阮 瀟 ，朱為國 ，張 馳

（1.南京工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.淮陰工學(xué)院，江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223001）

0 引言

裝備制造業(yè)是整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)的基礎(chǔ)，在整個(gè)制造行業(yè)中起著舉足輕重的作用，是我國工業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量。目前鍛件朝著大型化、精確化的方向發(fā)展，尤其近年來隨著我國國力的增強(qiáng)，鐵路、船舶、核電等重大裝備領(lǐng)域迅速發(fā)展，對(duì)大型復(fù)雜鍛件的需求日益迫切，也對(duì)鍛造行業(yè)和鍛造操作機(jī)的發(fā)展提出了更高的要求[1-3]。鍛造操作機(jī)是自動(dòng)化鍛造作業(yè)中不可缺少的重要裝備之一，在提高生產(chǎn)效率、保證加工質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用[4]。鍛造操作機(jī)的特點(diǎn)是載荷大、慣量大、自由度多。鍛造操作機(jī)配合鍛造液壓機(jī)進(jìn)行鍛造生產(chǎn)，能極大程度地提高制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高了工人工作的安全性。

夾持機(jī)構(gòu)是重載鍛造操作機(jī)的關(guān)鍵組成部分之一，它主要用于夾持鍛件完成各種鍛造操作。鍛件位置的不同，對(duì)夾持裝置受力的要求也不同。在時(shí)變重載工況下，要保證大型構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中的夾持穩(wěn)定性。操作機(jī)在進(jìn)行升降、旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)及工件鍛壓等工況時(shí)，由于在操作過程中經(jīng)常頻繁地進(jìn)行加速提升、旋轉(zhuǎn)、制動(dòng)以及鍛壓等不連續(xù)動(dòng)作，致使夾持機(jī)構(gòu)傳遞的作用力變化非常大，從而導(dǎo)致抓取不穩(wěn)定性或是聯(lián)動(dòng)裝置失效等結(jié)果產(chǎn)生[5-7]。因此對(duì)鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的研究很有必要。

本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，模擬各個(gè)工況下鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)夾持力的大小，將模擬結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果對(duì)比確保模型的準(zhǔn)確性。在靜態(tài)分析和靈敏度分析的基礎(chǔ)上，分析夾持機(jī)構(gòu)中影響夾持力的參數(shù)，建立單目標(biāo)設(shè)計(jì)模型，同時(shí)定義對(duì)應(yīng)的約束函數(shù)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)尺寸，提高夾持機(jī)構(gòu)的夾持力大小。

1 夾持機(jī)構(gòu)的分析及杠桿比計(jì)算機(jī)

1.1夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

鍛造操作機(jī)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，但是夾持機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且能夠完成夾持機(jī)構(gòu)最主要的運(yùn)動(dòng)，并且能夠清楚的描述機(jī)構(gòu)的受力，所以主要對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，夾持機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾鉗機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖

在圖1中，以油缸缸體的軸線為x軸，y軸通過C點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。通過如圖各參數(shù)的關(guān)系，可以得到點(diǎn)A、B、C、D點(diǎn)的位置坐標(biāo)，關(guān)系式如下：

1.2杠桿比理論計(jì)算

為了滿足復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保證抓取穩(wěn)定性，夾持機(jī)構(gòu)必須具有更優(yōu)的力的傳遞效率[8]，機(jī)構(gòu)的杠桿比為機(jī)構(gòu)鉗口處的夾緊力與油缸輸出力的比值。本文分析的狀態(tài)是夾持最大轉(zhuǎn)矩工件的杠桿比。利用靜平衡方程對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)各個(gè)零件進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 夾持機(jī)構(gòu)的零件受力圖

由圖2（a）可知，

式中，F(xiàn)1=1/2F0

由圖 2（c）可知，

通過聯(lián)立上述公式（1）～（10）可得鉗口處夾持力與輸出力的關(guān)系式：

機(jī)構(gòu)的杠桿比為：

式中，K為鉗桿機(jī)構(gòu)杠桿比。

在40 t鍛造操作機(jī)中，油缸的最大輸出力F0=0.3100 MN，零件的主要參數(shù)為：S1=100 mm，S2=102 mm，L1=220 mm，L2=177 mm，L3=267 mm，L4與夾持工件直徑有關(guān)，在夾持最大轉(zhuǎn)矩工件時(shí)，L4=170 mm.將參數(shù)帶入公式（11）和公式（12），得到夾持機(jī)構(gòu)的夾持力F2=0.1138 MN，杠桿比K=0.367.

2 鍛造操作機(jī)虛擬仿真

根據(jù)零件的參數(shù)，在PROE軟件中建立零件的三維模型，再將模型帶入ADAMS仿真軟件中，設(shè)置模型的材料屬性為steel，在模型中添加約束，最終模型如圖3所示。

圖3 夾持機(jī)構(gòu)在ADAMS中的效果圖

在ADAMS軟件中可以通過測量功能得到鉗口處夾緊力的大小?？紤]到受工件重力的影響，本文考慮兩種工況下鉗口夾緊力的狀況。工況一，當(dāng)重力處于垂直方向時(shí)，上鉗口的夾持力F2=1.107e+5 N，杠桿比為0.357，如圖4所示。下鉗口的夾持力F2=1.151e+5 N，杠桿比為0.371.如圖5所示。工況二，當(dāng)重力處于水平方向且垂直于軸線時(shí)，上下鉗口的夾緊力均為1.129e+5 N，杠桿比為0.364，如圖6、圖7所示。實(shí)驗(yàn)測出數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果存在很小的誤差，在不同工況下鉗口的夾緊力符合實(shí)際情況，結(jié)果充分證明了虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性。各關(guān)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)表達(dá)式見表1.

