本發(fā)明屬于環(huán)件輾軋成形加工領域，具體涉及一種確定抱輥機構運動空間極限角度的方法。

背景技術：

環(huán)件輾軋是一種重要的零件成形先進技術，抱輥機構在環(huán)軋過程中起著保證穩(wěn)定性及環(huán)件圓度的重要作用。因此，抱輥機構的合理設計是關鍵技術內(nèi)容。jenkouk等(jenkoukv,hirtg,franzkem,etal.finiteelementanalysisoftheringrollingprocesswithintegratedclosed-loopcontrol[j].cirpannals-manufacturingtechnology,2012,61(1):267-270.)提出了一種抱輥機構用于環(huán)件輾軋成形，但抱輥機構結構參數(shù)的設計仍依賴于經(jīng)驗和試錯方法，導致抱輥機構的設計缺乏科學依據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術中存在的抱輥機構結構參數(shù)的設計依賴于經(jīng)驗和試錯方法的不足，本發(fā)明提出了一種確定環(huán)軋抱輥機構運動空間極限角度的方法。

本發(fā)明的具體過程是：

步驟1，獲取抱輥機構的結構參數(shù)：

所述抱輥機構的結構參數(shù)包括連桿固定鉸點c的坐標點(xc,zc)、液壓缸固定鉸點h的坐標點(xh,zh)、桿件cd與桿件bc間的夾角θ1、桿件bc與桿件ab間的夾角θ2、桿件ab的長度l1、桿件bc的長度l2、桿件cd的長度l3、液壓缸活塞桿dq的長度l4、液壓缸固定鉸點h到液壓缸邊緣的水平安裝距離l5、液壓缸固定鉸點h到液壓缸上表面的垂直安裝距離l6、液壓缸固定鉸點h到液壓缸軸線的垂直距離l7和液壓缸沿活塞桿運動方向的長度l8。所述的a點為抱輥中心，d點為活動鉸點。所述的桿件cd、桿件bc和桿件ab均為連桿abcd的桿件。

步驟2，確定液壓缸活塞桿的極限長度l0：

當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點時，活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，此時所對應的活塞桿長度稱之為活塞桿的極限長度l0。

式中，xh是液壓缸固定鉸點h在坐標系中x軸的位置；xc是連桿固定鉸點c在坐標系中x軸的位置；zh是液壓缸固定鉸點h在坐標系中z軸的位置；zc是連桿固定鉸點c在坐標系中z軸的位置。

當l0≥l4時，活塞桿dq與桿件cd成為一條直線；當l0<l4時，活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點位置。

步驟3，確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax：

根據(jù)活塞桿極限長度l0與活塞桿長度l4間的大小關系，確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax；分為兩種情況：

ⅰ第一種情況：當活塞桿dq的長度l4≤活塞桿極限長度l0時，抱輥機構在運動過程中能夠使得活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，此時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)。

當活塞桿dq的長度l4≤活塞桿極限長度l0時，通過公式(16)確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax：

ⅱ第二種情況：當活塞桿dq的長度l4大于活塞桿極限長度l0時，抱輥機構在運動過程中不能使活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，故當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點位置時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)。

當活塞桿dq的長度l4>活塞桿極限長度l0時，通過公式(29)確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax：

步驟4，確定抱輥機構運動空間的最小極限角度θmin：

通過公式(24)確定抱輥機構的最小極限角度θmin：

步驟5，獲得抱輥機構的運動空間極限角度[θmin,θmax]：

根據(jù)步驟3得到的抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax和步驟4得到的抱輥機構運動空間的最小極限角度θmin，確定抱輥機構的運動空間極限角度為[θmin,θmax]。

至此，完成了環(huán)軋抱輥機構運動空間極限角度的確定。

為解決環(huán)件輾軋過程中抱輥機構的合理設計與優(yōu)化問題，本發(fā)明首先獲取抱輥機構的結構參數(shù)，其次確定液壓缸活塞桿的極限長度以及抱輥機構運動空間的最大與最小極限角度，進而獲得抱輥機構的運動空間極限角度。在該過程中，可用抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax和最小極限角度θmin構成的運動空間極限角度范圍[θmin,θmax]表示抱輥機構的運動空間極限角度。

