木材表面強(qiáng)化與裝飾自動(dòng)化生產(chǎn)線ZY-06L型機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析與仿真1)

吳 昊 王鴻鈞

(紅河學(xué)院，云南·蒙自，661100)

木材表面強(qiáng)化與裝飾自動(dòng)化生產(chǎn)線ZY-06L型機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析與仿真1)

吳 昊 王鴻鈞

(紅河學(xué)院，云南·蒙自，661100)

通過建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，結(jié)合機(jī)械手在實(shí)際工作環(huán)境中的位置坐標(biāo)參數(shù)與需要搬運(yùn)物件的位置坐標(biāo)，代入求解方程，得到機(jī)械手末端執(zhí)行器位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系。運(yùn)用大型工程軟件UG NX8.0對機(jī)械手進(jìn)行建模與仿真，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作流程設(shè)計(jì)的合理性。仿真結(jié)果顯示：機(jī)械手工作可達(dá)范圍滿足設(shè)計(jì)要求，末端執(zhí)行器在初始位置、物件初始位置、物件目標(biāo)位置時(shí)的位姿與預(yù)期值相符，末端執(zhí)行器速度與過載變化情況均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方程建立與求解正確，運(yùn)動(dòng)動(dòng)作合理，機(jī)械手機(jī)構(gòu)方案可滿足設(shè)計(jì)要求。

木材加工；機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；仿真分析

Through building the manipulator kinematics equations combined with the manipulator location coordinates and the location coordinates of requires moving objects in the actually environment, we solved the equation to obtain the relationship between manipulator end-effectors position and respective joint variables. We used engineering software UG NX 8.0 for modeling and simulation of the manipulator, and analyzed the rationality of structural and workflow design. With the simulation results, the displacement of manipulator end-effectors can achieve the design requirements. When the end-effectors are in the initial position, the object initial position and object target location, the position and attitude are consistent with the expected value, and the speed and load changes are within the scope of the design requirements.

工業(yè)機(jī)械手(工業(yè)機(jī)器人)，是現(xiàn)代工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)的重要體現(xiàn)，在汽車、航空航天、機(jī)械、IT等許多工業(yè)門類中發(fā)揮著重要作用。工業(yè)機(jī)械人與柔性制造系統(tǒng)相結(jié)合，改變了制造系統(tǒng)的基本式樣，極大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度、效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1-2]。工業(yè)機(jī)器人正朝著智能化、高精度、高效率、多功能的方向發(fā)展[3-4]。

機(jī)械人在林業(yè)生產(chǎn)中的采伐、儲運(yùn)、木材檢測等環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[3]，但是在諸如木材深加工等非金屬材料自動(dòng)化生產(chǎn)線中，由于木材材料的各向異性以及原材料、生產(chǎn)方法、加工工序、產(chǎn)品樣式的多元化以及成本控制和生產(chǎn)規(guī)模等綜合因素，導(dǎo)致了在木材深加工生產(chǎn)線中的使用率較低，僅有少數(shù)功能針對性強(qiáng)的工業(yè)機(jī)械人投入應(yīng)用[5-8]。

“木材表面強(qiáng)化與裝飾自動(dòng)化生產(chǎn)線”是專為大型木材深加工企業(yè)進(jìn)行研發(fā)配套的設(shè)備，主要產(chǎn)品為家具、家裝用板材和木地板板材，能夠根據(jù)客戶的需求對板料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理和紋飾加工。ZY-06L型機(jī)械手是該生產(chǎn)線的重要組成部分，在系統(tǒng)中承擔(dān)著來料分配、木料工序間轉(zhuǎn)運(yùn)和生產(chǎn)線中心樞紐的作用，對提高生產(chǎn)線效率與產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。由于不同批次產(chǎn)品的生產(chǎn)工序、流程和加工工位變化較大，因此機(jī)械手的工作流程和運(yùn)行軌跡需根據(jù)不同批次的產(chǎn)品及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和編制。機(jī)械手在生產(chǎn)線中的工作可達(dá)范圍、末端執(zhí)行器及所搬運(yùn)物料的位姿、速度、過載等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，直接關(guān)系到整條生產(chǎn)線和所生產(chǎn)產(chǎn)品的性能，是機(jī)械手是否滿足生產(chǎn)線要求的重要指標(biāo)。因此，通過建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程和計(jì)算機(jī)三維虛擬模型，對機(jī)械手進(jìn)行仿真，精確模擬機(jī)械手在該生產(chǎn)線最主要產(chǎn)品加工過程中的運(yùn)行情況，是對機(jī)械手結(jié)構(gòu)和運(yùn)行軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定機(jī)械手性能的重要依據(jù)。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方程，還是控制系統(tǒng)研制與程序開發(fā)的重要基礎(chǔ)和參考。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手由底座支撐、旋轉(zhuǎn)底座、下臂、中臂、上臂、擺臂、末端執(zhí)行器等主要結(jié)構(gòu)件和驅(qū)動(dòng)原件與控制模塊組成(見圖1)。該機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要用于車間內(nèi)各種板料或半成品構(gòu)件的搬運(yùn)、分配和碼放工作。由于物料需要在車間內(nèi)多個(gè)工位之間來回挪動(dòng)，物料的空間位姿較為復(fù)雜，對機(jī)械手的承載能力、自由度、工作范圍和效率要求較高，對運(yùn)動(dòng)精度則要求相對較低；故機(jī)械手旋轉(zhuǎn)底座、下臂、中臂、上臂、擺臂和末端執(zhí)行器均采用液壓驅(qū)動(dòng)，并通過角度傳感器反饋控制各關(guān)節(jié)變量誤差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，符合實(shí)際要求。

