Compararea simulata privind proprietile cinematice ale doua tipice

manipulatoare ca mecanisme de forjare

ABSTRACT

Cinematica celor doua mecanisme tipice este analizata urmarind conceptul de proiectare a unui manipulator de forjare 4MNm pentru o presa hidraulica mare,i.e (in exemplu?) un mecanism cu legaturi in paralel si un mecanism cu legaturi de tip leagan. Pentru primul tip de mecanism, cand clestii basculeaza in sus si in jos, unghiul de rotire este proportional cu lungimea de extindere a cilindrui lui hidraulic de conducere. Pentru al doilea tip de mecanism, aceasta este in cea mai mare parte dificil pentru controlul sistemul de conducere al fluidului pentru a se asigura trei cilindri hidraulici de presiune sa se mentina in miscare sincron. Pe baza acestor simulari si luand in considerare practica cerintelor tehnologice, primul tip de mecanism cu legaturi in paralel este ales ca unul mai bun.

Cuvinte cheie: manipulator de forjare, cinematica mecanismului, simulare

1. INTRODUCERE

Manipulatorul de forjare, cel mai inportant echipament auxiliar in procesul de forjare hidraulica, este privit ca un echipament cheie national. Un manipulator forjare este cea mai mare parte cu sarcina mare, inertie mare si multe grade de libertate. Capacitatea sa de manipulare cu forta-deplasare multidimensionate si cooperarea cu alte echipamente de prelucrare face ca manipulatorul de forjare sa aiba o putere mai mare in inbunatatirea capacitatii de productie, precizie mai mare, eficienta de productie si economisire de material, reducerea consumului de energie si altele.

In China, studiul manipulatoarelor de fojare de gabarit mare este destul de scazut. In zilele de astazi, nici un manipulator de forjare nu este echipat pentru o presiune hidraulica de forjare de peste 6000T. Lipsa tehnologiei la manipulatoarele de forjare limiteaza serios dezvoltarea unor mecanisme de presare hidraulice gigant si astfel posibilitatea de prelucrare, calitatea si eficienta de structuri complicate de dimensiuni mari. De exemplu, gradul de utilizare a materialelor de forjare dintr-o bucata este de doar 50-55% in China, dar 60-65% in Coreea, si in plus 70-75% in Japonia.

Cu toate acestea, luand in considerare ca pretul de producere este foarte mare si ca perioada de proiectare este prea lunga, doar un manipulator de forjare este facut odata pentru diferite tipuri de prese hidraulice de forjare gigant. De exemplu, pana acum a fost realizat doar un manipulator cu capacitatea de sarcina de 6300kNm. Prin urmare, in practica, verificarile de performanta vizate ale manipulatorului de forjare nu pot fi realizate cu un prototip fizic inainte de fabricare. Este important pentru designerisa analizeze rational designul si performanta de operare in procesul lor de dezvolare cu eficenta mare si mai mare fidelitate de vizualizare al tehnologiei de simulare, mai ales pentru orice optimizare de performanta a manipulatoarelor de forjare.

Structura mecanismului manipulatorului de forjare este de obicei complicata. Sunt foarte multe modele diferite de structuri ale manipulatoarelor: prin urmare mecanism cu legaturi in paralel si un mecanismul cu legaturi de tip leagan sunt doua mecanisme tipice. Un scop al proiectarii mecanismului este acela ca un mecanism dat poate sa realizeze traiectorii de miscare prestabilite suficient de usor si precis. Structurile mecanismelelor de mai sus ar trbui comparate si apoi cel mai bun ar trebui ales ca un prim pas in proiectarea echipamentului. In scopul de a studia miscarile preconizate ale unui mecanism, simularea pe calculator este o posibilitate. Conceptul de simulare cinematica este pentru a calcula ecuatiile cinematice de structuri cu software-ul de simulare pe calculator, care poate determina vitezele si acceleratiile unui mecanism in timpul miscarii sale continue. Cu miscarile mecanismului simulate, un mecanism mai bun poate fi ales in functie de demonstratiile de simulare detaliateale tuturor mecanismelor posibile.

