機(jī)械式手臂在魚(yú)水雷裝艇中的應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)*

范延洲　朱擁勇

(海軍工程大學(xué)　武漢　430033)

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機(jī)械式手臂在魚(yú)水雷裝艇中的應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)*

范延洲朱擁勇

(海軍工程大學(xué)武漢430033)

摘要對(duì)機(jī)械式手臂在魚(yú)水雷裝艇中的應(yīng)用進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。對(duì)魚(yú)水雷裝載機(jī)械手臂的功能需求進(jìn)行了分析,確定了機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)選型,并對(duì)機(jī)械手臂的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算;對(duì)魚(yú)水雷裝艇機(jī)械手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,工作范圍仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性;利用三維軟件Solidworks建立了機(jī)械臂的零部件模型,并進(jìn)行了虛擬裝配。

關(guān)鍵詞機(jī)械式手臂; 運(yùn)動(dòng)學(xué); 虛擬設(shè)計(jì); 魚(yú)水雷裝艇

Application and Design of Mechanical Arm in Tropedo Loading

FAN YanzhouZHU Yongyong

(Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractThe mechanical arm was analyzed and designed in torpedo loading. The functional requirements of the mechanical arm were analyzed, and its parameters were calculated after determining the structure type of the mechanical arm. Then the mechanical arm’s movement was simulated by kinematic analysis in order to verify the rationality of designed working range. At last, the spare part models of the mechanical arm were built and assembled virtually by the Solidworks software.

Key Wordsmechanical arm, kinematics, virtual design, torpedo loading

Class NumberTJ3

1引言

現(xiàn)在各國(guó)海軍采用的潛艇魚(yú)水雷裝載方式主要有兩種,一是升降口裝雷,二是魚(yú)雷發(fā)射管裝雷。升降口是人員平時(shí)進(jìn)出潛艇的通道,裝雷的時(shí)候在升降口上布設(shè)兩條滑軌,直通魚(yú)雷艙,使用吊車把魚(yú)雷吊在滑軌上,然后使用艦橋上的絞盤把魚(yú)雷緩慢溜放到魚(yú)雷艙。所謂發(fā)射管裝雷,就是把潛艇靠到專門的裝雷碼頭,把一個(gè)浮筏固定在潛艇的艇艏,使用吊車把魚(yú)雷吊起,在鋼索的引導(dǎo)下從發(fā)射管裝填進(jìn)去。分析用吊車裝載魚(yú)水雷的過(guò)程可知,魚(yú)雷一般幾噸重,僅用一根吊帶吊住其重心并進(jìn)行移動(dòng),其安全系數(shù)不能得到保證,若在氣象條件較差或夜間裝載時(shí),安全性可能更受影響;吊車鋼絲繩、吊帶斷裂、脫落或重心滑移等情況發(fā)生,可能造成嚴(yán)重后果;另外,整個(gè)裝載過(guò)程動(dòng)用人員較多,花費(fèi)時(shí)間也較長(zhǎng)(約10余分鐘)。因此,有必要對(duì)魚(yú)雷裝艇的方式方法進(jìn)行研究,探討設(shè)計(jì)一種更為安全合理、用時(shí)較短、動(dòng)用人員較少的魚(yú)雷裝載模式。本文提出采用機(jī)械式手臂進(jìn)行魚(yú)水雷裝載。

機(jī)械式手臂是目前在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中最常見(jiàn)的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置,在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。機(jī)械式手臂能夠接受指令,精確地定位到三維(或二維)空間上某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè),可以減省人工、提高效率,安全性高。

2魚(yú)水雷裝艇機(jī)械式手臂結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械式手臂的功能需求

針對(duì)魚(yú)水雷裝艇過(guò)程,機(jī)械式手臂的功能要求如下:

1) 幾何尺寸要求。工作裝置的幾何參數(shù)要滿足工作范圍要求。

2) 運(yùn)動(dòng)特性要求。功率需要滿足各種工況下滿負(fù)荷工作時(shí)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的功率總和。

3) 魚(yú)水雷安裝時(shí)應(yīng)具有微動(dòng)性。應(yīng)有繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)等六個(gè)自由度。

4) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是工作裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一,需要在滿足舉升力的情況下,確保工作裝置的剛度和強(qiáng)度特性。

