（机械制造及其自动化专业论文）Φ610全自动钢管端面铣头机自动送料机构的优化设计.pdf

摘要 钢管端面铣头机是一种钢管深加工设备，用来对钢管端面进行铣头，该设备由浮动刀盘切 削机构和自动送料机构组成。本课题以自动送料机构的研究为主，主要涉及的内容有虚拟样机 技术、有限元分析、结构优化、机构优化、机械制造工艺等。 本文主要对0 6 1 0 钢管铣头机的自动送料系统进行设计和优化，具体包括：确定自动送料 机构合理的机构形式；运行基于m s c a d a m s 的机构动力学分析，找出机构的最佳工作位置。 基于a n s y s 进行结构分析，得到重要零件的应力状态，并对其进行优化。 最终的优化结果为：最大推进力和平均推进力分别减少了1 7 6 和1 0 2 ；最大升降力和 平均升降力分别减少了2 1 1 和2 4 2 ，并且受力更加平稳。摆臂重量减轻了5 4 5 8 ，支承座 减轻了4 1 7 。 自动送料机构优化后的结果与优化前相比： l 、受力更加合理，机构寿命也相应提高； 2 、重量减轻，节省了材料； 3 、大大的节约了能源； 4 、使机构设计由经验化向理论化转变。 关键字：优化设计a d a m s 仿真a n s y s 分析钢管铣头机 a b s t r a c t p i p ee n d - f a c i n gc h a m f e r i n gm a c h i n ei sas t e e lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t , w h i c hu s e dt oc a r r yo u t c h a m f e r i n gp i p ee n d f a c e ，t h ee q u i p m e n tc o n s i s t so faf l o a t i n gc u r e r 、a u t o m a t i cf e e d i n g m e c h a n i s m t h ec u r r e n tt a s k sm a i n l ya b o u ta u t o m a t i cf e e d i n gm e c h a n i s m ，t h er e s e a r c h - b a s e d i n s t i t u t i o n s ，m a i n l yr e l a t e dt ot h ec o n t e n t so fv i r t u a lp r o t o t y p i n g ，f i n i t ed e m e n ta n a l y s i s ， s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，o r g a n i z a t i o no p t i m i z a t i o n , m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h e0 610 p i p ec h a m f e r i n gm a c h i n ea u t o m a t i cf e e dm e c h a n i s md e s i g n a n do p t i m i z a t i o n ，w h i c hi n c l u d ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：d e t e r m i n ear e a s o n a b l ef o r mt ot h ea u t o m a t i c f e e dm e c h a n i s m ：r u nd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i sb a s e do nm s c a d a m st oi d e n t i f yt h eb e s t w o r k i n gp o s i t i o n ；r u n s t r u c t u r a la n a l y s i sb ya n s y s s o f t w a r e ，t oa c q u i r et h es t r e s ss t a t e ，a n d r u n o p t i m i z a t i o n ； t h ef i n a lo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r e ：t h em a x i m u m p r o p u l s i o na n dp r o p u l s i o nw e r er e d u c e db y a na v e r a g eo f17 6 a n d10 2 ；t h em a x i m u ml i f t i n gf o r c ea n da v e r a g el i f t i n gf o r c ew e r e r e d u c e db y21 1 a n d2 4 2 ，a n dt h ef o r c ei sm o