基于ADAMS的双工位全自动钢管端面铣头倒棱机自动送料机构的优化设计

郑燕武，柴晓艳，李 震，贺凯悦

（1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384）

0 前言

钢管产业是我国重要的经济产业，我国对钢管的市场需求极大［1］，随着西气东输管线、中俄管线等重要管线建设工程的逐步启动，钢管的产量也与日俱增。双工位全自动钢管端面铣头倒棱机广泛应用在钢管生产中，是不可或缺的重要设备。其工作内容是对钢管进行平头、倒棱、去毛刺等，优点是可以同时加工两根钢管，提高了工作效率，解决了成本问题。其中钢管全自动送料机构是双工位全自动钢管端面铣头倒棱机的主要构成部分［2］。本文利用 ADAMS／View软件，建立了钢管全自动送料机构的模型，并对其进行参数化设定。利用该软件中的参数化表达式、参数化坐标、运动参数化、使用设计变量等功能对全自动送料机构进行优化设计前处理，对升降机构和推进机构处液压缸的功率、最大推进力以及平均推进力做优化分析，最终得到结构最优化的全自动送料机构［3］。

1 自动送料机构的工作过程

钢管端面铣头倒棱机主要由自动送料机构、铣头加工机构和夹紧机构三大部分构成。双工位钢管端面铣头倒棱机可以同时加工两根钢管，因此具有较高的生产效率。其中全自动送料机构由升降机构和推进机构两大部分构成，采用多杆机构的形式，通过液压驱动把加工工件送至工作位置，同时把工作位置已经加工好的工件送出。采用步进控制方式，其步进停顿的时间就是工件被加工所需的时间。

图1为全自动送料机构简图。杆A、C和F为摆杆，杆D、G为活塞杆，杆H为V型块（滑块），承载钢管。杆B、E为连杆。T表示钢管。M、N表示液压缸。摆杆A、C是平行布置且长度相等，与连杆B以及机架组成了平行四边形机构，工作时活塞杆D首先伸出，摆杆A、C随其左右摆动，同时带动连杆B水平升降。因此杆A、B、C、D和机架以及液压缸M组成升降机构。滑块H装配在连杆B上，连杆B分为前后对称的两个杆件，杆件之间装有滚子，滑块H被滚子支撑于连杆B上，可进行水平移动。摆杆F会随着活塞杆G的伸缩而左右摆动，通过连杆E带动滑块H沿着连杆B水平移动。杆E、F、G、滑块H、和机架以及液压缸N组成推进机构。

工作时，首先液压缸M工作，活塞杆D被驱动伸出，带动摆杆A、C向右摆动，从而支起连杆B和滑块H；当运动到一定距离后，V型槽接触钢管T并将其托起；然后继续上升运动，直到摆杆A、C垂直；活塞杆D被接近开关控制停止伸出运动，至此第一行程运动结束。然后活塞杆G被液压缸N驱动发生缩进运动，摆杆F受力向右摆动；滑块H和钢管T通过连杆E的作用做水平运动，其运动方向为右，运动距离是一个步进的位置。由于双工位步进的距离是两钢管之间距离的二倍，所以该距离为650×2＝1300 mm（如图1所示）。水平运动完成后由接近开关控制停止运动，至此第二行程运动结束。之后活塞杆D被液压缸M驱动做收缩运动，摆杆A、C跟随向左摆动，连杆B和滑块H及其上钢管T开始下降，当下降到一定距离后铣头加工机构的V型槽托住钢管，钢管与机构分离；机构继续下降至回到初始位置后停止运动，同时铣头加工机构开始对钢管端面进行加工。至此第三行程运动结束［4］。最后，活塞杆G被液压缸N驱动做反向运动，带动平移机构回到初始位置，完成最后一个行程运动。此时，全自动送料机构等待下一周期的输送运动。

