聶 磊,熊禾根,陳超勇,李公法
NIE Lei, XIONG He-gen, CHEN Chao-yong, LI Gong-fa
(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,武漢 430081)
高溫退火是冷軋取向硅鋼制造過(guò)程中必不可少的工序之一,其目的是使得鋼卷在氫氣保護(hù)下經(jīng)過(guò)高達(dá)1200℃高溫退火并形成硅酸鎂底層。高溫退火過(guò)程中,鋼卷層間間隙變大,對(duì)于芯部有鋼套筒支撐的鋼卷來(lái)說(shuō),鋼套筒會(huì)對(duì)鋼卷熱變形造成阻礙,從而導(dǎo)致靠近鋼套筒的帶鋼產(chǎn)生缺陷,如帶鋼粘粘或硅酸鎂底層生成不良,在后續(xù)的平整拉伸退火工序中,一個(gè)16~18噸的取向硅鋼鋼卷開(kāi)卷后的切廢量通常為300公斤左右,嚴(yán)重影響鋼卷的成材率。為此,很多企業(yè)嘗試取消薄壁鋼套筒,采用無(wú)芯鋼卷。然而,無(wú)芯鋼卷經(jīng)過(guò)高溫退火后,由于缺少鋼套筒支撐,鋼卷芯部會(huì)產(chǎn)生變形,且鋼卷層間間隙變大,鋼卷坍塌[1],芯部會(huì)變形成趨于橢圓,致使無(wú)法通過(guò)鋼卷小車(chē)將變形的鋼卷套上開(kāi)卷機(jī)。因此,必須通過(guò)抱圓器將鋼卷芯部整圓,以使之順利套上開(kāi)卷機(jī),進(jìn)行后續(xù)的平整拉伸退火工序。
企業(yè)當(dāng)前采用的抱圓器通常為一種依靠人力的手動(dòng)式抱圓器,其抱圓機(jī)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)構(gòu)為一個(gè)五桿機(jī)構(gòu),包含四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)高副。其中的移動(dòng)副由絲桿驅(qū)動(dòng),絲桿依靠人力通過(guò)扳手轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的不足之處有:依靠人力驅(qū)動(dòng),操作費(fèi)力,勞動(dòng)高強(qiáng)度大,效率低下;需要兩側(cè)交互調(diào)整,同步性和整圓效果欠佳?;诖吮尘?,本文設(shè)計(jì)了一種依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)、可雙側(cè)同步整圓的抱圓機(jī)構(gòu),并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺度綜合和優(yōu)化,虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的可行性。
圖1 手動(dòng)式抱圓器機(jī)構(gòu)示意圖
高溫退火后的鋼卷因?yàn)閷娱g間隙變大和坍塌,通常會(huì)變成一個(gè)近似橢圓。整圓工序需達(dá)到的效果為將橢圓鋼卷整成圓形。為此,需要在橢圓的長(zhǎng)軸方向施加整圓力,以使長(zhǎng)軸變短,短軸邊長(zhǎng),基于工程上對(duì)工藝的實(shí)際要求,整圓完成后,長(zhǎng)短軸的長(zhǎng)度誤差應(yīng)控制在±8mm。顯然,整圓力施加于長(zhǎng)軸端點(diǎn)處時(shí),將具有更好的整圓效率和效果。當(dāng)鋼卷放置于抱圓器承載板上時(shí),鋼卷底部位置(相當(dāng)于短軸一個(gè)端點(diǎn)位置)是固定不動(dòng)的,因此,在逐步整圓過(guò)程中,橢圓的長(zhǎng)軸位置是不斷變化的,其端點(diǎn)位置也隨著不斷變化,因此,抱圓機(jī)構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件施力點(diǎn)的軌跡也應(yīng)作相應(yīng)變化。以直徑1850mm鋼卷為例,基于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況和經(jīng)驗(yàn),設(shè)退火變形后鋼卷最大橢圓度30%考慮,即長(zhǎng)半軸為1025mm,短半軸750mm,以此為整圓起始位置,直至將鋼卷整成圓形,即半徑925mm。整個(gè)整圓過(guò)程中,長(zhǎng)軸端點(diǎn)的變化軌跡如圖2所示。以長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度每縮短25mm為間隔,軌跡上五個(gè)整圓理想點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示。即希望C點(diǎn)的軌跡盡可能精確地通過(guò)以下各點(diǎn):C1(1025,750)、C2(1000,794)、C3(975,837)、C4(950,881)、C5(925,925)
表1 整圓軌跡理想點(diǎn)坐標(biāo)
為達(dá)到較好的整圓效果,在功能上,抱圓機(jī)構(gòu)需要能夠在橢圓的長(zhǎng)軸方向兩側(cè)施加整圓力[2],且執(zhí)行構(gòu)件的施力點(diǎn)應(yīng)盡量接近理想點(diǎn);在性能上,由于整圓所需力較大,抱圓機(jī)構(gòu)需要較好的增力性能和動(dòng)力性能。