1.底座支撐；2.旋轉(zhuǎn)底座；3.下臂；4.中臂；5.上臂；6.擺臂；7.末端執(zhí)行器；8.手腕液壓馬達(dá)；9.擺臂液壓馬達(dá)；10.液壓缸。

圖1 ZY-06L機(jī)械手

2 運(yùn)動(dòng)方程

空間開鏈機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件由關(guān)節(jié)(通常為移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副)連接，開鏈機(jī)構(gòu)的一端安裝在機(jī)座(相對)上，另一端則連接末端執(zhí)行器。各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器(電機(jī)、液壓缸、液壓馬達(dá)等)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)的相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而決定了末端執(zhí)行器在空間三維坐標(biāo)中的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立及求解，根本目的是建立機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，進(jìn)而更好的對機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究和優(yōu)化，為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為控制系統(tǒng)的研究提供基礎(chǔ)與參數(shù)。

將機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件視為剛體，則構(gòu)件在空間中的運(yùn)動(dòng)即成為剛體的空間運(yùn)動(dòng)。剛體的空間任意運(yùn)動(dòng)均可視為兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的合成，繞某軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)與沿某軸線的平移[1]。因此，將機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)件視為剛體，則可建立機(jī)械手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖(見圖2)。

機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖中各坐標(biāo)系變換關(guān)系如下：

坐標(biāo)系x0y0z0→x1y1z1，先繞z0軸偏轉(zhuǎn)θ1，再沿z0軸平移L1；

坐標(biāo)系x1y1z1→x2y2z2，先繞x1軸偏轉(zhuǎn)θ2，再沿z1軸平移L2；

坐標(biāo)系x2y2z2→x3y3z3，先繞x2軸偏轉(zhuǎn)θ3，再沿z2軸平移L3；

坐標(biāo)系x3y3z3→x4y4z4，先繞x3軸偏轉(zhuǎn)θ4，再沿z3軸平移L4；

坐標(biāo)系x4y4z4→x5y5z5，先繞y4軸偏轉(zhuǎn)θ5，再沿z4軸平移L5。

坐標(biāo)系齊次變換矩陣參數(shù)見表1。

圖2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

桿件號關(guān)節(jié)變量桿件扭角桿件長度1θ10L12θ20L23θ30L34θ40L45θ50L5

式中：

A1=cosθ1cosθ5-sinθ1cosθ2cosθ3sinθ4sinθ5+ sinθ1sinθ2sinθ3sinθ4sinθ5-sinθ1cosθ2sinθ3cosθ4sinθ5- sinθ1sinθ2cosθ3cosθ4sinθ5；

B1=-sinθ1cosθ2cosθ3cosθ4+sinθ1sinθ2sinθ3cosθ4+ sinθ1cosθ2sinθ3sinθ4+sinθ1sinθ2cosθ3sinθ4；

C1=cosθ1sinθ5+sinθ1cosθ2cosθ3sinθ4cosθ5- sinθ1sinθ2sinθ3sinθ4cosθ5+sinθ1cosθ2sinθ3cosθ4cosθ5+ sinθ1sinθ2cosθ3cosθ4cosθ5；

D1=L5sinθ1cosθ2cosθ3sinθ4-L5sinθ1sinθ2sinθ3sinθ4+L5sinθ1cosθ2sinθ3cosθ4+L5sinθ1sinθ2cosθ3cosθ4+L4sinθ1cosθ2sinθ3+L4sinθ1sinθ2cosθ3+L3sinθ1sinθ2；

A2=sinθ1cosθ5+cosθ1cosθ2cosθ3sinθ4sinθ5- cosθ1sinθ2sinθ3sinθ4sinθ5+cosθ1cosθ2sinθ3cosθ4sinθ5+ cosθ1sinθ2cosθ3cosθ4sinθ5；

B2=cosθ1cosθ2cosθ3cosθ4-cosθ1sinθ2sinθ3cosθ4- cosθ1cosθ2sinθ3sinθ4-cosθ1sinθ2cosθ3sinθ4；

