絲杠驅(qū)動(dòng)輕質(zhì)型碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真與分析

楊前明　薛芳喜　王建偉

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

絲杠驅(qū)動(dòng)輕質(zhì)型碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真與分析

楊前明薛芳喜王建偉

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

針對(duì)棉紡車間前紡工序棉筒搬運(yùn)與更換作業(yè)問(wèn)題，本文提出了一種基于電伺服絲杠驅(qū)動(dòng)的輕質(zhì)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案；根據(jù)棉紡車間棉桶更換作業(yè)工藝要求，運(yùn)用SolidWorks軟件建立了輕質(zhì)型機(jī)器人與AGV組成的實(shí)體模型。在對(duì)4軸機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析與計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)各軸電機(jī)與減速機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。利用ADAMS仿真工具，將機(jī)器人模型在ADAMS中按照實(shí)際作業(yè)工藝要求進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證了機(jī)器人與AGV構(gòu)成的組合機(jī)器人設(shè)計(jì)方案可行性。為該類型機(jī)器人后續(xù)設(shè)計(jì)和研究提供了理論依據(jù)。

輕質(zhì)型機(jī)器人AGVSolidWorksADAMS運(yùn)動(dòng)仿真

引言

棉紡車間棉筒更換目前仍采用人工搬運(yùn)更換作業(yè)，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化與數(shù)字智能生產(chǎn)的技術(shù)要求［1］，紡織行業(yè)傳統(tǒng)的手工操作方式迫切需要機(jī)械人替代。由于受車間環(huán)境與紡織行業(yè)的限制，本文研究設(shè)計(jì)了一種電伺服絲杠驅(qū)動(dòng)的輕質(zhì)型碼垛機(jī)器人，與AGV導(dǎo)引車構(gòu)成了一種復(fù)合式碼垛作業(yè)機(jī)器人（Composite palletizing robot，CPR），運(yùn)用SolidWorks軟件建立其實(shí)體模型，利用ADAMS仿真工具，按照實(shí)際作業(yè)工藝要求，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬仿真［2］。

1 CPR結(jié)構(gòu)組成及實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)

1.1 CPR設(shè)計(jì)要求及功能

圖1所示為電伺服絲杠驅(qū)動(dòng)輕質(zhì)型4軸碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由機(jī)械手支架、前臂、后臂、平衡桿及平衡架組成。CPR是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4軸碼垛機(jī)器人，由于作業(yè)時(shí)的負(fù)載輕、臂展相對(duì)較長(zhǎng)以及與AGV結(jié)合時(shí)要求較輕的質(zhì)量，設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵是在保證足夠好的強(qiáng)度剛度前提下具有良好的輕質(zhì)、作業(yè)靈活與較小的驅(qū)動(dòng)功率。

圖1 CPR結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 CPR結(jié)構(gòu)參數(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)。CPR軸碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)負(fù)載40kg、臂展1800mm，幾何驗(yàn)算，擬定前臂長(zhǎng)度1200mm、后臂長(zhǎng)度1140mm。考慮到碼垛機(jī)器人與AGV組合作業(yè)，從設(shè)計(jì)上首選鋁合金輕質(zhì)材料，在滿足強(qiáng)度剛度要求的前提下，減輕機(jī)器人本體重量。

（2）電伺服驅(qū)動(dòng)。CPR機(jī)器人的J1、J2、J3、J4四軸驅(qū)動(dòng)如圖2所示。

圖2 CPR機(jī)器人4軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2（a）表示J1軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，選用伺服電機(jī)加減速機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)身本體的旋轉(zhuǎn)。圖2（b）表示J4軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，選用伺服電機(jī)加減速機(jī)實(shí)現(xiàn)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)。J2、J3軸均采用伺服電機(jī)加絲杠驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)前臂、后臂擺動(dòng)，如圖2（c）、圖2（d）所示。