由圖2可知,整圓的理想軌跡為一平面曲線(xiàn)??紤]到機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境和鋼卷的支撐結(jié)構(gòu),并借鑒人力手動(dòng)式抱圓器機(jī)構(gòu)的有效性,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)仍考慮采用平面連桿機(jī)構(gòu),仍選用絲桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的絲母作為原動(dòng)構(gòu)件,但絲桿采用至于鋼卷支撐結(jié)構(gòu)下方的傳動(dòng)系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。考慮到不同鋼卷退火后的橢圓度不僅相同,為使機(jī)構(gòu)具有一定的可調(diào)性能,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)二自由度九桿機(jī)構(gòu)[3,4],兩個(gè)相同機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)布置與鋼卷兩側(cè),如圖2所示(圖中為畫(huà)出驅(qū)動(dòng)絲桿的傳動(dòng)系統(tǒng)部分)。
在該九桿機(jī)構(gòu)中,C點(diǎn)為整圓施力點(diǎn),絲母(相當(dāng)于滑塊)F和G為兩個(gè)原動(dòng)件,整圓力主要由原動(dòng)件F提供,原動(dòng)件G一方面其協(xié)調(diào)作用,使C點(diǎn)的軌跡通過(guò)或盡量接近理想整圓點(diǎn),一方面可用于根據(jù)鋼卷橢圓度的不同通過(guò)適當(dāng)控制其調(diào)整作用。對(duì)該九桿機(jī)構(gòu)分析可知,該機(jī)構(gòu)相當(dāng)于三個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成:導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)FEA、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD和雙滑塊機(jī)構(gòu)DG。功能方面,由于在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD中D點(diǎn)的位置是可變的,因此C點(diǎn)可靈活地實(shí)現(xiàn)所需軌跡;性能方面,兩個(gè)絲桿驅(qū)動(dòng)具有較好的增力性能,且在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的共用構(gòu)件AB上,以A點(diǎn)作為矩心,EA和AB的合理尺寸可使得著力于點(diǎn)E的驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生類(lèi)似于杠桿的增力性能。因此,從功能和性能兩方面分析,該機(jī)構(gòu)均是合理可行的。
圖2 抱圓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖
連桿機(jī)構(gòu)的尺寸確定方法總體可分為圖解法和解析法[5]。圖解法簡(jiǎn)單直觀,但通常只能用于求解幾類(lèi)特定的較簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)尺寸;解析法具有更好的通用性,可利用編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,可通過(guò)采用合適的算法實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)化。賀磊等采用解析法對(duì)一種翻轉(zhuǎn)式生活垃圾裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺度優(yōu)化[6],馮立艷等采用連桿曲線(xiàn)的電子圖譜庫(kù),對(duì)實(shí)現(xiàn)期望軌跡的平面連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合問(wèn)題進(jìn)行了研究[7],建立機(jī)構(gòu)的幾何位置關(guān)系后,利用MATLAB進(jìn)行編程,并借助于ADAMS進(jìn)行仿真,也是機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和優(yōu)化的一種有效和常用方法,各類(lèi)智能算法在機(jī)構(gòu)優(yōu)化中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用[8~10]。
