鋼拱架安裝機(jī)械手臂逆動(dòng)力學(xué)仿真

徐莉萍　崔彥斌　南曉青

摘要：在充分了解鋼拱架安裝機(jī)工況的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Solidworks和ADAMS對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行三維實(shí)體建模和虛擬樣機(jī)逆動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)機(jī)械臂各液壓缸鉸點(diǎn)處的受力進(jìn)行分析，獲得液壓缸工作中的最大負(fù)載值，為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，為機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：鋼拱架安裝機(jī)；虛擬樣機(jī)；ADAMS仿真；逆動(dòng)力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：U415.51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： On the basis of fully understanding the working condition of steel arch mounting machine， the three-dimensional entity model of mechanical arm was established with Solidworks and then imported into ADAMS for inverse dynamic simulation. The maximum load of each hydraulic cylinder in working state was obtained by analyzing the force at the hinge joints of hydraulic cylinder， which could be the preparation for the design of hydraulic systems and provide data references for further research on integrated design.

Key words： steel arch mounting machine； virtual prototype； ADAMS simulation； inverse dynamic analysis

0 引 言

鋼拱架安裝機(jī)是一種專用于安裝隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程機(jī)械裝置，它在隧道等地下作業(yè)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。目前，中國(guó)在隧道建設(shè)方面發(fā)展很滯后，特別是鋼拱架安裝機(jī)這一關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距[13]。在國(guó)內(nèi)，隧道施工中大多鋼拱架安裝設(shè)備是從國(guó)外進(jìn)口的，不但價(jià)格昂貴，而且也不適用于中國(guó)的地質(zhì)環(huán)境，所以研發(fā)出一款適合中國(guó)施工用的鋼拱架安裝機(jī)已成為隧道施工技術(shù)中的當(dāng)務(wù)之急。

1 鋼拱架安裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手臂的功能與組件

鋼拱架安裝機(jī)的機(jī)械手臂動(dòng)作與人手臂動(dòng)作極其相似，它通過一系列相互動(dòng)作，以及對(duì)工作路徑和姿態(tài)的不斷調(diào)整，最終把鋼拱架安裝到目標(biāo)位置。機(jī)械手臂主要由大小臂工作機(jī)構(gòu)、手部調(diào)整機(jī)構(gòu)和抓持機(jī)構(gòu)組成，它們分別依靠大臂液壓缸、小臂液壓缸和手部調(diào)整液壓缸的伸縮以及手部液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)[4-5]。

1.2 機(jī)械手臂零件的建模與裝配

雖然ADAMS軟件可以完成簡(jiǎn)單零件的三維幾何建模，但是對(duì)于較復(fù)雜的鋼拱架安裝來說并不方便。因此，采用Solidworks軟件分別完成大臂機(jī)構(gòu)、小臂機(jī)構(gòu)、手部調(diào)整機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)等零件的創(chuàng)建。選取合適的液壓缸和馬達(dá)，按照恰當(dāng)?shù)难b配順序和配合要求把機(jī)械手臂的零部件正確安裝好，裝配好的實(shí)體如圖1所示。

2 鋼拱架安裝機(jī)械手臂動(dòng)力學(xué)模型

2.1 機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的設(shè)定

為了便于分析，假定機(jī)械手臂是在垂直面內(nèi)工作，且在坐標(biāo)系的建立和仿真時(shí)僅對(duì)大臂、小臂、手部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，不考慮手部具體的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[6]。在矩陣變換等計(jì)算中對(duì)機(jī)械手臂模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，假定回轉(zhuǎn)平臺(tái)為零坐標(biāo)系且記為{0}，那么與大臂、小臂、手腕固接的坐標(biāo)系依次記作{1}，{2}和{3}，則機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。機(jī)械臂連桿D-H參數(shù)如表1所示。

3 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真試驗(yàn)

根據(jù)鋼拱架安裝工作過程，在Solidworks軟件及Cosmos Motion插件下完成虛擬樣機(jī)的裝配、約束、驅(qū)動(dòng)等參數(shù)[8]。本文要研究的是鋼拱架安裝機(jī)械手臂逆動(dòng)力學(xué)問題，需將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)固定，在Motion模塊下給液壓油缸添加移動(dòng)副，在液壓馬達(dá)及其余鉸接零件上均添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，最后把模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)一步優(yōu)化，如圖3所示。運(yùn)動(dòng)副確定好之后，為每個(gè)運(yùn)動(dòng)副上添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，便可模擬機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)。液壓缸工作中只有開始和結(jié)束時(shí)為加速過程，其余工作過程近似為勻速，所以液壓缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)可以選擇STEP階躍函數(shù)[9]。

