CN101206164B - 锻造操作机性能测试与标定装置及其测试及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械技术领域的大型重载操作装备性能测试与标定的装置与方法，所述装置包括控制子系统、动力子系统、机械子系统，机械子系统为二自由度移动并联机构，控制子系统由计算机与液压系统组成。动力子系统由四个液压缸组成。本发明利用一种大型重载操作装备性能测试与标定装置，结合计算机仿真分析方法，对大型重载操作装备的工况进行模拟，然后与重载操作装备或者重载操作装备的模型对接，从而测试装备性能、标定装备参数、检测装备能力。本发明实现大型锻造操作装备的虚实结合的半物理仿真与装备性能测试与标定，大大推动了大型重载操作装备的研发进程。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械技术领域的装置与方法，具体是一种锻造操作机性能测试与标定装置及其测试及其实现方法，尤其适用于大型锻造操作机。
背景技术
随着我国制造业的不断发展，大型装备特别是大型重载操作装备所表现出来的重要性越来越明显，如大型锻造操作机在提高钢铁工业的生产效率方面效果明显，但我国却还没有拥有自主知识产权的大型重载操作装备的核心技术，因此研制性能优越的大型重载操作装备成为了一个重要的课题，然而对研制出来的大型重载操作装备如何进行性能测试、标定装备参数、检测力承载能力也成为了一个不得不考虑的问题。要对大型重载操作装备进行性能测试，必须对其工况进行模拟还原。如要对大型锻造操作机进行性能测试，必须要明确锻压过程中工件对锻造操作机夹钳产生的力及工件本身锻压变形产生的位移，然后将整个锻压过程对锻造操作机产生的作用包括力与位移进行模拟还原，因此必须要研制一种大型重载操作装备性能测试与标定装置，并与相关的计算机仿真技术结合，形成一种大型重载操作装备性能测试与标定的方法。
国际上现在从事大型锻造操作机研究与开发的主要两家德国公司：DDS公司和SMS公司。但是关于他们生产的大型锻造操作机有关承载性能主要依靠设计分析和经验数据积累，实际并没有特定的装备性能测试和标定装置，特别是结合具体锻造工况(主要指锻造中的力和位移进行模拟还原)，采用计算机仿真分析的方法，进行大型重载操作装备主要性能研究与试验。因此国外采用计算机仿真和实验装备相结合的方法进行大型重载操作装备性能测试与标定的相关内容未见报道。国内研究大型锻造操作机及其他重载操作装备相对起步较晚，因此通过检索，没有发现相关的大型重载操作装备性能测试与标定的装置与方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种锻造操作机性能测试与标定装置及其测试及其实现方法，使其利用一种大型重载操作装备性能测试与标定装置，结合计算机仿真分析方法，对大型重载操作装备的工况进行模拟，然后与重载操作装备或者重载操作装备的模型对接，从而测试装备性能、标定装备参数、检测装备能力的方法，尤其适用于对锻造操作机的性能测试与标定。本发明具有力承载能力大，控制容易，响应速度快，运动精度高的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的大型重载操作装备性能测试与标定装置，包括控制子系统、动力子系统、机械子系统。控制子系统独立于机械子系统、动力子系统之外，具体形式与布置不受限制。
所述机械子系统为二自由度移动并联机构，包括、垂直支撑平台、导轨、滑块、下侧滑动支撑、支撑杆件、转动副、动平台、末端执行器，整体机构通过导轨固定在垂直支撑平台上，滑块固定在导轨上，两下侧滑动支撑分别固定对应的滑块上，而动平台则通过由8根支撑杆件及转动副组成的平行四边形机构与两下侧滑动支撑连接，末端执行器固定在动平台上。