研究中所設(shè)計(jì)抱圓機(jī)構(gòu)為九桿機(jī)構(gòu),構(gòu)件數(shù)量多,幾何參數(shù)多,且為雙自由度機(jī)構(gòu),尺寸設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有較大難度。為此,在求解策略上,采用分解和分治的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化;在技術(shù)方法上,部分幾何參數(shù)基于結(jié)構(gòu)總體尺寸及安裝空間等作常量處理,其他幾何參數(shù)綜合圖解法和解析法進(jìn)行尺寸確定與優(yōu)化。
為便于機(jī)構(gòu)的尺度綜合與優(yōu)化,建立機(jī)構(gòu)的位置坐標(biāo)系如圖3所示,原點(diǎn)取在鋼卷與承載板接觸點(diǎn)?;诳傮w尺寸及安裝空間等需求及約束,取滑塊F中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)為(320.45,-465),滑塊G中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)為(440.96,-150);基于絲桿驅(qū)動(dòng)的前置傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果,取滑塊F的水平速度為38.8mm/s。機(jī)構(gòu)其他參數(shù)確定的總體步驟如下:步驟1:由于四桿機(jī)構(gòu)ABCD中D點(diǎn)位置是可變的,為使機(jī)構(gòu)具有較好的動(dòng)力性能,以C點(diǎn)精確通過(guò)五個(gè)理想軌跡點(diǎn)為約束,AB桿對(duì)BC桿驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)角最大為目標(biāo),優(yōu)化A點(diǎn)的坐標(biāo)、AB桿的長(zhǎng)度及BC桿的長(zhǎng)度;
步驟2:考慮到滑塊D與鋼卷支撐結(jié)構(gòu)不發(fā)生干涉,以及BC對(duì)CD桿的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)角滿(mǎn)足要求,確定CD桿的長(zhǎng)度和滑塊D導(dǎo)軌的方位角的初始值;
步驟3:為使滑塊G的運(yùn)動(dòng)特性簡(jiǎn)單,且簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的控制,滑塊G仍考慮為勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由于滑塊G做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),雙滑塊機(jī)構(gòu)DG所產(chǎn)生的D點(diǎn)軌跡不一定能保證C點(diǎn)整圓過(guò)程中通過(guò)軌跡理想點(diǎn),為此,C點(diǎn)實(shí)際軌跡與理想軌跡點(diǎn)總誤差最小化為目標(biāo),以滑塊G的速度和DG長(zhǎng)度為決策變量,對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度優(yōu)化;
步驟4:若優(yōu)化后C點(diǎn)的軌跡總誤差仍較大而無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求,調(diào)整“步驟2”中CD桿長(zhǎng)度和/或滑塊D導(dǎo)軌方位角的初始值,再進(jìn)行“步驟3”的優(yōu)化,直至優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足要求。
在設(shè)計(jì)中為了使抱圓過(guò)程工作狀態(tài)下整體結(jié)構(gòu)可行、緊湊,以滿(mǎn)足機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)性能穩(wěn)定的要求,而且還要保證構(gòu)件間不發(fā)生干涉,并且保證機(jī)構(gòu)具有較好的傳動(dòng)力,我們可以給定以下的約束條件:
其中(xA,yA)為A點(diǎn)坐標(biāo),lAB為x,lBC為y。
為了保證桿AB的固定鉸接點(diǎn)(A點(diǎn))和C點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離(即AC的長(zhǎng)度)必須滿(mǎn)足如下條件:
抱圓機(jī)構(gòu)中,除了要使機(jī)構(gòu)順利作業(yè)外,還要求抱圓機(jī)工作時(shí)具有最大的驅(qū)動(dòng)力和機(jī)構(gòu)在抱圓過(guò)程中能夠經(jīng)過(guò)理想點(diǎn),從而保證機(jī)構(gòu)具有良好的作業(yè)效果。據(jù)此可以得到目標(biāo)函數(shù):
式中:xCi、yCi分別表示五個(gè)理想點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。wi為加權(quán)因子,根據(jù)對(duì)應(yīng)構(gòu)件所需應(yīng)力的大小來(lái)確定??紤]到整圓過(guò)程剛開(kāi)始時(shí)阻力更大,趨于結(jié)束時(shí)阻力小,并考慮權(quán)重的歸一化,取w1=0.34,w2=0.25,w3=0.18,w4=0.13,w5=0.1。