r es t a b l e a n nw e i g h tr e d u c e db y5 4 5 8 ， b e a r i n gb o d yw r i g h tr e d u c e db y4 1 7 c o m p a r e dt h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o n 、玩t l lb e f o r e ，i tc 锄c o n c l u d e ： 1 , t h ef o r c ei sm o r er e a s o n a b l ea n db e n e f i c i a lt ot h ei m p r o v e m e n to fi n s t i t u t i o n a ll i f e ； 2 ，t h ew e i g h ti sm o r el i g h t n i n g , w h i c hs a v e sm a t e r i a lo b v i o u s l y ； 3 , g r e a t l ys a v i n ge n e r g y ； 4 ，f u l f i l lt h ed e s i g ni nt h e o r yf r o mt h e 娃p e r i e n e ed e s i g n k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o nd e s i g n , a d a m ss i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n s y ss t r u c t u r ea n a l y s i s ，p i p e e n d - f a c i n gc h a m f e r i n gm a c h i n e 第一章绪论 1 1 焊管生产发展趋势及市场需求 第一章绪论弟一早三：百化 自2 0 世纪9 0 年代到现在，随着国内制造业的迅猛发展，某些工程领域诸如能源输送、重 型机械等对钢管质量更高标准的要求，这就导致对钢管的生产加工设备也有了更高标准l l 】。并 且近些年来国内的大型工程开展较为迅速，市场对焊接用厚壁钢管的用量越来越多，随着钢管 生产能力的不断提高，钢管出口业务也在飞速的扩展。 钢管按制造工艺分为无缝钢管和焊管，无缝钢管在力学性能上要优于焊管，故在很多场合 是无法替代的，造价也往往较高【2 】。但是自上世纪9 0 年代以来，随着优质带钢连轧技术的发 展和焊接检测技术的进步，焊管的质量有了较大的提高，焊接钢管在很多领域代替了无缝钢管 【3 】，这也是导致市场对焊管需求越来越多的重要原因之一。 我国现有焊管和无缝钢管生产线3 0 0 0 多条，且有递增趋势。随着我国能源行业与国外的 合作开发，钢管需求量大增。钢管的加工设备也市场广阔，估计钢管自动铣头机每年需求量大 于1 0 0 台，按平均价格6 0 万，1 0 0 x 6 0 = 6 0 0 0 万1 4 j ，而在国际市场上，价格又比国内高2 一- 5 倍，可见钢管铣头机存在着很大的市场潜力。 目前石油行业钢管一般按美国石油行业制定的a p i 标准，而我国目前的钢铁生产无法满 足石油工业需要。我国曾进口相关设备，花费很大虽然取得了不错的经济效益，但是缺点也 是十分明显的，那就是设备的维护成本很高。钢管铣头机设备是保证高质量及高附加值钢管的 重要设备，在钢管生产线的精整环节起着非常重要的作用。【5 j 必须达到对所生产的钢管进行深 加工的目的才能达到市场要求【6 】。随着优质带钢连轧技术的发展和焊接检测技术的进步，焊接 钢管在很多领域代替了无缝钢管，这导致市场对焊管需求越来越多。 厚壁钢管自动铣头机设备属于一种专用于钢管精整环节对钢管端面进行平头、倒棱、去毛 刺的大型机床设备，由于环境条件的限制，我国在这方面的研究起步较晚，目前能够生产这种 设备的国家也很少，只有美国等少数几个国家 7 1 。早期我国自行设计的一些铣头机结构比较简 单，技术水平比较低，自动化水平也比较低，只能生产直缝焊管和螺旋焊管，而且这样生产的 焊管产品质量很不稳定，设备的维修次数也比较多，更关键的问题是无法满足生产d t ( 直径 j g 度) 比值较小时对设备系统的刚性和稳定性等特殊技术要求。 综上所述，研究出新型厚壁钢管铣头机以满足国内、国际的市场需求是十分紧迫的。 1 2 课题的来源 鉴于国内焊管生产设备紧缺，2 0 0 4 年，天津理工大学与社会相关科研部门和企业合作， 联合开发新型钢管铣头机。截至到现在，规格为m 3 2 面6 1 0 ，其中5 0 规格的设备生产效率 第一章绪论 高达1 8 根分，是效率最高的铣头机。生产最大的双工位钢管铣头机为d ) 6 1 0 ，国内独有。本 课题为天津市科技支撑重点项目，项目编号：0 9 z c 7 g x 0 2 9 0 0 1 3 国内外全自动钢管端面铣头机的研究现状和发展方向 1 3 1 国内研究现状 进入本世纪初期，国内成立了很多钢管生产企业，但是拥有全自动钢管铣头设备的却不 多，仅仅有几家生产无缝钢管的大企业为了满足一些高质量钢管的要求而从国外引进的。