基于ADAMS的雙工位鋼管倒棱機(jī)送料機(jī)構(gòu)的仿真分析

鄭燕武,柴曉艷,馬魯豪,梅克明

(1.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

0 前言

近年來(lái)隨著世界石油、天然氣工程的快速發(fā)展，其運(yùn)輸要求也逐漸提高，而鋼管作為管道運(yùn)輸?shù)某Ｓ霉ぞ咭苍絹?lái)越重要，其用量以幾百萬(wàn)噸/年的速度增長(zhǎng)。倒棱機(jī)作為精加工設(shè)備在鋼管生產(chǎn)線上必不可少，其主要進(jìn)行鋼管端面銑頭、倒棱、去毛刺等工作，因此作為專用機(jī)床[1],雙工位全自動(dòng)鋼管端面銑頭倒棱機(jī)必然廣泛使用且必不可少。ADAMS軟件是優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā)，是最權(quán)威、使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件[2]。本文利用ADAMS軟件強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)仿真分析功能對(duì)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，得到其整體模型后進(jìn)行仿真分析，并測(cè)量出液壓缸的功率、各鉸鏈處的載荷以及其工作時(shí)的最大升降力和推進(jìn)力。這些數(shù)據(jù)對(duì)倒棱機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算以及各桿件的選材設(shè)計(jì)和校核提供了參考依據(jù)。

1 自動(dòng)送料機(jī)的工作原理

雙工位全自動(dòng)鋼管端面銑頭倒棱機(jī)主要是由三部分組成：銑頭加工機(jī)構(gòu)、自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)和夾緊裝置。銑頭加工機(jī)構(gòu)對(duì)鋼管端面進(jìn)行加工；加緊機(jī)構(gòu)的作用是保證鋼管加工過程中不發(fā)生前后位移、振動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，保證加工精度；自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)即為輸送鋼管的裝置，采用多桿機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)。雙工位鋼管端面銑頭倒棱機(jī)可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)鋼管端面工作。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)分為兩大部分：升降機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)。其平面簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中升降機(jī)構(gòu)是由擺桿A、擺桿C、連接桿B和活塞桿D組成。其中桿A、C的長(zhǎng)度相等且平行，因此桿A、B、C和機(jī)架1、3組成平行四邊形機(jī)構(gòu)。當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，活塞桿D被液壓缸M控制做伸縮運(yùn)動(dòng)，且?guī)?dòng)擺桿A、C左右擺動(dòng)，因此連接桿B在擺桿A、C的帶動(dòng)下做升降運(yùn)動(dòng)。在連接桿B上裝配有可以水平移動(dòng)的滑塊(鋼管定位塊)H，該滑塊H可以隨著連接桿B進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，被加工的鋼管就放置在滑塊上的V型槽上。推進(jìn)機(jī)構(gòu)是由擺桿F、連接桿E、活塞桿G、滑塊H以及機(jī)架4、5組成。當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，活塞桿G被液壓缸N控制做伸縮運(yùn)動(dòng)，且?guī)?dòng)擺桿F左右擺動(dòng)，同時(shí)擺桿F帶動(dòng)經(jīng)連接桿E連接的滑塊H做水平平移運(yùn)動(dòng)。

