基于ADAMS的碼垛機(jī)器人參數(shù)化分析

王 琪，曹 飛,, 張 任,，劉煜堃

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)易華塑料有限公司,江蘇 張家港 215600)

基于ADAMS的碼垛機(jī)器人參數(shù)化分析

王 琪1，曹 飛1,2, 張 任1,2，劉煜堃2

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)易華塑料有限公司,江蘇 張家港 215600)

采用ADAMS軟件中的參數(shù)化建模和分析功能，通過創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn)，建立碼垛機(jī)器人的參數(shù)化模型。利用ADAMS對(duì)碼垛機(jī)器人的桿長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以底座力矩最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過設(shè)計(jì)研究，獲得符合要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到底座力矩的最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。

碼垛機(jī)器人；參數(shù)化 ；ADAMS； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

碼垛機(jī)器人按照一定的模式，將物料堆碼成垛，它在物流自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，尤其是降低勞動(dòng)成本，提高生產(chǎn)效率，因此對(duì)碼垛機(jī)器人性能的研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

碼垛機(jī)器人底座承受機(jī)器人腰部、臂部和腕部的全部重量以及工作中的工作載荷和外載荷，這就需要很大的底座驅(qū)動(dòng)力矩。臂部連桿的尺寸參數(shù)作為設(shè)計(jì)過程中一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)因素決定了所設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人底座驅(qū)動(dòng)力的大小，影響著機(jī)器人的工作性能。通過ADAMS所擁有的建模、分析及后處理功能，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，在滿足實(shí)際工況的前提下，對(duì)大臂連桿尺寸、后臂桿長(zhǎng)和連桿比例系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，以底座力矩最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過仿真，獲得符合要求的參數(shù)值，得到底座力矩的最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]。

1 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)

碼垛機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要由底座、焊接架、大臂、小臂、腕部和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1、2所示，機(jī)器人具有4個(gè)自由度，2個(gè)旋轉(zhuǎn)副和2個(gè)移動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)由四臺(tái)交流伺服電機(jī)控制。手臂末端的抓手通過腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、前大臂水平運(yùn)動(dòng)、后大臂的垂直運(yùn)動(dòng)和腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)4種運(yùn)動(dòng)的組合完成對(duì)物料的碼垛。碼垛機(jī)器人的前大臂、大臂連桿、后大臂和小臂四桿組成了一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)具有提高臂部剛度，放大行程的功效。為確保腕部旋轉(zhuǎn)副軸線始終和地面保持垂直，在臂部和腕部之間安裝了一套由兩組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的腕部平動(dòng)保持機(jī)構(gòu)。

圖1 碼垛機(jī)器人平面四連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 碼垛機(jī)器人參數(shù)化建模[7-8]

圖3 碼垛機(jī)器人參數(shù)模型

3 設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的確定

碼垛機(jī)器人參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程：首先根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)要求確定設(shè)計(jì)研究變量、目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，再根據(jù)設(shè)計(jì)研究結(jié)果確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]。

動(dòng)力學(xué)特性是衡量碼垛機(jī)器人性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，本章以碼垛機(jī)器人末端在一定負(fù)載的情況下，要求底座驅(qū)動(dòng)力矩最小，即以底座驅(qū)動(dòng)力矩最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 Point點(diǎn)參數(shù)化

4 碼垛機(jī)器人參數(shù)化分析

參數(shù)化分析幫助設(shè)計(jì)者分析設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)樣機(jī)性能的影響。ADAMS提供了以下三種類型的參數(shù)化分析過程[10]。

(1)設(shè)計(jì)研究：考慮一個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)樣機(jī)性能的影響。

(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)：可以考慮多個(gè)設(shè)計(jì)變量同時(shí)發(fā)生變化對(duì)樣機(jī)性能的影響。

(3)優(yōu)化分析：通過優(yōu)化分析，可以獲得在給定的設(shè)計(jì)變量變化范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)到最大或最小值的工況。

4.1 設(shè)計(jì)研究

分別對(duì)設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_2、DV_3進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，分析各個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，靈敏度越大，說明設(shè)計(jì)變量對(duì)底座驅(qū)動(dòng)力矩的影響越大。圖5～圖7是分別對(duì)DV_1、DV_2、DV_3進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的曲線圖，上述設(shè)計(jì)變量在初值處的靈敏度結(jié)果見表1。

