鍛造機(jī)械手設(shè)計(jì)、建模及ADAMS仿真

沈北梁 林鵬雄 劉國(guó)慶 王宇

摘 要：文章結(jié)合對(duì)自動(dòng)化工業(yè)鍛造流水線的應(yīng)用對(duì)象，選定了機(jī)械手所要實(shí)現(xiàn)的功能。首先，對(duì)該鍛造機(jī)械手具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、虛擬裝配，并對(duì)部分關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。然后，把簡(jiǎn)化的模型導(dǎo)入到ADAMS進(jìn)行后續(xù)的約束和驅(qū)動(dòng)添加，從而獲得機(jī)械手臂的虛擬樣機(jī)。并通過運(yùn)動(dòng)仿真模擬了機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)曲線，結(jié)果表明所建立模型正確性與合理性。

關(guān)鍵詞：鍛造機(jī)械手；建模；虛擬裝配；ADAMS仿真

機(jī)械手（機(jī)器人）是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備[1]。機(jī)器人的誕生能夠顯著提高生產(chǎn)率以及改善工作環(huán)境等。因此對(duì)機(jī)械手的研究具有重大的意義。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)機(jī)械手建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，張明輝等人[2]對(duì)并聯(lián)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行了研究并通過運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模型，為進(jìn)一步對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與分析奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)五自由度機(jī)械手，通過UG建立實(shí)體仿真模型，然后將模型導(dǎo)入ADAMS中建立了虛擬樣機(jī)，并且進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，分析了末端機(jī)械手速度對(duì)各關(guān)節(jié)力矩、角速度和角加速度的影響，這對(duì)提高機(jī)械手的設(shè)計(jì)性能及機(jī)械手的控制分析等打下了基礎(chǔ)。總體來說，對(duì)機(jī)器人相關(guān)的研究方面取得了一些進(jìn)展，但對(duì)機(jī)械手（機(jī)器人）的研究還有待進(jìn)一步深入下去。文章的研究正是基于某企業(yè)鍛造流水線對(duì)機(jī)械手的功能需求而進(jìn)行開展的，首先對(duì)裝配機(jī)械手的總體功能進(jìn)行了分析。然后對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行了三維建模及虛擬裝配，并對(duì)部分關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。最后，運(yùn)用ADAMS進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明所建立模型正確性與合理性，為下一步研究機(jī)械手的智能控制提供了設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 應(yīng)用背景及功能分析

根據(jù)某鍛造企業(yè)的需求，鍛造時(shí)，鍛件按特定的位置放在鍛造爐中進(jìn)行加熱；鍛造爐門通過PLC控制其開放和關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手臂靠近爐門時(shí)，通過PLC控制其打開，待機(jī)械手臂抓取鍛件取出后，爐門被再次被控制而關(guān)閉。取出后的鍛件被機(jī)械手臂夾取而放在鍛臺(tái)固定位置后進(jìn)行鍛造的第一個(gè)沖壓工序。同樣的道理對(duì)爐中的鍛件逐一進(jìn)行工序一的加工過程；待工序一完成后，再次通過PLC對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制使其進(jìn)行抓取以滿足工序一過程后進(jìn)行的工序二的模具要求，直至鍛件被加工完成。

2 裝配機(jī)械手的三維建模

鍛造機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮到傳動(dòng)件的定位、零件之間的空間位置等等，同時(shí)還要考慮到裝配和加工工藝的可行性?；谝陨系墓δ芤蟮?，對(duì)各個(gè)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模分別如圖1-圖5所示。最終建立鍛造機(jī)械的三維裝配模型如圖6所示。

圖1 底座 圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 圖3 轉(zhuǎn)向臺(tái)

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)臂 圖5 傳動(dòng)軸 圖6 鍛造機(jī)械手

另外，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了校核，包括內(nèi)部傳動(dòng)直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、圓柱蝸桿傳動(dòng)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度、蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、蝸桿的剛度等都滿足強(qiáng)度或剛度的要求。

3 基于ADAMS的鍛造機(jī)械手的仿真

利用UG軟件強(qiáng)大的建模功能對(duì)所設(shè)計(jì)的鍛造機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后通過UG和ADAMS良好的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)直接導(dǎo)人ADAMS，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求添加相關(guān)約束，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，研究機(jī)械手各機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化情況，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

在保證鍛造機(jī)械實(shí)現(xiàn)功能的前提下，首先對(duì)其三維實(shí)體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖7所示。

注：1、工件輸入帶；2、鍛造臺(tái)1；3、機(jī)械手；4、鍛造臺(tái)2；5、工件輸出帶

圖7 基于UG軟件的機(jī)械手簡(jiǎn)化三維模型

然后，將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副約束和驅(qū)動(dòng)約束，如圖8所示。

圖8 ADAMS環(huán)境下的鍛造機(jī)械手仿真模型

最后得出各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線分別如圖9，圖10和圖11所示。

通過觀察各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線可以看出，各關(guān)節(jié)的角位移、角加速度、角加速度平穩(wěn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的五自由度送料機(jī)械手的合理性。

4 結(jié)束語

結(jié)合對(duì)自動(dòng)化工業(yè)鍛造流水線的應(yīng)用對(duì)象，選定了機(jī)械手所要實(shí)現(xiàn)的功能。首先，對(duì)該鍛造機(jī)械手具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、虛擬裝配，并對(duì)部分關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。然后利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并生成各角位移、角速度、角加速度的變化曲線，通過觀察各曲線，驗(yàn)證了機(jī)械手的合理性。為下一步機(jī)械手的智能控制提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]黃金風(fēng).MSRS和ODE環(huán)境下POWERCUBE模塊化機(jī)械手的仿真研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2010.

[2]張明輝，禚寶海.Diamond并聯(lián)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真的Simulink實(shí)現(xiàn)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（1）：90-94.

[3]劉淑英，張明路，韓慧伶.五自由度機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析與仿真[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（2）：32-36.

[4]Menon C，Vertechy R，Markot MC， Parenti-Castelli V. Geometrical optimiza-tion of parallel mechanisms based on natural frequency evaluation： application to a spherical mechanism for future space applications. IEEE Transactions on Robotics， 2009，25（1）：12-24.

[5]Muller A， Hufnagel T. Model-based control of redundantly actuated parallel manipulators in redundant coordinates. Robotics and Autonomous Systems， 2012，60（1）：563-71.

[6]R.A. Srivatsan， S. Bandyopadhyay， A. Ghosal， Analysis of the degrees-of-freedom of spatial parallel manipulators in regular and singular configurations， mechanism and machine theory，2013，69：127-141.

作者簡(jiǎn)介：沈北梁，男，安徽工程大學(xué)本科生。