C2=sinθ1sinθ5-cosθ1cosθ2cosθ3sinθ4cosθ5+ cosθ1sinθ2sinθ3sinθ4cosθ5-cosθ1cosθ2sinθ3cosθ4cosθ5- cosθ1sinθ2cosθ3cosθ4cosθ5；

D2=-L5cosθ1cosθ2cosθ3sinθ4+L5cosθ1sinθ2sinθ3sinθ4-L5cosθ1cosθ2sinθ3cosθ4-L5cosθ1sinθ2cosθ3cosθ4-L4cosθ1cosθ2sinθ3-L4cosθ1sinθ2cosθ3-L3cosθ1sinθ2；

A3=sinθ2sinθ3sinθ4sinθ5+cosθ2cosθ3sinθ4sinθ5+ sinθ2sinθ3cosθ4sinθ5-cosθ2cosθ3sinθ4sinθ5;

B3=sinθ2cosθ3cosθ4+cosθ2sinθ3cosθ4-sinθ2sinθ3sinθ4+ cosθ2cosθ3sinθ4；

C3=-sinθ2cosθ3sinθ4cosθ5-cosθ2sinθ3sinθ4cosθ5- sinθ2sinθ3cosθ4cosθ5+cosθ2cosθ3cosθ4cosθ5；

D3=-L5sinθ2cosθ3sinθ4-L5cosθ2sinθ3sinθ4-L5sinθ2sinθ3cosθ4cosθ5+L5cosθ2cosθ3cosθ4-L4sinθ2sinθ3+L4cosθ2cosθ3+L1+L2+L3cosθ2；

A4=0；B4=0；C4=0；D4=1。

通過以上建立的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，根據(jù)機(jī)械手實(shí)際工作狀況代入位置坐標(biāo)參數(shù)，求解該方程即可得到機(jī)械手末端執(zhí)行器位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系[10-11]。進(jìn)而可以對機(jī)械手的實(shí)際工作與運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行更深層次研究，為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真提供參數(shù)支持；也可為機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。

3 運(yùn)動(dòng)分析與仿真

UG NX8.0運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊UG/Motion，提供機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力仿真分析功能。運(yùn)動(dòng)仿真可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉分析，運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，分析機(jī)構(gòu)中零部件的位移、速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。分析結(jié)果可以指導(dǎo)對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，設(shè)計(jì)更改可以反映到裝配主模型中。

裝配好的機(jī)械手虛擬模型，需要進(jìn)行“連桿”和“運(yùn)動(dòng)副”的設(shè)置，以及“運(yùn)動(dòng)方案”和“運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”的加載，建立完整的運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行仿真。將機(jī)械手底座支撐設(shè)置為固定接地連桿，其余所有主要結(jié)構(gòu)部件(螺栓、軸承等非主要結(jié)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)除外)均按照實(shí)際裝配情況設(shè)置連桿屬性和材料屬性，機(jī)械手共設(shè)置固定和非固定連桿37個(gè)。機(jī)構(gòu)零部件被賦予連桿屬性后，各連桿之間處于獨(dú)立狀態(tài)；需要運(yùn)動(dòng)副將分離的連桿連接起來，組成一個(gè)虛擬的可動(dòng)機(jī)構(gòu)[12]。運(yùn)動(dòng)仿真中，對機(jī)械手簡化機(jī)構(gòu)共設(shè)置了55組普通運(yùn)動(dòng)副和3組特殊運(yùn)動(dòng)副，具體類型和數(shù)量為：

固定副1組，連接底座支撐與大地坐標(biāo)系。

滑動(dòng)副7組，連接機(jī)械手上的7個(gè)液壓缸與活塞。

柱面副1組，連接機(jī)械手的擺臂與末端執(zhí)行器。

轉(zhuǎn)動(dòng)副(鉸鏈)46組，除固定副、柱面副和滑動(dòng)副之外，其余所有連桿之間都由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。在真實(shí)機(jī)構(gòu)中，這些構(gòu)件間均為鉸鏈連接；虛擬仿真中，將其設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)副，與真實(shí)機(jī)構(gòu)一致。

齒輪連接3組，分別是機(jī)械手旋轉(zhuǎn)底座上的驅(qū)動(dòng)齒輪與底座支撐齒輪；驅(qū)動(dòng)擺臂擺動(dòng)的齒輪組；驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪組。

3.1 運(yùn)動(dòng)方案

為了得到機(jī)械手工作過程中的各結(jié)構(gòu)件以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，按照機(jī)械手實(shí)際工作情況模擬一個(gè)作業(yè)輪回的完整運(yùn)動(dòng)過程，以檢驗(yàn)各機(jī)構(gòu)和構(gòu)件動(dòng)作的合理性以及在任意時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[13-14]。

