鍛造機械手設計、建模及ADAMS仿真

沈北梁 林鵬雄 劉國慶 王宇

摘 要：文章結(jié)合對自動化工業(yè)鍛造流水線的應用對象，選定了機械手所要實現(xiàn)的功能。首先，對該鍛造機械手具體結(jié)構(gòu)進行了建模、虛擬裝配，并對部分關鍵零件進行強度校核。然后，把簡化的模型導入到ADAMS進行后續(xù)的約束和驅(qū)動添加，從而獲得機械手臂的虛擬樣機。并通過運動仿真模擬了機械手臂關節(jié)的運動曲線，結(jié)果表明所建立模型正確性與合理性。

關鍵詞：鍛造機械手；建模；虛擬裝配；ADAMS仿真

機械手（機器人）是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備[1]。機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。因此對機械手的研究具有重大的意義。國內(nèi)外許多學者已對機械手建模、優(yōu)化設計、控制、運動學及動力學仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，張明輝等人[2]對并聯(lián)機械手動力學仿真進行了研究并通過運動學和動力學仿真模型，為進一步對機械手的設計與分析奠定了基礎。文獻[3]針對五自由度機械手，通過UG建立實體仿真模型，然后將模型導入ADAMS中建立了虛擬樣機，并且進行了動力學仿真，分析了末端機械手速度對各關節(jié)力矩、角速度和角加速度的影響，這對提高機械手的設計性能及機械手的控制分析等打下了基礎。總體來說，對機器人相關的研究方面取得了一些進展，但對機械手（機器人）的研究還有待進一步深入下去。文章的研究正是基于某企業(yè)鍛造流水線對機械手的功能需求而進行開展的，首先對裝配機械手的總體功能進行了分析。然后對各個部分進行了三維建模及虛擬裝配，并對部分關鍵零件進行強度校核。最后，運用ADAMS進行仿真分析，結(jié)果表明所建立模型正確性與合理性，為下一步研究機械手的智能控制提供了設計參數(shù)。

1 應用背景及功能分析

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

2 裝配機械手的三維建模

鍛造機械手的結(jié)構(gòu)設計要考慮到傳動件的定位、零件之間的空間位置等等，同時還要考慮到裝配和加工工藝的可行性。基于以上的功能要求等，對各個部分結(jié)構(gòu)設計及建模分別如圖1-圖5所示。最終建立鍛造機械的三維裝配模型如圖6所示。

圖1 底座 圖2 轉(zhuǎn)動軸 圖3 轉(zhuǎn)向臺

圖4 轉(zhuǎn)動臂 圖5 傳動軸 圖6 鍛造機械手

另外，對關鍵零部件進行了校核，包括內(nèi)部傳動直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度、圓柱蝸桿傳動的齒面接觸疲勞強度、蝸輪齒根彎曲疲勞強度、蝸桿的剛度等都滿足強度或剛度的要求。

3 基于ADAMS的鍛造機械手的仿真

利用UG軟件強大的建模功能對所設計的鍛造機械手進行三維實體建模，然后通過UG和ADAMS良好的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)直接導人ADAMS，根據(jù)實際設計要求添加相關約束，在此基礎上進行運動仿真，研究機械手各機構(gòu)關節(jié)的運動，測量各個關節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化情況，以驗證設計的合理性。

在保證鍛造機械實現(xiàn)功能的前提下，首先對其三維實體模型進行了簡化，如圖7所示。

注：1、工件輸入帶；2、鍛造臺1；3、機械手；4、鍛造臺2；5、工件輸出帶

圖7 基于UG軟件的機械手簡化三維模型

然后，將三維模型導入到ADAMS中，添加相應的運動副約束和驅(qū)動約束，如圖8所示。

圖8 ADAMS環(huán)境下的鍛造機械手仿真模型

最后得出各個關節(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。

通過觀察各個關節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線可以看出，各關節(jié)的角位移、角加速度、角加速度平穩(wěn)，驗證了所設計的五自由度送料機械手的合理性。

4 結(jié)束語

結(jié)合對自動化工業(yè)鍛造流水線的應用對象，選定了機械手所要實現(xiàn)的功能。首先，對該鍛造機械手具體結(jié)構(gòu)進行了建模、虛擬裝配，并對部分關鍵零件進行強度校核。然后利用ADAMS軟件對機械手模型進行運動學仿真，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，驗證了機械手的合理性。為下一步機械手的智能控制提供了一定的參考。

參考文獻

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

[2]張明輝，禚寶海.Diamond并聯(lián)機械手動力學仿真的Simulink實現(xiàn)[J].山東科技大學學報：自然科學版，2010，29（1）：90-94.

[3]劉淑英，張明路，韓慧伶.五自由度機械手動力學分析與仿真[J].河北工業(yè)大學學報，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.

作者簡介：沈北梁，男，安徽工程大學本科生。