锻造操作机夹持机构的设计

通过分析锻造操作机夹持机构的典型工况,以钳口处于两个极限夹持位置时机构的力传递效率相同为依据,结合夹持机构的关键结构参数,利用解析几何法建立了机构的平面坐标系,根据机构自身结构特点及几何关系推导了确定夹持机构的方程式。使机构处于两个极限位置时输出力相同且最大,提高了操作机夹持机构的效率及夹持能力。理论计算了300 kN夹持机构的关键结构参数,验证了研究思路的可行性,为锻造操作机夹持机构的研究及设计提供了参考。     

锻造操作机提升机构设计方法

基于螺旋理论并结合工程实际对锻造操作机的构型设计进行系统、深入的研究,构造多种串并联形式的混联结构锻造操作机提升机构构型。这些锻造操作机提升机构的升降和俯仰运动采用平面五杆机构实现,侧移运动采用一种典型DANGO&DIENENTHAL(DDS)锻造操作机的侧移系统实现,大车前进方向的移动和侧摆由悬挂系统实现。所以这些锻造操作机提升机构解耦性能高,均为实际应用中可以考虑的构型。根据实际工程经验可知,锻造操作机的悬挂系统为由前悬挂部分和后悬挂部分组成的并联机构,前悬挂部分由两根对称的悬挂杆组成,后悬挂部分由单根悬挂杆或两根对称的悬挂杆组成。将悬挂并联机构型综合分为后悬挂部分含单根悬挂杆和两根悬挂杆两种情况进行讨论,采用基于螺旋理论的约束综合法,构型得到了四种悬挂并联机构构型,其中三种构型为无过约束机构,应用前景广泛。     

完全解耦式锻造操作机运动机理与动力学

为了实现锻造操作机升降运动与水平移动之间的解耦,提出了一种从结构组成原理上实现解耦的锻造操作机机构,并对该机构的运动机理和动力学性能进行了研究与实验验证。首先,基于Hoekens四连杆机构介绍了完全解耦式锻造操作机的结构组成原理;运用螺旋理论工具分析了完全解耦式操作机机构的自由度,对其升降运动和水平移动之间的解耦机理进行了剖析。然后,基于虚功原理建立了操作机机构动力学模型,比较分析了该解耦式操作机机构和典型平行连杆式操作机机构在升降运动和锻造加工过程中的受力性能。最后,研制了该新型解耦式操作机的比例实验模型,采用激光跟踪仪测试了钳杆在升降过程中的水平位移变化量。实验结果表明:在升降运动过程中,钳杆在水平方向的位移变化量在1mm之内,基本上验证了该完全解耦式锻造操作机能够实现升降运动与水平移动之间的解耦。     

重型锻造操作机的操作性能分析

锻造操作机与压机的协调作业可以实现大型锻件的加工制造,提高锻造系统的制造能力和材料利用率,降低系统的能耗。操作机的操作性能是锻造工艺轨迹的设计基础,也是操作机主运动机构的优化目标。根据锻造操作机的操作特点,归纳操作机的主要操作性能:运动灵巧性、动态灵巧性、力承载性能和末端刚度性能,并借鉴机器人学的运动可操作性、力可操作性和动态可操作性的研究成果引入相应的评价指标。通过对锻造工艺的分析和与传统工业机器人的对比,总结操作机的两大特殊的性能要求:对力承载性能的方向性要求和末端刚度性能的方向性要求,提出有效操作力指数和刚度方向指数。应用旋量理论计算操作机的雅可比矩阵,建立其动力学模型,对两种锻造操作机的各项性能做了全面对比,为操作机的设计与优化提供参考依据。     

锻造操作机结构系统的动力有限元建模方法研究

具有平行连杆式机构形式的万吨压机锻造操作机具有复杂的动力学行为.在瞬时机构假设和机构弹性动力学原理的基础上,研究了用空间梁单元建立操作机结构系统的有限元动力学模型的方法.根据已完成的几何设计,对某型锻造操作机结构系统进行简化,建立了在某瞬时状态下的弹性动力有限元方程.在此基础上计算得到了操作机结构系统的前六阶固有频率和固有振型.     

《CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING》(中国机械工程学报)2012年第25卷第2期目次、摘要

DOI:10.3901/CJME.2012.02.197重载锻造操作机机构型设计葛浩高峰(上海交通大学机械与振动国家重点实验室上海200240)摘要:重载锻造操作机的主要特征就是大的载荷输入和输出,这种大的输入和输出之间的关系将极大的影响锻造操作机的控制和可靠性,因此这种关系是重载操作装备机构设计的关键因素。针对输入和输出之间的关联关系,提出机构可约设计的方法,并用这种方法对重载锻造操作机进行了机构设计。首先对基于末端输出任务特征的模型设计方法的概念进行了定义和研究,同时从末端输出运动特征和驱动输入之间的关联关系入手,对机构型设计的原理进行了讨论。然后提出建立输出运动特征     

