1、1 第一章 引言 1.1 本课题的意义 锻造操作机是锻造车间实现锻造自动化的关键设备，用于夹持 锻件配合压机完成锻造工艺动作。在大锻件生产中，锻造操作机更 是必不可少的设备。锻造操作机在 20 世纪 60 年代初就已问世，近 二、三十年更是得到了迅速的发展。最早是在美国、前苏联，而后 在德国、英国、日本等国发展起来，并成为系列化产品进入工业生 产。最初的操作机多为全机械传动，随着科学技术的发展，到 60、70 年代出现了混合传动和全液压传动、结构紧凑、操作灵活的 锻造操作机。它与压机配合使用，提高了生产效率及最大锻件质量。 80 年代以后，随着大型装备制造的快速发展，对大锻件生产又提出 了更高
2、的要求，促进了锻造操作机技术的发展，主要表现在对锻造 操作机的需求量不断增加，对锻造操作机的最大锻件质量要求大大 提高，引起了各国对锻造操作机在锻造生产作用的重视。 2 我国锻造操作机起步于 70 年代，开始只能由一些锻造厂自己制 造有轨锻造操作机，这些操作机结构简单，钳子的张合夹紧靠与吊 钳分离开的电动方头扳手来完成，因而夹紧锻件不方便，只能用于 钢锭开坯、拨料。随着国民经济的发展，80 年代开始研制出全机械 传动和少数液压传动有轨操作机。随后，小型液压传动有轨操作机 得到发展，并出现了液压传动无轨操作机。90 年代初期我国自行设 计制造的 100kN 锻造操作机主要技术性能已达到世界 80
3、 年代水平， 该台锻造操作机于 1992 年 5 月在太原试制成功。 近年来，核电、造船、化工、国防等领域的大型锻件精确高效 制造迫切需要重载锻造操作机。重载锻造操作机发展水平的落后制 约了我国的大装备制造能力，部分大型装备的关键构件完全依赖进 口。重载锻造操作机直接影响国家重大工程的实施和国民经济的发 展，开展重载锻造操作机的研究具有重要战略意义。 3 1.2 锻造操作机的国内外发展现状 大型锻造操作机属于当前世界最大的多自由度重载机器人，属 于机、电、液高度一体化的复杂装备，它是万吨锻造压机的重要配 套设备，也是国家经济建设急需的重大机械装备之一。并且，大型 锻件制造业是装备制造业的基础行
4、业，是关系到国家安全和国家经 济命脉的战略性行业，其发展水平是衡量国家综合国力的重要标志。 通过深入开展大型锻造操作机的研究工作，将逐步实现大型锻造操 作机的国产化，对提升我国大型装备及关键零部件的自主设计和制 造能力、满足国家经济建设的需求结束我国不能设计大型锻造操作 机的历史都具有重要的社会意义和经济效益。 一、大型锻造操作机的发展历史 锻造操作机最早出现在美国和原苏联，而后在日本、英国、奥 地利等国发展起来，并成为系列化产品进入工业性生产。最初的操 作机多为全机械传动，60、70 年代出现了混合传动和全液压传动、 结构紧凑、操作灵活的锻造操作机。到了 80 年代，各国对锻造操作 机的设计
5、、制造、技术改造方面又有了更高的要求，不断改进结构 及生产工艺，促进了锻压技术的发展。特别是锻造操作机的需求量 不断增加，引起了国内外大、中型企业对锻造操作机在生产中作用 的重视。90 年代中期，国外大型锻造操作机技术已经成熟，大型操 作机与 30000kN 自由锻造水压机联动操作，不断提高了水压机生产 能力。 4 我国锻造操作机起步于 60 年代，开始只能由某些工厂自己制造 有轨操作机。90 年代初期，我国自行设计制造的 100kN 锻造操作机 于 1992 年 5 月在太原试制成功，其主要技术性能已达到世界 80 年 代水平，能替代同类进口产品。至今，我国自主研发投产的全液压 锻造操作机最
6、大夹持能力也只有 500kN。 世界上装备的万吨级自由锻造压机近 30 台，最大的模锻水压机 载荷能力高达 7.5 万吨，最大的六自由度锻造操作机操作力矩达 7500kNm，最大承载能力高达 2500kN。目前，我国已具备了万吨 级锻压装备的设计与制造能力，如中国一重自主设计、自主制造的 世界上最先进的 150MN 自由锻造水压机，2006 年末已经投产使用， 但与之配套的大型锻造操作机仍在研发当中。 二、大型锻造操作机的研究现状 国内外大型锻造操作机的研究现状 锻造操作机作为进行锻造工艺的重要设备，众多国外公司对其 进行了系统化研究，目前，德国 DDS 公司、韩国 HBE PRESS 公司以
7、 及捷克 ZDAS 公司的锻造操作机的制造水平处在世界前列。其中，德 国 DDS 公司和 WEPUKO 公司是世界著名的锻造操作机专业研发、制造 企业，在重型锻造操作机研制领域具有 70 多年的历史。此外，日本 三菱长琦生产的操作机因拥有高速、高精度的机械手及控制系统而 著称。 国内锻造操作机的研究起步较晚，在一些技术方面与国外相比 还有一定的差距。与万吨压机配套的大型锻造操作机全部采用进口 5 设备，自主开发的大型锻造操作机至今尚未问世，如中国一重与上 海交大联合开发的 1600kN 锻造操作机和北方重工自主开发的 2000kN 锻造操作机的整机水平还有待于进一步验证。 我国与大型锻造操作机
8、相关的研究项目 为解决我国重大装备制造中一批关键技术和共性技术问题，实 现重大装备及其成套技术的自主研发，科技部在“十一五”国家科 技支撑计划中设立了“大型铸锻件制造关键技术及装备研制”项目， 在重点完成的工作中明确提出“150MN 自由锻造水压机及配套设备 关键技术研究”和“165MN 自由锻造油压机及配套设备关键技术研 究” 。第一个课题主要开展大型自由锻造水压机整机设计、模态分析、 预应力框架结构整体振动及疲劳分析，开展快换机构设计和控制系 统设计研究，研制配套操作机；第二个课题自主开展大型自由锻造 油压机整机设计、快换机构设计、控制系统设计技术研究和关键部 件研制，攻克多功能操作机设计