1.3 CPR驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

CPR機(jī)器人驅(qū)動(dòng)采用電伺服驅(qū)動(dòng)，選用鋁合金材質(zhì)，初步估算前臂質(zhì)量約為60kg，后臂質(zhì)量約為70kg，各軸驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算如下。

（1）J4軸（手腕）。負(fù)載慣量：J1=mD2/8。J1-棉筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；m-棉筒質(zhì)量，kg；D-棉筒直徑，m。

抓手組件慣量：I1=MR2/2。M-抓手及連接件質(zhì)量，kg；R-抓手及連接件質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心距離，m。

設(shè)第 4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=3000r/min，腕部軸轉(zhuǎn)速 n?=30r/min、加速度ε?=2πrad/s2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩T=Iε?、電機(jī)功率P=Tn/9550。

有關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果為 J1=5.29kgm2、I1=2.5kgm2、T=48. 9Nm、P=0.19kw。所以J4軸總的慣量I=J1+I1=7.79 kgm2。

圖3前臂受力示意圖

（2）J3軸（前臂）。圖3所示為前臂受力簡(jiǎn)化示意圖，圖中標(biāo)注了有關(guān)幾何尺寸與質(zhì)量，θ1是絲杠作用力方向與垂直線夾角。根據(jù)力平衡原理，有力矩平衡方程：

l為負(fù)載到鉸鏈的距離，當(dāng) θ1=90°時(shí)，前臂負(fù)載Fa=2521.4N。

取滾珠絲杠慣性矩 7.99 kgcm2、直徑 40mm、螺距I=5mm、η1進(jìn)給絲杠的正效率，取0.8。

所以，T=Jε=M*［Δs/20π］2ε；M為前臂絲杠的軸向負(fù)載，kg；為螺距，mm；ε為前臂軸的角加速度，rad/s2。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率：P=T·n/9550，有關(guān)參數(shù)計(jì)算為Ta=2.51 N·m、J=1.599kgm2、T=4.477N·m，電機(jī)功率：P=0.56kw。

（3）J2軸（后臂）。圖4為后臂簡(jiǎn)化示意圖，鉸接中心左右劃分為m12、m22兩部分質(zhì)量，θ2為后臂與水平方向的夾角，有關(guān)標(biāo)注參如圖4所示。

圖4后臂受力示意圖

根據(jù)力平衡原理有力矩平衡方程

當(dāng)θ2=70°時(shí)，前臂負(fù)載 Fb=13926.99N，后臂絲杠扭矩：，η2為進(jìn)給絲杠的正效率，取0.8。

所以T=Jε=M*［Δs/20π］2ε，M為后臂絲杠軸向負(fù)載，kg；Δs為絲杠螺距，mm；經(jīng)計(jì)算，Tb=13.86N·m、J=3kg·m2，電機(jī)功率：P=0.91kw。

（4）J1軸（機(jī)身）。機(jī)器人前臂、后臂質(zhì)量分別為M1、M2，R1、R2分別為質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心距離，r為負(fù)載到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

設(shè)機(jī)身旋轉(zhuǎn)加速度，最大臂取1800 mm時(shí)，機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

總的轉(zhuǎn)矩J=J1+J2，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T=Jε，有關(guān)計(jì)算值為J1=13.1kg·m2、J2=64.8kg·m2、T=218N·m。

通過(guò)對(duì)4軸的計(jì)算，電機(jī)及減速機(jī)選型參見(jiàn)表1。

表1驅(qū)動(dòng)軸電機(jī)減速機(jī)選型

2 ADAMS建模

ADAMS仿真分析軟件為機(jī)器人的研究提供了一種便捷的方法，雖然ADAMS軟件有比較強(qiáng)的仿真運(yùn)算能力，但是它對(duì)于三維實(shí)體建模卻比較薄弱［4］。因此首先運(yùn)用SolidWorks軟件建立機(jī)器人三維具體模型，再將其導(dǎo)入ADAMS中，利用ADAMS/View模塊進(jìn)行仿真分析。

