锻造操作机凭借其安全、高精度、能够降低劳动强度等优势得到了快速发展, 是制造业中实现锻造机械化和产业化必不可少的辅助设备[1 -2] , 同时, 我国《十四五机器人产业发展规划》明确指出, 将重点发展具有高端化、智能化特点的机械手。锻造操作机作为实现锻造机械化和自动化的重要设备[3] , 其夹持机构在工作过程中面临高温高压、粉尘及冲击等恶劣工况的挑战, 容易导致其发生失效, 因此, 开展锻造操作机夹持部分的优化设计研究, 对于提升其使用寿命和操作机的整体性能具有重要意义。

      目前, 针对锻造操作机钳口的夹持力多数考虑下垂偏角为0 ~4°的理论模型, 对夹持力进行了研究与设计[4] 。刘艳研等[5] 建立了钳口的夹持力分析模型, 提出钳口与工件摩擦因数、钳口长度和钳口夹持销轴中心距是确定夹持力的关键因素。李玮等[6] 利用NXNastran 建立夹持机构有限元模型, 分析了多种不同夹持力夹持最重负载的工况, 给出最优夹持力。杨晋[7] 等提出了基于被夹持工件在允许下垂偏转状态下的钳口受力模型, 求解在满足工件下垂偏转条件时钳口对工件的最小稳定夹持力。

      基于夹持力理论模型, 为提升锻造操作机的各项性能, 许多学者围绕操作机优化设计进行了深入研究。Yundou Xu 等[8] 提出了一种混联式并联锻造操作机, 基于位置方程对机械手的主运动机构进行了尺寸优化。Kang Chen 等[9] 提出了一种新型的气缸驱动锻造机械手, 通过结合使用MATLAB 中的遗传算法(GA)和GUI 界面, 实现了特定尺寸的机构优化。Xu Yundou 等[10] 基于有限元理论和KED(Kineto - Elastodynamic)分析建立了各子机构的弹性动力学模型, 采用Newmark逐步积分方法对新型机械手进行了优化设计。Deshi Liu 等[11] 建立了机械手系统的多体动力学模型, 采用非支配排序遗传算法II(NSGAII)对弹性系统参数进行了多目标优化。王小亮等[12] 利用SolidWorks 软件中智能尺寸的标注功能, 对夹持机构之间的几何关系进行约束, 应用几何法实现了近恒力夹持机构的结构设计。陈柯杰等[13] 介绍了锻造操作机常用液压缓冲装置的结构特点和缓冲原理, 并且基于遗传算法对缓冲装置中蓄能器的初始充气容积和初始充气压力进行了优化。孙文杰等[14] 提出了锻造操作机的受力性能设计方法, 并基于多目标遗传算法NSGAII 对操作机的主运动机构进行了尺寸优化设计。袁航等[15] 进行了夹持机构的运动学和静力学分析, 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了优化设计。陈康等[16] 基于遗传算法对夹钳机构各部分尺寸进行了优化, 并利用MATLAB 中GA工具箱和GUI 界面得到各部分尺寸最优值, 优化后的机构相较于原机构, 所需的液压缸拉紧力减小。

      锻造操作机夹持力下垂偏角为0 ~4°的理论模型, 因角度范围较大导致夹持力存在一定设计偏差, 故基于精准化下垂偏角的力学模型研究非常重要。本文以夹持某型号锻造操作机为研究对象, 结合工程经验对角度进行了精准化测量, 建立了夹持机构下垂偏角为1°的模型, 利用图形学对夹持力模型进行了推导, 采用基于DesignExploration 模块的多目标优化算法, 将下垂偏角状态下力学模型与有限元仿真结合进行了优化设计。根据工程经验, 选取钳口上端厚度、侧面高度、接触圆弧半径作为自变量, 钳口重量最小为输出变量, 设计变量取值范围为约束条件, 给出最优模型并验证其合理性, 确定最佳的钳口优化方案。

1夹持机构分析

1. 1　夹持机构

     锻造操作机的夹持机构是稳定抓取工件的关键执行部件[17] , 其结构如图1所示, 主要包括钳口、钳臂、钳头壳、连扳和钳架体等组成部分。其中, 钳口作为与工件直接接触的核心零件, 对操作机的整体性能、成本控制及重量优化具有重要影响。