原因 就是国内这方面的技术远远不能达到市场要求，引进设备从总体上看，焊管的端面加工质量有 很大改善，创造了不错的经济效益。但是由于是进口产品，成本的增加也是十分明显的，且铣 头机的的零部件的更换必须进口，这导致设备的保养维护成本也提高。随着钢管市场的扩大， 很多钢管生产的中小型企业也开始需求铣头机，由于资金等各种问题无法从国外进口，这引起 了整个行业的重视。为此，天津钢管公司与中国重型机械研究院合作，首次成功开发出了钢管 铣头铣头机，在国内是第一套拥有自主知识产权的设备【3 8 1 。 中国重型机械研究所研制的钢管铣头机，是我国钢管深加工技术有了很大的提高。2 0 0 4 年9 月，在天津大无缝钢管公司投入生产，经检验此设备的各个经济指标都达到了进口的同类 设备水平，现在该生产线还在运行，年产量为1 7 4 万根钢管，总重量达四万多吨，其中的大 多数出口国外实现创汇。我国钢管铣头机的生产改变了钢管深加工设备全部依靠进口的局面， 达到了国际先进水平，并为后继的钢管深加工设备研发提供了宝贵的设计典澍们。继第一台钢 管铣头机诞生后，随着更多的钢管生产企业采用此类设备，我国优质钢管的产量增长迅速。 1 3 2 国内外全自动钢管端面铣头机的发展方向 铣头机的发展方向与焊管的需求密切相关，现在的焊管发展方向是【3 l ： ( 1 ) 大直径厚壁管的需求量逐年增加： ( 2 ) 某些新结构的钢管，如双层螺旋焊管的研究不断深入，双螺旋焊管是用厚度为管壁一 半的带钢焊成双层管，不仅强度比同厚度的单层管高，且不会出现脆性破坏； ( 3 ) 需开发新钢种，提高冶炼工艺技术水平，轧制和轧后余热处理工艺水平，以不断提高 管体的强韧性和焊接性能； ( 4 ) 涂层管的涂料研究。 由此可见市场对钢管深加工要求越来越高的趋势是十分明显的。对于钢管端面铣头机的要 求也越来越高，目前主要需要的问题有： ( 5 ) 对于直缝焊管，存在着铣头机的浮动刀盘在切削过程由于切削阻力的变化而引起加工 精度不够的问题。 ( 6 ) 目前铣头机可以完成的有平头、倒棱、去毛刺工序，而这些工序后还必须进行人工打 磨，效率很低。若能通过对现有铣头机改进使其能完成打磨工作，将会极大提高生产效率。 ( 7 ) 大口径厚壁钢管在加工广泛存在着坡口厚度不均的问题，而仅从提高系统刚性的方法 去改进加工质量是不够的，引入适当的数控技术到钢管自动铣头机也是未来的趋势。 2 第一章绪论 1 3 3 本课题研究的意义 来说本课题研究的全自动钢管铣头机管径为4 2 6 m m 6 6 0 m m ，壁厚2 0 - 4 5 m m ，生产速度为 1 0 2 4 m m l n ，满足a p i 标准，且各项经济指标到达国际先进水平，一旦研制成功，将打破 国外对此项技术的封锁，为我国的管材深加工行业做出贡献，厚壁铣头机的研制成功也将相关 设备的设计研究提供重要的参考。 现在国际市场上能生产厚壁铣头机的仅有几个发达国家，而相关同类产品比我国高2 5 倍， 若本次研发任务完成，可以增加我国钢管深加工设备在国际市场的竞争力。 1 4 本课题主要内容 对本课题的研究分为五部分对钢管端面铣头机的自动送料系统的研究工作进行阐述，具 体如下： 1 ) 阐述所研究课题的国内外发展现状，做好定位。 2 ) 对典型机构进行研究分析，指出利弊，分析现有钢管端面铣头机结构的特点，蒋结合 本次设计的要求来确定需要采用的机构。 3 ) 运用仿真软件a d a m s 进行运动仿真和优化设计，最后得到优化结果 4 ) 采用a n s y s 对重要零件进行结构设计，从而减轻零件的重量，增加可靠性。 5 ) 通过前四步的研究，得到自动送料机构的优化结果，并分析之，写完成设计总结。 3 第二章自动送料机构的设计 第二章自动送料机构的设计 2 1 铣头机自动送料机构典型结构分析 2 1 1 国外一种自动送料机构的结构形式及工作原理 本节将阐述一种新型的铣头机自动送料机构，该机构是德国一家公司设计，该机构从钢管 输送设备的水平上看国际领先，其最初的设计思想也是十分独到的【l 们。 这套机构的工作原理为：从图示的起始位置，控制系统向伺服电机( 图中未标出) 发送指 令控制主动轮做顺时针转动，由于摆杆和从动轮是一体的，所以摆杆也会逆时针转动，接着带 动台架向上拖动钢管上升，当钢管到达所需高度时，由位置传感器将信号反馈给控制系统，控 制系统再令伺服电机停止转动，接着控制系统驱动动梁的伺服电机带动步进梁做水平方向移动 到工作位置。返回时由控制系统控制执行相关动作。 图2 1 步进梁机构 图2 - 2 减速器 该机构的特点为【l ： ( 1 ) 机械传动主传动采用齿轮传动，且伺服电机与主动轮之间的减速器也是齿轮减速器， 都属于无级传动，因此传动平稳、承载力大、可靠性高，并且总体结构较为紧凑； 第二章自动送料机构的设计 ( 2 ) 动作由专用的控制系统控制伺服电机执行，所以钢管的输送位置是可以调整的，对 于不同的输送距离要求可以生成相应的命令执行，机构具备相当的柔性； ( 3 ) 适合多种口径的钢管输送； ( 4 ) 机构运行时噪音较低。 该机构采用的步进梁机构形式和控制系统对钢管输送设备的开发研究有重要的参考价值， 还有其柔性化的设计理念也是耐人寻味，这在钢管自动送料机构的设计中可以说是独树一帜 的。 、 这种机构形式也是有缺点的，那就是当钢管的批量过大时，通用性和柔性化设计便不再占 主导地位，取而代之的是效率的提高和能源的节省。