基于A(yíng)DAMS的重載操作機的動(dòng)力學(xué)仿真

第8卷第3期中國工程機械學(xué)報Vol 8 No. 32010年9月CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERYsep.2010基于 ADAMS的重載操作機的動(dòng)力學(xué)仿真李剛,宋三靈,張凱(大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧大連116023)摘要:通過(guò)對鍛造操作機工作原理的分析基于虛擬樣機技術(shù)在 ADAMS軟件中建立了重載操作機整機系統的虛擬樣機,對操作機進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析得出典型工況下操作機的受力情況曲線(xiàn)考慮了驅動(dòng)力大小、大慣量構件、柔性體構件以及附加傾覆力矩等因素對操作機性能的影響,為設計操作機的結構設計提供了理論及數據依據關(guān)鍵詞:鍛造操作機;剛柔耦合; ADAMS;動(dòng)力學(xué)仿真中圖分類(lèi)號:TH16;0313.7文獻標識碼:A文章編號:1672-5581(2010)03-0264-05ADAMS-based dynamical simulation on heavy-duty manipulatorsLI Gang, SONG Sanling, Zhang Kai(School of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)Abstract: By analyzing the working principles of forging manipulators, a virtual prototyping heavy-dutymanipulator system is developed using ADAMSTM. Upon completion of dynamical analysis, the manipulatorloading curve is obtained under typical working conditions. with consideration ofinertia components, flexible parts and additional overturn moments, this approach provides a theoreticaland numerical basis on manipulator structural designKey words: forging manipulator; rigid-flexible coupling: ADAMS, dynamical simulation巨型重載操作裝備是制造產(chǎn)業(yè)鏈中的基礎裝備,具有載荷大、慣量大、自由度多、多維力位操控能力強等特點(diǎn)2.操作裝備與加工裝備協(xié)調作業(yè)可以大大提高制造能力制造精度、生產(chǎn)效率和材料利用率降低能耗我國核電、火電、化工、造船航空航天等產(chǎn)業(yè)對極端條件下的節能、節材制造技術(shù)以及巨型重載裝備提出了迫切需求研究巨型重載操作裝備的基礎科學(xué)問(wèn)題旨在揭示極端載荷條件下多自由度操作裝備的力學(xué)行為與動(dòng)態(tài)響應規律.其應用不限于制造行業(yè)也可為采礦、交通建筑港口機械等重載操作裝備設計與制造提供科學(xué)技術(shù)支撐巨型重載操作裝備制造成本高,設計與制造周期長(cháng),通常采用單臺制造模式,因此無(wú)法通過(guò)物理樣機實(shí)驗對其操作性能進(jìn)行分析和驗證高效、高保真的模擬仿真技術(shù)成為重載操作裝備設計、性能評估與優(yōu)化的重要支撐技術(shù)利用虛擬產(chǎn)品模型,在產(chǎn)品實(shí)際制造之前對產(chǎn)品的性能行為、功能進(jìn)行分析和評估從而對設計方案進(jìn)行評估和優(yōu)化,達到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(. ADAMS是廣泛使用的多體系統仿真分析軟件,其建模仿真的精度和可靠性在所有的動(dòng)力學(xué)分析軟件中名列前茅它的分析對象主要是多剛體,也可以實(shí)現柔性體運動(dòng)仿真分析,以更真實(shí)地模擬機構動(dòng)作時(shí)的動(dòng)態(tài)行為及構件振動(dòng)情況本文在確定鍛造操作機的基本結構形式后,對鍛造操作機的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析主要研究包括典型工況下操作機的受力情況,考慮了驅動(dòng)力大小、大慣量中國煤化工頑覆力矩等因素對操作機性能的影響本文在確定鍛造操作機的基本結構形HCNMHG的動(dòng)態(tài)仿真和論基金項日:國家自然科學(xué)基金資助項目(2006cB705403)作者簡(jiǎn)介:李剛(1966-),男教授工學(xué)博士,E-mail,;ligang@dlut.edu.cn3李剛,等:基于 ADAMS的重載操作機的動(dòng)力學(xué)仿真證,計算不同工況時(shí)操作機機構在剛體運動(dòng)過(guò)程中主要構件的受力狀況,以此作為構件設計的基礎1鍛造操作機模型鍛造操作機的主要運動(dòng)包括鉗桿上下傾斜、上下平移、左右傾斜、左右平移,以及鉗桿旋轉、鉗口開(kāi)閉大車(chē)行走等6。