2.1 ADAMS模型

利用SolidWorks軟件對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人建立三維模型，通過(guò)接口模塊將模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并利用軟件中Solver模塊對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真分析［5］。運(yùn)用SolidWorks軟件建立的機(jī)器人模型導(dǎo)入ADAMS環(huán)境后的具體模型如圖5所示。

圖5 ADAMS環(huán)境中的機(jī)器人模型

2.2創(chuàng)建約束及驅(qū)動(dòng)

CPR機(jī)器人約束主要有固定副、移動(dòng)副與轉(zhuǎn)動(dòng)副［6］。它由兩個(gè)串聯(lián)的平行四邊形組成，各關(guān)節(jié)之間的連接均為鉸鏈連接。前臂、后臂均采用電伺服絲杠驅(qū)動(dòng)，絲杠與螺母之間的連接約束為移動(dòng)副，機(jī)身與手腕均由電伺服加減速機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。表2表示CPR碼垛機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)副及相應(yīng)的構(gòu)件間的約束。

表2 ADAMS中定義的約束關(guān)系

（1）添加約束 在ADAMS中定義了機(jī)器人模型的上述約束后，同時(shí)添加平衡架和平衡桿1140的共線約束、機(jī)械手支架和電機(jī)2的共線約束、電機(jī)1與小臂支架2的共線約束、平衡架與小臂支架2的共線約束。

（2）ADAMS驗(yàn)證 添加了有關(guān)約束后，在ADAMS中驗(yàn)證機(jī)器人模型滿足自由度的要求，結(jié)果表明不存在過(guò)約束問(wèn)題，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)約束添加正確。

（3）添加驅(qū)動(dòng) 模型約束添加正確后，對(duì)機(jī)器人添加驅(qū)動(dòng)［7］，表3表示具體驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)類型。

表3 ADAMS中定義的驅(qū)動(dòng)

3仿真分析

3.1仿真依據(jù)

位移和速度是表征機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的指標(biāo)，對(duì)末端執(zhí)行器的位移和速度進(jìn)行分析有重要意義［8］。當(dāng)給定機(jī)器人驅(qū)動(dòng)后，其末端達(dá)到一定的位姿，進(jìn)而可以查看仿真結(jié)果。在ADAMS軟件中定義的運(yùn)動(dòng)副可以是與時(shí)間有關(guān)的位移、速度和加速度等函數(shù)關(guān)系［9］。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，分別對(duì)機(jī)器人的末端執(zhí)行器三個(gè)方向位移、速度以及加速度進(jìn)行分析［10］。

3.2仿真結(jié)果及分析

根據(jù)CPR機(jī)器人搬運(yùn)與更換棉桶作業(yè)要求，將ADAMS中定義的驅(qū)動(dòng)添加具體的函數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 ADAMS中定義的驅(qū)動(dòng)函數(shù)