     传统理论夹持力分析模型只考虑了工件在水平状态下的夹持力, 如图2(a)所示, 这样计算出的理论夹持力不准确也与实际工况不符。针对传统夹持力模型, 提出了一种基于精准化下垂偏角的夹持力模型, 如图2(b)。通过建立夹持机构的理论模型, 针对工件处于水平状态和下垂偏转状态两种工况进行受力分析和计算。

1. 2　水平状态的夹持力模型

    当钳口处于水平位置且工件保持水平时, 锻件的受力情况如图3所示。F1N 、F2N为钳口对锻件产生的正压力, 此力方向垂直于接触点的切线。F1f 、F2f为锻件和钳口之间产生沿接触点切线向下的摩擦力和向上的摩擦力。R1、R2为正压力与摩擦力的合力, 其水平方向分力为R1x 、R2x , 垂直方向分力为R1y 、R2y。

    总夹紧力FJS满足:

    式中: L0为工件重心至钳口销轴距离, m; Ly 取值为Lq/2, 其中Lq为钳口长度, m; G 为工件重力N; α 为钳口夹角的一半, (°); β 为摩擦角,β=arctanμ, 其中μ为钳口与锻件之间的摩擦因数。

    当钳口处于垂直位置且工件保持水平时, 锻件的受力情况如图4 所示。图中F1、F2是钳口对锻件的正压力, F1x 、F1y是F1的水平分力和垂直分力, F2x、F2y是F2的水平分力和垂直分力。

    当锻件转过角度φ 时, 锻件与钳口之间产生摩擦力F1f 、F2f 。摩擦力与支反力形成合力R1、R2共同作用抵消锻件产生的转矩, 使锻件和钳口处于平衡状态。

    上下钳口的总夹持力FJC为

     式中: R1y 、R2y—正压力与摩擦力的合力在垂直方向的分力; L0 为工件重心至钳口销轴距离,m; H为上下钳口销轴中心的距离, m; β′为当量摩擦角,; φ 为锻件下坠转动角度, 可取φ =0~4°。

     当工件直径范围在400~3 200 mm, 重量为250t 时, 分别计算工件在水平和垂直状态下的夹持力, 结果如表1 所示。

1.3　下垂偏角状态的夹持力模型

     传统理论夹持力分析模型在计算夹持力时分析了两个特殊位置。当钳口处于垂直位置时, 没有考虑摩擦圆半径对夹持力的影响; 而在钳口处于水平位置时, 忽略了锻件的下垂偏转, 将锻件视为水平计算所需夹持力。锻造操作机在工作过程中, 允许工件出现一定的下垂偏转角φ, 通常下垂偏角控制在0~4°[18] 。因此, 考虑这一工况特性, 建立了下垂偏角状态夹持模型, 如图5所示。

     当钳口处于水平位置时, 受力分析如图6所示, 总夹持力满足:

      当钳口处于垂直位置时, 受力分析如图7所示, 总夹持力满足:

      式中: R1、R2分别为正压力与摩擦力的合力,N; TG为工件因自重产生的转矩, N·m; H 为钳口销轴到中心线距离, m; r 为摩擦圆半径, m。

   

     根据实际工程经验, 实际测量出工件的下垂偏转角为1°, 结合图形学对角度进行了精准化研究, 如图8 所示, 其中L0′= L0 ×cosφ。

      分别计算工件在水平和垂直状态下的夹持力, 结果如表2 所示。

1. 4　任意角度的最小稳定夹持力模型

    当钳口旋转任意角度θ 时, 夹持力满足:

    对式(5)求导, 可得到一个极大值, 锻件在旋转一周过程中钳口的最大夹持力[19] , 即锻造操作机钳口对工件的最小稳定夹持力为

2有限元数值模型 

2. 1　模型结构

    以某型号锻造操作机的钳口为例, 工件的直径为400mm 和3200mm, 重量为250 t, 符合锻造操作机公称载重和夹持力矩要求。由于在下垂偏角为0°状态下夹持力处于极限工况, 将工件处于水平状态下的夹持力模型应用于有限元数值计算中。

     钳口在操作过程中需夹持高温工件, 因此对材料的强度及耐高温性能有较高要求。选用35CrMo合金钢作为钳口材料, 选用45钢作为工件及压盖材料。材料性能如表3 所示。

2. 2　有限元模型建立

    根据钳口的结构特性及工作特点, 利用SoildWorks 软件完成钳口的参数化实体建模, 为了便于有限元静力分析, 对钳口模型进行了简化处理, 简化后的夹持模型如图9所示。