9、技术、驱动和控制系统设计技术研 究和关键结构件制造技术等，掌握核心技术，开展压机与操作机及 辅助装备联动协调控制技术研究等。上述两个课题，对掌握大型操 作机核心技术、攻破我国重大技术装备的生产瓶颈、提高特大型自 由锻件的制造技术水平与制造能力起着关键性的作用。2006 年，上 海交通大学、浙江大学、中南大学清华大学、大连理工大学、华中 科技大学共同承担了国家科技部“973”计划中“巨型重载操作装备 的基础科学问题”项目，围绕“多自由度重载操作机构构型与操作 性能的映射规律” “重载操作装备的界面行为与失效机理” “重载操 6 作装备的多源能量传递规律与动态控制”三个基础科学问题，开展 了 7
10、个课题研究，包括大型构件制造操作运动轨迹建模、重载装备 多自由度操作性能度量与机构设计原理、低速非连续工况下重载装 备界面行为与力学特征、大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统 驱动策略、大流量电液伺服系统的介质流动规律、重载大惯量装备 的快速协调控制和巨型重载操作装备的性能仿真与优化等。从基础 研究的角度，揭示了巨型重载操作装备的操作灵活性、力承载能力、 刚度等性能与机构构型的映射规律。此课题为我国巨型重载操作装 备的研究提供了理论基础，同时，也为配套操作机的研究提供了进 一步的可行性。 三、大型锻造操作机的技术特征 大型锻造操作机和万吨锻造压机是配合在一起联合工作的，工 作过程中操作机保持着
11、频繁的重复动作，对其性能的要求为动作速 度高、空行程时间短、精整时定位准确，以达到快速锻造，并得到 尺寸精确的锻件。与加工装备相比，大型操作机的特点是载荷大、 惯量大、自由度多、操控能力强。大型锻造操作机的主要技术特征: 一是在重载操作条件下，操作机构件的分布式柔性变形直接影响末 端执行器的操作精度。因此，在装备的机构设计中，既要保证操作 装备在整个工作空间中具有理想的刚度特性，又要通过运动学设计 对结构变形在装备运动链中的传递特性进行控制。此外，锻造操作 机长期在非连续工作条件下进行操作，其动力学性能在空载和负载 操作情况下存在显著差别。二是大型锻造操作机制造成本高，设计 7 与制造周期长，
12、通常采用单台制造模式。重载操作机通常很难通过 物理样机实验对其操作性能进行分析和验证，因此，计算机数值模 拟是锻造操作机设计、性能评估与优化的重要支撑技术。 第二章 锻造操作机简介 锻造操作机（manipulator for forging ）用于夹持钢锭或坯 料进行锻造操作及辅助操作的机械设备。 所谓， “10 吨操作机” ，是指该操作机可夹持的钢锭最大重量为 十吨。 2.1 基 本 含 义 用 以 夹 持 锻 坯 配 合 水 压 机 或 锻 锤 完 成 送 进 、 转 动 、 调 头 等 主 要 动 作 的 辅 助 锻 压 机 械 。 锻 造 操 作 机 有 助 于 改 善 劳 动 条 件
13、 ， 提 高 生 产 效 率 。 根 据 需 要 ， 操 作 机 也 可 用 于 装 炉 、 出 炉 ， 并 可 实 现 遥 控 和 与 主 机 联 动 。 操 作 机 结 构 分 有 轨 和 无 轨 两 种 ， 其 传 动 方 式 有 机 械 式 、 液 压 式 和 混 合 式 等 。 此 外 ， 还 有 专 门 用 于 某 些 辅 助 工 序 的 操 作 机 ， 如 装 取 料 操 作 机 和 工 具 操 作 机 等 。 为 了 配 合 操 作 机 的 工 作 ， 有 时 图 2-1 锻 造 操 作 机 8 还 配 置 锻 坯 回 转 台 ， 以 方 便 锻 坯 的 调 头 。 在 模 锻
14、 和 大 件 冲 压 中 ， 机 械 手 的 应 用 已 日 益 普 遍 ， 这 样 的 机 械 手 实 际 上 是 一 种 自 动 的 锻 造 操 作 机 。 主 要 用 于 750kg 空 气 锤 、 1000-2000kg 电 液 锤 、 模 锻 锤 或 其 它 相 应 吨 位 的 锻 锤 ， 是 我 国 锻 造 行 业 最 先 进 的 设 备 之 一 。 2.2 操 作 设 备 采 用 全 液 压 传 动 ， 高 集 成 阀 块 ， 超 大 流 量 通 径 ， 使 系 统 压 力 损 失 少 密 封 性 能 高 ， 油 温 控 制 好 。 匠 心 独 特 的 油 路 设 计 ， 真 正
15、 使 液 压 系 统 处 在 最 佳 状 态 ， 即 使 在 长 期 大 负 荷 情 况 下 工 作 ， 也 能 轻 松 胜 任 。 运 动 系 统 采 用 了 摆 线 齿 轮 马 达 和 渐 开 线 减 速 机 组 合 ， 完 美 地 实 现 了 大 车 的 无 级 变 速 行 走 、 台 架 回 转 。 三 级 连 动 机 构 使 钳 口 平 行 升 降 ， 钳 杆 倾 斜 ， 360 度 旋 转 ， 三 维 空 间 任 意 灵 活 转 动 。 图 2-2 锻 造 操 作 机 机 械 手 造 型 美 观 ， 结 构 紧 凑 ， 转 动 极 其 灵 活 ， 能 出 色 地 完 成 庞 大 的
16、 操 作 机 无 法 完 成 的 动 作 ， 让 操 作 工 体 验 到 人 机 合 一 、 随 心 所 欲 的 感 觉 ， 充 分 体 现 操 作 机 向 机 械 手 转 变 的 根 本 意 义 。 9 锻 造 操 作 机 适 用 于 锻 造 和 锻 压 行 业 ， 与 各 种 自 由 锻 锤 及 压 机 配 合 ， 能 完 成 坯 料 成 型 的 各 种 工 序 ； 对 减 轻 劳 动 强 度 、 提 高 生 产 效 率 60%以 上 ； 是 锻 造 锻 压 行 业 不 可 缺 少 的 辅 助 设 备 。 锻 造 操 作 机 分 类 锻 造 操 作 机 分 为 ： 直 移 式 、 回 转