就如通用机床和专用机床的关系类似，当 生产类型为多样、中小批量时，选择通用设备，而当生产类型转变为大批量时，就应考虑专用 设备。 2 1 20 4 2 6 铣头机自动送料机构的分析 本课题组2 0 0 9 年曾为t b 4 2 6 钢管全自动端面铣头铣头机设计了自动送料机构，当时的机 构设计要求包括以下的内容： 1 将未加工钢管由待加工工位平稳传送到端面铣头机构的加工工位； 2 钢管的推进机构可以达到的理论横向移动距离大于所需的步进距离6 5 0 m m ： 3 升降机构在升降过程中的横向移动距离须不大于3 6 0 m m ； 4 由于采用的控制系统是开环控制系统，所以自动送料机构的应有较好的刚性； 5 与端面铣头机构协同性较好； 6 噪音不能超过6 0 分贝。 当时通过对设计要求的分析，和对生产厂家实际生产能力的调研，设计了如下机构，如图 2 3 所示： 图2 - 3 4 2 6 自动送料机构简图 下面对该机构的工作过程进行阐述：图示为起始位置，开始工作时，液压缸9 驱动液压杆 4 推动杆3 顺时针转动，继而带动支撑梁2 托起钢管1 1 向上移动，当3 到达垂直位置时系统 停止运动，接着液压缸l o 驱动液压杆7 推动摆杆6 作逆时针方向转动，继而又推杆5 推动滑 块8 和钢管l l 向左平移，移动一个步进距离后，到达端面铣头机构( 图中没有标出) 上方。 5 第二章自动送料机构的设计 然后液压缸9 驱动机构向下移动，直到返回原位，随着机构整体下移，钢管到达端面铣头机构 的夹紧定位装置，其浮动刀盘开始进行铣头切削工序，与此同时液压缸l o 也反向动作返回原 位。 按运动形式，该机构可分解一个双摇杆机构和一个摇杆滑块机构，该机构的优点为【1 2 1 ： ( 1 ) 连杆机构为低副机构，面接触，压强小，承载能力大； ( 2 ) 在原动件运动规律不变的情况下，通过改变各构件的长度能获得不同的运动规律从 而达到想要的到您工作效果； ( 3 ) 便于加工制造。 在驱动方式上采用了液压驱动，其优点是f 1 2 】： ( 1 ) 传动属于无级传动，调速方便且调速范围大； ( 2 ) 在相同功率的情况下，液压装置体积小、重量轻、结构紧凑： ( 3 ) 传动平稳、反应快、冲击小，在要求急回特征的场合应用广泛； ( 4 ) 可实现间歇运动，在间歇过程平稳性较高； ( 5 ) 液压元件易实现自我保护； ( 6 ) 液压元件已经系列化，保养维护方便。 本设备于2 0 0 9 年设计完成后，投入生产。从客户反馈的使用情况来看，整体的结构布置 较为合理，执行送料得工序时动作可靠，设备维护性优良，控制系统的稳定性也较好，达到了 预期的设计效果，缺点就是液压缸占得的空间位置过大，这在以后的相关机构设计时要注意。 2 2 确定本次设计机构的结构形式 对于6 1 0 全自动钢管端面铣头机的设计要求，与4 2 6 型号的基本一样，具体参考上一 节的2 1 2 ，但又有所不同，具体的不同点为： 1 推进机构的步进距离为9 0 0 m m ； 2 升降机构在动作过程中横向移动距离不大于3 0 0 m m ； 与4 2 6 铣头机相比，步进距离增加了，而对升降机构的横向移动距离的要求却变的更加 苛刻，原因是由于本次设计的6 1 0 自动铣头机是双工位加工形式，对于钢管之间的距离要求 较高，进而对自动送料机构的横向移动要求要求也相应提高，并且如果横移距离过大，会增加 钢管在上升过程中的不稳定性，这也是需要控制横向位移量的原因之一 针对上述要求，通过分析可以看出，单纯采用0 4 2 6 钢管端面铣头机自动送料机构已不能 满足要求，因此必须从新设计升降机构，通过查找资料进行相关的设计，得到了如下的结构形 式： 6 第二章自动送料机构的设计 l 、ll 一支座：2 支撑梁；，液压杆l ；4 、1 2 一摆块l5 摆杆； 蝴块；7 _ 葭压杆2 l 蝴管；9 、l 压缸 图2 _ 4 舶1 0 自动送料机构简图 这个机构的优点就是结构形式相对较为简单，只要合理设计各个构件的尺寸和安装位置， 就可以满足设计要求，下面介绍本机构的工作原理：工作时首先液压杆7 伸出，带动摆块4 和7 顺时针转动，继而带动支撑梁2 将钢管8 托起( 支撑梁上有v 型槽，使钢管稳定) ，上升一 定距离后，液压杆7 停止运动，升降机构开始动作。由液压杆3 带动摆杆5 、4 推动6 左移一 个步进距离l 2 后停止动作。然后自动送料机构与钢管脱离，钢管被铣头加工机构的夹紧定位 后进行端面铣头( 图中未画铣头加工机构) 。与此同时，液压缸1 0 、9 驱动整个机构返回起始 位置。 由于钢管长度值较大，所以采取了多套自动送料机构的形式，这在大长度的钢管输送上是 比较常见的处理方式，具体采用的自动送料子机构个数参考之前的设计，还有空间要求，选用 了五套子机构，自动送料系统的总装图见图2 5 。 t逦羔；m 。驼揠 吨 趣| ；垂。；职短 i - i ；i 豆 叵 图2 5自动送料机构总装图 2 3 自动送料机构各构件的数据计算 由装配图拆分成零件时，对各个零件进行计算： 支座1 、i i ：长l - = 4 1 0 n u n 宽b = ( 1 6 0 + 3 5 0 ) 2 m m = 2 5 5 m m 厚h = 朋( , o s ) = 旦堕些。