术的本质借助于在力学、物理学、数学等基础上建立起来 的计算模型和计算方法来计算仿真模拟设计对象的物理过程，并揭示其物理过 6 中南人学硕l 学位论文第一章绪论 程的科学规律【3 l 】。数字虚拟仿真技术在国际上已经成功应用到机械制造业和离 散制造业之中【3 2 , 3 3 l ，以支持先进仿真技术研究及其在制造业中的应用研究为目 的，在工业发达国家先后启动了一系列重大研究项目，如1 9 9 5 年美国国防部制 定了“建模仿真技术规划”；2 0 0 0 年美国的“集成制造技术路线图 中更是将 数字虚拟仿真技术列为影响制造快速反应能力以及科技水平的四大核心技术之 一；在新型车样车生产前c h r y c l e r 公司与i b m 公司通过虚拟制造环境及时发现 了定位控制系统的设计缺陷；b o e i n g7 7 7 飞机在开始制造之前就已经在数字虚 拟仿真环境下完成了试飞操作，其设计与制造方法可称作是数字虚拟仿真技术 应用的典范1 2 引。支持物理过程模拟仿真的数值计算方法是虚拟仿真的核心技术 之一，近年来，计算流体力学( c f d ) 法、有限元分析法以及动力学仿真 a d a m s 等在数字虚拟仿真领域得到了广泛应用。在超级计算技术基础上，工 业发达国家将所构建的高性能工程计算平台应用于工程仿真计算之中，极大地 推动了数字虚拟仿真技术的发展以及在飞机、汽车、航天器、透平机械等设计 中的应用。 数字虚拟仿真研究中最具挑战性的问题是多场、多学科复合仿真，航空母 舰飞机电磁起飞系统的仿真研究工作在这方面最具代表性。电磁起飞系统是典 型的机、电、磁一体化系统，通过多场耦合作用实现其极高性能的要求：目标 推力高达1 2 9 m n ，在9 4 5 m 的加速行程内的目标速度1 0 2 m s ；接受能量的最 大充电功率7 5 m w ，2 秒时间内能量储存单元的功率释放能量6 1 m w 。研究人 员将电磁起飞系统分为能量储存单元、电机能量转换单元、功率调节系统、能 量储存单元的接口单元以及外围子系统等5 个子系统，应用复合数字虚拟仿真 技术对电磁系统的物理性能进行模拟仿真，解决了电、磁元件及系统的参数设 计和最优构型设计问题。此外，s b d 研究中心在美国国防部支持下负责的海上 移动基地( m o b ) 的模拟研究，也属于多场、多领域数字虚拟仿真技术研究的 典型应用。 近年来数字虚拟仿真技术在我国也有很大的发展。在国家8 6 3 计划的支持 下1 3 4 ，对虚拟样机建模技术、虚拟样机集成框架技术【3 5 1 以及虚拟样机仿真技术 等方面进行了大量深入研究【2 8 1 ：航天二院、清华大学、北京航空航天大学联合 开发了协同仿真平台c o s i m1 0 ，该平台支持不同仿真工具之间的相互操作； 清华大学、山东科技大学、大连交通大学共同完成了多学科协同仿真平台系统 的研制开发工作，突破了多学科数字虚拟仿真研究的关键技术。另一方面，超 级计算技术在国内也有了飞速发展，比如上海超级计算中心已经构建了l o 万亿 次的集群计算机，并正在着手构建顶级的c f d 工程计算平台，成为世界上继 美、日之后第三个跨越1 0 万亿次计算机研发和应用的国家，为模拟仿真中的科 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 学计算提供了硬件资源保障。 本论文中提到的巨型重载操作装备虚拟仿真工程将虚拟样机仿真技术【2 9 】这 种崭新的设计方式应用于极端复杂制造这一专业领域。突破联合仿真关键技 术，将系统仿真与三维虚拟样机建模结合起来实现机电液一体化，使研究者在 数字虚拟仿真环境中直观地对巨型重载操作机虚拟原型进行结构优化设计、性 能评价、制造和使用仿真，具有非常强大的集成能力。这对启迪设计创新、提 高设计质量、减少设计错误、缩短开发周期具有重要意义，旨在将巨型重载操作 装备的设计研发提高到一个新的水平。 