(a)DV_1變化時(shí)底座驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖

(b)DV_1變化時(shí)目標(biāo)函數(shù)曲線圖圖5 DV_1變化設(shè)計(jì)研究曲線圖

(a)DV_2變化時(shí)底座驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖

(b)DV_2變化時(shí)目標(biāo)函數(shù)曲線圖圖6 DV_2變化設(shè)計(jì)研究曲線圖

(a)DV_3變化時(shí)底座驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖

(b)DV_3變化時(shí)目標(biāo)函數(shù)曲線圖圖7 DV_3變化設(shè)計(jì)研究曲線圖表1 設(shè)計(jì)變量在初值處的靈敏度

設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)變量初值靈敏度DEDV_1260mm6799.2DFDV_2240mm5.8453e-003λDV_34.56.4212e+005

從圖5～圖7及表1可以看出：DV_1、DV_3變化時(shí)目標(biāo)函數(shù)曲線圖斜率大，說明變量DV_1、DV_3的靈敏度都比較大，因此作為最終優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化分析。而設(shè)計(jì)變量DV_2的靈敏度較小，幾乎對(duì)目標(biāo)函數(shù)無影響，所以不作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足各種設(shè)計(jì)條件和指定的變量范圍內(nèi)，通過自動(dòng)選擇優(yōu)化變量的值，由分析程序求取目標(biāo)函數(shù)的最大值、最小值或平均值。優(yōu)化變量DV_1、DV_3的取值經(jīng)設(shè)計(jì)研究分別確定為260mm,4.5，范圍為：200mm～400mm,4～6?？紤]這兩個(gè)優(yōu)化變量同時(shí)對(duì)底座驅(qū)動(dòng)力的影響。優(yōu)化前后的底座驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖、目標(biāo)函數(shù)曲線圖如圖8所示。

(a)優(yōu)化過程中底座驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖

(b)優(yōu)化過程中目標(biāo)函數(shù)曲線圖圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的結(jié)果報(bào)告如圖9所示，列出了優(yōu)化變量DV_1、DV_3同時(shí)改變時(shí)，底座驅(qū)動(dòng)力矩最大值的變化情況：優(yōu)化設(shè)計(jì)前底座驅(qū)動(dòng)力矩要求最大值為2.74005e+006N·mm，優(yōu)化設(shè)計(jì)后要求最大值為2.06774e+006N·mm，減小了24.5%，優(yōu)化設(shè)計(jì)后底座驅(qū)動(dòng)力矩最大值得到顯著改善。優(yōu)化前后各參數(shù)表如表2所示。

圖9 優(yōu)化結(jié)果報(bào)告表2 優(yōu)化前后各參數(shù)值

DEλ底座驅(qū)動(dòng)力矩初值260mm4.52.74005e+006N·mm優(yōu)化后200mm42.06774e+006N·mm變化量-23.1%-11.1%-24.5%

5 結(jié)束語

采用ADAMS軟件建立了碼垛機(jī)器人的參數(shù)化模型，通過對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量的設(shè)計(jì)研究，獲得對(duì)底座驅(qū)動(dòng)力矩影響大的設(shè)計(jì)變量，根據(jù)設(shè)計(jì)研究結(jié)果確定出優(yōu)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得符合要求的參數(shù)值，得到底座力矩的最優(yōu)解。

本研究表明基于ADAMS的參數(shù)化分析有利于了解各設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能的影響，針對(duì)影響最大的變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量，為ADAMS在碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。

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(編輯 李秀敏)

Parameterized Analysis of Palletizing Robot based on ADAMS

WANG Qi1, CAO Fei1,2, ZHANG Ren1,2, LIU Yu-kun2

(1.School of Mechanical Engineering of Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003,China;2 .Yi Hua China Plastics Co.LTD, Zhangjiagang Jiangsu 215600,China)

Making use of the functions of parametric modeling and analysis from ADAMS, build up a palletizing robot of parametric model by creating the designing points. The lengths of links are parameterized via ADAMS, the minimum base driving torque are regarded as optimization goal. Getting the optimum optimization design parameters through design study, then getting the optimal solution of base driving torque through optimization design, so as to realize the optimum design of the palletizing robot. It raises the efficiency of organization design and shorts design period.

palletizing robot; parameterized; ADAMS; optimization design

1001-2265(2014)07-0045-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.013

2013-11-01

王琪(1962—)，男，江蘇鹽城人，江蘇科技大學(xué)教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)镃AD/CAM/CAE/KBE，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、特種裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，(E-mail)caofei1988yahoo@163.com。

TH391;TG659

A