自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的工作行程總共分為4個(gè)。首先液壓缸M控制活塞桿D伸出，帶動(dòng)擺桿A、C向右擺動(dòng)，使得連接桿B和滑塊H向上運(yùn)動(dòng)，滑塊H上有V型槽，當(dāng)滑塊上升到一定距離以后，V型槽接觸到鋼管并將鋼管托起，繼續(xù)進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng)，直到擺桿A、C達(dá)到與水平面垂直的程度后，活塞桿D由接近開關(guān)控制其停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)第一行程運(yùn)動(dòng)完成；然后，液壓缸N控制活塞桿G開始運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿F向右擺動(dòng)，使得經(jīng)連桿E連接的滑塊H及其上鋼管向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑塊以及其上鋼管向右運(yùn)動(dòng)一定距離后，由接近開關(guān)控制液壓缸N停止驅(qū)動(dòng)活塞桿G，此時(shí)第二行程運(yùn)動(dòng)完成。其中移動(dòng)的距離是一個(gè)步進(jìn)的位置，如圖1所示，由于運(yùn)輸機(jī)是雙工位，一個(gè)步進(jìn)位置是兩個(gè)鋼管之間距離的二倍，也就是650×2=1 300 mm。接著，活塞桿D被控制做返回運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊H以及其上鋼管下降，當(dāng)鋼管到達(dá)加緊機(jī)構(gòu)并被拖住夾緊(圖中未畫出加緊機(jī)構(gòu))，鋼管與V型槽分離，升降機(jī)構(gòu)繼續(xù)下降至擺桿A、C到達(dá)初始位置，運(yùn)動(dòng)停止，第三行程運(yùn)動(dòng)完成。最后，液壓缸M控制活塞桿G做返回運(yùn)動(dòng)，擺桿F、連桿E以及滑塊H全部向左水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)距離后，液壓缸M停止工作，第四行程運(yùn)動(dòng)完成，到此整個(gè)運(yùn)輸過程結(jié)束，自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)入下一周期的運(yùn)輸工作。

2 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的建模

在ADAMS中通過建立點(diǎn)、桿件、鋼管初步建立自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)；通過添加約束控制各桿件的自由度，通過添加驅(qū)動(dòng)仿真實(shí)際液壓驅(qū)動(dòng)。圖2即為在ADAMS中建立的自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)模型。在自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)建模的過程中需要考慮以下問題。

圖2 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)ADAMS模型

(1) 為了保證在仿真分析改變驅(qū)動(dòng)位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)方向和驅(qū)動(dòng)力可以隨著設(shè)計(jì)點(diǎn)的變化而改變，需要調(diào)用運(yùn)動(dòng)參數(shù)化中的設(shè)計(jì)位置函數(shù)f(x)和設(shè)計(jì)角度函數(shù)f(θ)。利用設(shè)計(jì)位置函數(shù)f(x)中Same as方式控制液壓缸，保證其在仿真分析時(shí)會(huì)隨著點(diǎn)2的變化而變化。同理利用設(shè)計(jì)角度函數(shù)f(θ)控制液壓缸力輸出的方向，保證其在仿真分析時(shí)會(huì)隨點(diǎn)2的變化而變化。

(2) 由于鋼管的起始狀態(tài)是靜止不動(dòng)的，而且當(dāng)送料機(jī)構(gòu)將鋼管托起時(shí)是將全部鋼管同時(shí)托起的，所以在大地上建立一個(gè)平面1，如圖2所示，這個(gè)平面通過各個(gè)鋼管的中心線。然后設(shè)定各個(gè)鋼管的中心與平面1接觸，接觸類型是點(diǎn)對(duì)面接觸。這樣鋼管與平面合為一體，保證了鋼管與平面同時(shí)運(yùn)動(dòng)或靜止。在建模時(shí)用一個(gè)長(zhǎng)方體代替V型槽(塊)，在升降機(jī)構(gòu)托起鋼管時(shí)，需要一個(gè)平面2承載鋼管，這樣也更加貼近實(shí)際測(cè)量液壓缸的推進(jìn)力。平面2與平面1平行，如圖2所示。平面2距離平面1有一段距離，此距離等于V型槽從初始位置到接觸鋼管時(shí)的運(yùn)動(dòng)距離。平面2的設(shè)置參數(shù)為ADD TO PART。通過建立平面1、2保證了最真實(shí)的仿真運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)在第一行程運(yùn)動(dòng)之初鋼管懸在送料機(jī)構(gòu)上，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)升起到接觸鋼管時(shí)鋼管被托起，當(dāng)上升到最高位時(shí)橫移機(jī)構(gòu)作用，拉動(dòng)鋼管向右運(yùn)動(dòng)，這與實(shí)際運(yùn)行過程完全一致。