一9 9 m m 7 8 9 c m 3 4 1 2 5 5 + 3 1 4 ( 竿) 2 伽2 支撑梁2 ：长l = 3 8 0 0 m m 宽b = 2 5 5 m m 7 第二章自动送料机构的设计 厚h = ( 10 0 + 9 9 ) 2 - - 9 9 5 m m 摆动车体重量：m - - 摆动车+ 压条+ 轨道 ：p ( s l + s 2 ) j i l ：7 8 9 c m 2 1 2 5 5 3 3 0 + 3 1 4 【2 _ 5 5 j 2 】1 0 1 ：7 2 4 0 3 2 1 0 3 9 连杆4 ：长l = 1 1 5 0 m m 宽b = 1 8 0 m m 厚j i i ：旦：墅堕：5 1 m 聊 厚扣面2 丽面百丽丽2 栅 杆5 ：长l = 1 2 8 2 m m 宽b = 2 6 0 m m 厚h - 旦= 一一一= j 坠堡型殳- i 8 1 m m 筇7 8 9 伽3 ( 1 2 5 2 2 6 + 3 1 4 x 1 3 2 ) c m 2 摆块4 、1 2 ：上半部分： 长l = 3 6 0 m m 宽b = 2 5 0 m m ! 2 2 0 0 7 l 矿 厚舾昙= 丽丽3 硒丽雨硒娟棚朋 下半部分： 宽b = 2 5 0 m m = 2 2 0 0 7 1 0 3 9 匣h _ - 一m ：王二一= 1 31 朋棚 厚一石。一789cm3 x ( 3 8 x 2 5 + 3 1 4 x 1 2 5 2 ) c m 2 = 删 滑块6 ：长1 , = 5 2 0 + 4 x9 0 0 + 2 1 0 = 4 3 3 0 m m 宽b - - - - 2 0 0 m m 厚h = 兰：f 焊管：6 l o 绣1 8 0 0 0 外半径3 0 5 m m ，内半径2 8 5 m m ，长度1 = i8 0 0 0 0 5 = 3 6 0 0 m m 2 4 梁的支点位置优化 参考图2 5 ，本次优化需要找出支座l 和支座1 l 的位置，使支撑梁2 在运动过程中最大弯 矩为最小【1 4 。 滑块6 与支撑梁之间有三对滚轮，对于支撑梁的作用力可以简化为三个集中力。而梁本身 的厚度较大，故其自重的影响不可忽略。推进机构机构的重量较小，对结果的影响也不大，在 此不予考虑。 8 第二章自动送料机构的设计 在起始位置梁上受力是左右对称看出支座l 和l l 的受力相等。当推进机构上升到最高 位置，推进机构动作，滑块6 向右移动一个步进距离( 9 0 0 m m ) ，此时，受力不再相等，支座 1 l 的受力变大。 两极限位置的受力如图： f lf 2 i r a q 一、 一一 r1r ，上1 l j 1 li上1 l ，1 l1 l1 l上j上上， 堆 一 。举 i 一 一一 一l 。f j 3 8 0 0 v 5 图2 5 支撑梁在运动初始位置受力图 图2 石支撑梁在运动终止位置受力图 从两个受力图可以看出，如果x 的值变大，支撑梁在起始位置的最大弯矩将会增大，而在 终点位置的最大弯矩将会减小。因此，问题就具体转化为求x 值使支撑梁在起始位置和终止位 置的最大弯矩值相等。 钢管的重量为： g l = d h l p g = 6 1x 2x 3 6 0 0 7 8 x 9 8 = 3 3 6 1 3 4 n 其中钢管直径d = 6 1 0 m m 厚度：h = 2 0 m m 长度：l = 3 6 0 0 0 m m 密度：p = 7 8 9 c m 3 滑块重量为： g 2 = pv g = 7 8 4 3 3 2 0 x6 1 9 x9 8 - - 4 9 0 7 6 n 得f i - - f 2 = f 3 = ( g l + g 2 ) 3 = 1 2 5 7 0 3 n 梁的自重为： g 3 z pv g = 7 8 x 3 8 0 x 2 5 5 x1 0 1 9 8 1 0 0 0 = 7 4 8 1 i n 梁自重的等效均布载荷： q = g 3 3 8 0 0 = 8 3 1 8 9 9 8 3 8 0 0 吃1 4 5 4 n m m 设左右支座的支座反力分别为f 4 、f 5 在起始位置，由平衡条件f = 0 ： 9 第二章自动送料机构的设计 f 4 + f 5 z g i + c a + g 3 鼍皆忑5 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 得 阱5 = 2 3 0 0 1 n 这种情况弯矩图较为简单，最大弯矩在梁的中间位置。 最大弯矩 v i n l a x = f 4 x f l x 8 5 0 1 9 0 0 qx 9 5 0 = 2 3 0 0 1x + 1 2 5 7 3 8 5 0 在终止位置， f = 0 f 4 + f s = g 1 + c a + g 3 对于左支点，m = 0 ， 2 f s x - 3 8 0 0 q x - f 2 ( 5 0 + 9 0 0 + 17 5 0 + 3 x ) - - - 0 得到f 5 = 3 8 0 0 q + 3 f 2 + 4 0 5 0 f 2 x 由f = o f 4 + f 5 = g l + c a + g 3 得f 4 = 2 3 0 0 1 - ( 3 8 0 0 q + 3 f 2 + 4 0 5 0 f z x ) 得到结果后，画出剪力图和弯矩图： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 图2 7 支撑梁剪力图 图2 - 8 支撑梁弯矩图 最大弯矩出现在右支座，大小为： 饥瞰= ( 1 9 0 0 - x ) 2 9 2 + ( 1 7 5 0 一x ) e 令( 2 6 ) 与( 2 3 ) 相等， 化简得：3 7 1 4 2 x 2 - 2 6 3 7 9 2 x - 7 6 8 3 7 3 9 6 6 4 - - = o 解此方程，得到解x = 1 6 4 3 5 6 m m ，另一个解为负，故舍去。 