近恒力输出的锻造操作机夹持装置研究

为充分发挥锻造操作机的夹持能力,有效分析操作机夹持装置的结构特点,通过研究操作机夹持轴类零件和饼环类零件的典型应用工况,分析钳口销轴中心距对操作机所需夹持力的影响和操作机夹持装置应满足的条件,明确了操作机夹持装置近恒力输出的必要性。综合考虑夹持装置对操作机其他部件的影响,确定了夹持装置的整体结构。根据夹持装置的结构特点,研究夹持装置的传力比,分析夹持装置的关键参数和确定方法,阐述近恒力输出夹持装置的设计思路。根据近恒力输出夹持装置的研究思路,理论计算300 kN和600 kN操作机的近恒力夹持机构,对原机构和近恒力输出机构进行比较分析,确定了研究成果的可行性,为锻造操作机夹持装置的结构设计和理论研究提供了条件。     

锻造操作机相似模型逆动力学建模与非线性控制器设计

锻造操作机是自动化锻造作业当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了重要作用。为了提高锻造操作机的工作性能,针对某一型号的锻造操作机设计相似机构以便于开展试验研究。针对此相似机构,采用虚功原理方法建立其逆动力学模型。为减小机构动力学非线性对响应性能的影响,采用动力学前馈方法将钳杆按期望轨迹运动时所需的驱动力分配给各液压缸驱动单元,并以液压缸驱动单元位置动态性能的提高来改善钳杆的位姿跟踪性能。为此,考虑液压系统的非线性,利用反馈线性化方法将液压缸驱动单元转化为一个二阶线性系统,通过4个参数的设定来确定液压缸驱动单元的自然频率及阻尼比以及改善系统的动态响应过程。仿真结果表明了这种控制方法的有效性。     

3种锻造操作机主运动机构受力比较分析

首先分析了3种锻造操作机主运动机构的位置正解,然后利用传统的方法对3种锻造操作机主运动机构进行了受力分析,得到了升降缸驱动力和机架铰接处受力与升降缸输入位移之间的关系,并分析了锻件偏心距变化对3种锻造操作机主运动机构升降缸驱动力的影响。通过对上述结果的比较分析,其中一种新型锻造操作机主运动机构被选为实际应用中优先考虑的机构。     

自由锻造操作机冗余驱动系统的驱动力分配与协调

建立了自由锻造操作机提升系统冗余驱动机构的逆动力学模型,分析了运动协调、运动不协调、布置关节轴承协调运动3种工况下提升系统的驱动力分配情况.得到了3种工况驱动力分配与运动误差之间的关系,通过3种工况的对比分析了关节轴承的协调效果,并进一步分析了提升系统的自调特性.对现有操作机设计的合理性进行了分析,为今后新型操作机的设计打下了基础.     

锻造操作机液压系统设计与仿真

锻造操作机是核电、火电、轨道交通等重大装备制造的关键设备。针对锻造操作机高速、高精度以及可靠性的要求,对锻造操作机液压系统进行功能分析,在此基础上设计锻造操作机液压系统回路。锻造操作机液压控制系统包括夹持系统、提升俯仰系统、水平移动系统、缓冲系统、大车行走系统和夹钳旋转系统。采用平均流量法对液压泵站进行节能设计。在数学模型的基础上对液压系统的关键控制性能(快速性、准确性、起动性)和可靠性进行仿真分析研究。结果表明,通过对液压系统回路的合理设计,改善了液压系统的控制性能,提高了液压系统的可靠性,可为大流量液压系统的设计提供理论指导,实现锻造操作机的快速、精确、稳定、智能控制。     

操作机主运动机构的解耦性研究

巨型重载操作机是极限制造装备技术的重要体现,为了降低操作机的控制难度,研究3种常见锻造操作机主运动机构的解耦性问题。建立3种锻造操作机的运动学模型,并求解机构的速度输入—输出关系矩阵,发现在传统的输出参数定义下,3种操作机的输入始终处于耦合状态。根据实际工作状态重新定义输出参数,在此基础上提出一个新的解耦定义方法。分别单独求解每个动作下的速度的输入—输出关系矩阵,并且利用Matlab仿真验证,发现其中一种操作机的主运动机构是完全解耦的,而另外两种操作机属于部分解耦。从锻造操作机主运动机构的解耦过程来看,重新定义输出是一种直观的解耦方法,该方法为并联机构的解耦提供一种新思路。     

锻造操作机夹持机构优化设计

锻造操作机的发展水平是影响重大装备制造业发展的一个重要因素。而夹钳机构作为锻造操作机的重要组成部分,它设计的好坏直接影响到整个锻造操作机的使用性能。针对锻造操作机的夹钳机构进行研究,进行了夹持机构的钳口设计以及运动学和静力学分析,考虑传动角和结构设计等约束条件,以更优的力传递效率为目标,通过遗传算法对夹钳机构进行优化设计。设计结果表明,优化后的夹钳机构在满足性能需求的同时,力的传递效率显著提升,同时结构更加紧凑。     