In aceasta lucrare, bazand pe mecanismul teoretic si tehnica de simulare pe calculator, modelele mecanismelor celor doua tipuri de manipulatoare de forjare este stabilit. Cinematica si erorile lor de miscare sunt analizate inainte de optimizare. Mecanismul cinematic este realizat cu pachetele Matlab-Simulink. Din puctul de vedere al spatiului de lucru si alte cerinte atinse ale parametrilor de operare, cele doua scheme ale mecanismului sunt comparabile. Prima schema a mecanismului in exemplu mecanism cu legaturi in paralel este mai aproape cel mai bun.

2. SCHEMELE A DOUA TIPURI DE MECANISME

In general manipulatoarele de forjare trebuie sa satisfaca cinci miscari primare: miscarea corpului, rotatia barei clestelui, prinderea clestelui, miscarea sus-jos a barei clestelui si inclinare, miscarea si balansarea barei clestelui. Cele cinci miscari de mai sus pot fi realizate de cinci mecanisme diferite, respectiv, care sunt mecanismul corpului de miscare, mecanismul de rotatie a barei clestelui, mecanismul de prindere a clestelui, mecanismul miscarii sus-jos a barei clestelui si inclinare, mecanismul pentru miscarea si balansarea barei clestelui. Miscarille de mai sus pot coopera pentr a obtine orice nevoie in operatie de forjare. Pe de alta parte, un manipulator de forjare are nevoie de asemenea de o fundatie destul de solida, componentele de protectie (bare de protectie), platforma de operare, sistem de control si altele.

In concordanta cu cererile practiceale masinii, urmatorii parametrii sunt setati mai intai:

- unghiuri de balansare a barei clestelui (sus-jos): +8/-10

- deplasarea pe tranzitie verticala a barei clestelui (sus- jos): 2510mm

- translatarea unghiului de inclira a barei clestelui (stanga-dreapta) : 8

- translatarea translatiei a barei clestelui(stanga- dreapta): 400mm

Pentrul primul punct, cand clestele se inclina in jos, clestele atinge de obicei pamantul (nivelul solului) astfel incat aduce la forjare piesa. Unghiul de inclinare in sus a barei clestelui este de aproximativ 5-8. Pentru al doilea punct, 2510mm este inaltimea maxima a barei clestelui in directia verticala.2.1 Schema 1: Mecanismul cu legaturi in paralel

Pentru a analiza tranzlatia verticala si inclinarea sus- si jos, mecanismul cu legaturi in paralel al unui manipulator de forjare poate sa fie simplificat in urmatoarea structura cum este aratat in Fig. 1

Fig. 1 Mecanismul cu legaturi in paralel al unui manipulator pentru forjare

Componenta 1 (denumita legatura AB si simetria legaturii AB care nu este aratata in Fig. 1) este transmisia verticala prin cilindrului hidraulic. Miscarea pistonului ei este intre 3450-5190mm. Cand cilindrul hidraulic se extinde in afara, poate sa impinga bara clestelui 8 sa se miste in sus constant.

Componenta 2 (denumit planul BDCG) este fostul brat pe care punctul C se unea cu baza.

Componenta 3 (denumita legatura DEF si legatura sa simetrica DEF care nu este aratata in Fig. 1) este o legatura suspendata la fostul brat si este utilizata sa impinga bara clestelui.

Componenta 4 ( denumita EM si legatura sa simetrica EM care nu este aratata in Fig. 1) este cilindrul hidraulic ca o bara de protectie. Cand bara clestelui se misca in sus, bara de protectie a cilindrului hidraulic se comporta ca o srtuctura integrala.

Componenta 5 (denumita planul IHN) este bratul din spate al carui punct I este unit cu baza.

Componenta 6 ( denumita legatura HG si legatura sa simetrica HG care nu este aratata in Fig. 1) este o legatura folosita pentru a conecta fostul brat cu bratul din spate.