添加驅(qū)動(dòng)后，設(shè)定仿真時(shí)間為150s，仿真步數(shù)為500步，可以得到如下仿真結(jié)果。

圖6抓手仿真曲線圖

（1）X、Y、Z三個(gè)方向位移變化規(guī)律。圖（a）所示為CPR在棉筒搬運(yùn)過(guò)程中X方向的位移變化曲線。由圖可知，機(jī)器人在0～20s內(nèi)，手臂在沿軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，X方向下降，即在此過(guò)程中AGV小車前進(jìn)4000mm。在120～140s時(shí)間內(nèi)，AGV返回到原工作位置。手臂X方向小位移波動(dòng)為機(jī)器人本體的前后伸縮變化。圖（b）所示為抓手質(zhì)心在Y方向位移變化曲線，分析曲線 可以看出，在20～40s內(nèi)X方向沒(méi)有變化，前臂俯仰絲杠螺母下降100mm，在60～80s內(nèi)，前臂俯仰絲杠螺母上升150mm；在20～40s內(nèi)，后臂伸縮絲杠螺母上升100mm，在50～60s內(nèi)，后臂伸縮的絲杠螺母下降100mm。圖（c）所示為抓手質(zhì)心Z方向位移變化曲線，分析圖（c）可以看出，在20～30s時(shí)間內(nèi)，機(jī)身旋轉(zhuǎn)到棉筒指定位置。在60～80s時(shí)間內(nèi)，機(jī)身由梳棉機(jī)棉筒位置旋轉(zhuǎn)至AGV小車上。90～100s時(shí)間內(nèi)，機(jī)身旋轉(zhuǎn)至初始位置。綜合圖（a）、圖（b）、圖（c）的位移分析過(guò)程顯示，CPR在實(shí)現(xiàn)棉筒搬運(yùn)過(guò)程中各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性良好，從抓手質(zhì)心位移變化軌跡可以看出，機(jī)器人運(yùn)行比較平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)棉筒搬運(yùn)作業(yè)要求。

（2）X、Y、Z三個(gè)方向速度變化規(guī)律。圖（d）是抓手質(zhì)心XYZ方向速度變化曲線，由圖可知：速度變化都比較平穩(wěn)，無(wú)劇烈振動(dòng)現(xiàn)象。速度在X方向變化最大，說(shuō)明機(jī)器人抓手在沿AGV方向移動(dòng)的速度變化大。

（3）X、Y、Z三個(gè)方向加速度變化規(guī)律。圖（e）為質(zhì)心加速度變化曲線圖，分析曲線可知：各個(gè)關(guān)節(jié)在搬運(yùn)過(guò)程中運(yùn)行也比較平穩(wěn)，說(shuō)明了該軌跡規(guī)劃的科學(xué)性和合理性以及機(jī)器人在搬運(yùn)棉筒過(guò)程中具有較好的穩(wěn)定性。

由以上的仿真結(jié)果可以看出，在驅(qū)動(dòng)保持穩(wěn)定的條件下，機(jī)器人在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，驗(yàn)證了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。由以上圖可以說(shuō)明，所設(shè)計(jì)機(jī)器人沒(méi)有位移、速度及加速度的波動(dòng)沖擊。仿真結(jié)果說(shuō)明該設(shè)計(jì)腕部定位方向的準(zhǔn)確性，這也為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)棉筒的準(zhǔn)確定位提供了依據(jù)。

4結(jié)論

以CPR機(jī)械人為研究對(duì)象，利用SolidWorks建立機(jī)械手三維實(shí)體模型，導(dǎo)入到ADAMS中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

（1）根據(jù)機(jī)器人作業(yè)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了四自由度碼垛機(jī)器人，確定了在最大臂展情況下的前臂后臂長(zhǎng)度，估算了前后臂機(jī)械質(zhì)量及四路電伺服驅(qū)動(dòng)功率。

（2）運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)CPR機(jī)器人進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果表明CPR機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)棉桶更換搬運(yùn)作業(yè)工藝要求。

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The Motion Simulation and Analysis of Screw Driver Lightweight Palletizing Robot

YANG Qianming，XUE Fangxi，WANG Jianwei
（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

A screw-propelled lightweight palletizing robot has been developed for drawing and replacing work of cotton barrel during pre-spinning process in cotton spinning workshop.According to the technologic requirements of cotton tube replacing work a physical model consisting oflightweightrobotandAGVhas beenestablishedby SolidWorks software.Based on the 4 axis robot drive system analysis andcalculation，selectanddesigntheshaftmotorandreducer. Furthermore an analogue simulation of robot is also conducted under the actual technologic requirements by ADAMS software.The simulation result proves the feasibility of design plan for combined robot consist of robotandAGV，whichalsoprovidesatheoreticalbasisforthe following design and study about this kind of robot in the future.

LightweightRobot；AGV；Solidworks；ADAMS；Motion Simulation

青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目（QDKJX-201305-066）。