图1 全自动送料机构简图

2 升降机构的优化设计

2.1 优化目标

运用ADAMS／View软件建立升降机构模型，如图2所示。由于要考虑机构升降过程中的运动学和动力学分析，因此要保证机构上升到指定位置时停止运动，即当摆杆A、C达到垂直位置时停止运动。为了达到仿真运动与实际运行相一致，采用了ADAMS中的传感器功能，当检测到摆杆C与水平方向夹角大于等于90°时，停止仿真运动。在进行动力学仿真时，建立一个推进力测量，即为液压缸M的输出力，得到该力随时间变化的曲线，如图3所示。从图中可以看出，当滑块H接触并开始托起钢管的一瞬间，液压缸的输出力发生突变且为最大值，在托起钢管的过程中液压缸的输出力是变化的。因此通过优化升降机构各铰链和液压缸的安装位置，使得液压缸M的最大推进力最小，实现降低能耗的目的，这就是升降机构的优化目标。

图2 升降机构ADAMS模型

图3 液压缸M的推进力测量曲线

2.2 参数化建模

根据优化目标，需要对机构杆件处的铰链点进行参数化，得到七个参数化点、十五个主要设计变量，这些点和变量所在的位置如图4所示。在建立模型时对摆杆A、C都建立为均匀杆件。实际上摆杆A、C是不均匀的，本文在建立升降机构模型时，把摆杆A、C的重心位置添加到机构模型中，是参数化点12、13，因为ADAMS在进行优化时，只与杆件的重心位置和重量有关，而与杆件的结构无关。参数化点的选取原则必须保证其坐标与构件位置的一致性［5］。

图4 升降机构参数化几何图形

首先设P2点的坐标为（x2，0）。活塞杆杆D的初始安装角度设为θ。因为该角度会受到点P2、P6位置的影响，且活塞杆D的长度在任意方向上的变化也会影响该角度。根据图4的几何关系，得

根据图4可以看出当x6－x2＜0时，活塞杆D的方向就发生了变化，此时

所以在参数化表达式中需要判断x6－x2的正负，决定θ的正确表达式。此时就需要建立设计变量Z，利用返回最大值函数和符号函数定义：

当x6－x2≥0时，返回值为180；当x6－x2＜0时，返回值为－180。其中，MAX是返回最大值函数，当SIGN函数返回180时，MAX返回180；当SIGN函数返回－180时，MAX函数返回0。因此，θ的ADAMS参数化表达式为y6

摆杆C的角度设为ρ，当x6发生变化时，为了使点P6始终在摆杆C上，y6必须随之变化。根据图4的几何关系，得

由于升降机构的上升高度是一定的，如图中的L2。因此当横坐标P9发生变化时，摆杆C的角度ρ也会随之发生变化。设摆杆C的长度为L，根据图4得几何关系，得

即

然后设P8点的坐标为（x8，y8），设P1点的横坐标为x1。将这两个点参数化设计是为了改变杆件的长度。因为摆杆A、C和连杆B以及机架组成了平行四边形，所以当机构杆件的长度发生变化时，应该保证同时有两个一样的增量。因此得到：Δx9＝Δx8，Δy9＝Δy8［6］。同时，x8的变化还要考虑由于y8的变化所引起。考虑的方法与P9相同。根据图4的几何关系，得

点 P12（x12，y12）和点 P13（x13，y13）分别是摆杆A、C的重心位置，是为了确定杆件重心变化而设置的参数化点。y12必定会随x12的变化而变化，因为必须保证点P12始终在杆A上。根据图4的几何关系，得

同理可得

至此，升降机构的参数化建模工作完成。

2.3 优化分析

优化分析主要由三大部分组成：确定优化参数、确定优化参数的取值范围、优化分析和计算。

（1）确定优化参数。通过对以上各参数化点和设计变量的分析，得到设计变量x2、x6、y8、x1是自变量，剩余的设计变量是因变量。利用ADAMS／View对四个自变量进行优化分析，测量它们在初始值处的敏感度。系统在仿真分析时，会自动的生成研究报告，得到其灵敏度见表1。通过表1可以得到，灵敏度较高的设计变量是x2、x6、y8，而x1的灵敏较低。为了更机直观的分析x1对升降机构优化分析的影响，将其值增加10%，即升降机构在x方向上杆长增加10%，此时液压缸M的输出力变化仅为0.77%，这准确的说明设计变量x1对机构优化分析的影响较小，可以舍去。从而得到升降机构的优化参数为x2、x6和 y8。