(3) 在仿真分析中需要建立兩個(gè)行程運(yùn)動(dòng)，其中一個(gè)是升降機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)是推進(jìn)機(jī)構(gòu)的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。本文首先建立傳感器從而測(cè)得每個(gè)行程運(yùn)動(dòng)停止的時(shí)間點(diǎn)，然后運(yùn)用ADAMS運(yùn)行過程函數(shù)中的if函數(shù)對(duì)液壓缸進(jìn)行控制[3]，兩個(gè)機(jī)構(gòu)中液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)分別是：MOTION_1 : IF(time-14.39 : 20 , 0 , 0)，MOTION2 : IF(time-99.18 : IF(time-14.39 : 0 , 0 , 20) , 0 , 0 )。運(yùn)動(dòng)過程函數(shù)MOTION1、MOTION2分別控制升降機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

(4) 因?yàn)槔肁DAMS建模時(shí)可以不考慮各個(gè)零件的形狀，在建模時(shí)通常在保證質(zhì)量、質(zhì)心位置和桿件長(zhǎng)度情況下簡(jiǎn)化建模。因此建模時(shí)桿A、C、F當(dāng)作均勻的擺桿。但是實(shí)際上桿A、C、F是不規(guī)則擺桿，為了逼真的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到較為真實(shí)的數(shù)據(jù)與仿真曲線，在建模時(shí)需要把擺桿建為均勻長(zhǎng)桿的同時(shí)計(jì)算出其真實(shí)桿件的重心位置，然后將重心位置添加到桿件上面，這樣就可以得到更為真實(shí)的模型。利用SolidWorks軟件對(duì)其建模，并找到重心位置，其中擺桿A的重心位置位于桿長(zhǎng)總比0.22處，擺桿C的重心位置位于桿長(zhǎng)總比0.23處，擺桿F的重心位置位于桿長(zhǎng)總比0.29處。

(5) 在實(shí)際運(yùn)用中，自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)工作分為四個(gè)行程，在第一行程中，升降機(jī)構(gòu)做上升運(yùn)動(dòng)，此時(shí)擺桿E做以點(diǎn)11為圓心的轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖1所示)。當(dāng)升降機(jī)構(gòu)上升到一定位置后接觸鋼管并將其托起。為了使鋼管中心與V型槽中心線相吻合，使其受力均勻，需要精確計(jì)算鋼管的起始位置。首先建立兩個(gè)marker點(diǎn)，其中一個(gè)設(shè)置為大地，保證其在仿真過程中是靜止的，另一個(gè)點(diǎn)會(huì)隨著仿真運(yùn)動(dòng)而動(dòng)。利用測(cè)量函數(shù)DX測(cè)量這兩點(diǎn)之間距離在水平方向的分量。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，利用傳感器控制當(dāng)升降機(jī)構(gòu)上升一定距離并且開始接觸鋼管時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，得到V型塊的偏移量，如圖3所示。從圖3中可以看出升降機(jī)構(gòu)從開始運(yùn)動(dòng)到接觸鋼管時(shí)V型塊向左偏移4.895 mm。所以建模時(shí)需要將鋼管的中心對(duì)應(yīng)V型塊中心左側(cè)4.895 mm處。

圖3 升降運(yùn)動(dòng)中V型塊的偏移測(cè)量曲線

(6) 對(duì)桿A和桿C與連桿B的交點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，分別為桿A的merker點(diǎn)在Y方向上的位移和桿C的marker點(diǎn)在Y方向上的位移[4]，如圖4所示。從圖4中可以看出，這兩個(gè)點(diǎn)在Y方向上的唯一軌跡完全重合，從而說明桿A和桿C在運(yùn)動(dòng)過程中一直處于平行狀態(tài)，驗(yàn)證了建模時(shí)桿A、C平行布置的要求，保證了建模的準(zhǔn)確性和正確性。

圖4 桿A的marker點(diǎn)和桿C的marker點(diǎn)在Y方向位移的測(cè)量曲線

3 仿真分析

從建模過程的分析可知，自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由四個(gè)行程組成[5]，前兩個(gè)行程和后兩個(gè)行程的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)間都相同，但是前兩個(gè)行程的載荷較大，因此只分析前兩個(gè)行程的運(yùn)動(dòng)。首先對(duì)模型的第一行程運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，在仿真后利用后處理ADAMS/PostProcessor對(duì)液壓缸M進(jìn)行升降力測(cè)量，如圖5所示。