所述控制子系统，包括计算机与液压系统。根据计算机有限元仿真分析软件对锻造操作机夹持工件锻压的过程进行模拟、分析得到多种工况下工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线，计算机据此得出液压系统中液压缸的压力信号与速度信号，并通过液压系统中的阀门控制供给动力子系统中四个液压缸的液压油流量和压力，无级调节动力子系统中各个液压缸的驱动压力、速度。
所述动力子系统由四个液压缸组成，液压缸固定于机械子系统的垂直支撑平台上，当液压缸驱动下侧滑动支撑移动时，末端执行器将会在平面内移动，并能对其对接的对象施力。因此整个装置可以模拟操作机夹持工件时，工件的运动及工件对夹钳的施力情况以及模拟某几个典型锻压工艺一次锻压过程中工件的运动及工件对夹钳的施力情况。
所述液压缸的布置方式为对称布置，液压缸穿过下侧滑动支撑，也可以对称布置在两下侧滑动支撑的外侧，或同侧布置。
本发明上述装置的驱动方式可以是液压驱动，也可以是电气驱动、气压驱动或者机电液结合的方式，具体根据实际需要确定。
本发明上述装置的内部机构结合了等腰三角形二力杆桁架结构、平行四边形结构，刚度高、受力特性好、传动效率高，在等腰三角形底角超过45度后，力传动比大。
本发明所涉及的大型重载操作装备性能测试与标定方法，包括以如下步骤：
(1)将大型重载操作装备性能测试与标定装置与锻造操作机(样机)放置于同一基础平台上，然后操作机夹钳将大型重载操作装备性能测试与标定装置末端执行器夹紧，二者保持中心对齐，在同一水平面内。
(2)利用计算机有限元仿真分析软件(如ABAQUS，DEFORM等)对锻造操作机夹持工件锻压的过程进行模拟，分析得出操作机夹钳端工件的运动及工件对夹钳的施力情况。
(3)、变换工件参数、压机锻压速度、锻压工艺，重复步骤(2)所述过程，通过计算机软件(包括但不限于MATLAB)统计整理，建立出工件运动及工件对夹钳施力情况的数据库，从而可以得到多种工况下工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线。
(4)将步骤(3)得出的某个典型锻压工艺的锻压工况中工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线输入到大型重载操作装备性能测试与标定装置的控制子系统中去，该装置末端执行器将会按照步骤(3)得出的该工况的运动曲线在平面内与锻造操作机夹钳协调移动，同时通过液压缸驱动使末端执行器按照步骤(3)得出的该工况的施力曲线对夹钳施加平面内二方向的作用力，从而完成平面内二自由度移动的力与位移的模拟。
(5)在步骤(4)进行过程中，通过位移传感器与压力传感器对锻造操作机各受力点进行位移与压力监测，从而得出操作机在步骤(3)得出的工况下的性能数据，通过分析数据，进一步优化完善操作机性能，完成标定。
所述性能测试与标定的对象不仅可以是锻造操作机，还可以对接器、焊接变位机等其它的重载操作装备。
本发明利用有限元仿真分析软件与并联机构结合，模拟锻压现场工况，从而使锻造操作机的性能测试与检测更加迅速、可靠，简单，通过精确的模拟与控制，使整个装置与方法力承载能力大，控制容易，响应速度快，运动精度高，大大推动了大型重载操作装备的研发进程。主承载方向获得高刚度性能，最大力承载系数可达5以上，即相当于可以获得5倍以上的驱动力。通过有限元仿真与并联机构实验标定相结合，实现大型锻造操作装备的虚实结合的半物理仿真与装备性能测试与标定。
附图说明
图1为大型重载操作装备性能测试与标定装置与锻造操作机布置图。
图2为大型重载操作装备性能测试与标定装置系统组成图。
图3为大型重载操作装备性能测试与标定装置机械部分机构示意图。
图4为大型重载操作装备性能测试与标定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：附图1中示出了本发明的一种典型实施方式，该实施方式用于模拟锻压工况下工件的运动及工件对夹钳的施力，从而对大型重载操作装备进行性能测试与标定。