17、式 、 平 移 式 等 多 种 运 动 形 式 ， 全 机 械 、 全 液 压 、 机 械 液 压 混 合 等 多 种 驱 动 形 式 ， 可 以 从 各 方 面 满 足 不 同 用 户 的 需 要 。 锻 造 操 作 机 功 能 操 作 机 具 有 以 下 动 作 功 能 ： 大 车 在 轨 道 上 自 由 行 走 ； 钳 架 前 后 升 降 、 倾 斜 ； 钳 头 夹 持 、 松 开 、 旋 转 等 。 大 车 架 采 用 整 体 框 架 式 结 构 ， 由 电 机 或 马 达 驱 动 。 钳 架 升 降 有 钢 丝 绳 或 油 缸 带 动 ， 可 实 现 前 后 同 步 升 降 或 分
18、别 升 降 ， 使 钳 架 到 达 水 平 或 实 现 一 定 角 度 的 倾 斜 。 钳 头 夹 紧 由 大 螺 距 丝 杆 或 油 缸 带 动 夹 持 拉 杆 水 平 移 动 实 现 ， 并 且 有 缓 冲 保 险 装 置 。 钳 头 旋 转 由 电 机 减 速 机 带 动 ， 并 设 有 过 载 保 护 装 置 。 钳 架 的 前 后 、 两 侧 及 钳 架 与 升 降 机 之 间 均 设 有 防 振 动 的 缓 冲 装 置 （ 另 有 大 量 配 件 供 应 ） 。 2.3 操作机的结构 10 吨操作机是由四部分所组成，其结构示意如图 2-3 所示。 (1)升降机构：包括前提升油缸 1
19、2、后提升油缸 9、活塞 7 和 10 13、活塞杆 6 和 14、活动架 19、沿块 5 以及弹簧 24 等。 (2)夹紧机构：包括旋转滑阀 26、夹紧油缸 22 活塞 23、活塞杆 21、钳壳 17、夹紧滑块 18、夹臂 16 和钳口 15 等。 图 2-3 10 吨操作机结构示意图 (3)旋转机构：包括电动机 l、制动器 2、行星减速器 3、减 速器 4 与空心铀 20 等。 (4)大车行走机构：包括电动机 27、减速器 35、车轮 28、 车体 29 等。 11 2.3.1 升降机构 升降机构主要是为实现柸料的提升、下降、倾斜等动作，以满 足锻造工艺过程的需要。升降机构由前提升机构、后
20、提升机构、活 动架等三部分所组成。 2.3.2 夹紧机构 夹紧机构主要用来夹持坯料、锻件或钢锭。 夹紧机构可以分成钳头和夹紧油缸俯两大部分，它们分别 固定在空心轴的两抵钳头在前端，夹紧油缸在后端。 (1)钳头 钳头的结构如图 2-4 所示。两个钳口 l 通过销轴 l0 分别 与夹臂 3 的一端铰接。小轴 9 穿过夹臂中间的孔，使夹臂小 揣固定在钳壳 2 上，这样，夹臂便形成可以绕小轴回转的杠 杆。夹臂的另一端通道销轴 4 与连板 5 铰接。连板又通过销 轴 8 与夹紧滑块 6 相连。活塞杆 7 则以螺纹与夹紧滑块构成 一体。 12 图 2-4 钳头 当活塞杆在夹紧油缸的拉力作用下，带动滑块和连
21、板向 后(即向左)移动时，上夹臂绕小轴作顺时钟方向转动，下夹臂 臂绕小轴作逆晌针方向转动，使两钳口间的距离越来越小， 坯料被夹紧。当活塞杆在夹紧油缸的推力作用下，推动滑 块、连板向前(即向右)移动时，上夹臂绕小轴作逆时针方向 转动，下夹臂绕小轴作顺时针方向转动，两钳口的距离越来 越大，于是刨门钳口便张开。钳口与夹臀铰接是为了扩大夹持 坯 料的尺寸范围。如当夹持断面尺寸较大的钢锭或坯料时，两 个钳口可以绕销铀向钳头内转动，而当夹持断面尺寸较小的 钢锭或坯料时，两个钳口就绕销轴向钳头外转动，使钳口与 13 被夹持的钢锭或坯料始终保持有足够的接触面积，被夹持的 钢锭或坯料就不易松脱。 (2)夹紧油缸
22、 夹紧油缸是操作机产生夹紧力的机构，在它的拉力或推 力作用下，使钳头的钳口完成对钢锭、坯料或锻件的夹紧与 张开动作。 夹紧油缸又可分成两大部分，一部分为油缸，另一部分 为旋转滑阀。 2.3.3 大车行走机构 大车行走机构承担着操作机自身的全部重量和操作机所 夹持的钢锭、坯料或锻件的重量而在轨道上运行，完成锻造 时需要坯料进退的动作。 大车行走机构由车体和行走机构两部分组成。 (1)车体 车体承担着操作机自身的重量和被夹持件的重量，它的 结构如图 13 所示。车体的底座 1 支承在四个车轮 9 的铀承 上。八个定位块 l o 用以保证车轮与车体的相关位置。托扳 13 焊接在底座尾部，托看行走机构
23、的电动机 3、减速器 40 在底座上固定着两根前立柱 7 和两根后立柱 6，四根立柱又 都与车顶 11 固定在一起。在两根前立柱间有前导板 8，为 活动架的前部升降导向部位。雨棍后立柱间则装有后导板 12， 14 后提升机构的升降滑块就在其问上、下滑动。车顶是装置液 压系统的油箱、电动机、油泵、蓄能器、各种阀类等部件的 地方，同时又支承着升降机构的油缸。 图 2-5 大车行走机构 15 第三章 旋转机构设计 3.1 旋转机构的组成 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 16 附录 II 外文文献原文 A forma
24、l theory for estimating defeaturing -induced engineering analysis errors Sankara Hari Gopalakrishnan, Krishnan Suresh Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, United States Received 13 January 2006; accepted 30 September 2006 Abstract Defeaturing is a popular
25、 CAD/CAE simplification technique that suppresses small or irrelevant features within a CAD model to speed-up downstream processes such as finite element analysis. Unfortunately, defeaturing inevitably leads to analysis errors that are not easily quantifiable within the current theoretical framework
