面向操作順應(yīng)性的鍛造模擬器設(shè)計(jì)與評估方法研究.pdf

1、隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，大型裝備特別是巨型重載操作裝備所表現(xiàn)出來的重要性越來越明顯，如大型鍛造操作機(jī)在提高鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率方面效果明顯，但我國卻還沒有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的巨型重載操作裝備的核心技術(shù)，因此研制性能優(yōu)越的巨型重載操作裝備成為了一個(gè)重要的課題，其中如何對巨型重載操作裝備進(jìn)行順應(yīng)能力等性能的測試與標(biāo)定也是一個(gè)亟待解決的問題。
　　在實(shí)際鍛造現(xiàn)場，鍛造操作機(jī)是配合大型壓機(jī)進(jìn)行鍛造的裝備，主要任務(wù)是搬運(yùn)、送進(jìn)、翻轉(zhuǎn)

2、和夾持鍛件。當(dāng)壓機(jī)鍛打工件時(shí)，操作機(jī)夾鉗需同時(shí)夾持工件，這時(shí)鍛件變形會(huì)對操作機(jī)產(chǎn)生瞬間上百噸的變形抗力，鍛件變形抗力表現(xiàn)為峰值高、有突變的特點(diǎn)，因此鍛造操作機(jī)的順應(yīng)性能力是指操作機(jī)有效吸收巨大載荷、減少界面受力與控制裝備受力的能力，如果鍛造操作機(jī)的順應(yīng)策略不當(dāng)將會(huì)造成夾鉗斷裂等事故。鍛造過程中鍛件在操作機(jī)夾鉗接觸界面處所表現(xiàn)出來的行為特征及力位特性規(guī)律是影響鍛造操作機(jī)順應(yīng)策略的主要因素，因此如何通過實(shí)驗(yàn)裝置與方法還原復(fù)雜鍛造工況規(guī)律是進(jìn)

3、行鍛造操作機(jī)順應(yīng)性能測試所面臨的挑戰(zhàn)?；谝陨咸魬?zhàn)，本文的具體研究內(nèi)容主要包括：
　　一、典型鍛造工藝的工況行為特征與規(guī)律研究
　　傳統(tǒng)的數(shù)值模擬只考慮鍛造工藝系統(tǒng)本身，忽略了操作機(jī)的介入，實(shí)際中鍛件成形存在著操作約束，包括操作機(jī)的垂直順應(yīng)和水平順應(yīng)約束，因此大型鍛件成形過程中，除了鍛件本身內(nèi)部變形-傳熱-微觀演變的多場耦合作用外，鍛件與操作機(jī)也存在復(fù)雜的交互作用。鍛造過程中鍛件在操作機(jī)夾鉗接觸界面處所表現(xiàn)出來的行為特征及動(dòng)

4、態(tài)特性規(guī)律，既是鍛造工藝分析的新問題，也是進(jìn)行工況模擬裝置設(shè)計(jì)的重要依據(jù)與鍛造工況還原的根本前提。本文針對高溫鍛件典型鍛造工藝過程，基于熱力耦合剛粘塑性有限元法，對鍛造工藝系統(tǒng)主要約束變參量與操作裝備夾鉗界面處抗力載荷的映射關(guān)系進(jìn)行了分析，獲取了不同順應(yīng)約束條件下鍛件在操作機(jī)夾鉗接觸界面處的載荷特征，建立了鍛造工況等效阻抗模型，獲得了鍛造工況的模擬特性，從而為設(shè)計(jì)鍛造工況模擬裝置與工況還原實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。
　　二、基于全局運(yùn)動(dòng)學(xué)性

5、能評價(jià)體系的鍛造工況模擬裝備構(gòu)型設(shè)計(jì)
　　針對模擬工況特征提出了一種二自由度并聯(lián)裝備，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能可以描述為工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)集合，存在著全局范圍的分布不均、趨勢波動(dòng)的問題，同時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)評價(jià)指標(biāo)眾多，因此建立系統(tǒng)的全局運(yùn)動(dòng)學(xué)評價(jià)體系，將有利于更加全面的分析評價(jià)裝備機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，從而優(yōu)化裝備結(jié)構(gòu)。本文基于正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與速度雅可比矩陣，建立了包含運(yùn)動(dòng)傳遞能力與運(yùn)動(dòng)傳遞精度/敏感度的運(yùn)動(dòng)性能評價(jià)體系，