图1为大型重载操作装备性能测试与标定装置1与锻造操作机(样机)2布置图，如图1，箭头表示大型重载操作装备性能测试与标定装置1末端执行器的运动及施力方向，大型重载操作装备性能测试与标定装置1与锻造操作机2在同一平台上。
如图2所示，大型重载操作装备性能测试与标定装置1包括控制、动力、机械三个子系统。控制子系统独立于机械子系统、动力子系统之外，具体形式与布置不受限制。
如图3所示，所述机械子系统采用二自由度移动并联机构，包括末端执行器4、动平台5、支撑杆件6、导轨8、滑块9、下侧滑动支撑10、铰链(或关节轴承、球铰等)11、垂直支撑平台12。整体机构通过导轨8固定在垂直支撑平台12上，两下侧滑动支撑10分别固定对应的滑块9上，而动平台5则通过由8根支撑杆件6及铰链11组成的平行四边形机构与两个下侧滑动支撑10连接，末端执行器4固定在动平台5上。整个垂直支撑平台12通过地面水平固定平台3固定在工作产地地面上。
如图3所示，所述动力子系统由四个液压缸7组成，液压缸7固定于垂直支撑平台12上。
整个机构运动及力的传递通过末端执行器4实现，通过液压缸7驱动下侧滑动支撑10移动，从而通过8根支撑杆件6及铰链11带动动平台5移动，然后动平台5带动末端执行器4在平面内自由移动，而8根支撑杆件6组成的平行四边形结构保证了动平台5及末端执行器4只发生平动，而不发生转动，因此机构只会在XOY平面内二自由度平动。
所述控制子系统，包括控制计算机、液压源和由控制计算机控制的液压调节阀(包括压力和流量调节阀)等。根据计算机有限元仿真分析软件(如ABAQUS，DEFORM等)对锻造操作机夹持工件锻压的过程进行模拟、分析得到多种工况下工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线，控制计算机据此计算得出各液压缸的压力信号与速度信号，通过电控比例压力溢流阀与电控比例流量调速阀，控制液压源供给动力子系统中四个液压缸的液压油流量和压力，无级调节动力子系统中各个液压缸的驱动压力、速度。整个二自由度移动并联机构在动力子系统液压缸的驱动下实现预定工况下工件的运动和工件对夹钳作用力的产生。
本实施例大型重载操作装备进行性能测试与标定方法，具体过程如下：
(1)将大型重载操作装备性能测试与标定装置与锻造操作机放置于同一基础平台上，然后锻造操作机夹钳将大型重载操作装备性能测试与标定装置末端执行器夹紧，二者保持中心对齐，在同一水平面内。
(2)利用计算机有限元仿真分析软件(如ABAQUS，DEFORM等)对锻造操作机夹持工件锻压的过程进行模拟，分析得出锻造操作机夹钳端工件的运动及工件对夹钳的施力情况。
(3)变换工件参数、压机锻压速度、锻压工艺，重复步骤(2)所述过程，通过计算机软件(包括但不限于MATLAB)统计整理，建立出工件运动及工件对夹钳施力情况的数据库，从而可以得到多种工况下工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线。
(4)将步骤(3)得出的某个典型锻压工艺的锻压工况中工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线输入到大型重载操作装备性能测试与标定装置的控制子系统中去，通过液压缸驱动下侧滑动支撑移动，末端执行器将会在平面内移动，按照步骤(3)得出的该工况的运动曲线在平面内与锻造操作机夹钳协调移动，同时按照步骤(3)得出的该工况的施力曲线对夹钳施加平面内二方向的作用力，从而完成模拟某个典型锻压工艺的一次锻压过程中工件的运动及工件对夹钳的施力情况。
(5)在步骤(4)进行过程中，通过位移传感器与压力传感器对锻造操作机各受力点进行位移与压力监测，从而得出锻造操作机在步骤(3)得出的工况下的性能数据，通过分析数据，检测出当前锻造操作机的性能，完成标定。