表1 升降机构自变量灵敏度分析结果

（2）确定优化参数的取值范围。为了保证最优化设计的合理性、正确性以及严谨性，需要在优化分析时设定设计变量的变化范围。首先，根据实际生产要求，点P2的横坐标x2变化范围应在x1（点P1的横坐标）和 x6（点 P6的横坐标）之间。为了提高优化的效率，需要缩小设计变量x2的取值范围，通过实验研究最终其取值范围设定为（2630，2900）。然后，根据实际生产要求，点P6的横坐标x6变化范围是x9（P9点的横坐标）到摆杆C最小端且不能处于其最下端；而且不论其如何变化都必须保持在摆杆C上。最终通过实验研究确定其取值范围是（x9，3200）。最后，设计变量y8是升降机构在Y方向上的杆长增量，为了保证整个机构以及与之配套的设备整体变化在合理的范围，该增量值不能太大，因此变量y8的变化范围设定在10%之内。

（3）优化计算和分析。升降机构的参数化分析工作完成以后，即可对其进行优化计算与分析。首先在Build菜单下选择Display，然后选择测量Joint15的合力。在Simulation－Design Evaluation－Measure下选择最大值，在优化目标下选择最小值，输入待优化的设计变量x2、x6、y8，进行优化分析，得到最大力变化曲线如图5所示。同理可以对液压缸M处的Motion1进行功率的优化，得到最大功率变化曲线如图6所示。

图5 Joint15处最大力变化曲线

图6 Motion 1处最大功率变化曲线

从设计研究报告中可以看出，优化后各个设计变量的取值、活塞杆D的最大力值、平均力值和液压缸M输出的最大功率值，还可以看到优化前的各数据，这些数据见表2。从表2可以看出，各个优化结果都非常明显。x2增加了1.62%，x6减少了8.1%，它们的改变只影响铰链的位置，并不改变杆件的长度。y8使杆件在Y方向上减少了24.476mm，即减少了1.04%。整体的优化效果就是活塞杆D的最大力值减少了55.6%，平均力值减少了43.5%，液压缸M的最大输出功率减少了56.8%。在设计研究报告中可以发现关键摆杆A、C的重心位置没有变化，从而验证了优化后，x2、x6的变化并没有改变杆件的尺寸。

表2 升降机构优化结果

3 推进机构的优化设计

3.1 优化目标

运用ADAMS／View软件建立推进机构模型，如图7所示。建立对液压缸N推进力的测量，然后对机构进行动力学仿真，得到其测量力随时间的变化曲线，如图8所示。从图中可以看出，当推进机构刚开始拉动钢管的一瞬间，液压缸N的输出力为最大，后续的推进力是变化的。因此，通过优化推进机构各铰链和液压缸N的安装位置，使得液压缸N的最大推进力最小，实现降低能耗的目的，这就是推进机构的优化目标。

图7 推进机构ADAMS模型

图8 液压缸N的推进力曲线

3.2 参数化建模

根据优化目标，对推进机构模型的铰链点进行参数化，得到了4个参数化点、8个设计变量，如图9所示。参数化点的选取原则必须保证其坐标与构件位置的一致性，即如果参数化点发生变化，那么与其有关的杆件尺寸也会随之变化。推进机构与升降机构的坐标原点是同一点。

图9 推进机构参数化几何图形

首先设P5点的纵坐标为y5。把P7的横、纵坐标分别设为x7、y7。这三个设计变量的变化将直接影响点P7处节点力的大小。根据图9的几何关系，得

然后将活塞杆G的角度设为α，α会随着点P5、P7的变化而变化。根据图10的几何关系得

即

最后，将P14的横、纵坐标设为x14、y14。该点是摆杆F的重心位置，是为了确定杆件重心变化而设置的参数化点。当x14发生变化时，y14必须随之改变，变化结果是使点P14始终在F上。根据图9的几何关系，得