6、結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法提出了操作空間數(shù)據(jù)的分布評價(jià)向量，從而建立了全局運(yùn)動(dòng)學(xué)評價(jià)體系，并基于該評價(jià)體系對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的操作性能、靈巧度、誤差敏感度等運(yùn)動(dòng)學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了構(gòu)型運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)優(yōu)化域，同時(shí)也通過仿真驗(yàn)證了全局評價(jià)向量的全面性與全局運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評價(jià)體系的完整性。
　　三、基于全載荷靜力學(xué)評價(jià)體系的力承載性能優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　在力位還原過程中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、位型、尺度參數(shù)共同決定了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的載荷承載能力，載荷承載性能除了

7、包含從內(nèi)到外的力傳遞能力，還應(yīng)包括實(shí)現(xiàn)外部載荷承載時(shí)內(nèi)部載荷的力承載能力。力傳遞能力越大，則可獲得更大的機(jī)構(gòu)末端載荷復(fù)現(xiàn)能力；而內(nèi)部載荷承載分布越均勻，則會(huì)更加充分的發(fā)揮并聯(lián)機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)部件的材料性能。在構(gòu)型設(shè)計(jì)階段建立考慮系統(tǒng)全載荷的并聯(lián)機(jī)構(gòu)力承載性能評價(jià)體系，對于快速預(yù)估整機(jī)力還原能力與力承載情況有著重要的指導(dǎo)意義。本文基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛體靜力學(xué)模型，結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)受載特點(diǎn)，提出了全載荷力雅可比矩陣，基于全局分布評價(jià)向量建立了考慮系統(tǒng)全載荷

8、的并聯(lián)機(jī)構(gòu)力承載性能評價(jià)體系，從而評價(jià)了系統(tǒng)從內(nèi)至外的力傳遞能力與外載荷作用下的內(nèi)載荷承載能力，獲得了靜力承載性能參數(shù)優(yōu)化域，形成了考慮全載荷分布的機(jī)構(gòu)力承載性能設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。
　　四、基于能量分布的鍛造工況模擬裝置剛度評價(jià)與匹配
　　力位還原過程中機(jī)構(gòu)靜剛度是保證運(yùn)動(dòng)還原的精度與支撐載荷承載的能力的重要基礎(chǔ)，剛度性能不僅與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、位型有關(guān)，同時(shí)與機(jī)構(gòu)的尺度參數(shù)、截面參數(shù)、質(zhì)量、材料性能等相關(guān)，末端剛度的設(shè)計(jì)過程

9、實(shí)際為內(nèi)部各構(gòu)件剛度、機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)、物理參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)過程。本文基于虛功原理與線性疊加原理建立了鍛造工況模擬裝備剛度模型；基于系統(tǒng)彈性勢能分布特征與剛度矩陣建立了系統(tǒng)剛度性能評價(jià)指標(biāo)體系，形成考慮載荷分布、勢能均布與末端剛度的機(jī)構(gòu)剛度性能匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，獲得剛度參數(shù)優(yōu)化域；最終通過多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、剛度的協(xié)調(diào)優(yōu)化域，建立系統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度性能匹配設(shè)計(jì)方法與評價(jià)體系，對于快速設(shè)計(jì)與預(yù)估整機(jī)靜剛度性能有著重要的指導(dǎo)意義。<

10、br>　　五、鍛造工況模擬實(shí)驗(yàn)平臺與順應(yīng)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　聚焦鍛造工況還原模擬技術(shù)的應(yīng)用，以操作機(jī)順應(yīng)性為核心，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、剛度性能的參數(shù)匹配與優(yōu)化結(jié)果，構(gòu)建了基于力位控制系統(tǒng)與組態(tài)王監(jiān)控技術(shù)的鍛造工況模擬實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了鍛造操作機(jī)的順應(yīng)性性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了操作機(jī)的順應(yīng)性能與鍛造工況模擬器的力學(xué)與剛度模型，最終獲得了鍛造操作機(jī)順應(yīng)策略，為巨型重載操作裝備力承載能力、順應(yīng)能力等性能的測試與標(biāo)定提供平臺支持，也為其它載荷與運(yùn)動(dòng)模擬

11、領(lǐng)域的裝置設(shè)計(jì)提供方法與原理參考。
　　綜上所述，本文基于鍛造工藝工況行為特征模型，提出了可進(jìn)行力/位還原的二自由度 FORGE并聯(lián)機(jī)構(gòu)，建立了包含運(yùn)動(dòng)傳遞能力與運(yùn)動(dòng)傳遞精度/敏感度的機(jī)構(gòu)全局運(yùn)動(dòng)性能評價(jià)體系，形成了考慮系統(tǒng)內(nèi)外全局載荷的力承載性能評價(jià)方法，基于勢能均布原則與期望末端剛度形成了剛度匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與全局剛度評價(jià)指標(biāo)，從而進(jìn)一步對鍛造工況模擬器的機(jī)構(gòu)構(gòu)件剛度、機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)、物理參數(shù)等進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)與優(yōu)化，建立了鍛造工況模