大型鍛造操作機提升機構運動分析及優化

王勇勤，楊青松，嚴興春，韓炳濤，張營杰，房志遠

(1.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030;2.中國重型機械研究院，西安 721000)

鍛造操作機用來配備0.5 t以上各種自由鍛造壓機，主要完成工件的升降、水平送進、回轉、俯仰等運動［1］。鍛造操作機與鍛造加工設備協調作業，可以大大提高制造能力、制造精度、生產效率和材料利用率，降低能耗。趙凱等［2］針對自由鍛造操作機建立多領域的耦合模型，進行了順應運動的分析。楊文玉等［3］基于操作機性能指標對運動學參數進行評價，提供了一種性能優化和評價方法。任云鵬等［4］采用虛擬樣機技術對操作機進行運動學仿真，得到了鉗頭的運動曲線。童幸等［5］建立了3種常見的鍛造操作機的運動學模型，對操作機的主運動機構進行了解耦性研究。還有一些研究者運用解析法進行了操作機機構運動學分析［6－8］。但是鍛造操作機作為一種重載操作設備，設計制造成本比較高，目前對于鍛造操作機機構運動優化方面的研究還比較少。

1 操作機運動學分析

DDS鍛造操作機的結構如圖1所示。其吊掛機構可等效為對稱布置的2個平行機構來進行分析，如圖2所示。鍛造操作機工作過程中要實現鉗桿升降、鉗桿傾斜以及緩沖3個基本動作。

本文主要針對鉗桿升降運動的位置進行正解建模，即分析提升過程中提升缸的運動變化對夾鉗末端運動的影響，運動學分析機構簡圖如圖3所示。從圖3中取出前轉臂與提升缸機構，如圖4所示，分別以三角形FKL和三角形IJL作為研究對象，I、L點的坐標為

圖3 操作機提升機構運動學分析簡圖

從圖3中取出后轉臂與連桿組成的機構，如圖5所示，則H點和G點坐標為

圖4 前轉臂與提升缸組成的機構

圖5 前吊臂與緩沖缸組成的機構

2 提升機構優化模型的建立及求解

在操作機鉗桿提升過程中，為保證提升精度，要求夾鉗在水平方向的誤差盡可能小，即如圖6中G點應該盡可能作豎直方向的直線運動。因此，合理選擇提升機構中各桿件的長度及安裝尺寸就顯得尤為重要。從圖7不難看出，影響G點運動軌跡的主要因素應為緩沖缸與前吊臂鉸接點位置H和桿長LHA及安裝位置。鑒于此，本文采用數值優化方法對其展開研究，設計變量為圖7中的A點坐標(xA，yA)以及桿IH的長度LIH，目標函數設定為G點水平方向運動誤差最小，即

就約束條件而言，首先，在尋優過程中，A點橫坐標不允許超過圖2中B點橫坐標，否則A點就會超出機架范圍之外;其次，在LF變化過程中，三角形IHA必須存在，即邊界條件為

緩沖缸與前吊臂鉸接點位置優化問題是有約束線性規劃問題。隨著各種計算方法的發展，各種優秀的計算軟件相應誕生，其中Matlab以其強大而有效的優化方法受到廣泛歡迎。本文調用Matlab優化工具箱的Fmincon函數進行優化設計。Fmincon優化函數首先檢查用戶是否直接提供了Hessian矩陣計算公式，如果提供，則直接計算Hessian矩陣，選擇Large.Scale算法;否則檢查是否直接提供目標函數的梯度，如果提供了也選擇Large.Scale算法，由已提供了梯度的公式直接通過有限差分計算Hessian矩陣;如果沒有提供Hessian矩陣計算公式和梯度表達式，Fmincon選擇SQP算法，算法中Hessian矩陣可以通過DFP迭代，初始 Hessian陣任意給定。詳細流程如圖8所示。

圖8 Fmincon函數算法流程

3 優化結果分析

經優化計算后，A點坐標為(2002，3877)，桿HG長度為1218 mm，G點水平方向運動誤差為5.9 mm，如圖9所示。為了對比分析優化效果，現按照表1所示幾種情況仿真G點水平方向運動誤差，仿真結果如圖10所示，對比分析研究發現:A點縱坐標比橫坐標值對G點水平方向運動誤差影響較大，桿HG的長度對其影響也較明顯。

表1 尋優結果對比

4 結束語

通過數值優化方法對大型DDS鍛造操作機提升機構進行了運動學分析與優化設計，得到了使提升機構在升降過程中水平方向運動誤差為最小的最優解。通過對比分析優化結果與其他工況仿真結果，發現優化結果具有明顯的優越性。該優化方法和模型對于鍛造操作機提升機構的設計有一定的指導意義。

［1］中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊［K］.3版.北京:機械工業出版社，2008.

［2］趙凱，王皓，陳關龍，等.自由鍛造操作機順應過程分析［J］.機械工程學報，2010，46(4):27 －34.

［3］楊文玉，孟富明.鍛造操作機順應性能評價與優化方法［J］.機械工程學報，2010，46(23):121 －127.

［4］任云鵬，張天俠，陳希紅，等.基于虛擬樣機技術的萬噸壓機鍛造操作機的運動學仿真分析［J］.工程設計學報，2008，15(2):101 －104.

［5］童幸，高峰，張勇.操作機主運動機構的解耦性研究［J］.機械工程學報，2010，46(11):14 －20.

［6］王懷彬.鍛造操作機運動學與逆動力學分析［D］.上海:上海交通大學，2008.

［7］陳博翁.一種鍛造操作機的機構分析及其虛擬樣機建模［D］.北京:清華大學，2009.

［8］Yan C，Gao F，Guo W.Coordinated kinematic modelling for motion planning of heavy-duty manipulators in an integrated open-die forging centre［J］.2009(1):54 －58.

［9］Bela l.Sandor，Karen J.Richter.Engineering Mechanics Statics and Dynamics［M］.Englewood Cliffs:N.J.Prentice-Hall，2008.

［10］褚洪生，杜增吉，閻金華.MATLAB7.2優化設計實例指導教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［11］賈振平.帶殼體從動錐齒輪煅件的工藝分析及探討［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010(12):134－137.