圖4 工況一上鉗口的夾緊力

圖5 工況一下鉗口的夾緊力

圖6 工況二上鉗口的夾緊力

圖7 工況二下鉗口的夾緊

表1 各關(guān)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)表達(dá)式

3 夾持機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

3.1鉗桿機(jī)構(gòu)零件參數(shù)化

影響夾持力的參數(shù)為 α、L1、L2、L3、L4、S1、S2，為了方便的對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，先對(duì)模型進(jìn)行簡化。在ADAMS軟件中，首先對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)置，建立與關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 POINT 點(diǎn)，根據(jù)式（1）～（4）將點(diǎn) A、B、C、D用設(shè)計(jì)變量表示出來，見表1所示。

對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，L4的尺寸是根據(jù)工件的最大直徑和最小直徑確定，最大直徑時(shí)L4=196，最小直徑時(shí)L4=114，其他變量的最大值按照初始值的110%，最小是按照初始值80%確定[9]。各變量設(shè)置及尺寸范圍如表2所示。

表2 變量設(shè)置及尺寸范圍

3.2夾持機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

鍛造操作機(jī)的主要功能要求是夾鉗在工作中能夠穩(wěn)定的夾持工件，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是保證夾持機(jī)構(gòu)的杠桿比最大，即夾持機(jī)構(gòu)的夾持力達(dá)到最大：

為保證油缸在達(dá)到極限位置時(shí)鉗口夾持到最小直徑的工件。建立約束關(guān)系如下：

式中，yB1為夾持最小直徑工件時(shí)B點(diǎn)縱坐標(biāo)值。

在優(yōu)化過程中為了控制夾緊缸推進(jìn)行程的大小，建立如式（15）約束條件，要求優(yōu)化后的行程不大于100 mm.式中xA1、xA2分別為工件直徑最小和最大時(shí)，油缸輸出端A點(diǎn)的橫坐標(biāo)值。

式中，xA1為夾持最小工件時(shí)，油缸輸出端A點(diǎn)的橫坐標(biāo)；xA2為夾持最大工件時(shí)，油缸輸出端A點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

根據(jù)建立的目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)，在ADAMS中分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的測試函數(shù)，然后建立目標(biāo)函數(shù)OBJECTIVE_1以及約束函數(shù)CONSTRAINT_1和CONSTRAINT_2.

采用ADAMS參數(shù)化分析的設(shè)計(jì)研究（Design study）模塊，由于各個(gè)指標(biāo)的重要性程度不同，所以要確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重[10]，通過軟件分析可得知，設(shè)計(jì)變量α、S2對(duì)夾持力的影響比較顯著，其他變量相對(duì)較小。

3.3鉗口夾持力的優(yōu)化

本文優(yōu)化利用OPTDES—SQP的二次規(guī)劃算法，此方法應(yīng)用牛頓方法建立海森矩陣。通過二級(jí)子程序反復(fù)確定尋找方向，然后根據(jù)搜索方向確定為方向和步長，通過不斷反復(fù)得到最優(yōu)值，此方法是目前比較科學(xué)有效地方法[11]。優(yōu)化結(jié)果如表3所列。

表3 OPTDES-SQP算法優(yōu)化結(jié)果

3.4夾持機(jī)構(gòu)優(yōu)化性能分析

采用ADAMS的設(shè)計(jì)變量模塊分析不同直徑工件對(duì)夾持力的影響，將L4作為變量，分別對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。得出不同直徑情況下，夾持力隨工件直徑的變化情況。

圖8 優(yōu)化前設(shè)計(jì)變量L4對(duì)夾持力的影響

圖9 優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量L4對(duì)夾持力的影響

通過表3可以得知經(jīng)過優(yōu)化之后鍛造操作機(jī)的夾持力比優(yōu)化前提高了35%，由圖8可以出，優(yōu)化前夾持力隨工件的增大，夾持力成遞減趨勢，造成了夾持小直徑工件夾持力過剩，夾持大直徑工件夾持力不夠的現(xiàn)象。通過圖9可以看出優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)夾持力隨著工件零件的增大而增大，與實(shí)際所需要的夾持力同向變化。

4 結(jié)論

（1）建立了夾持機(jī)構(gòu)杠桿比的計(jì)算模型，確定了影響夾持力的變量參數(shù)，為進(jìn)一步優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

（2）通過ADAMS軟件對(duì)變量參數(shù)進(jìn)行分析，找本文對(duì)夾持力影響最大的兩個(gè)參數(shù)α、S2，并且對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終優(yōu)化后的夾持力在原先基礎(chǔ)上提高了34.8%.

（3）通過優(yōu)化后的夾持力更加符合實(shí)際工作狀況下的夾持要求。

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