在MATLAB中編寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的M文件后,利用FMNCON函數(shù)求出多設(shè)計(jì)變量以及有非線(xiàn)性約束函數(shù)的最優(yōu)解。
FMICON函數(shù)的格式命令如下:
[x,fval]=fmincon(Fun,X0,A,B,AEQ,BEQ,LB,UB)
利用MATLAB優(yōu)化算法計(jì)算出鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD的結(jié)果如表2所示。
表2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果
在確定桿長(zhǎng)lCD和滑塊D導(dǎo)航方位角時(shí),我們使用作圖法,首先要保證lCD桿在整個(gè)抱圓器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與鋼卷輪廓不發(fā)生干涉,且要保證之間具有一定的距離,可取lCD=800?;瑝KD導(dǎo)航方位角的選取是根據(jù)滑塊G勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),在時(shí)間間隔中能夠到達(dá)理想點(diǎn),可取β=140°。
在研究中,滑塊G的速度和lDG的長(zhǎng)度確定對(duì)抱圓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義。此時(shí)滑塊G的速度必須和滑塊F的速度進(jìn)行匹配,其基本原理是當(dāng)AB桿運(yùn)動(dòng)到θ1=36.14°時(shí),此時(shí)連桿BC中的C點(diǎn)到達(dá)第一個(gè)理想點(diǎn)c1;滑塊G在一定的速度下帶動(dòng)連桿DG運(yùn)動(dòng),讓連桿DC中的C點(diǎn)在相同時(shí)刻也能到達(dá)理想點(diǎn)c1。在ADAMS中運(yùn)動(dòng)仿真建立AB桿轉(zhuǎn)角θ1與時(shí)間的曲線(xiàn)圖,如圖3所示。從圖中可以得知lBC桿中的C點(diǎn)分別到達(dá)五個(gè)理想點(diǎn)時(shí)速度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,然后令滑塊G在這五個(gè)時(shí)刻中,選取合適的速度vG和適宜的桿長(zhǎng)lDG,就可以使C點(diǎn)準(zhǔn)確通過(guò)c1、c2、c3、c4、c5這5個(gè)目標(biāo)點(diǎn),完成設(shè)計(jì)要求。
圖3 θ1隨時(shí)間變化圖
表3 C點(diǎn)處于目標(biāo)點(diǎn)時(shí)θ1與時(shí)間t的關(guān)系
在抱圓機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中運(yùn)用幾何方法可以求出C點(diǎn)的位置表達(dá)式(4)所示:
式中:β為滑塊D所在導(dǎo)軌方向角;lDG為桿DG的長(zhǎng)度;lCD為桿CD的長(zhǎng)度;vG為滑塊G的線(xiàn)速度;t為滑塊的運(yùn)動(dòng)時(shí)間;xG0,h1為滑塊G的初始x、y軸坐標(biāo)值;xD0,yD0為滑塊D的初始坐標(biāo)值。同理可求出yc的位置表達(dá)式。
基于以上的分析和仿真,為了使滑塊G能夠在這五個(gè)確定的時(shí)間中以勻速運(yùn)動(dòng)到達(dá)五個(gè)理想點(diǎn),我們可以對(duì)滑塊G的速度(vG)和DG的桿長(zhǎng)(lDG)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。建立關(guān)于vG和lDG的目標(biāo)函數(shù)如下:
在MATLAB中使用粒子群算法,這是一種全局優(yōu)化算法,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域。PSO算法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單并且容易實(shí)現(xiàn)、需要的參數(shù)也少。特別是該算法天然的實(shí)數(shù)編碼特點(diǎn),所以非常適合處理優(yōu)化問(wèn)題。此算法具有智能背景,不但可以作為科學(xué)研究,而且也特別適合工程應(yīng)用。在PSO算法中,取種群規(guī)模為100,進(jìn)化次數(shù)為500,進(jìn)行10次試驗(yàn),得到最優(yōu)適應(yīng)度值為15.2263,此時(shí)可以求出優(yōu)化結(jié)果:vG=-20.1mm/s,lDG=550.1169mm,把桿長(zhǎng)的優(yōu)化結(jié)果取整。
綜上所述可得抱圓機(jī)九桿機(jī)構(gòu)各個(gè)桿長(zhǎng)尺寸參數(shù),如表4示。