本发明的实施方式不限于上述形式。所述大型重载操作装备性能测试与标定装置的驱动液压缸的布置方式为对称布置，液压缸穿过下侧滑动支撑，如附图3，也可以对称布置在两下侧滑动支撑的外侧，或同侧布置；所述大型重载操作装备性能测试与标定装置的动力子系统驱动方式可以是液压驱动，也可以是电气驱动、气压驱动或者机电液结合的方式，具体根据实际需要确定；所述大型重载操作装备性能测试与标定的对象不仅可以是锻造操作机，还可以是空间对接器、焊接变位机等其它的重载操作装备。
Claims (4)
1.一种锻造操作机性能测试与标定装置，包括：控制子系统、动力子系统和机械子系统，其特征在于：
所述机械子系统为二自由度移动并联机构，包括垂直支撑平台、导轨、滑块、下侧滑动支撑、支撑杆件、转动副、动平台、末端执行器以及地面水平固定平台，整体机构通过导轨固定在垂直支撑平台上，滑块固定在导轨上，两下侧滑动支撑分别固定对应的滑块上，而动平台则通过由8根支撑杆件及转动副组成的平行四边形机构与两下侧滑动支撑连接，末端执行器固定在动平台上；
所述动力子系统由四个液压缸组成，液压缸固定于机械子系统的垂直支撑平台上，当液压缸驱动下侧滑动支撑移动时，末端执行器将会在平面内移动，并能对其对接的对象施力；
所述控制子系统，包括计算机与液压系统，根据计算机有限元仿真分析软件对锻造操作机夹持工件锻压的过程进行模拟、分析得到多种工况下工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线，计算机据此得出液压系统中液压缸的压力信号与速度信号，并通过液压系统中的阀门控制供给动力子系统中四个液压缸的液压油流量和压力，无级调节动力子系统中各个液压缸的驱动压力、速度。
2.根据权利要求1所述的锻造操作机性能测试与标定装置，其特征是，所述动力子系统的液压缸，其布置方式为对称布置，液压缸穿过下侧滑动支撑，或对称布置在两下侧滑动支撑的外侧，或同侧布置。
3.一种使用如权利要求1所述装置的锻造操作机的性能测试与标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将锻造操作机性能测试与标定装置与锻造操作机放置于同一基础平台上，然后锻造操作机夹钳将锻造操作机性能测试与标定装置末端执行器夹紧，二者保持中心对齐，在同一水平面内；
(2)利用计算机有限元仿真分析软件对锻造操作机夹持工件锻压的过程进行模拟，分析得出锻造操作机夹钳端工件的运动及工件对夹钳的施力情况；
(3)变换工件参数、压机锻压速度、锻压工艺，重复步骤(2)所述过程，通过计算机软件统计整理，建立出工件运动及工件对夹钳施力情况的数据库，从而可以得到多种工况下工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线；
(4)将步骤(3)得出的某个典型锻压工艺的锻压工况中工件的运动曲线及工件对夹钳施力曲线输入到锻造操作机性能测试与标定装置的控制子系统中去，该装置末端执行器将会按照步骤(3)得出的该工况的运动曲线在平面内与锻造操作机夹钳协调移动，同时通过动力子系统的液压缸驱动使末端执行器按照步骤
(3)得出的该工况的施力曲线对夹钳施加平面内二方向的作用力，从而完成平面内二自由度移动的力与位移的模拟；
(5)在步骤(4)进行过程中，通过位移传感器与压力传感器对锻造操作机各受力点进行位移与压力监测，从而得出锻造操作机在步骤(3)得出的工况下的性能数据，通过分析数据，进一步优化完善锻造操作机性能，完成标定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述动力子系统的液压缸的布置方式为对称布置，液压缸穿过下侧滑动支撑，或对称布置在两下侧滑动支撑的外侧，或同侧布置。
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