可见支承座的最佳受力位置距离中心1 6 4 3 5 6 m m 。 2 5 本章小结 本章主要内容是分析了典型的钢管自动铣头机送料机构的优缺点，包括国外的一种比较先 进的自动送料机构，还有本课题组曾经成功设计的机构，以之前得成功设计为参考然再结合本 第二章自动送料机构的设计 次的设计任务和实际情况设计出了f f 6 1 0 全自动钢管端面铣头机的机构和动力形式，然后完成 了各构件的尺寸计算，这都是本课题的经验设计部分，这为下一步的优化做好了准备工作。 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 第三章基于a d a m s 的自动送料机构的优化设计 本章将进入本论文的重点，即采用a d a m s 软件对铣头机进行优化设计。其中包括通过 参数化建模建立可优化的虚拟样机，然后进行设计研究，确定优化变量。最后运行优化计算， 得到最佳参数。 3 1 概述 3 1 1 虚拟样机( a p t ) 概述 在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室 ( d m s o ) 的定义。d m s o 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统 或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机技术则是使用虚拟样机来代替物 理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程 1 5 , 1 6 】。 虚拟样机与传统样机的开发流程见图3 1 和图3 2 t 1 7 】。 图3 - 1 传统样机开发流程 图3 2 虚拟样机开发流程 传统产品开发是一个大的循环过程，不仅难以提高产品质量，且资金时间均耗费巨大利 用虚拟样机技术可以再制造物理样机之前就对样机进行测试，找出和发现潜在的问题，缩短产 品开发周期的4 0 - 7 0 ，有时只需要投入传统设计方式1 0 的费用，就可以达到传统设计9 0 的目标，这不仅节约时间和金钱，还大大提高了设计质量【1 s h 2 0 。 3 1 2m s c a d a m s 简介 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公n ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的虚拟样机分析软件，现已 经并入美国m s c 公司。目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。 口1 a d a m s 分为很多模块，到现在为止已开发到三十多个模块。其中基础模块是a d a m s v i e w , 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 a d a m s p o s t p r o c c s s o r ，其余都是为某些特定领域开发的专业模块和嵌入式模块，包括汽车模 块a d a m s c a r ，轮胎模块a d a m s t i r e ，动力传动模块a d a m s d r i v e r 等本次设计是利用 a d a m s v i e w 对目标机构仿真后进行优化 2 2 1 。 3 1 3a d a m s 分析步骤 一般的基于a d a m s 的分析步骤见图3 3 t 2 3 矧。 图3 3 a d a m s 分析步骤 根据一般分析步骤，在结合本次需要优化的实际结构，现对总体的优化工作做了如下的 几个布置【2 习： l 、建立升降机构和推进机构模型，鉴于无过于复杂杆件或结构，用a d a m s 内部的建模 功能即可，然后对各个构件添加约束副，驱动力、摩擦力以及传感器、约束函数： 2 、对模型进行运动仿真，建立测量器，通过对几个主要点的测试得到测量曲线； 3 、通过p o s t p r o c e s s o r 与物理样机的测试结果进行比较； 4 、若与物理样机测试的一致性较高，则进行下一步，若差距很大，再对模型进行精制； 5 、对模型进行细化，确定参数化点，主要的设计变量，找出主要设计变量之间的关系， 从而确定自变量和因变量； 6 、对之前各个变量进行d e i s i g ns t u d y 操作，得到其在原始值的的敏感度，进而找出对 目标函数影响较为明显的变量，通过比较分析必要时通过实验研究等手段确定需要优化的变 量。 