圖5 液壓缸M的升降力曲線

從圖中可以看出仿真的過程中升降機(jī)構(gòu)的升降力是變化的，可以得到其最大升降力為110 800 kN，該時(shí)刻是升降機(jī)構(gòu)剛剛接觸鋼管的一瞬間。當(dāng)上升到一定位置，升降機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，升降力為零。同樣對(duì)第二行程運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，可以得到推進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓缸N的推進(jìn)力變化曲線，如圖6所示。

圖6 液壓缸N的推進(jìn)力曲線

從圖中可以看出，液壓缸5的最大推進(jìn)力為5 159.036 4 N，該瞬間是推進(jìn)機(jī)構(gòu)剛剛拉動(dòng)鋼管。之后由于推進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓缸方向的改變推進(jìn)力逐漸下降直到為零。此時(shí)第二行程運(yùn)動(dòng)結(jié)束。圖中包含第三行程運(yùn)動(dòng)推進(jìn)力測(cè)量，在此不做說明。

一般情況下，都是根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)選用動(dòng)力源的功率，這樣就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，浪費(fèi)了資源，所以要根據(jù)驅(qū)動(dòng)所需實(shí)際功率來(lái)選擇。為了進(jìn)一步研究機(jī)構(gòu)工作時(shí)的能耗問題，需要測(cè)量液壓缸在仿真過程中所做的功。利用后處理ADAMS/PostProcessor測(cè)出液壓缸M和液壓缸N在工作時(shí)的瞬時(shí)功率，并對(duì)瞬時(shí)功率曲線在時(shí)間上進(jìn)行積分，得到液壓缸的做功曲線。如圖7、8所示。

圖7 液壓缸M運(yùn)動(dòng)過程中的功率和做功曲線

圖8 液壓缸N運(yùn)動(dòng)過程中的功率和做功曲線

從圖中可以看出，升降機(jī)構(gòu)的最大功率為20.978 kW，升降機(jī)構(gòu)在托起鋼管的過程中做功為16 791 J，在拉動(dòng)鋼管的過程中不做功。推進(jìn)機(jī)構(gòu)的最大功率為40.966 kW，推進(jìn)機(jī)構(gòu)在拉動(dòng)鋼管的過程中做功為122 950 J，在托起鋼管的過程中不做功[6]。這與實(shí)際情況完全符合。

在仿真分析中，利用ADAMS/PostProcessor對(duì)各個(gè)主要鉸鏈進(jìn)行受力分析，以便為各個(gè)桿件的設(shè)計(jì)校核提供參考依據(jù)。由測(cè)量結(jié)果可知，升降機(jī)構(gòu)主要鉸鏈?zhǔn)茏畲筝d荷的時(shí)間主要集中在2.73 s這一刻，即剛剛托起鋼管的時(shí)刻。推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要鉸鏈?zhǔn)茏畲筝d荷的時(shí)間主要集中在14.43 s這一刻，即剛剛拉動(dòng)鋼管的時(shí)刻。各個(gè)主要鉸鏈的最大載荷值如表1所示。

表1 各個(gè)主要鉸鏈處的最大載荷

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ADAMS軟件建立了送料機(jī)構(gòu)的模型，其中對(duì)不規(guī)則擺桿的重心著重分析并添加到模型；運(yùn)用運(yùn)行過程函數(shù)對(duì)送料機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，達(dá)到虛擬仿真與實(shí)際運(yùn)行相一致的效果；調(diào)用運(yùn)動(dòng)參數(shù)的f(x)和f(θ)函數(shù)控制液壓缸位置和驅(qū)動(dòng)力方向；運(yùn)用ADAMS中的后處理對(duì)機(jī)構(gòu)部件的位移、驅(qū)動(dòng)件的最大力、功率、能耗、關(guān)鍵鉸鏈處的載荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量，并且在后處理中分析各曲線，得到最大值，這些數(shù)據(jù)為全自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化、關(guān)鍵桿件的校核、原動(dòng)機(jī)的選擇以及系統(tǒng)耗能優(yōu)化提供了參考依據(jù)。