锻造操作机夹持机构的优化分析

阮 潇 ，朱为国 ，张 驰

（1.南京工业大学，机械与动力工程学院，江苏 南京 211800；2.淮阴工学院，江苏省先进制造技术重点实验室，江苏 淮安 223001）

0 引言

装备制造业是整个国家经济建设和国防建设的基础，在整个制造行业中起着举足轻重的作用，是我国工业发展的中坚力量。目前锻件朝着大型化、精确化的方向发展，尤其近年来随着我国国力的增强，铁路、船舶、核电等重大装备领域迅速发展，对大型复杂锻件的需求日益迫切，也对锻造行业和锻造操作机的发展提出了更高的要求[1-3]。锻造操作机是自动化锻造作业中不可缺少的重要装备之一，在提高生产效率、保证加工质量等方面发挥着重要作用[4]。锻造操作机的特点是载荷大、惯量大、自由度多。锻造操作机配合锻造液压机进行锻造生产，能极大程度地提高制造质量，降低生产成本，提高了工人工作的安全性。

夹持机构是重载锻造操作机的关键组成部分之一，它主要用于夹持锻件完成各种锻造操作。锻件位置的不同，对夹持装置受力的要求也不同。在时变重载工况下，要保证大型构件在运动过程中的夹持稳定性。操作机在进行升降、旋转、制动及工件锻压等工况时，由于在操作过程中经常频繁地进行加速提升、旋转、制动以及锻压等不连续动作，致使夹持机构传递的作用力变化非常大，从而导致抓取不稳定性或是联动装置失效等结果产生[5-7]。因此对锻造操作机夹持机构的研究很有必要。

本文利用虚拟样机技术，模拟各个工况下锻造操作机夹持机构夹持力的大小，将模拟结果与理论计算的结果对比确保模型的准确性。在静态分析和灵敏度分析的基础上，分析夹持机构中影响夹持力的参数，建立单目标设计模型，同时定义对应的约束函数，优化机构尺寸，提高夹持机构的夹持力大小。

1 夹持机构的分析及杠杆比计算机

1.1夹持机构运动学分析

锻造操作机夹持机构运动比较复杂，但是夹持机构主运动机构的不仅结构简单，而且能够完成夹持机构最主要的运动，并且能够清楚的描述机构的受力，所以主要对夹持机构的主运动机构进行分析，夹持机构主运动结构如图1所示。

图1 夹钳机构主运动结构简图

在图1中，以油缸缸体的轴线为x轴，y轴通过C点，建立直角坐标系。通过如图各参数的关系，可以得到点A、B、C、D点的位置坐标，关系式如下：

1.2杠杆比理论计算

为了满足复杂运动的同时保证抓取稳定性，夹持机构必须具有更优的力的传递效率[8]，机构的杠杆比为机构钳口处的夹紧力与油缸输出力的比值。本文分析的状态是夹持最大转矩工件的杠杆比。利用静平衡方程对夹紧机构各个零件进行分析，如图2所示。

图2 夹持机构的零件受力图

由图2（a）可知，

式中，F1=1/2F0

由图 2（c）可知，

通过联立上述公式（1）～（10）可得钳口处夹持力与输出力的关系式：

机构的杠杆比为：

式中，K为钳杆机构杠杆比。

在40 t锻造操作机中，油缸的最大输出力F0=0.3100 MN，零件的主要参数为：S1=100 mm，S2=102 mm，L1=220 mm，L2=177 mm，L3=267 mm，L4与夹持工件直径有关，在夹持最大转矩工件时，L4=170 mm.将参数带入公式（11）和公式（12），得到夹持机构的夹持力F2=0.1138 MN，杠杆比K=0.367.

2 锻造操作机虚拟仿真

根据零件的参数，在PROE软件中建立零件的三维模型，再将模型带入ADAMS仿真软件中，设置模型的材料属性为steel，在模型中添加约束，最终模型如图3所示。

图3 夹持机构在ADAMS中的效果图

在ADAMS软件中可以通过测量功能得到钳口处夹紧力的大小。考虑到受工件重力的影响，本文考虑两种工况下钳口夹紧力的状况。工况一，当重力处于垂直方向时，上钳口的夹持力F2=1.107e+5 N，杠杆比为0.357，如图4所示。下钳口的夹持力F2=1.151e+5 N，杠杆比为0.371.如图5所示。工况二，当重力处于水平方向且垂直于轴线时，上下钳口的夹紧力均为1.129e+5 N，杠杆比为0.364，如图6、图7所示。实验测出数据与理论计算结果存在很小的误差，在不同工况下钳口的夹紧力符合实际情况，结果充分证明了虚拟样机的准确性。各关节点的参数表达式见表1.