在抱圓機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后,需對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析,機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS為這類(lèi)問(wèn)題提供了方便快捷的途徑。
當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角的大小是變化,所以為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)效果,在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)通常需要其傳動(dòng)角滿(mǎn)足γmin≥40°,圖4為C點(diǎn)傳動(dòng)角隨著時(shí)間變化的曲線(xiàn)。并且為了保證抱圓機(jī)構(gòu)具有較大的驅(qū)動(dòng)力,即當(dāng)lAB與lCB之間的夾角為直角,此時(shí)的驅(qū)動(dòng)性能最佳。圖5為∠ABC模擬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下變化情況。
圖4 C點(diǎn)傳動(dòng)角
圖5 ABC變化曲線(xiàn)
由傳動(dòng)角的變化曲線(xiàn)可以看到,其傳動(dòng)角隨著時(shí)間呈慢慢增長(zhǎng)狀態(tài),其最小傳動(dòng)角為γ=45°,滿(mǎn)足最小傳動(dòng)角的設(shè)計(jì)要求,即抱圓機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能;抱圓機(jī)在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)∠ABC的值在90°左右,即抱圓機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能良好。
在ADAMS仿真中,可以得到C點(diǎn)位移的變化曲線(xiàn),如圖6所示。實(shí)線(xiàn)表示C點(diǎn)橫坐標(biāo)的變化曲線(xiàn),虛線(xiàn)表示C點(diǎn)縱坐標(biāo)的變化曲線(xiàn),隨著橫坐標(biāo)減小縱坐標(biāo)增大在某點(diǎn)重合。表5為執(zhí)行點(diǎn)的理論坐標(biāo)和仿真坐標(biāo)的值。執(zhí)行點(diǎn)理論值與實(shí)際值的對(duì)比圖,如圖7所示,其中圓點(diǎn)表示理論值,方形點(diǎn)表示實(shí)際值。
表4 九桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)尺寸參數(shù)
表5 執(zhí)行點(diǎn)C經(jīng)過(guò)的坐標(biāo)值
圖6 執(zhí)行點(diǎn)C的X,Y位置曲線(xiàn)
圖7 實(shí)際點(diǎn)與理想點(diǎn)對(duì)比圖
分析仿真結(jié)果,根據(jù)抱圓器的的理想軌跡點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。可以得到如下結(jié)論:理論計(jì)算值與仿真結(jié)果的最大誤差值為5.27mm,最小誤差值為-0.62mm,且都在在工程允許誤范圍差內(nèi),定量的驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,而且也達(dá)到了預(yù)期的效果,最終確定了抱圓機(jī)構(gòu)的有效性。
根據(jù)當(dāng)前抱圓機(jī)所存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式無(wú)芯鋼卷抱圓器,對(duì)其重要尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真??梢缘玫饺缦陆Y(jié)論:
1)抱圓機(jī)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)行程時(shí),其軌跡能夠按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)動(dòng),證明了該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。
2)對(duì)比執(zhí)行點(diǎn)C所經(jīng)過(guò)的實(shí)際點(diǎn)與理想點(diǎn),執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠逼近理想目標(biāo)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)整圓效果,滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。
3)為抱圓機(jī)實(shí)物樣機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了理論的參考。