這里以?shī)A鉗上下平移、大車(chē)后退伴隨夾鉗向上平移兩種運動(dòng)工況為例進(jìn)行說(shuō)明,平行連桿式操作機機構簡(jiǎn)圖如圖1所示構件OOn中間的液壓缸為上升平移液壓缸,當其伸長(cháng)時(shí),能間接地推動(dòng)鉗桿O3O10平穩上升;O1O2O1O為前推臂,其一外伸出端鉸接在機架上;O2O3為吊桿,由兩部分組成,上吊桿懸掛在前推臂上,下吊桿用來(lái)懸吊鉗桿;O7O1中間的液壓缸為緩沖缸,當鉗桿向上平移時(shí),緩沖缸起緩沖作用,使鉗口能豎直上升;O5O6O3為后推臂,其外部伸出端鉸接在機架上;OO13為連桿,連接前推臂和后推臂;O6O10為上下擺動(dòng)液壓缸,能實(shí)現鉗桿的上下擺動(dòng)∮后推臂后搖臂前搖臂前推臂水平違桿前吊桿后吊桿液壓缸OO液壓缸銷(xiāo)桿Q6水平緩沖缸垂直緩沖缸夾鉗圖1平行連桿式鍛造操作機機構簡(jiǎn)圖圖2量載操作機虛擬樣機模型Fig 1 Simplified diagram of parallel link manipulatorig 2 Virtual prototype of heavy-duty manipulator2重載操作機的剛體動(dòng)態(tài)特性分析2.1夾鉗上下平移運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真鍛造操作機的上下平移運動(dòng)是通過(guò)豎直緩沖缸(圖1中O8On以及其對稱(chēng)的缸)驅動(dòng)來(lái)實(shí)現的.其中緩沖缸和上下擺動(dòng)液壓缸無(wú)相對伸縮變化假定夾鉗夾持了一個(gè)長(cháng)4m,半徑為07m的圓柱形鍛件,如圖2所示進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,得出以下三方面結論(1)加速度對樣機動(dòng)力學(xué)性能的影響:給豎直緩沖缸施加驅動(dòng)使其能夠豎向提升,圖3和圖4分別顯示了在給定三種不同的加速度的情況下8號(圖1所示的前搖臂和豎直提升缸連接處O1)旋轉鉸的角速度和約束反力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)表1給出了角速度和約束反力的具體數值由圖3,4和表1可見(jiàn),加速度越大,8號旋轉鉸的角速度越大且約束反力的峰值越大1.8l4E--10a=0.5m.s-20.120.240360480600720840.961.080.100.260.420580.740.90106中國煤化工圖38號鉸在三種不同加速度情況下角速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)CNMHG下的約束Fig 3 Angular velocity-time curve of jointFig 4 Force-time curve of joint 8 in three cases8 in three cases中國工程機械學(xué)報第8卷(2)運動(dòng)副的所受的約束反力對樣機的位形表18號鉸角速度和約束反力峰值的敏感度:如圖5所示,8,15,19號鉸分別對應為T(mén)ab 1 Angular velocity and force of joint 8圖1所示O1,O9,O2三處運動(dòng)副,0.3s以后曲加速度a/(m·s-2)0.51.02.0線(xiàn)近似于水平直線(xiàn),可以說(shuō)明經(jīng)過(guò)了加速階段以仿真時(shí)間t/s后,當操作機豎直方向上有較大位移時(shí)各運動(dòng)副8號鉸角速度峰值a/(rad·s-1)22.040.376.6所受約束反力的變化不大,即運動(dòng)副所受約束反8號餃約束反力峰值F/MN1.3571.4441.618力對樣機位形不敏感(3)大慣量構件(連桿活動(dòng)臂等)對樣機動(dòng)力學(xué)性能的影響:如圖1所示,O1O2O1O(前搖臂)和O5O6O3(后搖臂)為大慣量構件.為考慮大慣量構件對操作機的影響針對兩種情況進(jìn)行對比:①活動(dòng)臂的質(zhì)心平移到水平軸與對稱(chēng)平面相交的圓心處即y方向轉動(dòng)慣量lw=0,意味著(zhù)不考慮大慣量的影響;②質(zhì)量均勻分布在大慣量構件上,即考慮大慣量因素,I>0.