26、. In this paper, we provide a rigorous theory for swiftly computing such defeaturing -induced engineering analysis errors. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. The proposed theory exploits the adjoint formula
27、tion of boundary value problems to arrive at strict bounds on defeaturing induced analysis errors. The theory is illustrated through numerical examples. Keywords: Defeaturing; Engineering analysis; Error estimation; CAD/CAE 1. Introduction Mechanical artifacts typically contain numerous geometric fe
28、atures. However, not all features are critical during engineering analysis. Irrelevant features are often suppressed or defeatured, prior to analysis, leading to increased automation and computational speed-up. For example, consider a brake rotor illustrated in Fig. 1(a). The rotor contains over 50
29、distinct features, but not all of these are relevant during, say, a thermal analysis. A defeatured brake rotor is illustrated in Fig. 1(b). While the finite element analysis of the full-featured model in Fig. 1(a) required over 150,000 degrees of freedom, the defeatured model in Fig. 1(b) required 2
30、5,000 DOF, leading to a significant computational speed-up. 17 Fig. 1. (a) A brake rotor and (b) its defeatured version. Besides an improvement in speed, there is usually an increased level of automation in that it is easier to automate finite element mesh generation of a defeatured component 1,2. M
31、emory requirements also decrease, while condition number of the discretized system improves;the latter plays an important role in iterative linear system solvers 3. Defeaturing, however, invariably results in an unknown perturbation of the underlying field. The perturbation may be small and localize
32、d or large and spread-out, depending on various factors. For example, in a thermal problem, suppose one deletes a feature; the perturbation is localized provided: (1) the net heat flux on the boundary of the feature is zero, and (2) no new heat sources are created when the feature is suppressed; see
33、 4 for exceptions to these rules. Physical features that exhibit this property are called self-equilibrating 5. Similarly results exist for structural problems. From a defeaturing perspective, such self-equilibrating features are not of concern if the features are far from the region of interest. Ho