7 、对设计变量运行优化设计，得到结果，并与优化前进行比较； 8 、运行a d a m s p o s t p r o c e s s o r 对界面进行定制，完成优化工作。 3 2 推进机构优化 首先计算滑块与支撑梁之间的摩擦力，参考图2 4 ，滑块与支撑梁之间有滚轮，故滑块与 支撑梁之间摩擦为滚动摩擦。根据滚动摩擦力的计算公式得【1 ： f f = f i t d 一2 5 0 4 0 6 0 0 0 7 o 2 = 8 7 6 4 21n 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 f 作用在滚轮垂直于滚动平面的力 “滚动摩擦因数，此处取为0 0 0 7 m d 滚轮的直径为2 0 0 r a m 这样也得到了等效的动摩擦因数为0 0 3 5 。 3 2 1 参数化建模 由于推进机构没有复杂曲面，用a d a m s 本身的功能即可完成建模，建立的模型如图3 4 ： 3 2 2 优化目标 。薯蓦i ! 一_ _ _ _ _ 瞄幽 图3 _ 4 推进机构模型 优化目标是在此模型确定原动件液压杆的位置，以及各个杆的长度，使活塞杆在推进过程 中最大力值为最小。 3 2 3 设置优化变量 通过对分析，创建了三个参数化点，六个设计变量，这些点和变量位置见图3 5 。 xi ，0 图3 - 5 推进机构简图 对于液压杆3 来说，其方向是重要参数，因此设了角度变量d v 一4 。p o i n t 一4 是液压缸支 座安装的位置，考虑装配工艺，将其y 坐标设为0 ，x 坐标设为d v 二1 0p o i n t 一5 的x 、y 分别设 1 4 入 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 为d v2 和d v3 。由于这两个点同在摆臂5 上，所以当d v2 发生变化时，d v3 也应作相 应变化，才能保证p o i n t5 始终在摆臂上，两者关系由图3 5 可得： d v3 ：旦( d v 。) 2 - x d v _ 5 - x l 一 ” 具体到a d a m s 里的参数表达式为： d 、r - _ 3 = ( ( d v j ) ( d 、l 5 - x 1 ) 木( d v j - x 1 ) ) ) 对于角度变量d v4 ，它明显与p o i n t4 、p o i n t5 点位置有直接关系，由图三可得： t a n ( d v _ 4 ) = d v j ( d v - 2 - d v - 1 ) a d a m s 参数表达式为：d v4 = ( a t a n ( d v3 ( d v 1)2-dv d v5 和d v6 是为使4 杆长度可变而设置的参数化点，d v5 和d v6 可同时改变4 、5 杆的长度和位置，是自变量，因此对应的m a r k e r 点需关联。 3 2 4 传感器 由推进机构动作要求，推进一个步进距离l 2 ，机构应停止运动，图中的角度0 是一定 值， 由图中可以得到： t a n o = y 3 ( x 3 一l 2 一l 1 ) o - - a r c t a n y 3 ( x 3 一l 2 一l 1 ) 】 建立e 的测量器，当角度小于e 时机构停止动作即可。 3 2 5 确定优化参数 设计变量d v1 、d v2 、d v5 、d v6 是自变量，d v3 、d v4 是因变量。据此将自 变量设定为优化参数。各设计变量初始值敏感度见表3 1 。 表3 1 设计变量在初始位置敏感值 由表中可以清晰看出：d v j 和d v j 对液压杆力值的敏感度最大为了确保优化的准确 性，对敏感值较小的d vl 和d v2 进行设计发现，在各自变化范围内，d vl 和d v2 对液 压杆力值变化影响分别是1 3 倍和2 9 倍，这还是比较大的，在下一步优化时必须考虑。 3 2 6 确定优化参数取值范围 d v j 是液压缸安装点的x 坐标值，由装配空间决定的取值范围是( 1 3 0 0 ，1 8 0 0 ) ，d v _ 2 是p o i n t 一5 的x 坐标值，应在杆5 上变化，其最大值不能大于d v 5 ，最小值不能过小，否则会 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 导致液压力的力臂过小而无法推动推进机构的运动，经试验研究确定优化范围为( 1 7 2 1 7 ， d v5 ) 。d v5 和d v6 是为改变4 、5 杆的长度而设置的变量，在原杆基础上增减1 0 即可， 若摆臂长度太大，将会使机构变的庞大，长度过小，推进距离无法保证。 3 2 7 优化计算与结果 在完成上述准备工作后，运行优化计算，优化后产生p o i n t3 铰链最大力变化曲线见图 3 - 6 ，迭代过程见图3 7 。各个变量在优化前后的大小见表二。从中可以得出：d vl 使液压缸 安装位置左移7 3 1 6 m m ，d v j 、d v - 6 使摆杆5 长度增加了4 5 ，而使推杆4 的长度减d , y 5 3 ，d v _ 4 的变化意义是使液压缸起始安装角度减小。p o i n t 一3 处铰链的最大力值减少了 1 7 6 0 。重新测量平均力，减少了1 0 2 。 