給定兩種加速度函數,對上述兩種情況進(jìn)行對比圖6中通過(guò)曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)3的對比以及曲線(xiàn)2和曲線(xiàn)4的對比可知,當采用同樣的加速度時(shí),考慮轉動(dòng)慣量的影響使15號旋轉鉸的約束反力比較大通過(guò)曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2對比以及曲線(xiàn)3和曲線(xiàn)4對比可知加速度越大,旋轉鉸的約束反力越大此結論驗證了(1)的結論此外,曲線(xiàn)2和曲線(xiàn)4峰值的差值與曲線(xiàn)4峰值的比值為(1.742MN-1.568MN)/1.568MN=11.1%,曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)3峰值的差值與曲線(xiàn)3峰值的比值為(1794MN-1.617MN)/1.617MN=10.9%,結果說(shuō)明隨著(zhù)加速度的增大,轉動(dòng)慣量對操作機動(dòng)力學(xué)性能的影響變小孟18至z4Ra=025ms2,l=0岱0.6a0.50ms2,l=0a=0.50ms2,ly>00.2---a=025ms2,ly>0.080.200.320440.560.680.800921.040.120240.360480600720840961.08t/s圖58,15,19三處運動(dòng)副約束反力圖圖615號鉸在不同加速度下,考慮轉動(dòng)慣量與Fig 5 Force-time curve of joint 8, 15, 19不考慮轉動(dòng)慣量運動(dòng)副的約束反力Fig 6 Rotation inertia effect on force underdifferent acceleration of joint 15夾鉗向上平移運動(dòng)伴隨大車(chē)后退的動(dòng)力學(xué)仿真研究附加傾覆力矩的影響是為了防止操作機產(chǎn)生傾覆失穩如圖7所示,加速度對附加傾覆力矩的影響成近似的線(xiàn)性關(guān)系,即加速度越大,附加傾覆力矩越大,易產(chǎn)生傾覆失穩在水平上升和大車(chē)后退二者加速度大小可比(近似相等)的時(shí)候豎直提升加速度對傾覆力矩的影響要大于大車(chē)后退加速度的影響,即當二者加速度大小相仿時(shí),豎直提升的曲線(xiàn)斜率要大于大車(chē)后退的曲線(xiàn)斜率3重載操作機的剛柔耦合動(dòng)態(tài)特性分析以上的動(dòng)力學(xué)分析模型,構件都假設為剛體,忽略彈性下結構受力后會(huì )有一定的變形和位移變化,產(chǎn)生振動(dòng)ADA中國煤化加減速的情況實(shí)現柔性體運動(dòng)仿真分析以彈性體代替剛體可以更真實(shí)地模擬出機構動(dòng)作CNMH是賦予柔性體個(gè)模態(tài)集采用模態(tài)展開(kāi)法用模態(tài)向量和模態(tài)坐標的線(xiàn)性組合來(lái)表示彈性位移通過(guò)計算每一時(shí)刻物體的彈性位移來(lái)描述其變形運動(dòng)第3期李剛等:基于 ADAMS的承載操作機的動(dòng)力學(xué)仿真本文把前搖臂和后搖臂之間的連桿考慮為柔性構件并設定連桿的10,13,15階模態(tài)為有效模態(tài),首先利用E02ANSYS進(jìn)行對連桿進(jìn)行有限元離散,生成模態(tài)文件.在A(yíng)DAMS I中導入包含了柔性件的質(zhì)量質(zhì)心轉動(dòng)慣量、頻裂率振型以及對載荷的參數因子等信息的文件將模型中原有的剛體件上的運動(dòng)副修改在柔性件上,使柔性件與模意814型上的其他構件連接起來(lái)同時(shí)刪除無(wú)效的剛性件這樣4035可以使模型保持原有的自由度,從而實(shí)現剛柔耦合構件的仿真運算.剛柔耦合仿真與剛體仿真有以下幾點(diǎn)不同之大車(chē)后退加速度/(ms處:①求解器不同剛體仿真用剛體仿真求解器剛柔耦合仿真用剛柔耦合仿真求解器②剛柔耦合分析中要考慮柔圖7夾鉗提升加速度和大車(chē)后退加速度對性構件各階模態(tài)的影響,而剛體仿真不需要③同樣的仿附加傾覆力矩的影響Fig 7 Additional overturning torque-upgrading真時(shí)間與步長(cháng),剛柔耦合仿真消耗的實(shí)際時(shí)間要遠多于剛nd backward acceleration curve體仿真④給定同樣的運動(dòng)函數,操作機在剛柔耦合仿真過(guò)程中出現了較明顯的振顫現象給定明確的工況來(lái)研究柔性體對操作機動(dòng)力特性的影響:設定豎直緩沖缸的提升加速度函數,給出豎直緩沖缸上端與前搖臂相連接處(8號旋轉鉸)的角加速度約束反力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)由圖8可見(jiàn),剛柔耦合仿真的8號鉸的角加速度在仿真過(guò)程中圍繞剛體仿真曲線(xiàn)上下振蕩.