关于一种无轨锻造操作机升降倾斜机构的优化分析

本文例举了一种锻造操作机升降倾斜机构,该机构尤其适用于无轨锻造操作机。对升降轨迹进行数学建模和运动仿真,得出升降过程中相关杆件的关系方程组。在工程设计上,给定一定杆件尺寸时,能计算出剩余杆件的长度和位置,在符合精度的条件下,保证升降过程中轨迹更接近于直线。通过多组参数分析对比,得出其精度控制规律。该分析结果对于锻造操作机的结构设计和优化具有指导意义。     

平行连杆式操作机悬挂系统刚度与阻尼参数研究

为合理设计操作机悬挂系统的缓冲装置以减小惯性冲击的影响,针对平行连杆式锻造操作机,简化了设备模型,分析了制动工况下悬挂系统各杆件的受力状态和运动规律,并利用牛顿-欧拉法综合各杆件的动力学分析,建立了悬挂系统在制动时的动力学模型,提出了缓冲装置刚度及阻尼参数确定的思路。以300kN锻造操作机为例,在MATLAB中求解操作机悬挂系统动力学微分方程,分析了缓冲刚度、阻尼对吊杆摆角、钳杆质心运动规律的影响。结果表明,利用牛顿-欧拉法建立模型确定缓冲刚度与阻尼参数的方法是可行的与合理的,从而为平行连杆式操作机悬挂系统缓冲装置的刚度与阻尼设计提供了理论依据。     

基于GF集的锻造操作机构型方法

为了发展新型锻造操作机,提出基于GF集的锻造操作机构型方法及其构型法则。阐述一种包含移动项和转动项且转动项转动轴线交于一点的特殊集合GF集的概念及构型特点;研究GF集中移动项对转动项转动轴线位置的影响,提出并证明了移动对转动轴线位置影响定理,基于此定理定义了GF集的求和与求交的运算法则;将锻造操作机要求实现的运动分解为由钳杆提升、俯仰和沿操作机前进方向的运动组成的主运动以及由操作机侧移和侧摆组成的次运动两部分,从这两部分的运动入手,采用GF集方法构造出一系列锻造操作机。从锻造操作机的构型过程来看GF集方法是一种直观的构型方法,该方法为锻造操作机构型提供了一种新思路。     

双锻造操作机大车行走系统控制方法探析

双锻造操作机配合压机联动完成大型高精长轴类锻件的锻造,可以有效提高锻造效率,提升锻件品质。针对双操作机夹持锻件同步行走控制难题,以燕山大学的两台20 kN锻造操作机为研究对象,综合考虑了吊挂系统、大车行走机械和液压系统的特点,搭建了双锻造操作机大车行走系统的数学模型。在此基础上,仿真研究了独立反馈位置同步控制方法、位置速度复合独立反馈同步控制方法和位置速度复合状态差值校正同步控制方法对双操作机大车行走系统控制特性的影响。仿真结果表明,对于动力性能差异较大的两台重载机械手,基于位置速度复合状态差值校正同步控制方法的控制效果最为理想,同时设定操作机A和操作机B的给定位移200 mm、加速度1000 mm/s2时,双操作机大车行走系统的动作响应时间为105 s,同步位置误差为［-0.28 mm,0.02 mm］。研究结果可为双锻造操作机控制提供技术支撑和理论指导,对于提升锻造产品质量和实现锻造生产线的智能控制具有重要意义。     

锻造操作机的可视化刚体动力学仿真

在分析锻造操作机工作原理的基础上,采用ADAMS软件平台,建立锻造操作机的可视化三维数字化模型.考虑锻造操作机自重和外负载影响,对操作机各个部件施加相应的约束和载荷,然后进行多刚体系统的动力学三维可视化仿真,得到了典型工况运动过程中操作机受力的变化情况,并对极限载荷情况进行分析.仿真结果为锻造操作机的零部件合理设计提供了参考依据.     

基于遗传算法对锻造操作机夹钳机构的优化

夹持机构是锻造操作机系统的关键部分,主要用于夹紧工件配合主机完成开坯、镦粗、拔长、精整等各种锻造工艺,因此对夹钳机构的优化对于提高锻造操作机工作能力具有很大帮助。基于遗传算法对夹钳机构各部分尺寸进行优化,通过使用MATLAB中GA工具箱和GUI界面得到各部分尺寸最优值,优化后的机构相对于原机构,在工作时所需要的液压缸拉紧力减小了。     

锻造操作机相似试验台设计和仿真

锻造操作机具有重载、大惯量、机构混联等特性,这对操作机的快速高精度控制提出了很高的要求.为了满足操作机的控制要求,各种控制方法被提出并通过仿真验证了可行性.但是,直接将这些控制方法应用到重载荷的操作机上是不恰当的.设计了一台机、电、液一体化的锻造操作机相似模型,该模型在尺寸、运动和受力特性上和作为原型的某锻造操作机相似.同时,还建立了该样机的ADAMS虚拟动力学模型,适用于控制方法的仿真和验证.