34、wever, one must be cautious if the features are close to the regions of interest. On the other hand, non-self-equilibrating features are of even higher concern. Their suppression can theoretically be felt everywhere within the system, and can thus pose a major challenge during analysis. Currently, t
35、here are no systematic procedures for estimating the potential impact of defeaturing in either of the above two cases. One must rely on engineering judgment and experience. In this paper, we develop a theory to estimate the impact of defeaturing on engineering analysis in an automated fashion. In pa
36、rticular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. Two mathematical concepts, namely adjoint formulation and monotonicity analysis, are combined into a unifying theory to address both self-equilibrating and non-self-equilibrati
37、ng features. Numerical examples involving 2nd order scalar partial differential equations are provided to substantiate the theory. The remainder of the paper is organized as follows. In Section 2, we summarize prior work on defeaturing. In Section 3, we address defeaturing induced analysis errors, a
38、nd discuss the proposed methodology. Results from numerical experiments are provided in Section 4. A by- product of the proposed work on rapid design exploration is discussed in Section 5. Finally, conclusions and open issues are discussed in Section 6. 18 2. Prior work The defeaturing process can b
39、e categorized into three phases: Identification: what features should one suppress? Suppression: how does one suppress the feature in an automated and geometrically consistent manner? Analysis: what is the consequence of the suppression? The first phase has received extensive attention in the litera
40、ture. For example, the size and relative location of a feature is often used as a metric in identification 2,6. In addition, physically meaningful mechanical criterion/heuristics have also been proposed for identifying such features 1,7. To automate the geometric process of defeaturing, the authors
41、in 8 develop a set of geometric rules, while the authors in 9 use face clustering strategy and the authors in 10 use plane splitting techniques. Indeed, automated geometric defeaturing has matured to a point where commercial defeaturing /healing packages are now available 11,12. But note that these
42、commercial packages provide a purely geometric solution to the problem. they must be used with care since there are no guarantees on the ensuing analysis errors. In addition, open geometric issues remain and are being addressed 13. The focus of this paper is on the third phase, namely, post defeatur