Componenta 7 ( denumita legatura NK) este o inclinare sus-in- jos Pe cilindru hidraulic. Cand este intinsa de la pozitia de inceput, bara clestelui se inclina in sus. Se asteapta ca unghiul de inclinare sa ajuga pana la 8. Cand se scurteaza de la pozitia de inceput, bara clestelui se inclina in jos si unghiul de inclinare atins este de -10.

2.2 Schema 2 : Mecanismul cu legaturi de tip leagan

Un mecanismul cu legaturi de tip leagan al unui manipulator pentru forjare este prezentat in Fig. 2

Fig. 2: Mecanismul cu legaturi de tip leagan al unui manipulator pentru forjare

Componenta KFP consta in bara clestelui. Punctul P este portul clestelui. Componenta AB este bratul frontal de leagan. Componanta BE este bratul frontal de ridicare. Componenta HI este bratul de leagan din spate. Componenta IJ este bratul din spate de leagan. Componenta CG este bara de protectie prin cilindru hidraulic.

Cand cilindfrul hidraulic frontal BD si cilindrul hidraulic din spate IL se misca in sus in sincron, bara clestelui se va misca in sus pe directie verticala. Si cand cilindrul hidraulic frontal BD se se muta in sus si determina ca cilindrul hidraulic din spate IL sa se scurteze proportional, bara clestelui se va misca sus-si- jos.

3. SIMULAREA CINEMATICA A DOUA TIPURI DE MECANISME

3.1 Design-ul si analiza cinematica a mecanismului cu legaturi in paralel

(1) Miscarea de leagan sus-si-jos

Fig.1 ilustreaza cum cilindrul hidraulic NK conduce bara clestelui sa se incline sus-si-jos. Cilindrul hidraulic AB conduce bara clestelui sa se miste sus-si-jos in directie verticala. Componenta DEF este suspensorul barei clestelui. Cand cilindrul hidraulic NK se misca incet si cilindrul AB este blocat pe extindere, bratul frontal CGBD si bratul din spate IHN sunt fixe. Prin urmare, suspensorul DEF este de asemenea fix. Tot timpul, bratul din spate IHN si suspensorul DEF pot fi privite ca parti ale bazei.

Atata timp cat cilindrul hidraulic NK se extinde, bara clestelui QP se va balasa in jurul punctului F, apoi bara clestelui se va legana in sus. In acelasi fel, cand cilindrul hidraulic NK se scurteaza, bara clestelui se va balasa in jos in jurul punctului F. Relatia dintre lungimea uleiului cilindrului hidraulic NK si unghiul realizat de miscarea de leagan a barei clestelui QP este prezentata in Fig. 3(a). Relatia dintre lungimea de extensie a uleiului cilindrului hidraulic NK si coordonatele clestelui P este prezentata in Fig. 3(b). Linia punctata este curba de inclinare in sus si linia continua este curba de inclinare in jos.

Cand cilindrul hidraulic NK se extinde, bara clestelui se va inclina in sus. Relatia simulata dintre lungimea de extensie a lui NK si unghiul de inclinare in sus a barei clestelui QP este aproape liniara. Cand extinderea NK atinge maximul de 2890mm, unghiul de inclinare in sus a barei clestelui QP atinge si ea valuarea maxima in exemplu 0.1402rad, notata 8.037, prezentata in figurata in Fig.3(a).

Cand cilindrul hidraulic NK se scurteaza, bara clestelui se va inclina in jos. Relatia dintre lungimea de extensie a lui NK si unghiul de inclinare in sus a barei clestelui QP este de asemenea liniara. Cand scurtarea lui NK atinge valoarea maxima de 1580mm, unghiul de inclinare in jos a barei clestelui QP atinge si ea valuarea maxima de 0.17575rad, notata 10.070, prezentata in figurata in Fig.3(b).

lungimea legaturii NK/mm

X/mm

a) Lungimea legaturii NK Vs unghiul b)Lungimea transformarii legaturii NK al barei clestelui