HPLC切換波長法同時(shí)測定健脾止瀉寧顆粒中鹽酸小檗堿和黃芩苷的含量 ……………………………… 黃傳俊等（10）：1324

根據(jù)機(jī)械手在生產(chǎn)線中的實(shí)際位置，分析得到機(jī)械手的初始位置、物件初始位置以及物件目標(biāo)位置的坐標(biāo)參數(shù)(見表2)。

表2 機(jī)械手3種位姿狀態(tài)下末端坐標(biāo)參數(shù)(參照圖2坐標(biāo)系：x0y0z0)

參數(shù)對象坐標(biāo)值/mm機(jī)械手初始位置x0y0z0(1500，0，3200)物件初始位置x0y0z0(-2100，600，4050)物件目標(biāo)位置x0y0z0(3210，0，4100)

將表2中的坐標(biāo)參數(shù)分別代入機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方程中，解該運(yùn)動(dòng)方程可計(jì)算得到機(jī)械手末端執(zhí)行器在初始位置、物件初始位置、物件目標(biāo)位置時(shí)的各關(guān)節(jié)變量值(見表3)。

表3 機(jī)械手3種位姿狀態(tài)下對應(yīng)關(guān)節(jié)變量

根據(jù)表3中參數(shù)，并參考機(jī)械手周圍物體的位置以及所搬運(yùn)物件的外形，編排機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方案(見表4)。

3.2 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

參照表4運(yùn)動(dòng)方案中各關(guān)節(jié)變量值，對仿真模型添加運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的自由度為6，因此需要添加7組運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，其中一組驅(qū)動(dòng)用來控制末端執(zhí)行器動(dòng)作(習(xí)慣上機(jī)器人自由度分析時(shí)排除末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器自由度需要時(shí)可單獨(dú)分析計(jì)算)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方案，運(yùn)用STEP分段函數(shù)對機(jī)械手添加驅(qū)動(dòng)(見表5)。

表4 運(yùn)動(dòng)方案

表5 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為185 s，步數(shù)18 500(實(shí)踐證明，步數(shù)設(shè)置為時(shí)間的100倍以上時(shí)可獲得較好精度)，UG軟件內(nèi)嵌的ADAMS解算器對機(jī)械手仿真模型進(jìn)行檢查與解算。若檢查與解算出錯(cuò)，則彈出錯(cuò)誤信息對話框，可根據(jù)提示對模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試；若無誤，則可輸出仿真結(jié)果[15-16]。依據(jù)表4運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行仿真，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)時(shí)動(dòng)作截圖如圖3所示，機(jī)械手末端執(zhí)行器實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)(位移、速度、加速度)見圖4～圖6。

圖3 運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)時(shí)動(dòng)作

圖4 機(jī)械手末端執(zhí)行器位置位移、速度、加速度曲線(x軸分量)

圖5 機(jī)械手末端執(zhí)行器位置位移、速度、加速度曲線(y軸分量)

圖6 機(jī)械手末端執(zhí)行器位置位移、速度、加速度曲線(z軸分量)

4 結(jié)束語

ZY-06L型機(jī)械手的研制，目的是提高“木材表面強(qiáng)化與裝飾自動(dòng)化生產(chǎn)線”的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和自動(dòng)化程度，提高企業(yè)效益。

通過建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，得到了機(jī)械手末端執(zhí)行器位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，分析機(jī)械手實(shí)際工作情況參數(shù)代入到運(yùn)動(dòng)方程求解，得到機(jī)械手3種工況下的各關(guān)節(jié)變量值。并通過虛擬仿真模擬機(jī)械手的工作流程，仿真結(jié)果顯示：該機(jī)械手工作可達(dá)范圍滿足設(shè)計(jì)要求，末端執(zhí)行器在初始位置(0 s)、物件初始位置(70 s)、物件目標(biāo)位置(160 s)時(shí)的位姿與預(yù)期值相符，末端執(zhí)行器速度與過載變化情況均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方程建立與求解正確，運(yùn)動(dòng)動(dòng)作合理，機(jī)械手機(jī)構(gòu)方案可以滿足設(shè)計(jì)要求。另外，仿真還可以得到機(jī)械手各關(guān)節(jié)的受載荷情況，可以作為機(jī)械手液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考，也可以作為對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析的依據(jù)。

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Wood Surface Layer Strengthening and Decorative Automated Production Line ZY-06L-Type Manipulator Motion Analysis and Simulation/

Wu Hao, Wang Hongjun(Honghe University, Mengzi 661100, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-137～142

Timber processing; Manipulator; Kinematics equations; Simulation analysis

吳昊，男，1985年9月生，紅河學(xué)院工學(xué)院，講師。E-mail：eagle.f22wh@163.com。

2013年11月25。

TS64

1) 云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013FB062)。

責(zé)任編輯：張 玉。