1 6 本文研究的主要内容 本文在前面研究工作的基础上，针对2 5 0 吨重载操作机压杆式央持装置进 行进一步深入研究，其具体内容如下： ( 1 ) 基于力流封闭整体分析法和局部分析法，分别建立稳定央持锻件时所提 供的动态夹持力模型和所需工件摩擦点接触力模型。并分析偏载等参数的影响 灵敏度，建立承载能力的多参数耦合分析数据库，得到央持承载能力储备系 数。 ( 2 ) 针对重载操作机的夹持过程，和夹持液压驱动系统强非线性和参数不确 定性的特点，设计一种多级反演自适应控制器，有效控制钳口速度，减小钳口 碰撞冲击。 ( 3 ) 构建一个系统建模、仿真和实时控制一体化的夹持系统虚拟仿真平台， 实现锻造操作机夹持系统的机电液一体化。并将人机界面交互技术运用于物理 实验台，验证理论模型的合理性。 1 7 研究的意义 本文以9 7 3 国家重点基础研究发展计划为研究课题：“巨型重载操作装备的 基础科学问题 中的第四子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与央持系统驱 动策略 ，编号：“2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 4 ”。本论文研究意义主要表现在： 主要针对巨型重型操作机压杆式夹持装置，解决在任意位置时钳口受力状 态复杂的难题，建立了动态环境下考虑锻件特性的稳定夹持锻件时的力学模型 和钳口夹紧锻件所需工作夹紧力模型，分析销轴摩擦力矩、工件特性、下垂 角、惯性力和锻件半径对夹持装置承载能力的影响，建立了夹持特性等多参数 耦合分析夹持承载能力数据库，并得到了储备系数。为探讨大尺度时变重载工 况下夹持装置承载能力、提高夹持装置可靠性和建立其评价指标进一步提供了 8 中南大学硕 学位论文第一章绪论 理论支持。 针对夹持液压驱动系统的速度控制设计了稳定的反演自适应控制器，克服 阀控非对称缸的强耦合非线性、有效抑制不确定因素的影响，并利用l y a p u n o v 函数证明液压系统的全局稳定性，具有很好的跟踪效果和很强的鲁棒性，有效 控制钳口速度，减小了钳口碰撞冲击。 搭建了基于m a t l a bg u i 的面向巨型重载操作机央持系统的虚拟仿真平 台。突破了m a t l a b s i m u l i i l k 和a d a m s 联合仿真关键技术，为导入a d a m s 模型、交互式地提交和监控m a t l a b 作业以及评估m a t l a b 仿真结果提供了一个 构建系统建模、仿真和实时控制一体化的计算机仿真操作界面。实现了锻造操 作机夹持系统的机电一体化，大大方便了巨型重载操作机夹持系统的研究工 作。 9 中南大学硕一t 学位论文第_ 二章基于力流封闭整体分析法的提供动态央持力建模及多参数祸合分析 第二章基于力流封闭整体分析法的提供动态夹持力建模及 多参数耦合分析 2 1 概述 由于所夹持锻件可能存在偏心，而在时变重载工况下这种锻件偏心所产生 的惯性力对巨型藿载操作机的影响不可忽略。同时，夹持装置所提供的夹持力 若小于工作所需夹持力，则将导致工程实践中绝不允许发生的夹持失效。反 之，若所提供的夹持力过大必然引起原材料、能源等浪费，锻件变形，甚至因 为连杆、钳臂等零部件出现疲劳断裂而发生严重事故【1 0 l 。因此，根据力流传递 规律，基于力流封闭整体分析法，本文在已有基础上【9 1 2 】以重载操作机的压杆式 夹持装置为研究对象进一步探讨，解决在任意位置时钳口受力状态复杂的难 题，建立动态环境下稳定夹持时驱动力与其夹持承载能力关系模型，并分析锻 件偏心、下垂角、惯性力和锻件半径对夹持装置承载能力的影响。为探讨大尺 度时变重载工况下夹持装置承载能力、提高夹持装置可靠性和建立其评价指标 进一步提供了理论支持。 2 2 受力状态的复杂性与建模难点 以压杆式夹持装置夹持圆棒料为研究对象，假设夹持装置为干系构造几何 不变体系，当钳口处于任意位置时，夹持装置所处的位姿如图2 一l 所示： 图2 - i 压杆式夹持装置处于任意位置时的模型图 根据右手螺旋法则，假设夹持装置及锻件模型旋转轴线方向为x 方向，位 于钳臂对称面且与x 方向垂直的方向为y 方向，垂直于x 、y 平面的方向为z 方 1 0 中南大学硕t ：学位论文第：章基于力流封闭整体分析法的提供动态夹持力建模及多参数耦合分析 向。