图4 工况一上钳口的夹紧力

图5 工况一下钳口的夹紧力

图6 工况二上钳口的夹紧力

图7 工况二下钳口的夹紧

表1 各关节点的参数表达式

3 夹持机构的优化

3.1钳杆机构零件参数化

影响夹持力的参数为 α、L1、L2、L3、L4、S1、S2，为了方便的对模型进行优化，先对模型进行简化。在ADAMS软件中，首先对设计变量进行设置，建立与关节点对应的 POINT 点，根据式（1）～（4）将点 A、B、C、D用设计变量表示出来，见表1所示。

对设计变量进行参数化设置，L4的尺寸是根据工件的最大直径和最小直径确定，最大直径时L4=196，最小直径时L4=114，其他变量的最大值按照初始值的110%，最小是按照初始值80%确定[9]。各变量设置及尺寸范围如表2所示。

表2 变量设置及尺寸范围

3.2夹持机构参数分析

锻造操作机的主要功能要求是夹钳在工作中能够稳定的夹持工件，因此结构优化的目标是保证夹持机构的杠杆比最大，即夹持机构的夹持力达到最大：

为保证油缸在达到极限位置时钳口夹持到最小直径的工件。建立约束关系如下：

式中，yB1为夹持最小直径工件时B点纵坐标值。

在优化过程中为了控制夹紧缸推进行程的大小，建立如式（15）约束条件，要求优化后的行程不大于100 mm.式中xA1、xA2分别为工件直径最小和最大时，油缸输出端A点的横坐标值。

式中，xA1为夹持最小工件时，油缸输出端A点的横坐标；xA2为夹持最大工件时，油缸输出端A点的横坐标。

根据建立的目标函数与约束函数，在ADAMS中分别设置对应的测试函数，然后建立目标函数OBJECTIVE_1以及约束函数CONSTRAINT_1和CONSTRAINT_2.

采用ADAMS参数化分析的设计研究（Design study）模块，由于各个指标的重要性程度不同，所以要确定各个指标的权重[10]，通过软件分析可得知，设计变量α、S2对夹持力的影响比较显著，其他变量相对较小。

3.3钳口夹持力的优化

本文优化利用OPTDES—SQP的二次规划算法，此方法应用牛顿方法建立海森矩阵。通过二级子程序反复确定寻找方向，然后根据搜索方向确定为方向和步长，通过不断反复得到最优值，此方法是目前比较科学有效地方法[11]。优化结果如表3所列。

表3 OPTDES-SQP算法优化结果

3.4夹持机构优化性能分析

采用ADAMS的设计变量模块分析不同直径工件对夹持力的影响，将L4作为变量，分别对优化前和优化后进行仿真，仿真结果如图8、图9所示。得出不同直径情况下，夹持力随工件直径的变化情况。

图8 优化前设计变量L4对夹持力的影响

图9 优化后设计变量L4对夹持力的影响

通过表3可以得知经过优化之后锻造操作机的夹持力比优化前提高了35%，由图8可以出，优化前夹持力随工件的增大，夹持力成递减趋势，造成了夹持小直径工件夹持力过剩，夹持大直径工件夹持力不够的现象。通过图9可以看出优化后的机构夹持力随着工件零件的增大而增大，与实际所需要的夹持力同向变化。

4 结论

（1）建立了夹持机构杠杆比的计算模型，确定了影响夹持力的变量参数，为进一步优化打下了基础。

（2）通过ADAMS软件对变量参数进行分析，找本文对夹持力影响最大的两个参数α、S2，并且对其进行优化设计，最终优化后的夹持力在原先基础上提高了34.8%.

（3）通过优化后的夹持力更加符合实际工作状况下的夹持要求。

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