43、ing analysis, i.e., to develop a systematic methodology through which defeaturing -induced errors can be computed. We should mention here the related work on reanalysis. The objective of reanalysis is to swiftly compute the response of a modified system by using previous simulations. One of the key
44、developments in reanalysis is the famous ShermanMorrison and Woodbury formula 14 that allows the swift computation of the inverse of a perturbed stiffness matrix; other variations of this based on Krylov subspace techniques have been proposed 1517. Such reanalysis techniques are particularly effecti
45、ve when the objective is to analyze two designs that share similar mesh structure, and stiffness matrices. Unfortunately, the process of 几 何 分 析 can result in a dramatic change in the mesh structure and stiffness matrices, making reanalysis techniques less relevant. A related problem that is not add
46、ressed in this paper is that of localglobal analysis 13, where the objective is to solve the local field around the defeatured region after the global defeatured problem has been solved. An implicit assumption in localglobal analysis is that the feature being suppressed is self-equilibrating. 3. Pro
47、posed methodology 3.1. Problem statement We restrict our attention in this paper to engineering problems involving a scalar field u governed by a generic 2nd order partial differential equation (PDE):.).(f A large class of engineering problems, such as thermal, fluid and magneto-static problems, may
48、 be reduced to the above form. As an illustrative example, consider a thermal problem over the 2-D heat-block assembly illustrated in Fig. 2. The assembly receives heat Q from a coil placed beneath the region identified as coil. A semiconductor device is seated at device. The two regions belong to a
49、nd have the same 19 material properties as the rest of . In the ensuing discussion, a quantity of particular interest will be the weighted temperature Tdevice within device (see Eq. (2) below). A slot, identified as slot in Fig. 2, will be suppressed, and its effect on Tdevice will be studied. The boundary of the slot will be denoted by slot while the rest of the boundary will be denoted by . The boundary temperature on is assumed to be zero. Two possible boundary conditions on slot are considered: (a) fixed he