      在夹持机构中, 钳口通过销轴与钳臂连接,夹持力通过钳臂传递至钳口, 使用上下压盖替代钳臂, 并根据钳口与钳臂的实际接触及受力情况, 将钳臂力施加在钳口的接触圆弧处, 因此,在压盖上添加两个分型面, 宽度与钳口的接触圆弧相同, 以此分型面施加载荷及约束。

2. 3　相互作用及边界条件

     根据锻造操作机在夹持锻件时的状态及钳口在实际工况下的受力情况, 将下压块下表面施加完全约束, 上压块两个侧面的X、Z 方向进行限制位移约束。在上压块上表面的两个分型面上添加均布力, 大小为总夹持力的1/4, 夹持力取工件处于水平状态(下垂偏角为0°)的工况, 而钳口与锻件, 钳口与压盖之间的接触均为摩擦接触, 摩擦因数设为0.3。由于锻件重量250 t, 简化模型后需要在加载时, 在工件截面上设置一个向下, 即Y方向的力, 大小为2500 kN 的远端载荷, 由于这个截面不是模型的终止面, 在此面上施加无摩擦约束。

2. 4　网格划分

    在Workbench 软件中钳口网格尺寸调整为50 mm, 网格节点数为550461, 网格单元数为368724。

2. 5　仿真结果分析

    根据建立的钳口夹持模型, 分别对夹持不同工件时钳口处于垂直位置和水平位置进行仿真计算, 有限元分析结果如图10 所示。

     图10 为钳口在不同工况下夹持饼料和棒料工件的应力分布情况。其中, 图10(a)是钳口在夹持饼料工件且处于垂直位置时, 最大等效应力为129. 49 MPa, 出现在下钳口与工件接触位置。图10(b)为钳口夹持饼料工件且处于水平位置的应力云图, 最大等效应力为199. 47 MPa, 出现在右钳口与工件接触位置。图10(c)钳口夹持棒料工件且处于垂直位置的应力云图, 最大等效应力为289. 93 MPa, 出现在下钳口与工件接触位置。图10(d)为钳口夹持棒料工件且处于水平位置的应力分布图, 最大等效应力为184. 21 MPa,出现在左钳口与工件接触位置。出现应力集中的原因可能是当钳口开始夹持时, 钳口与工件的接触为线接触, 工件很容易在接触点处产生塑性变形, 在夹持稳定状态时, 工件发生了下垂, 因此, 钳口的最大应力主要集中在钳口与工件接触的棱边处。

      通过对钳口在不同工况下夹持棒料和饼料的仿真结果进行对比分析, 发现钳口在夹持棒料工件且处于垂直工况时, 最大等效应力为289.93MPa。这表明在垂直状态下, 钳口所承受的应力最为显著, 尤其是在夹持小直径工件时, 由于所需夹持力较大, 故钳口受力比夹持大直径工件时大, 验证了夹持力的理论分析。

      根据有限元分析结果, 对原模型的上下钳口与工件接触面位置进行应力集中分析。应力曲线按如图11方向取得。

     当工件直径为3200 mm 时, 钳口在水平位置及垂直位置的应力分布如图12 所示, 在钳口前端, 水平和垂直位置均出现了应力集中现象,这主要是由于在夹持稳定状态时, 工件发生了下垂, 致使钳口与工件在钳口棱边处产生应力集中。当处于钳口后端时, 两者应力均呈下降趋势, 且有一定波动。

     当工件直径为400 mm 时, 钳口在水平和垂直位置的应力分布如图13 所示, 结果表明, 在钳口前端, 水平和垂直位置均出现了应力集中现象, 随着距离的增加, 两者的应力均呈现出逐渐下降趋势, 然而, 在钳口后端, 两者再次出现应力集中。该现象可能是由于工件细长且重量大(长为4m, 直径为400mm, 重量为250t), 导致其产生较大的倾覆力矩, 从而使钳口后端出现应力集中。因此, 夹持较长尺寸工件, 不建议重量过大, 否则容易引起工件损坏。

     结合钳口在水平和垂直位置夹持不同直径的工件时的应力分布情况, 钳口在夹持小直径工件且处于垂直工况时, 最大等效应力为289.93MPa, 钳口所承受的应力最为显著, 故选择钳口在夹持小直径工件并处于垂直位置时, 钳口的应力满足强度要求, 对钳口结构参数进行优化, 以达到轻量化目的。