Vs coordonatele clestelui P

Fig.3. Leaganul sus-si-jos rezultatele simularii pentru un mecanism cu legaturi in paralel

(2) Miscarea sus-si-jos

Fig.1 ilustreaza cum cilindrul hidraulic AB conduce bara clestelui sa se incline sus-si-jos pe directie verticala. Componenta DEF este suspensorul pentru bara clestelui. Cand cilindrul hidraulic AB se misca incet, bratul frontal CGBD se va balansa in jurul punctului C, cilindrul HG va trage bratul din spate IHN, si apoi IHN se va balansa in jurul punctului I, in concordanta cu mmiscarile barei clestelui KFQP se va misca in sus si jos.

Cand cilindrul hidraulic AB se extinde, bara clestelui (KFQP) se va misca in sus in mod stabil. Pe masura ce are loc relocarea uleiului cilindrului hidraulic AB, distanta de deplasare a barei clestelui QP poate fi calculata.

Cand cilindrul AB atinge valoarea maxima , deplasarea ascendenta a barei clestelui va fi la valoarea maxima de 2536,3mm. In acel moment, translatia maxima presetata a barei clestelui QP are o valuare mica de 13mm, cum este aratat in figura Fig.4(a). Aceasta este, impreuna cu miscarea in sus a barei clestelui, o inclinare usoara cum este aratat in Fig.4(b)

(a) Translatia legaturii AB vs. Coordonatele (b) Translatia legaturii AB vs.

barei clestelui la K

unghiul 11 al barei clestelui

Fig.4 Rezultatul simularii al miscarii sus-si-jos al unui mecanism cu legaturi in paralel

3.1 Design-ul si analiza cinematica a unui mecanism cu legaturi de tip leagan

(1) Miscarea de leagan sus-si-jos

Fig.2 arata ca atunci cand cilindrul frontal BD se extinde cu o anumita viteza, dar cel din spate se scurteza cu aceeasi vitza, bara clestelui se va balansa sus-si-jos. Presupunand ca bara clestelui se balanseaza sus-si-jos in jurul punctului M (in exemplu punctul de intersectie al legaturii mediene si legatura JE), atunci viteza si deplasarea amortizorului cilindrului hidraulic poate fi calculata.

Cum este aratat in Fig.5, cand cilindrul hidraulic frontal si misca in sus, dar celalalt se misca in jos, bara clestelui se va misca in sus. Unghiul maxim de leagan a barei clestelui este de 0.31414rad, notata 18.0. Deplasarea maxima si viteza amorzitorului cilindrului hidraulic este 40.1mm si respectiv 13.107mm/s. Cand cilindrul hidraulic frontal se misca in jos, dar cel din spate se misca in sus, bara clestelui se va inclina in jos. In acel moment, unghiul de inclinare maxima al barei clestelui este 0.31414rad, notat 18.0, si deplasarea maxima si viteza amortizorului cilindrului este 227,1mm si respectiv 32.107mm/s. Rezultatele simularii arata ca unghiurile de inclinare sus-si-jos ale barei clestelui sunt sunt satisfacatoare din opinia de design. Dar in acest caz, instabilitatea mecanismului creste si este destul de greu pentru sistemul de control hidraulic pentru miscare sa se asigure ca cei trei cilindrii hidraulici presurizati se misca in sincron. Deci, considerand ca cilindrul hidraulic din urma(IL) este fixat sus, bratul din spate este si el fixat deasemenea sus pe pozitia lui verticala.

(a) Lungimea transltiei leggaturii BD si IL

(b) Viteza de miscare a legaturii

BD si IL

Fig.5: Rezultatele simularii miscarii de leagan sus-si-jos pentru un mecanism cu legaturi de tip leagan

(2) Miscarea sus-si-jos

Cand doi cilindrii hidraulici se extind in acelasi timp la o viteza sincronizata, bara clestelui va fi impinsa de barele din fata si spate si se va misca vertical. Presupunand ca viteza cilindrului hidraulic este constanta in scopul de a judeca daca bara clestelui se misca vertical, si daca exista un unghi inclinat, cat de mare este unghiul.