動(dòng)力學(xué)問題分為正向和逆向動(dòng)力學(xué)問題，正向動(dòng)力學(xué)是解決機(jī)械手臂末端執(zhí)行器對(duì)于不同關(guān)節(jié)力或力矩的反應(yīng)；逆向動(dòng)力學(xué)是計(jì)算能夠產(chǎn)生期望軌跡所需要的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力和力矩。也就是說，根據(jù)終端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解應(yīng)施加的力或力矩，即確定機(jī)械臂所能驅(qū)動(dòng)的力，因此研究逆解的意義要大于正解。

機(jī)械手臂終端的工作路徑可以理解為從動(dòng)作一開始到動(dòng)作二結(jié)束，為了便于觀察，在夾持機(jī)構(gòu)中心上選一觀測(cè)點(diǎn)A，仿真過程如圖4所示。

通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以得到A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從速度和加速度曲線可知鋼拱架在安裝過程中的速度不大于200 mm·s-1，加速度不大于13 mm·s-2，液壓缸開始運(yùn)動(dòng)和結(jié)束運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度有較大的沖擊，如圖5所示。從位移曲線（圖6）能夠看出，安裝機(jī)可以把拱架舉升到水平方向（x方向）15 m、垂直方向（y方向）13 m的位置，均在最大安全距離范圍之內(nèi)。

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

在前面所得運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上利用ADAMS軟件進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)于不同的工況，鋼拱架的安裝軌跡也不盡相同，選取鋼拱架不同的安裝軌跡分別完成機(jī)械臂液壓缸鉸點(diǎn)處受力的仿真，可以得到機(jī)械臂在工作時(shí)所能舉起的最大負(fù)載。所以仿真得出每個(gè)軌跡下各液壓缸鉸點(diǎn)處的受力變化曲線，也是機(jī)械臂各個(gè)液壓缸所能驅(qū)動(dòng)的負(fù)載變化曲線，如圖7～9所示，液壓缸鉸點(diǎn)處受力用F表示。

3.3 仿真結(jié)果分析

從仿真曲線可知，在鋼拱架剛開始舉升時(shí)鉸點(diǎn)受力較小，隨著舉升角度不斷增大，舉升高度不斷增加，舉升力也不斷增強(qiáng)，姿態(tài)調(diào)整和轉(zhuǎn)動(dòng)過程中伴隨有一定的瞬間沖擊現(xiàn)象，最后受力基本保持恒定。從圖7中還能看出，大臂液壓缸鉸點(diǎn)受力最大約為479 kN，小臂液壓缸鉸點(diǎn)受力最大約為540 kN，手部液壓缸鉸點(diǎn)受力最大約為73 kN，液壓缸鉸點(diǎn)受力最大值也是機(jī)械臂每個(gè)液壓缸所能驅(qū)動(dòng)的最大負(fù)載，可知機(jī)械臂工作中的最大負(fù)載能夠滿足其剛度要求。若因剛度不夠而出現(xiàn)失穩(wěn)，會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，或在流場(chǎng)中發(fā)生顫振等災(zāi)難性事故，嚴(yán)重影響施工安全；因此在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須按規(guī)范要求確保機(jī)構(gòu)有足夠的剛度。研究鋼拱架安裝機(jī)械臂各液壓缸鉸點(diǎn)受力的意義還在于，為以后進(jìn)一步設(shè)計(jì)分析做準(zhǔn)備，從而降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品性價(jià)比。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用Solidworks軟件完成了虛擬樣機(jī)的裝配，建立了鋼拱架安裝機(jī)構(gòu)機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型，在ADAMS下進(jìn)行了機(jī)械手臂的逆動(dòng)力學(xué)分析，得到了各液壓缸鉸點(diǎn)的受力情況，確定了機(jī)械臂液壓缸工作時(shí)的最大負(fù)載，為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及整機(jī)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。由于建立動(dòng)力學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)方程的構(gòu)造時(shí)對(duì)模型作了許多簡(jiǎn)化，降低了方程的精確度，但是仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)分析依然有效；因此研究鋼拱架安裝機(jī)械臂各液壓缸鉸點(diǎn)的受力對(duì)鋼拱架安裝機(jī)的整體設(shè)計(jì)、制造具有重要的指導(dǎo)意義。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]