2.2機(jī)械式手臂的結(jié)構(gòu)選型

圖1　開(kāi)鏈連桿式關(guān)節(jié)型簡(jiǎn)化圖

機(jī)械式手臂是魚(yú)水雷裝艇的執(zhí)行部件。設(shè)計(jì)期望機(jī)械臂能夠快速、準(zhǔn)確的把末端執(zhí)行裝置移動(dòng)到魚(yú)雷發(fā)射管,并對(duì)末端所夾持的魚(yú)水雷姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,因此機(jī)械臂需要具備適當(dāng)?shù)淖杂啥?。手臂六個(gè)自由度可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合,通常可以將其設(shè)計(jì)成圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和平面關(guān)節(jié)型等型式。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)是機(jī)器人領(lǐng)域使用最多的結(jié)構(gòu)形式之一,空間面積體積小,結(jié)構(gòu)緊湊。在相同的體積條件下,關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂有更大的工作空間,動(dòng)作和軌跡也更靈活[4]。魚(yú)水雷裝艇機(jī)械式手臂擬采用開(kāi)鏈連桿式關(guān)節(jié)型機(jī)械結(jié)構(gòu),機(jī)械模型簡(jiǎn)化如圖1所示。

2.3機(jī)械式手臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)

機(jī)械臂臂部的結(jié)構(gòu)參數(shù)需根據(jù)一定的工作空間要求來(lái)確定。利用需要搬運(yùn)魚(yú)水雷的位置可以確定該機(jī)械臂的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),包括大臂、小臂長(zhǎng)度及其極限擺角。

圖2　機(jī)械臂位置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2所示為機(jī)械臂位置機(jī)構(gòu)的三自由度模型,整個(gè)模型位于固定參考坐標(biāo)系OXYZ內(nèi),先僅考慮機(jī)械臂位于XOZ平面上的工作區(qū)域(工作空間主視圖),而機(jī)械臂全部的工作空間可以通過(guò)將XOZ平面上的工作區(qū)域繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ0角度得到。P(x,y,z)點(diǎn)為機(jī)械臂末端端點(diǎn),其所能達(dá)到的空間即為機(jī)械臂所能達(dá)到的工作空間,且P(x,y,z)點(diǎn)的坐標(biāo)可用關(guān)節(jié)坐標(biāo)表示為

x=L1sinθ1+L2cosθ2

(1)

z=L0+L1cosθ1+L2sinθ2

(2)

y=0

(3)

式中,L0為機(jī)械臂底座高度,L0為已知值(設(shè)定為2m);L1為機(jī)械臂大臂長(zhǎng)度;L2為小臂長(zhǎng)度;θ0為機(jī)械臂底座轉(zhuǎn)角,取X軸為零位,繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù),逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正;θ1為大臂擺角,豎直方向?yàn)榱阄?大臂位于Z軸左側(cè)為正,右側(cè)為負(fù);θ2為小臂擺角,取水平方向?yàn)榱阄?上側(cè)為正,下側(cè)為負(fù);取θ1min、θ1max、θ2min、θ2max分別為大臂與小臂擺角的極小值與極大值。

圖3　工作空間主視圖邊界

如圖3所示,該機(jī)械臂工作空間主視圖邊界由四條曲線組成,其中P1P2為θ2=θ2max時(shí),θ1由θ1max到θ1min變化時(shí)得到的曲線;P2P3為當(dāng)θ1=θ1min時(shí),θ2由θ2max到θ2min變化時(shí)得到的曲線;P3P4為當(dāng)θ2=θ2min時(shí),θ1由θ1min到θ1max變化時(shí)得到的曲線;P4P1為當(dāng)θ1=θ1max時(shí),θ2由θ2min到θ2max變化時(shí)得到的曲線。其中P1、P2、P3點(diǎn)的坐標(biāo)值均滿足式(1)和式(2)。P1(x1,z1)、P2(x2,z2)和P3(x3,z3)三點(diǎn)的坐標(biāo)值應(yīng)根據(jù)具體搬運(yùn)魚(yú)水雷實(shí)際位置坐標(biāo)參數(shù)確定,以機(jī)械臂底座為坐標(biāo)系原點(diǎn),各點(diǎn)坐標(biāo)值可取為P1(x1,z1)=(4,1)、P2(x2,z2)=(6,3)、P3(x3,z3)=(8,-4)。根據(jù)式(1)、式(2)可求得機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù):θ1min=0.02°、θ1max=44.98°、θ2min=-47.82°、θ2max=-26.58°、L1=2.83m、L2=6.27m。

3機(jī)械式手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真

3.1機(jī)械式手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械式手臂由一系列連桿串聯(lián)而成,可以簡(jiǎn)化為開(kāi)式連桿運(yùn)動(dòng)鏈,一端固定在基座上,另一端安裝末端執(zhí)行器來(lái)完成魚(yú)水雷裝艇作業(yè)。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),從完成魚(yú)水雷裝填工作。

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué),主要是對(duì)與位置、速度和加速度有關(guān)的變量進(jìn)行求解,常用幾何法和D-H坐標(biāo)法,對(duì)魚(yú)水雷裝艇機(jī)械臂來(lái)說(shuō),其自由度較多,選用D-H坐標(biāo)法來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[5]。建立機(jī)械手臂連桿坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4　機(jī)械手臂連桿坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖

從坐標(biāo)系i-1到坐標(biāo)系i之間的變換稱之為坐標(biāo)系變換。給出連桿間的坐標(biāo)齊次變換矩陣[6]:

對(duì)機(jī)械臂末端相對(duì)于固定坐標(biāo)的變換,可表示為

T60=T1T2T3T4T5T6

機(jī)械臂各連桿參數(shù)如表1所示。

表1　機(jī)械臂各連桿參數(shù)

由變換公式[7]和上表可知各關(guān)節(jié)的位姿矩陣T1、T2、T3、T4、T5、T6。將各個(gè)連桿變換矩陣相乘,可得機(jī)械手臂末端相對(duì)于固定坐標(biāo)系的變換矩陣T60。此時(shí),若已知各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角便可求出手部末端在基坐標(biāo)系中的位置。

3.2運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果

機(jī)械手臂工作范圍尺寸是較為重要的一個(gè)參數(shù),在某種程度上反映了機(jī)械手臂的工作性能。工作范圍的極限可以用包絡(luò)曲線來(lái)表示,包絡(luò)曲線反應(yīng)的是液壓缸極限狀態(tài)下手臂末端所能達(dá)到的極限位置。根據(jù)建立的機(jī)械手臂數(shù)學(xué)模型,利用Matlab仿真得到工作范圍的結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看到,機(jī)械臂的工作范圍包含P1(x1,z1)=(4,1)、P2(x2,z2)=(6,3)、P3(x3,z3)=(8,-4)三個(gè)點(diǎn),說(shuō)明機(jī)械臂工作范圍尺寸符合實(shí)際魚(yú)水雷裝艇搬運(yùn)過(guò)程要求。

圖5　工作范圍仿真結(jié)果

4機(jī)械式手臂虛擬設(shè)計(jì)及裝配

在Solidworks中建立魚(yú)水雷裝載機(jī)械臂三維模型時(shí)對(duì)一些不影響分析效果的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,省略部分不需分析的零件,如螺釘、油管等。建模時(shí)遵循從下到上的設(shè)計(jì)原則,先確定各部件鉸點(diǎn)位置,再畫(huà)出各板輪廓線進(jìn)行拉伸面,從而得到各板實(shí)體,最后組合各類板得到各部件實(shí)體結(jié)構(gòu)[8]。

魚(yú)水雷裝載機(jī)械手臂的三維模型主要包括大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)等。針對(duì)機(jī)械手臂不同零件的結(jié)構(gòu)特征,采用不同的造型手段來(lái)生成零件實(shí)體。常用的建立模型的順序?yàn)橄冗M(jìn)行基本特征建模,之后在基本特征基礎(chǔ)上生成構(gòu)造特征,最后再對(duì)特征進(jìn)行特殊的加工,主要零件的三維模型如圖6～圖8所示。

圖6　大臂機(jī)構(gòu)三維模型

圖7　小臂機(jī)構(gòu)三維模型

圖8　手部機(jī)構(gòu)三維模型

虛擬裝配是指在計(jì)算機(jī)上建立魚(yú)水雷裝載機(jī)械手臂的裝配模型,即將不同的零件組裝成一個(gè)整體的過(guò)程[9～10]。首先確定哪些零部件需要裝配,然后根據(jù)零部件的安裝位置及特性確定裝配順序,及零部件間的裝配約束關(guān)系,最后實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程。

魚(yú)水雷裝載機(jī)械是由行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、工作裝置等組成的較復(fù)雜系統(tǒng),本文所設(shè)計(jì)的是工作裝置部分,也就是機(jī)械手臂部分。通過(guò)裝配過(guò)程可及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件的設(shè)計(jì)缺陷和相互之間的裝配干涉。運(yùn)用Solidworks裝配設(shè)計(jì)平臺(tái)下提供的零件約束類型,對(duì)所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體進(jìn)行組裝得到裝配體模型,裝配完成的魚(yú)水雷裝載機(jī)械手臂整體模型如圖9所示。

圖9　機(jī)械手臂裝配模型圖

5結(jié)語(yǔ)

在分析魚(yú)水雷實(shí)際裝艇操作過(guò)程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)魚(yú)水雷裝載機(jī)械手臂的功能需求進(jìn)行分析,確定了機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)選型;建立了魚(yú)水雷裝艇機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并用Matlab對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,工作范圍仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性;建立了機(jī)械式手臂的零部件模型,并進(jìn)行了虛擬裝配,以便下一步在ADAMAS環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行仿真分析,進(jìn)一步完善相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

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中圖分類號(hào)TJ3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.041

作者簡(jiǎn)介:范延洲,男,工程師,研究方向:機(jī)械動(dòng)力學(xué)。朱擁勇,男,博士,講師,研究方向:機(jī)械動(dòng)力學(xué)。

*收稿日期:2015年8月7日,修回日期:2015年9月26日