φ660 mm新型全自動鋼管倒棱機自動送料機構的優化設計

(1.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384 2.天津理工大學機械工程學院，天津 300384)

(1.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384 2.天津理工大學機械工程學院，天津 300384)

自動送料機構是鋼管端面銑頭倒棱機的重要組成部分。本文針對新型厚壁、大口徑全自動鋼管倒棱機，運用ADAMS軟件對其自動送料機構進行動力學仿真和參數化設計，優化設計后，使送料時升降過程最大推進力減少74.4%，平移過程最大推進力減少95.4%，使液壓缸的選取能更合理。同時，兩個送料過程的平均推進力分別也減少了41.8%和79.4%，極大的節省了能源。

優化設計;倒棱機;自動送料機構;仿真分析

0 前言

鋼管在生產建設中具有十分重要的作用，其用量以幾百萬噸/年的速度增長。高質量、高附加值的鋼管，尤其是如今使用需求很大的大口徑、厚壁鋼管，需對其進行端面銑頭、倒棱、去毛刺等精整加工。鋼管端面銑頭倒棱機就是完成這一功能的專用機床［1］。該設備由銑頭加工機構、自動送料機構及夾緊裝置三大部分構成。本文采用ADAMS軟件利用其參數表達式、參數化點坐標、運動參數化、使用設計變量等手段參數化建模，以機構運動過程中兩處液壓驅動提供的最大推進力和平均出力最小為優化目標，對φ660 mm新型全自動鋼管倒棱機自動送料機構進行優化設計，最終獲得結構最優化的自動送料機構［2］。

1 自動送料機構的工作過程

φ660 mm新型全自動鋼管端面銑頭倒棱機自動送料機構采用的是多桿機構，液壓驅動。該機構以步進的方式依次將被加工的工件送至工作位置，同時將工作位置加工后的工件送出，其步進停頓的時間就是工件被加工的時間，自動送料機構與銑頭加工機構及夾緊裝置一起構成全自動生產設備，自動完成送進、送出工件到指定位置。

自動送料機構如圖1所示，擺桿2、6長度相等，平行布置并由連桿5連接，支座8與連接板7的長度之和與支座1相等，故當活塞桿3伸出，推動擺桿2擺動時，整個機構構成平行四邊形機構，可使支撐梁9水平上升;反之，當活塞桿3收回，支撐梁9將隨機構的運動水平下降。在支撐梁9上裝配有可水平移動的滑動小車10，滑動小車可隨支撐梁9水平升降。當活塞桿14動作，帶動擺臂13轉動，通過拉桿12帶動移動小車10沿支撐梁9水平來回移動。

圖1 φ660 mm自動送料機構簡圖Fig.1Automatic feeding mechanism structure for φ660 mm steel tube

工作時首先活塞桿3伸出，帶動移動小車10上升，上升到一定距離后接觸鋼管，移動小車上的鋼管托架即圖示V型槽可將鋼管11托起，當繼續上升到鋼管脫離平頭位置后，活塞桿3由接近開關控制停止第一行程運動，移動小車10及其鋼管11在活塞桿14的帶動下開始向右水平移動，移動距離為一個步進的位置，即兩根鋼管中心之間的距離為900 mm，如圖1所示。水平移動完成后在接近開關的控制下活塞桿14停止運動，完成第二行程運動，之后移動小車10及鋼管11在活塞桿3反向運動的作用下開始下降，下降到一定距離，鋼管11由倒棱機夾緊裝置的V型槽托住(圖中未畫夾緊裝置)，并由銑頭加工機構開始對鋼管兩端進行銑頭、倒棱等工作。自動送料機構的V型槽與鋼管脫離后繼續下降直到擺桿2、6回到起始位置，完成第三行程運動，最后橫移機構反向移動(向左)一個步進距離，完成最后一個行程運動，等待下一周期的送料運動。

2 自動送料機構的優化設計

2.1 優化目標

在ADAMS中建立的送料機構模型如圖2所示，對其整個送料過程(即4個行程)進行動力學仿真。為了真實反映整個送料機構的實際工作過程，需對模型中活塞桿3和14上的兩個運動建立速度-時間的分段函數關系。

圖2 送料機構模型Fig.2Feeding mechanism model

在ADAMS/View中，可利用IF函數［3］實現上述目標，表達式為

建立對液壓桿3與14上兩個MOTION的推進力的測量，升降運動與平移運動活塞桿的出力變化曲線如圖3、圖4所示，原動件3與14的兩個運動過程均保持勻速運動，從圖中可以看出，在托架接觸鋼管時液壓缸4和15提供的推進力將會出現一個突變的峰值。在對液壓缸4，其出力大小與其安裝位置和桿3、桿2間鉸鏈的位置有關，該位置與桿2長度及起始安裝角度有關。對液壓缸15，其出力大小與其安裝位置及桿14、桿13間鉸鏈位置有關，并還需考慮桿13的長度變化。通過參數化處理，可得到送料過程中兩液壓缸最大推進力(圖中出現的峰值)為最小值的參數值，即送料機構中升降運動和平移運動各自的優化目標。

2.2 參數化建模

根據兩個優化目標，送料機構模型中創建了六個參數化點、十二個主要設計變量，其所在的位置如圖五所示。參數化點以及D、F點必須與所在位置的構件相關聯，當參數化點的位置改變時，與其相關聯的構件的尺寸及起始設計的安裝角度也會發生變化［4］。由于滿足平行四邊形關系，當桿件2的尺寸、安裝位置變化時，桿件6也應等同變化。故令D、F點分別與A、B點相關聯即可。由圖5幾何關系可知:AO與BO始終保持垂直，故根據幾何知識可推出:

