基于虛擬樣機(jī)的傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

黃秀琴，潘晨

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002)

HUANG Xiuqin，PAN Chen

(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

(a)x方向位置圖

(b)y方向位置圖

(c)z方向位置圖

(d)x方向速度圖

(e)y方向速度圖

(f)z方向速度圖

(g)x方向加速度圖

(h)y方向加速度圖

(i)z方向加速度圖

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基于虛擬樣機(jī)的傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

黃秀琴，潘晨

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002)

以3-PRS并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象,采用傾斜導(dǎo)軌式布置3個(gè)滑塊為驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在SolidWorks和Adams平臺(tái)上進(jìn)行了并聯(lián)機(jī)器人的建模、仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，從而獲得該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，為并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展和潛在的工業(yè)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

3-PRS；并聯(lián)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

HUANG Xiuqin，PAN Chen

(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

并聯(lián)機(jī)器人因其在結(jié)構(gòu)上有較大的剛度、較強(qiáng)的承載能力以及累積誤差小等特點(diǎn)，逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。而3、4、 5自由度的少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，尤其是3自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度大、低慣性、負(fù)載高、運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)，成為并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要研究并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、工作空間、奇異位形和靈巧度分析等方面。該項(xiàng)研究是實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的控制和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，因而在并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的研究中占有重要地位。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)憑借其卓越的性能，逐漸在現(xiàn)代先進(jìn)制造裝備中得到廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)構(gòu)造了一種一平移二轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了三維實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析了動(dòng)平臺(tái)輸出運(yùn)動(dòng)特性，為該并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)潛在的工業(yè)應(yīng)用及實(shí)時(shí)控制奠定了理論基礎(chǔ)。

1　機(jī)構(gòu)描述

并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)由下靜平臺(tái)、上動(dòng)平臺(tái)和連接于兩平臺(tái)之間的3條支鏈PRS組成，靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)通過3組連桿和滑塊相連，靜平臺(tái)和滑塊之間采用移動(dòng)副，滑塊與連桿之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿與動(dòng)平臺(tái)之間采用球鉸副(見圖1)。

圖1　并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

整個(gè)模型通過滑塊在固定導(dǎo)軌上的移動(dòng)來改變動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)，該并聯(lián)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)一平移二轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)輸出[1-3]。

2　3-PRS虛擬樣機(jī)實(shí)體建模設(shè)計(jì)

3-PRS虛擬樣機(jī)為框架式結(jié)構(gòu)，由靜平臺(tái)組件、導(dǎo)軌-傳動(dòng)組件、動(dòng)平臺(tái)組件和支鏈組件等主要部件組成。通過特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌-傳動(dòng)體組件，將滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)與滑塊聯(lián)系起來，帶動(dòng)連桿與球鉸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)。絲杠的運(yùn)動(dòng)傳遞與連接形式、動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)等是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[4]。

2.1導(dǎo)軌-傳動(dòng)體組件

導(dǎo)軌-傳動(dòng)體組件是3-PRS并聯(lián)機(jī)器人中關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)傳遞部件，由梁、傳動(dòng)體和2根導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌固定在梁上。傳動(dòng)體為特殊設(shè)計(jì)的構(gòu)件，它包括絲杠和滑塊，滑塊中部與滾珠絲杠連接，兩端孔與導(dǎo)軌進(jìn)行同心配合，上部分與支鏈組件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，下底面與梁平行移動(dòng)。導(dǎo)軌-傳動(dòng)體組件的模型組件見圖2。

圖2　傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機(jī)器人模型裝配過程

2.2靜平臺(tái)組件

靜平臺(tái)是滾珠絲桿、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)的安裝平臺(tái)，由上下固定板、支板、導(dǎo)軌-傳動(dòng)體組件等組成，3個(gè)導(dǎo)軌-傳動(dòng)體組件的安裝呈110°。靜平臺(tái)組件的模型如圖2所示。

2.3支鏈組件

支鏈組件是機(jī)構(gòu)中連接上下平臺(tái)的重要組件，也是傳遞運(yùn)動(dòng)的中間紐帶。支鏈組件下端通過同心配合連接滑塊，上端通過球鉸與靜平臺(tái)連接。支鏈組件的模型如圖2所示。

2.4動(dòng)平臺(tái)組件

動(dòng)平臺(tái)是主軸電機(jī)、刀具或測(cè)頭的安裝平臺(tái)，是比較重要的部件。動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量和體積應(yīng)該盡量小，否則會(huì)增大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。動(dòng)平臺(tái)組件的模型如圖2所示。

2.5虛擬樣機(jī)的裝配及運(yùn)動(dòng)檢查

在3-PRS并聯(lián)機(jī)器人的裝配中需要注意的是，對(duì)導(dǎo)軌-傳動(dòng)體等運(yùn)動(dòng)部件不能用零部件陣列功能，否則會(huì)使完成的裝配體中的運(yùn)動(dòng)部件不能運(yùn)動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢查，也不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。裝配過程如圖2所示。