本發(fā)明通過建立抱輥機構結構參數(shù)與運動空間極限角度的函數(shù)關系，提出一種確定環(huán)軋抱輥機構運動空間極限角度的方法，首先獲取抱輥機構的結構參數(shù)，包括：連桿固定鉸點c的坐標點(xc,zc)、液壓缸固定鉸點h的坐標點(xh,zh)、桿件cd與桿件bc間的夾角θ1、桿件bc與桿件ab間的夾角θ2、桿件ab的長度l1、桿件bc的長度l2、桿件cd的長度l3、液壓缸活塞桿dq的長度l4、液壓缸固定鉸點h到液壓缸邊緣的水平安裝距離l5、液壓缸固定鉸點h到液壓缸上表面的垂直安裝距離l6、液壓缸固定鉸點h到液壓缸軸線的垂直距離l7、液壓缸沿活塞桿運動方向的長度l8，其次確定液壓缸活塞桿的極限長度以及抱輥機構運動空間的最大與最小極限角度，進而獲得抱輥機構的運動空間極限角度，為抱輥機構的結構參數(shù)設計與智能環(huán)軋設備的研制奠定基礎。

附圖說明

圖1為環(huán)軋系統(tǒng)示意圖，其中圖1a是x-z平面的俯視圖；圖1b是x-y平面的剖視圖。

圖2為抱輥機構的簡化示意圖。

圖3為抱輥機構的臨界狀態(tài)。

圖4為當活塞桿長度≤極限長度時，抱輥機構的最大極限狀態(tài)。

圖5為當活塞桿長度>極限長度時，抱輥機構的最大極限狀態(tài)。

圖6為抱輥機構的最小極限狀態(tài)。

圖7為本發(fā)明的流程圖。

圖中：

1.連桿；2.液壓缸；3.液壓缸固定支架；4.驅動輥；5.抱輥；6.環(huán)坯；7.錐輥；8.芯輥。

具體實施方式

實施例一

本實施例是一種確定環(huán)軋抱輥機構運動空間極限角度的方法，具體過程是：

步驟1，通過測量或設計的方式獲取抱輥機構的結構參數(shù)：

圖1為經(jīng)典環(huán)軋系統(tǒng)示意圖，該環(huán)軋系統(tǒng)由驅動輥4、芯輥8、環(huán)坯6、錐輥7以及兩個抱輥機構組成。建立坐標系，并使該坐標系的原點o位于驅動輥4的中心，整個系統(tǒng)關于x軸對稱。桿件ab、bc及cd組成一個連桿1，為連桿abcd。所述連桿abcd繞連桿固定鉸點c旋轉，c點的坐標點為(xc,zc)。桿件ab、bc及cd的長度分別記為l1、l2、l3，桿件cd與桿件bc間的夾角記為θ1，桿件bc與桿件ab間的夾角記為θ2，所述a點是連桿abcd與抱輥5的鉸接點，該a點亦為抱輥中心。dq是液壓缸的活塞桿，長度記為l4，所述d點和q點分別為該液壓缸活塞桿的兩端點，該d點亦為連桿abcd與液壓缸活塞桿相連接的活動鉸點。h點為液壓缸2的固定鉸點，其坐標點為(xh,zh)。環(huán)件輾軋過程中，抱輥5的運動由抱輥機構控制，抱輥機構包括液壓缸2、液壓缸固定支架3、抱輥5以及連桿abcd。所述的液壓缸固定支架位于該液壓缸的上表面，并使該液壓缸固定支架的外側邊緣與液壓缸的外側邊緣處于同一垂直面上。

圖2為抱輥機構的簡化示意圖，是圖1中抱輥機構的局部示意圖，vv'是過連桿固定鉸點c且平行于圖1中x軸的一條直線，ww'是過連桿固定鉸點c且平行于圖1中z軸的一條直線。圖2中：m是液壓缸固定支架的外側邊緣上的點，h是液壓缸的固定鉸點，mh是所述液壓缸固定鉸點h到液壓缸邊緣的水平安裝距離，記為l5；n是所述液壓缸上表面的點，hn是液壓缸固定鉸點到液壓缸上表面的垂直安裝距離，記為l6；p點位于所述輔助線vv'上，hp是該液壓缸固定鉸點h到輔助線vv'的垂直距離，該垂直距離亦為液壓缸固定鉸點h與連桿固定鉸點c水平延伸線的垂直距離；pc是液壓缸固定鉸點h到連桿固定鉸點c的水平距離；f為所述液壓缸軸線上的點，hf為液壓缸固定鉸點h到液壓缸軸線的垂直距離，記為l7；g點和e點分別為液壓缸軸線的兩端，且e點靠近所述活動鉸點d，g點遠離該活動鉸點d，ge是液壓缸沿活塞桿運動方向的長度，記為l8。