Rezultatele simularii, ca in Fig.6, arata ca unghiul de inclinare 1 al bratului frontal va scadea spre zero gradual odata cu extensia cilindrului hidraulic. Si apoi se va extinde in sens invers. In acelasi timp, bara clestelui va impinge usor cu 0.868, cand bara clestelui se misca sus-si-jos pe verticala. Traictorile de miscare ale punctului E si bara clestelui sunt echivalente, deplasarea maxima si erorile de miscare pe orizontala ale barei clestelui sunt 2507.0mm si respectiv 46.8mm. Ca cerinta in optiunile de design, erorile de miscare ale barei clestelui pe directia orizontala sunt prea mari pentru a fi acceptate.

(a) Istoricul timpului pentru 1

(b) Transformarea coordonatelor

punctului E

Fig.6 Rezultatele simularii miscarii de leagan sus-si-jos pentru un mecanism cu legaturi de tip leagan

4. ANALIZA COMPARATIVA A CINEMATICII A DOUA TIPURI DE MECANISME

Pe perioada designului, este necesar sa fie stabilit un sistem de evaluare rezonabil si eficient pentru selectarea schemei mecanismului, acesta este scopul la care se asteapta sa se ajunga prin schemele de miscare. In general, include urmatoarele caractere: In primul rand, din punctul de vedere al intelegerii si atentiei, principalul design cere ca performanta a mecanismului sa fie considerata ca niste conditii cheie care influenteaza rezultatele designului. In al doilea rand, din punctul de vedere al independentei, diverse indexuri de evaluare nu sunt concrete, astfel daca una din variatiile indexurilor se schimba, nu va avea un efect remarcabil asupra altor variatii ale indexurilor. In al treilea rand, din punctul de vedere al cuantificarii, anumita variatii ale indexurilor pot fi cuantificate in tremeni de diferite grade pentru importanta evaluarilor. Cuantificarea variatiei indexurilor face referire in special la evaluarea si selectia schemei mecanismului, in cele mai multe cazuri.

In concordanta cu performantele principale de design ale manipulatoarelor de forjare, evaluarea sistemului al mecanismului schemelor cinematice este stabilit, luand in considerare designul mecanismului optiunile expert si cerintele speciale de la client. Bazand pe calculele de performanta miscarii de aici, cele doua mecanisme tipice sunt evaluate. In final, noi alegem prima schema, in exemplu mecanismul cu legaturi in paralel, cum este aratat in Tabelul 1

5. CONCLUZII

1) Bazat pe manipulatoarele de forjare pentru o presiune hidraulica mare, cinematica tipica a doua scheme de mecanisme, in exemplu un mecanism cu legaturi in paralel si un mecanism cu legaturi de tip leagan, sunt analizati si comparati si parametrii mecanici ai structurii.

2)

Cinematica celor doua scheme de mecanisme este simulata cu Matlab-Simulink si spatiile lor de miscare sunt pre-trimisi. Calculele miscarilor al intalnit tintele designului in cele mai multe cazuri. In plus, pe cererile de fuctii de miscare de baza ale conceptului de designului al mesinii, cele 2 mecanisme de mai sus de manipulatoare de forjare sunt comparabile din punctul de vedere al cinematicii mecanice si cererii tehnice practice. Primul tip de mecanism cu legaturi in paralel este ales.

3)

Cum am discutat in ultima sectiune, primul mecanism are avantajele ca toate indexurile intalnesc cererile de design bine, si ocupa un loc mai mic. Cateva dezavantaje ale primului mecanism sunt translatia unghiului de inclinare si raza unghiului de inclinarein directie verticala trebuie ajustata. Pentru al doilea mecanism, sunt de asemenea niste avantaje reprezentate de indexurile care intalnesc cererile de design bine, in afara unghiului de inclinare in jos. Gama de inclinare pe directie orizontala este prea larga pentru a fi a fi acceptata.