3钳口结构多目标优化设计

     采用ANSYS Workbench 有限元计算及目标优化模块功能, 对钳口进行多目标优化设计。为简化设计过程, 优化的尺寸尽可能采用直接特征驱动尺寸, 这样可以避免复杂和繁琐的尺寸方程式建立, 从而降低错误几率[20] 。图14为钳口基于Design Exploration 模块的多目标优化流程。

     在钳口的目标驱动优化中, 依据实际工程经验, 设计参数如图15所示, 分别是钳口上端厚度DP1、侧面高度DP2、接触圆弧半径DP3, 设置安全系数为1.5, 以钳口的最大等效应力不超过材料安全系数的许用强度为前提, 减小钳口重量为优化目标, 设置钳口的最大等效应力值和重量为输出参数, 对钳口进行优化。

 

3. 1　钳口上端厚度优化

    由于钳口尺寸限制, 将钳口上端厚度的取值设为400 ~710 mm 之间, 侧面高度以及接触圆弧半径设为定量。经过计算并对结果进行验证, 得到钳口上端厚度重量、等效应力, 如图16 所示, 根据设定的目标函数, 在满足约束条件下, 选择重量最轻。

     由图16可知, 随着钳口上端厚度的增加,重量呈现逐渐上升的趋势, 等效应力呈现逐渐下降的趋势, 当钳口上端厚度取400mm 时, 质量最小为4 866 kg, 最大等效应力为343.11 MPa,在材料35CrMo 屈服强度范围之内, 故钳口上端厚度最优取值为400 mm。

3. 2　钳口侧面高度优化

     由于钳口尺寸限制, 故将侧面高度的取值定为350 ~600 mm 之间, 钳口上端厚度以及接触圆弧半径设为定量。经过计算并对结果进行验证, 得到钳口侧面高度重量、等效应力结果图,如图17 所示。

     由图17可知, 随着钳口侧面高度的增加,重量呈现直线上升的趋势, 等效应力呈现先上升、下降、继续上升的趋势, 当钳口侧面高度取350 mm 时, 重量最小为5 079.6 kg, 最大等效应力为301.25 MPa, 在材料35CrMo 屈服强度范围之内, 故钳口侧面高度最优取值为350 mm。

3. 3　钳口接触圆弧半径优化

     由于钳口尺寸限制, 将接触圆弧半径的取值定为248 ~ 472 mm 之间, 钳口上端厚度及侧面高度设为定量。经过计算并对结果进行验证, 得到钳口接触圆弧半径重量、等效应力, 如图18所示。

     图18 中, 随着接触圆弧半径的增加, 重量呈现直线下降的趋势, 等效应力呈现上升的趋势, 当接触圆弧半径取472 mm 时, 重量最小为5 147.4 kg, 最大等效应力为357.52 MPa, 在材料35CrMo 屈服强度范围之内, 故钳口接触圆弧半径最优取值为472 mm。

3. 4　三个参数同时优化

     根据参数单独优化结果, 可得出每个参数变化随重量和应力的变化趋势, 但这样得出的重量减小量不准确, 将三个参数结合同时优化, 得到优化数据如表4 所示。

    通过对九组数据的对比分析, 得出第二组数据, 即钳口上端厚度为477.5mm、侧面高度为487.5 mm、接触圆弧半径为460.8 mm 时, 钳口的重量最小为4 636.2 kg, 符合要求。

4优化结果分析

     优化后钳口三个关键尺寸变化如表5 所示。

     根据建立的钳口优化模型(钳口上端厚度为477.5 mm、侧面高度为487.5 mm、接触圆弧半径为259.2mm), 对夹持小直径工件时钳口处于垂直位置进行仿真计算。仿真结果如图19 所示,图(a)为上钳口等效应力图, 图(b)为下钳口等效应力图。

     优化后钳口处于垂直位置时, 上下钳口最大等效应力分别为385.03 MPa 和377.29 MPa。钳口最大等效应力均在材料屈服极限之内, 钳口不会发生破坏。

     优化前钳口重量为5594.9 kg, 优化后重量为4636.2 kg, 与原模型相比, 优化后钳口的重量减小17%, 减少了加工成本, 缩短加工周期,同时可以减轻作业人员的安装劳动强度, 大大降低安装作业风险。

5结论

     为实现锻造操作机夹持机构钳口的轻量化设计, 将下垂偏角理论模型与有限元仿真进行结合, 提出一种基于Design Exploration 模块的多目标优化方案, 对钳口进行了优化设计。