至此，完成了推进机构的参数化建模。

3.3 优化分析

推进机构的优化意义和升降机构相同，其优化原理以及手段均相同。但是，这两个机构在参数化建模和优化设计分析上均有所不同。

（1）确定优化参数。通过对以上各参数化点和设计变量的分析，可知y5、x7、x11、y11是自变量，其余的设计变量是因变量。利用ADAMS／View对自变量进行优化分析，测得其在初始位置处的灵敏度，见表3。

表3 推进机构自变量灵敏度分析结果

从表3中可以看出：自变量y5的灵敏度最低、自变量x7的灵敏度最高。但是，从设计研究报告中看出在y5的变化范围内，液压缸N的输出力变化范围在4 359.8～2 679.2 N，因此y5对液压缸输出力的影响不能忽略，故不能舍去。

（2）确定优化范围。自变量y5变化范围应在0～918。由于P7始终落在摆杆F上，所以自变量x7最大值应小于x11，其最小值不能过小，否则推进机构将无法完成推进工作，最终确定x7的优化范围为6200～x11。自变量x11、y11是摆杆F的端点，变化会影响摆杆的长度，如果变化过小就不能满足推进要求，如果变化过大则会影响整体机构的尺寸，因此其变化范围定为10%，且x11的最小值要大于x7。

（3）优化计算和分析 。推进机构的优化步骤与升降机构相同，这里就不一一叙述。优化后，分别得到液压缸N处最大力变化曲线及其motion 2的最大功率变化曲线，如图10、11所示。

图10 Joint6处最大力变化曲线

图11 Motion 2处最大功率变化曲线

从设计研究报告中可以看出，优化后各个设计变量、活塞杆G处的最大力值、平均力值和液压缸N输出的最大功率值，还可以看到优化前后的各数据，见表4。从表4可以清晰的看出各个优化数据。变化较为明显是y5，x7变化不多，这两个设计变量的变化只改变铰链的位置，杆件的长度不收影响；x11、y11也发生变化，这两个设计变量改变摆杆F的长度，由于其变化不大，因此杆件长度变化在合理范围。总之，整体的优化效果非常明显，活塞杆G的最大力值减少了12.2%，平均力值减少了29.4%，液压缸N的最大输出功率减少了37.9%。在设计研究中找到摆杆F的重心位置没有发生变化。这是由于摆杆F的长度发生变化，且其上连接铰链位置也发生变化，从而导致摆杆重心位置没有变化。

表4 推进机构优化结果

4 结论

本文利用ADAMS软件对双工位全自动钢管端面铣头倒棱机送料机构进行了建模仿真，运用参数化分析手段对送料机构的两部分模型进行了优化设计，得到了机构工作时铰链的最佳位置，通过重心的添加和优化，更加贴近实际机构的运用，更好的保证了优化设计结果的可靠性。优化后的最大升降力减少了55.6%，平均升降力减少43.5%，最大推进力减少12.2%，平均推进力减少29.4%，同时升降机构的最大功率减少56.8%，推进机构的功率减少37.9%。目前已将这一优化成果应用在生产线上。

［1］ 陈宝林.我国建设直缝埋弧焊管机组的前景［J］.钢管，2000，29（02）：5－9.

［2］ 余小巧.全自动钢管端面铣头机自动送料的优化设计［D］.天津：天津理工大学，2011：2－4.

［3］ 顾智春.全自动钢管平头倒棱机组的研究［D］.辽宁：东北大学，2009.

［4］ 张显峰.Ф610全自动钢管端面铣头倒棱机夹紧机构的优化设计［D］.天津：天津理工大学，2012：4－7.

［5］ 范云霄，牟波.基于ADAMS的八连杆压力机的优化设计［J］.机械制造与自动化，2014，43（02）：105－107.

［6］ 柴晓艳，余小巧.Φ406钢管端面铣头倒棱机自动送料机构的优化设计［J］.重型机械，2010（06）：41－46.