所述抱輥機構的結構參數(shù)包括連桿固定鉸點c的坐標點(xc,zc)、液壓缸固定鉸點h的坐標點(xh,zh)、桿件cd與桿件bc間的夾角θ1、桿件bc與桿件ab間的夾角θ2、桿件ab的長度l1、桿件bc的長度l2、桿件cd的長度l3、液壓缸活塞桿dq的長度l4、液壓缸固定鉸點h到液壓缸邊緣的水平安裝距離l5、液壓缸固定鉸點h到液壓缸上表面的垂直安裝距離l6、液壓缸固定鉸點h到液壓缸軸線的垂直距離l7和液壓缸沿活塞桿運動方向的長度l8。

本實施例中所述的抱輥機構的結構參數(shù)分別為：連桿固定鉸點c在所述坐標系中的坐標點(xc,zc)為(0,700)、液壓缸固定鉸點h在所述坐標系中的坐標點(xh,zh)為(-550,700)、桿件cd與桿件bc間的夾角θ1為90°、桿件bc與桿件ab間的夾角θ2為90°、桿件ab的長度l1為120mm、桿件bc的長度l2為400mm、桿件cd的長度l3為150mm、液壓缸活塞桿dq的長度l4為250mm、液壓缸固定鉸點h到液壓缸邊緣的水平安裝距離l5為25mm、液壓缸固定鉸點h到液壓缸上表面的垂直安裝距離l6為25mm、液壓缸固定鉸點h到液壓缸軸線的垂直距離l7等于60mm、液壓缸沿活塞桿運動方向的長度l8為180mm。

步驟2，確定液壓缸活塞桿的極限長度l0：

圖3為抱輥機構的臨界狀態(tài)，即當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點時，活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，此時所對應的活塞桿長度稱之為活塞桿的極限長度l0?；钊麠U極限長度l0與活塞桿長度l4間的大小關系導致抱輥機構運動空間最大極限角度θmax的確定分為兩種情況：當l4≤l0時，抱輥機構的最大極限狀態(tài)如圖4所示，即當活塞桿dq與桿件cd成為一條直線時，抱輥機構處于最大極限狀態(tài)；當l4>l0時，抱輥機構的最大極限狀態(tài)如圖5所示，即當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點位置時，抱輥機構處于最大極限狀態(tài)?；钊麠U極限長度l0的計算如下：

在△hfc中，hc是液壓缸固定鉸點h到連桿固定鉸點c的距離，表示為：

式中，xh是液壓缸固定鉸點h在坐標系中x軸的位置；xc是連桿固定鉸點c在坐標系中x軸的位置；zh是液壓缸固定鉸點h在坐標系中z軸的位置；zc是連桿固定鉸點c在坐標系中z軸的位置。

fc是當活塞桿dq與桿件cd成為一條直線時，液壓缸軸線上f點到連桿固定鉸點c的距離，由勾股定理知：

hf²+fc²＝hc²(2)

將hf＝l7及式(1)代入式(2)中，化簡得到：

fd是液壓缸軸線上f點到活動鉸點d的距離，由于fc＝fd+cd，故：

fc＝fd+cd＝fd+l3(4)

聯(lián)立式(3)、(4)，化簡得到：

gf是液壓缸的g點到液壓缸軸線上f點的距離，因而當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點時，活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，此時所對應的活塞桿dq的極限長度l0表示為：

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)為(xc,zc)＝(0,700)、(xh,zh)＝(-550,700)、l3＝150mm、l5＝25mm、l7＝60mm，故由式(6)計算得到液壓缸活塞桿的極限長度l0≈421.7mm。

步驟3，確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax：

根據(jù)活塞桿長度l4與活塞桿極限長度l0間的大小關系，確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax；分為兩種情況：