图3 石最大推进力迭代曲线 图3 - 7最大推进力变化曲线 表3 - 2 推进机构优化结果 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 3 3 升降机构的优化 3 3 1 参数化建模 由于在结构上具有对称性，故可以对模型简化，在参数化的过程中简化后模型如图3 8 ： 图3 - 8 升降机构模型 图3 - 9 升降机构力学模型 将推进机构的优化结果进行计算，支撑梁6 ( 见图2 4 ) 和钢管8 在升降过程中对两个支 座l 、1 l 的压力是对称的，所以不考虑，其余构件( 3 、4 、5 ) 作用到升降机构的力为4 2 7 7 4 n ， 支座1 、1 1 所承受的压力和为2 9 8 4 2 1 n ，见图3 - 9 ，通过计算得到支座1 和11 受压力之比为 1 4 3 6 0 6 ：1 4 2 0 7 3 = 1 ：1 0 1 ，可见，推进机构对升降机构的受力对称性影响很小。可以认为升降 机构在两支座受力对称，这样将简化建模。测得摆块与液压杆之间的铰链受力变化见图3 1 1 。 3 3 2 优化目标 图3 1 l 初始位置升降力值曲线 通过参数化建模，对机构进行运动学仿真，确定各构件的尺寸和液压缸的安装位置使液压 杆在工作过程中承受的最大力为最小，同时满足工作条件，这就是升降机构的优化目标。 1 7 入 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 3 3 3 设置优化变量 根据优化目标，在升降机构模型上将部分点进行参数化，最后创建了五个参数化点，1 3 个设计变量，这些点和变量的位置见图3 一l o ，其中d v 二1 2 、d v | - 1 3 是在计算过程中的设计变 量。 图3 - 1 0 升降机构简图 p o i n t2 坐标设为( d v1 ，d v2 ) 它的位置影响摆块左摆臂的长度，摆块两摆臂的角度 设为d v3 ，它与升降机构在水平方向的摆动程度密切相关。当p o i n t2 或p o i n t3 点坐标发生 改变时，d v3 都将受影响，p o i n t3 设为( d v4 ，d v5 ) ，它是液压杆和摆臂的铰接点，直 接影响液压杆力值大小和摆块右摆臂长度。液压杆位置的参数化和推进机构液压杆的参数化类 似，取p o i n t4 点x 坐标为d v6 ，与x 轴方向夹角为d v7 。 各个变量之间的关系由图3 1 0 可知： d v3 ：a r c t a n 里：兰二墨+ a r c t 锄当= 里：! 一d v 一5 一k誓一d v 一2 a d a m s 的参数表达式为： ( 3 - 1 ) d v 一3 = ( a t a n ( ( d v s - x ) ( d v 一4 一五+ ( o 5 木( d v s + f d v 一5 一x ) ) ”+ ( 2 2 5 ( d v 一8 + d v 一5 一y 1 ) ( d v 一5 一y 1 ) ) + a t a n ( ( y l d v 一2 ) ( 五- d v l + ( o 5 搴( d v 一9 + ( 巧一d v 一2 ) ) ”+ ( 2 2 5 木( d v 一9 + d v 一5 一y 1 ) ( d v 一5 一x ” + a 1 州隅一d v2 ) - 1 8 0 ) ( 3 2 ) 其中 d v1 2 = ( s i g n ( ( d v ，_ 5 - y 1 ) ，a b s ( d v j x 1 ) ) ) ( 3 - 3 ) d v1 3 = ( s i g n ( ( y i - d v j ) ，- a b s ( d v _ l x 1 ) ) ) ( 3 - 4 ) 这两个变量是为处理( 3 1 ) 式两个分式分母为零的情况而设置的符号函数，( 3 3 ) 式意为当 ( d v4 _ x l 户0 时d v1 2 = d v5 - y l ，当( d v4 - - x 1 ) 不等于零时，d v1 2 = 0 。d v1 3 也是同理。 由于要求升降机构上的支撑梁( 参考图2 4 ) 始终保持水平，且两支承座相对位置不变， 故需满足d v8 = d vl + l 3 ，d v2 = d v9 ，d v1 0 = d v， 。其中的l 3 为两4 + l 3 d v 支座的水平距离，在上一章已经求出。 5 - - d v1 1 第三章基于a d a m s 的机构优化设计 d v7 为液压杆与总体坐标系的夹角，由图中可以得到如下关系： d v7 = a r c t 锄羔尘堕一 一 d v6 - d v4 a d a m s 参数表达式为：d v _ 7 = ( a t a n ( ( y 4 - d v _ 5 ) ( d v q _ 6 - d v _ 4 ) ) ) 3 3 4 设置传感器与约束函数 设置传感器：升降机构上升距离由钢管外径确定，对于0 6 1 0 钢管上升距离为4 0 0 m m ，即 当钢管的上升距离到达4 0 0 m m 时，机构应该停止动作。据此设置传感器，参数表达式为： d y ( m a r k e r _ 3 ，m a r k e r - 2 2 ，m a r k e i u 2 ) 传感器的作用值设为4 0 0 ，表达式中的m a r k e r 一3 是p o i n t 一2 重合且关联