当夹持装置以逆时针方向旋转时，上 钳口受力平衡关系如图2 - 2 所示。其中， e 。j ，巳e 4 z 分别为上钳臂对上钳口 x 、y 、z 方向的作用力，目。，目：分别为 锻件对上钳口左右两边的正压力，只，只， 分别为沿上钳口左右两边接触面方向的摩 擦力，毋，b 。分别为垂直于接触面方向 的摩擦力。在夹持装置央持锻件旋转过程 中，夹持装置钳口与锻件接触面上的受力 情况、力和力矩的平衡关系随着夹持装置 所处位置的变化而改变 3 6 1 ，导致钳口与锻 件接触面的受力状态相对复杂，建模困 难。主要表现为： f 2 、l 图2 - 2 上钳1 2 旋转过程中受力图 ( 1 ) 钳口接触面上的四个正压力和摩擦力各不相同，摩擦力大小方向未知 且其最大临界摩擦力点是否达到难以判断，故无法直接建立钳口接触面上的正 压力与摩擦力的对应关系。 ( 2 ) 局部对钳口接触状态进行受力平衡分析时，将引入z 方向力，受应力 分布状态变化影响无法列出z 方向惯性力矩平衡方程而进行具体建模。 ( 3 ) 钳口与锻件接触面上接触点位置的变化，导致力矩关系难以确定，局 部确定其位置较为困难。 2 3 基于力流封闭整体分析法的夹持力建模 如图2 - 3 所示，为锻造操作机央持装 置的力流传递规律图。锻造前，夹持系统 的液压缸推杆前移产生推力经旋转运动副 并克服旋转运动副的摩擦力传递至钳口， 钳口闭合使之对锻件产生预紧夹持力。当 钳口与锻件接触后，为防止产生碰撞冲 击，破坏夹持装置与锻件的相对位置而引 起偏载，钳口转动起到缓冲作用。而当夹 持装置夹持锻件抬起后，夹持装置由预央 紧工作状态变为稳定夹持工作状态。在重 力矩和惯性力矩的作用下，夹持装置产生 反向微动趋势，各运动副摩擦力和反力方 图2 - 3 夹持装置的夹持过程图 中南犬学硕十学位论文 第：章基f 力流封闭整体分析法的提供动态夹持力建模及多参数耦合分析 向发生改变，当所央持锻件的重量和霞量距超出夹持装置所能承受范围，此时 液压缸推杆后移，夹持失效。由于在夹持装置夹持锻件旋转操作的过程中，钳 口与锻件接触面受力状态非常复杂而导致局部分析央持装置央持锻件的力学性 能，建立夹持承载能力模型相对困难，因此本文以锻造操作机的压杆式夹持装 置为研究对象，根据力流传递规律，采用力流封闭整体分析法建模。 f 图2 - 4 锻造操作机夹持装置各零部件受力分析图 首先不考虑钳面与锻件的局部接触状态，整体分析夹持装置稳定夹持锻件 1 2 中南人学硕 j 学位论文第二章幕f 力流封闭整体分析法的提供动态央持力建模及多参数祸合分析 时的受力状态，建立夹持装置稳定夹持锻件时，考虑销轴摩擦力、锻件偏心、 角速度、锻件半径等因素影响的夹持装置所提供的动态夹持力模型。假设锻件 夹持旋转角度为0 ，下垂角度为巾，锻件偏心角度为y ，偏心距为e 。由于z 方 向所受的力在夹持装置央持旋转的过程中始终与稳定夹持锻件时所提供的夹持 力平面垂直，故z 方向的力始终不影响其夹持力的大小，即夹持装置的切向加 速度对提供的夹持力没有影响。 受力关系如图2 4 所示，各零件的受力方程如下： 推杆的力平衡方程为： f e 2 j e 6 j = 0 ( 2 1 ) 上连杆的力和力矩平衡方程为： e 2 j e 3 j = 0 e 2 。j 一e 3 + 所2 勃w 2 一所2 9 c o s 0 = 0 e 2 一口l e 2 ，j ，口2 + ( - m 2 r 2 2 w 2 + m 2 9 c o s o ) 口3 一m ，1 2 一m ，3 2 ：0 ( 2 - 2 ) m 夕：= 肚厄丽i = l ，3 上钳臂的力和力矩平衡方程为： 五3 j e 3 j + e 3 j = 0 呢，j ，一e 3 ，y + 只3 ，j ，+ 肌3 r 3 3 w 2 一m 3 9 c o