ⅰ第一種情況：當活塞桿dq的長度l4小于或者等于活塞桿極限長度l0時，抱輥機構在運動過程中能夠使得活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，此時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)，如圖4所示。

ⅱ第二種情況：當活塞桿dq的長度l4大于活塞桿極限長度l0時，抱輥機構在運動過程中不能使活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，故當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點位置時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)，如圖5所示。

本實施例中，活塞桿dq的長度l4小于活塞桿極限長度l0，為第一種情況。在確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax時：

在△hpc中，∠pch是液壓缸固定鉸點h和連桿固定鉸點c之間的連線與水平方向的夾角，由余弦定理可知：

將pc＝|xh-xc|，hp＝|zh-zc|及式(1)代入式(7)中，化簡得到：

在△hfc中，∠hcf是當活塞桿dq與桿件cd成為一條直線時，液壓缸固定鉸點h和連桿固定鉸點c之間的連線與桿件cd的夾角，由余弦定理可知：

將hf＝l7及式(1)、(3)代入式(9)中，化簡得到：

∠pcf是當活塞桿dq與桿件cd成為一條直線時，桿件cd與水平方向的夾角。如圖4所示，∠pcf＝∠pch+∠hcf，同時聯(lián)立式(8)、(10)，將∠pcf表示為：

在△abc中，ac是抱輥中心a到連桿固定鉸點c的距離，∠acb是抱輥中心a和連桿固定鉸點c之間的連線與桿件bc的夾角，由余弦定理可知：

ac²＝ab²+bc²-2ab×bc×cosθ2(12)

將式(12)化簡，得到：

將ab＝l1、bc＝l2及式(14)代入式(13)中，化簡得到：

圖4中，∠acw是抱輥中心a和連桿固定鉸點c之間的連線與豎直方向的夾角。由于∠pcf+θ1+∠acb+∠acw＝270°，同時聯(lián)立式(11)、(15)，故將抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax表示為：

綜上所述，當l4≤l0時，由式(11)計算的結果確定抱輥機構所能達到的最大極限狀態(tài)的位置，此時抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax由式(16)確定。

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)為(xc,zc)＝(0,700)、(xh,zh)＝(-550,700)、l1＝120mm、l2＝400mm、l7＝60mm、θ1＝θ2＝90°，故由式(16)計算得到抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax≈157.0°。

步驟4，確定抱輥機構運動空間的最小極限角度θmin：

當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的e點，此時抱輥機構處于最小極限狀態(tài)，如圖6所示。

ef是液壓缸的e點到液壓缸軸線上f點的距離，由于ef+gf＝ge，ef+dq＝fd，故：

ef＝ge-gf＝ge-mh＝l8-l5(17)

fd＝ef+dq＝l8-l5+l4(18)

在△hfd中，hd是液壓缸固定鉸點h到活動鉸點d的距離，由勾股定理可知：

hf²+fd²＝hd²(19)

將hf＝l7及式(18)代入式(19)，化簡得到：

在△hcd中，∠hcd是液壓缸固定鉸點h和連桿固定鉸點c之間的連線與桿件cd的夾角，由余弦定理可知：

將cd＝l3、式(1)及(20)代入式(21)，化簡得到：

因而，聯(lián)立式(8)及式(22)，將桿件cd與水平方向的夾角∠pcd表示為：

由于∠pcd+θ1+∠acb+∠acw＝270°，同時聯(lián)立式(15)及式(23)，故將抱輥機構所能達到的最小極限角度θmin表示為：

綜上所述，當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的e點，即∠pcd達到式(23)計算的結果，此時抱輥機構處于最小極限狀態(tài)，與之對應的抱輥機構所能達到的最小極限角度θmin由式(24)確定。

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)為(xc,zc)＝(0,700)、(xh,zh)＝(-550,700)、l1＝120mm、l2＝400mm、l3＝150mm、l4＝250mm、l5＝25mm、l7＝60mm、l8＝180mm、θ1＝θ2＝90°，故由式(24)計算得到抱輥機構所能達到的最小極限角度θmin≈145.8°。

步驟5，獲得抱輥機構的運動空間極限角度[θmin,θmax]：

根據(jù)由上述步驟3得到的抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax≈157.0°，由上述步驟4得到的抱輥機構運動空間的最小極限角度θmin≈145.8°，故此抱輥機構的運動空間極限角度為[145.8°,157.0°]。