圖5 機構參數關系幾何圖形Fig.5Geometry of mechanism parameters relationship

又DV6即為角度θ，故

因為點N始終在桿13上變化，故由圖5可推出:

由此，便完成了對送料機構的參數化建模。

2.3 優化設計

利用ADAMS/view的參數化分析功能，可以分析設計參數變化對樣機性能的影響，研究一個或多個參數變化對樣機性能的影響［5］。

2.3.1 確定優化參數

由上面的分析可知，設計變量DV1、DV2、DV3、DV5、DV7、DV9、DV10、DV11為自變量，其他為因變量。其中，DV1、DV2、DV3、DV5的變化，對液壓桿3上的運動有影響，DV7、DV9、DV10、DV11對液壓桿14上的運動有影響。ADAMS/VIEW對以上設計變量進行優化分析時，可自動生成設計研究報告［6］，得出8個設計變量在初始值的敏感度，見表1。

表1 設計變量敏感值Tab.1Sensitive values of designing variables

由表1可知，相對DV1、DV2和DV3、DV5的敏感度較低，但DV5決定了液壓缸的安裝位置，故不可舍去。DV10與DV11相對于DV7、DV9，敏感度較低，但會影響桿12、13在X方向和Y方向的長度，故不可將其舍去。故優化參數為DV1、DV2、DV3、DV5、DV7、DV9、DV10、DV11。

2.3.2 確定優化參數取值范圍

由圖5可知，DV1、DV2、DV3、DV10、DV11影響的是桿件的長度與起始安裝角度α和δ。其增量不能太大，否則會使整個機構以及與之配套的設備尺寸都增大，因此將取值范圍設定在10%內變化［7］。DV5為C點橫坐標，可令其在B、F點間變化，其取值范圍為(200，3 300)。DV7為M點縱坐標，其決定液壓缸起始安裝角度和位置，令其在20%內變化，使其變化范圍大一些。DV9為N點縱坐標，N點始終在桿13上變化，故其取值范圍為(-311，DV11)。2.3.3優化計算和分析

在完成參數化分析的準備工作后，便可優化計算［8］。先對Gan3 Motion的最大推進力進行優化，打開對其的測量，在Simulation-Design Evaluation-Measure下選擇最大值，在優化目標下選擇最小值，輸入待優化的設計變量DV1、DV2、DV3、DV5。優化后產生運動最大推進力的變化曲線(圖6)和迭代過程中推進力的曲線(圖7)。之后再對Gan14 Motion進行優化計算，輸入設計變量DV7、DV9、DV11。同理，得到如圖8和圖9所示優化結果。

圖6 升降運動最大推進力變化曲線Fig.6The maximum thrust curve of lifting movement

從設計研究報告可以看出，優化前后各個變量的取值及兩個推進力的最大值和平均值見表2。從表中可以看出，優化效果很明顯，在大大減少了送料機構運動過程中的最大推進力和平均推進載荷的同時，設計變量的變化范圍也合理，從而改變了桿件初始時的尺寸及安裝角度。安裝角度可由新的變量取值確定［9］。

表2 送料機構優化結果Tab.2Optimized results of feeding mechanism

3 結論

本文利用ADAMS軟件針對厚壁大口徑鋼管的φ660 mm全自動鋼管端面銑頭倒棱機自動送料機構建立了仿真模型、進行了優化設計，找出了機構組裝時的最佳安裝位置及其自身最優尺寸，獲得了最佳設計參數［10］。通過優化可以使送料時升降過程中的最大升降載荷和平均升降載荷分別減少減少了74.4%和41.8%，使平移過程中的最大推進載荷和平均推進載荷分別減少了95.4%和79.4%，據此可以選擇更加合理的液壓缸，并大大的降低了能耗，同時采用優化的數據還可以作為選擇標準件和計算校核零部件的依據，完成了由經驗設計向理論設計的轉化。目前已將優化的參數及結構應用到實踐中。

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φ660 mm新型全自動鋼管倒棱機自動送料機構的優化設計

劉曉東1，2，柴曉艷1，2，劉錫軍2，鄭帥2，陳凱2

Optimization design of automatic feed mechanism of new chamfering machine for φ660 mm steel tube

LIU Xiao-dong1，2，CHAI Xiao-yan1，2，LIU Xi-jun2，ZHENG Shuai2，CHEN Kai2
(1.Tianjin Key Laboratory for Control Theory＆Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China 2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Automatic feeding mechanism is an important component part of chamfering machine for end milling.In this paper，the automatic feed mechanism of chamfering machine for new thick-walled，large diameter steel pipe is researched by using ADAMS'dynamic simulation and parametric design.After optimized design，in the lifting process，the maximum propulsion force is decreased by 74.4%，and in the translation process，the maximum propulsion force is reduced by 95.4%，which makes the hydraulic cylinder's selection more reasonable.At the same time，the average propulsion of two processes is also reduced respectively by 41.8%and 79.4%，which can greatly save energy.

chamfering machine;automatic feed mechanism;dynamic simulation

TP273

A

1001-196X(2014)05-0064-05

2014-05-15;

2014-07-20

2009年天津市科技支撐計劃重點項目(09ZCKGX02900)

劉曉東(1990-)，男，天津理工大學碩士研究生。