由圖9可見(jiàn)剛柔耦合仿真中8號運動(dòng)副的約束反力也發(fā)生了明顯的振蕩把2個(gè)構件同時(shí)考慮成柔體后,振蕩程度變大通過(guò)剛柔耦合仿真分析,可以得到更為準確的操作機動(dòng)力特性剛體仿真剛體仿真桿為柔體連桿為柔體鉗臂為柔體連桿和鉗臂為柔體03091.5212733394.55.10.180300.420.540660.780901.02圖88號旋轉鉸的角加速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖98號旋轉鉸的約束反力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig 8 Angular acceleration-time curve of joint 8Fig 9 Force-time curve of joint 84結論(1)根據實(shí)際使用工況施加約束和載荷,建立了鍛造操作機在 ADAMS環(huán)境中的三維可視化動(dòng)力學(xué)仿真模型,為動(dòng)力學(xué)分析提供了模型基礎(2)通過(guò)添加載荷和不同的液壓缸驅動(dòng),對鍛造操作機整機虛擬樣機模型進(jìn)行剛體動(dòng)態(tài)性能的仿真分析,分析了加速度對運動(dòng)副約束反力的影響運動(dòng)副對樣機位形的敏感度,考慮了大慣量構件以及附加傾覆力矩的影響,得到了鍛造操作機典型工況的動(dòng)態(tài)性能仿真結果(3)通過(guò)分析操作機夾鉗上下平移運動(dòng)的工況,對比了剛體模型和剛柔耦合模型的動(dòng)力學(xué)特性通過(guò)可視化的動(dòng)力學(xué)仿真,得到了直接指導鍛造操作機的設計參力學(xué)仿直的基礎上,可以進(jìn)一步進(jìn)行結構的詳細設計,并為動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計奠定基礎中國煤化工CNMHG參考文獻:[1]任云鵬,張天俠鍛造操作機的可視化剛體動(dòng)力學(xué)仿真[中國工程機械學(xué)報,2008,6(2):127-132中國工程機械學(xué)報第8卷REN Yunpeng, ZHANG Tianxia. Rigid-dynamics-based visualized simulation on forging manipulators[J]. Chinese Journal of ConstructionMachinery,2008,6(2):127-132.2]王風(fēng)喜大鍛件生產(chǎn)行業(yè)與鍛造技術(shù)發(fā)展[門(mén)鍛壓機械,2002,37(4):326-327WANG Fengxi. Large forgings industry development of forging technique[ ]. Metal Forming Machinery, 2002,37(4): 326-327.[3] LILLY K W, MELLIGERIAS. Dynamic simulation and neural network compliance control of an intelligent forging center [J]. Joftelligent and Robotic Systems, 1996, 17(1): 81[4]吳文悌應申舜,虛擬樣機技術(shù)在氣動(dòng)連桿機構設計中的應用研究[門(mén)]機床與液壓,2006,34(12):84-86WU Wenti, YING Shenshun Virtual prototyping in design of pneumatic linkage]. Machine Tool and Hydraulics, 2006, 34(12),84-86[5]郝云堂,金燁虛擬樣機技術(shù)及其在 ADAMS中的實(shí)踐D].機械設計與制造,2003(3):16-HAO Yuntang, JIN Ye Virtual prototype technology and its practice on ADAMs] Machinery Design& Manufacture, 2003(3):16-18[6] SCHUBERT P, FED K Forging manipulator]. United States Patent, 1989(1):18-21[7] SHEFFIELD R Forging manipulator[J]. United States Patent, 1972(10)778-828]WERNER E, BURGER R Manipulator for forging machines, for example multiple-ram forging machines: US Patent, 5218855[P].1993·下期部分文章摘要預報于MEMs器件的360絕對式轉角儀研發(fā)烏建中,張珍,朱蓮萍在分析MEMS雙軸加速度計的旋轉角度測量原理的基礎上,設計了基于A(yíng)DISIO6209的轉角儀,并介紹了其軟硬件實(shí)現.通過(guò)把移動(dòng)平均濾波與限幅濾波二種方法組合的復合數字濾波這種傳感信號處理方法提高了測量的精度.與傳統的旋轉角度測量方案相雙,所研發(fā)的轉角儀具有很高的精度、靈敏度、響應速度和性?xún)r(jià)比,實(shí)驗結果及現場(chǎng)應用證明了它在大范圍旋轉角度測量中的可行性和優(yōu)越性中國煤化工CNMHG