裝配完成后，可以利用裝配環(huán)境的移動(dòng)功能檢查機(jī)構(gòu)是否能正常運(yùn)動(dòng)。如果發(fā)現(xiàn)有問題，應(yīng)該及時(shí)檢查約束配合部分是否有問題。

該模型的建立能真實(shí)地反映出并聯(lián)機(jī)器人各部分零件的具體結(jié)構(gòu)，為機(jī)器人設(shè)計(jì)制造提供第一手的圖紙資料。

3　基于Adams的并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是為了檢查各部件與運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性以及各支鏈之間是否會(huì)產(chǎn)生干涉，并且考察并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的速度和加速度特性。

3.1仿真流程

Adams的仿真一般分為以下幾個(gè)步驟：首先，建立機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型；其次，利用Adams軟件自帶的約束庫(kù)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副添加約束；最后，在驅(qū)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)并設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)。本文采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模和裝配，再將模型導(dǎo)入到Adams軟件中進(jìn)行仿真，其仿真流程圖[5]如圖3所示。

圖3　仿真流程圖

3.2簡(jiǎn)化模型和仿真

為了提高仿真的精度和效率，有必要對(duì)所建的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在不改變機(jī)構(gòu)自由度的前提下，多個(gè)零件固結(jié)在一起簡(jiǎn)化為1個(gè)零件，并且盡可能地簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)和動(dòng)平臺(tái)及靜平臺(tái)的構(gòu)造，降低仿真計(jì)算過程中的誤差，最后忽略整個(gè)模型的重力。圖4即為機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型圖。簡(jiǎn)化后模型由動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)(機(jī)架)及3個(gè)相同支鏈組成，其中靜平臺(tái)為三角錐的雙層結(jié)構(gòu)，三角錐的上下面均為正三角形，同理動(dòng)平臺(tái)也為正三角形結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)滑塊布置在靜平臺(tái)3個(gè)傾斜的導(dǎo)軌上，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際設(shè)計(jì)用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。

3.3仿真的實(shí)現(xiàn)

對(duì)簡(jiǎn)化的模型添加約束和驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌與滑塊之間為移動(dòng)副，滑塊與連桿之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿與動(dòng)平臺(tái)之間為球副，驅(qū)動(dòng)則加在3個(gè)移動(dòng)副上(見圖4)。

圖4　簡(jiǎn)化的模型圖

對(duì)于傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析，已知驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解動(dòng)平臺(tái)的位置或者姿態(tài)。

假設(shè)：靜平臺(tái)上三角邊長(zhǎng)為1 020 mm；靜平臺(tái)下三角邊長(zhǎng)為300 mm；動(dòng)平臺(tái)三角邊長(zhǎng)為340 mm；連桿長(zhǎng)度為800 mm；導(dǎo)軌長(zhǎng)度為877.5 mm。另外，給定滑塊驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為：①M(fèi)OTION_1為60*cos(0.1*time);②MOTION_2為80*cos(0.1*time);③MOTION_3為100*cos(0.1*time)。

經(jīng)過仿真后處理，可以得出如圖5所示動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖。

通過仿真圖可知：當(dāng)給定的滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦函數(shù)時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的加速度曲線為光滑的連續(xù)曲線，不存在突變。因此，運(yùn)動(dòng)特性較好，沒有慣性沖擊，是一種較為理想的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。

(a)x方向位置圖

(b)y方向位置圖

(c)z方向位置圖

(d)x方向速度圖

(e)y方向速度圖

(f)z方向速度圖

(g)x方向加速度圖

(h)y方向加速度圖

(i)z方向加速度圖

圖5仿真特性曲線圖

4　結(jié)論

本文以3-PRS并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，將驅(qū)動(dòng)滑塊布置在傾斜導(dǎo)軌上來提高滑塊的行程。

1)在SolidWorks平臺(tái)上對(duì)3-PRS并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的細(xì)化，采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，從中可以觀察出該并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的具體構(gòu)造和構(gòu)件之間的連接方式。

2)將機(jī)器人機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并導(dǎo)入到Adams軟件中，通過仿真獲得動(dòng)平臺(tái)上參考點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線。驗(yàn)證和考察了該并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的工作原理和運(yùn)動(dòng)特性，為該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]葛勝蘭.3PRS并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2006，19(4):82-83.

[2]金瓊.過約束機(jī)構(gòu)與欠秩并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究[D].南京：東南大學(xué)，2001.

[3]黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[4]劉峰,陳文凱.3自由度并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2006(1)：9-10.

[5]李增剛.Adams入門詳解與實(shí)例[M].2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

責(zé)任編輯：陳亮

Design and Analysis on a 3-PRS Parallel Robot with Inclined Guide Rail Based on the Virtual Prototype

The 3-PRS parallel robot was studied and three driving sliders were arranged with inclined guide rails.Modeling,simulation,kinematic analysis of parallel robot were carried out on the ADAMS platform by using virtual prototype technology to obtain the motion characteristic curve of the mechanism,which provided a theoretical basis for parallel robot mechanism development and potential industrial application.

3-PRS;parallel robot;kinematics simulation

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.009

2016- 06- 01

黃秀琴(1969—)，女，副教授。

TP242

A

1671- 0436(2016)04- 0039- 04