面向操作順應性的鍛造模擬器設計與評估方法研究.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，如大型鍛造操作機在提高鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)品質量、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)權的巨型重載操作裝備的核心技術，因此研制性能優(yōu)越的巨型重載操作裝備成為了一個重要的課題，其中如何對巨型重載操作裝備進行順應能力等性能的測試與標定也是一個亟待解決的問題。
　　在實際鍛造現(xiàn)場，鍛造操作機是配合大型壓機進行鍛造的裝備，主要任務是搬運、送進、翻轉

2、和夾持鍛件。當壓機鍛打工件時，操作機夾鉗需同時夾持工件，這時鍛件變形會對操作機產(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，因此鍛造操作機的順應性能力是指操作機有效吸收巨大載荷、減少界面受力與控制裝備受力的能力，如果鍛造操作機的順應策略不當將會造成夾鉗斷裂等事故。鍛造過程中鍛件在操作機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順應策略的主要因素，因此如何通過實驗裝置與方法還原復雜鍛造工況規(guī)律是進

3、行鍛造操作機順應性能測試所面臨的挑戰(zhàn)?；谝陨咸魬?zhàn)，本文的具體研究內容主要包括：
　　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，忽略了操作機的介入，實際中鍛件成形存在著操作約束，包括操作機的垂直順應和水平順應約束，因此大型鍛件成形過程中，除了鍛件本身內部變形-傳熱-微觀演變的多場耦合作用外，鍛件與操作機也存在復雜的交互作用。鍛造過程中鍛件在操作機夾鉗接觸界面處所表現(xiàn)出來的行為特征及動

4、態(tài)特性規(guī)律，既是鍛造工藝分析的新問題，也是進行工況模擬裝置設計的重要依據(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系進行了分析，獲取了不同順應約束條件下鍛件在操作機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，從而為設計鍛造工況模擬裝置與工況還原實驗提供了依據(jù)。
　　二、基于全局運動學性

5、能評價體系的鍛造工況模擬裝備構型設計
　　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)機構的運動學性能可以描述為工作空間內的運動學性能指標的數(shù)據(jù)集合，存在著全局范圍的分布不均、趨勢波動的問題，同時并聯(lián)機構的運動學評價指標眾多，因此建立系統(tǒng)的全局運動學評價體系，將有利于更加全面的分析評價裝備機構運動學性能，從而優(yōu)化裝備結構。本文基于正/逆運動學模型與速度雅可比矩陣，建立了包含運動傳遞能力與運動傳遞精度/敏感度的運動性能評價體系，

6、結合數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法提出了操作空間數(shù)據(jù)的分布評價向量，從而建立了全局運動學評價體系，并基于該評價體系對并聯(lián)機構的操作性能、靈巧度、誤差敏感度等運動學性能進行了優(yōu)化設計，獲得了構型運動學參數(shù)優(yōu)化域，同時也通過仿真驗證了全局評價向量的全面性與全局運動學性能評價體系的完整性。
　　三、基于全載荷靜力學評價體系的力承載性能優(yōu)化設計
　　在力位還原過程中，并聯(lián)機構的拓撲結構、位型、尺度參數(shù)共同決定了并聯(lián)機構的載荷承載能力，載荷承載性能除了

7、包含從內到外的力傳遞能力，還應包括實現(xiàn)外部載荷承載時內部載荷的力承載能力。力傳遞能力越大，則可獲得更大的機構末端載荷復現(xiàn)能力；而內部載荷承載分布越均勻，則會更加充分的發(fā)揮并聯(lián)機構各結構部件的材料性能。在構型設計階段建立考慮系統(tǒng)全載荷的并聯(lián)機構力承載性能評價體系，對于快速預估整機力還原能力與力承載情況有著重要的指導意義。本文基于并聯(lián)機構剛體靜力學模型，結合并聯(lián)機構受載特點，提出了全載荷力雅可比矩陣，基于全局分布評價向量建立了考慮系統(tǒng)全載荷

8、的并聯(lián)機構力承載性能評價體系，從而評價了系統(tǒng)從內至外的力傳遞能力與外載荷作用下的內載荷承載能力，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構力承載性能設計優(yōu)化方法。
　　四、基于能量分布的鍛造工況模擬裝置剛度評價與匹配
　　力位還原過程中機構靜剛度是保證運動還原的精度與支撐載荷承載的能力的重要基礎，剛度性能不僅與并聯(lián)機構的拓撲結構、位型有關，同時與機構的尺度參數(shù)、截面參數(shù)、質量、材料性能等相關，末端剛度的設計過程

9、實際為內部各構件剛度、機構尺度參數(shù)、物理參數(shù)的匹配設計過程。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)剛度性能評價指標體系，形成考慮載荷分布、勢能均布與末端剛度的機構剛度性能匹配設計優(yōu)化方法，獲得剛度參數(shù)優(yōu)化域；最終通過多目標優(yōu)化，獲得了運動學、靜力學、剛度的協(xié)調優(yōu)化域，建立系統(tǒng)的并聯(lián)機構剛度性能匹配設計方法與評價體系，對于快速設計與預估整機靜剛度性能有著重要的指導意義。<

10、br>　　五、鍛造工況模擬實驗平臺與順應性實驗驗證
　　聚焦鍛造工況還原模擬技術的應用，以操作機順應性為核心，基于運動學、靜力學、剛度性能的參數(shù)匹配與優(yōu)化結果，構建了基于力位控制系統(tǒng)與組態(tài)王監(jiān)控技術的鍛造工況模擬實驗平臺，進行了鍛造操作機的順應性性能實驗，驗證了操作機的順應性能與鍛造工況模擬器的力學與剛度模型，最終獲得了鍛造操作機順應策略，為巨型重載操作裝備力承載能力、順應能力等性能的測試與標定提供平臺支持，也為其它載荷與運動模擬

11、領域的裝置設計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，提出了可進行力/位還原的二自由度 FORGE并聯(lián)機構，建立了包含運動傳遞能力與運動傳遞精度/敏感度的機構全局運動性能評價體系，形成了考慮系統(tǒng)內外全局載荷的力承載性能評價方法，基于勢能均布原則與期望末端剛度形成了剛度匹配設計準則與全局剛度評價指標，從而進一步對鍛造工況模擬器的機構構件剛度、機構尺度參數(shù)、物理參數(shù)等進行了匹配設計與優(yōu)化，建立了鍛造工況模