至此，完成了環(huán)軋抱輥機構運動空間極限角度的確定。

實施例二

本實施例是針對抱輥機構運動空間最大極限角度的第二種情況，即活塞桿dq的長度l4大于活塞桿極限長度l0，抱輥機構運動空間極限角度確定的具體過程如下：

步驟1，通過測量或設計的方式獲取抱輥機構的結構參數(shù)：

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)如下：連桿固定鉸點c的坐標點(xc,zc)為(0,700)、液壓缸固定鉸點h的坐標點(xh,zh)為(-550,800)、桿件cd與桿件bc間的夾角θ1為90°、桿件bc與桿件ab間的夾角θ2為90°、桿件ab的長度l1為120mm、桿件bc的長度l2為400mm、桿件cd的長度l3為200mm、液壓缸活塞桿dq的長度l4為400mm、液壓缸固定鉸點h到液壓缸邊緣的水平安裝距離l5為25mm、液壓缸固定鉸點h到液壓缸上表面的垂直安裝距離l6為25mm、液壓缸固定鉸點h到液壓缸軸線的垂直距離l7等于100mm、液壓缸沿活塞桿運動方向的長度l8為300mm。

步驟2，確定液壓缸活塞桿的極限長度l0：

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)為(xc,zc)＝(0,700)、(xh,zh)＝(-550,800)、l3＝200mm、l5＝25mm、l7＝100mm，故由式(6)計算得到液壓缸活塞桿的極限長度l0＝375mm。

步驟3，確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax：

根據(jù)活塞桿長度l4與活塞桿極限長度l0間的大小關系，確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax；分為兩種情況：

ⅰ第一種情況：當活塞桿dq的長度l4小于或者等于活塞桿極限長度l0時，抱輥機構在運動過程中能夠使得活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，此時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)，如圖4所示。

ⅱ第二種情況：當活塞桿dq的長度l4大于活塞桿極限長度l0時，抱輥機構在運動過程中不能使活塞桿dq與桿件cd成為一條直線，故當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點位置時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)，如圖5所示。

本實施例中，活塞桿dq的長度l4大于活塞桿極限長度l0，為第二種情況。在確定抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax時：

mh＝gf＝l5，故：

fd＝dq-gf＝l4-l5(25)

將hf＝l7及式(25)代入式(19)，化簡得到：

將cd＝l3、式(1)及式(26)代入式(21)中，化簡得到：

如圖5所示，∠pcd＝∠pch+∠hcd，同時聯(lián)立式(8)和式(27)，將∠pcd表示為：

由于∠pcd+θ1+∠acb+∠acw＝270°，同時聯(lián)立式(15)、(28)，故抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax表示為：

綜上所述，在l4>l0的情況下，當活塞桿dq的q點運動到液壓缸的g點，即∠pcd達到式(28)計算的結果，此時抱輥機構處于最大極限狀態(tài)，與之對應的抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax由式(29)確定。

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)為(xc,zc)＝(0,700)、(xh,zh)＝(-550,800)、l1＝120mm、l2＝400mm、l3＝200mm、l4＝400mm、l5＝25mm、l7＝100mm、θ1＝θ2＝90°，故由式(29)計算得到抱輥機構所能達到的最大極限角度θmax≈127.5°。

步驟4，確定抱輥機構運動空間的最小極限角度θmin：

本實施例中，抱輥機構的結構參數(shù)為(xc,zc)＝(0,700)、(xh,zh)＝(-550,800)、l1＝120mm、l2＝400mm、l3＝200mm、l4＝400mm、l5＝25mm、l7＝100mm、l8＝300mm、θ1＝θ2＝90°，故由式(24)計算得到抱輥機構所能達到的最小極限角度θmin≈32.6°。

步驟5，獲得抱輥機構的運動空間極限角度[θmin,θmax]：

根據(jù)由上述步驟3得到的抱輥機構運動空間的最大極限角度θmax≈127.5°，由上述步驟4得到的抱輥機構運動空間的最小極限角度θmin≈32.6°，故此抱輥機構的運動空間極限角度為[32.6°,127.5°]。

至此，完成了環(huán)軋抱輥機構運動空間極限角度的確定。