迫擊炮供輸彈機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析

秦 準(zhǔn),吳海斌,趙明升,葛建立

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

迫擊炮供輸彈機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析

秦 準(zhǔn),吳海斌,趙明升,葛建立

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

針對(duì)傳統(tǒng)迫擊炮自動(dòng)化程度低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力差等弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于120 mm迫擊炮的供輸彈機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)3～4發(fā)/每分鐘的射擊速度。采用ADAMS 軟件進(jìn)行機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)仿真，得到包括炮彈運(yùn)動(dòng)參數(shù)、機(jī)械手振動(dòng)變形以及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

120 mm迫擊炮；供輸彈機(jī)械手；動(dòng)力學(xué)仿真

迫擊炮供輸彈機(jī)械手是自動(dòng)供輸彈機(jī)的重要組成部分，是一種用以提高迫擊炮作戰(zhàn)效率和安全性的自動(dòng)化裝置[1]。雖然和以前相比迫擊炮性能進(jìn)步很大，但國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究并沒(méi)有得到足夠重視，從事相關(guān)理論研究和實(shí)踐的工作人員較少[2]。本文設(shè)計(jì)了用于某120 mm自行迫擊炮的供輸彈機(jī)械手，對(duì)普通迫擊炮的改裝和新型迫擊炮的研發(fā)和生產(chǎn)，具有重要意義。

1 供輸彈機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手原始設(shè)計(jì)參數(shù)

(a)炮彈質(zhì)量：17 kg;(b)炮管長(zhǎng)：2 000 mm; (c)炮彈尺寸：835 mm;(d)發(fā)射角度：60°; (e)發(fā)射速度：3～4發(fā)/min。

1.2 機(jī)械手虛擬樣機(jī)模型

本設(shè)計(jì)采用Solidworks三維實(shí)體軟件對(duì)供輸彈機(jī)械手建模，模型如圖1所示。機(jī)械手由驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)軌(包括一級(jí)固定導(dǎo)軌和二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌)、平面四連桿機(jī)構(gòu)、絲杠滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)和托盤(pán)組成。驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)推桿、金屬舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，分別控制導(dǎo)軌滑動(dòng)、夾持手爪張合和絲杠滑臺(tái)進(jìn)退[3]。除平面四連桿部分為細(xì)長(zhǎng)桿，對(duì)穩(wěn)定性要求較高，采用鋼材料之外，其他機(jī)構(gòu)零件均采用不同強(qiáng)度的鋁合金，減輕了機(jī)械手本身質(zhì)量，降低了高速動(dòng)作后產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)[4]。

1..電動(dòng)推桿; 2.導(dǎo)軌; 3.空間四連桿構(gòu); 4.絲杠滑臺(tái)機(jī)構(gòu); 5.夾持機(jī)構(gòu); 6.托盤(pán)。

1) 導(dǎo)軌

機(jī)械手的導(dǎo)軌部分如圖2所示，包括一級(jí)固定導(dǎo)軌1、二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌2、直線導(dǎo)軌3和光軸導(dǎo)軌4；一級(jí)固定導(dǎo)軌1通過(guò)U型板與迫擊炮身管固定在一起，二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌2套合在一級(jí)固定導(dǎo)軌1上設(shè)置的直線導(dǎo)軌3，二級(jí)導(dǎo)軌2可以在一級(jí)固定導(dǎo)軌1上直線滑動(dòng)。

二級(jí)導(dǎo)軌2作為四連桿機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)等的運(yùn)動(dòng)載體。電動(dòng)推桿與二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)械連接，作為使二級(jí)導(dǎo)軌滑動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。

1.一級(jí)固定導(dǎo)軌; 2.二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌; 3.直線導(dǎo)軌 4.光軸導(dǎo)軌。

2) 平面四連桿機(jī)構(gòu)

圖3是四連桿的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，虛線為初始位置。具體結(jié)構(gòu)包括“r”型絲杠端連桿1、中間連桿2和前端連桿3以及盤(pán)簧，其結(jié)構(gòu)附著在二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)表面。曲柄處設(shè)置的盤(pán)簧產(chǎn)生的彈性抗力和輾壓活動(dòng)板對(duì)其的支撐力相平衡，維持“r” 型絲杠端連桿偏轉(zhuǎn)的位置。在到達(dá)規(guī)定位置之后，連桿受前端壓力順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)炮彈下移。前端連桿與中間連桿的連接桿在夾持基座的空腔內(nèi)活動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由夾持基座的高度決定，也就是由彈丸與身管的軸線間距決定。由于四連桿變形大，在仿真時(shí)采用柔性化設(shè)計(jì)，更接近真實(shí)情況[5]。

3) 夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)用于裝夾炮彈，設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮裝夾的穩(wěn)定性和快速性之外，還要保證炮彈裝夾的可靠性，為此設(shè)計(jì)了兩個(gè)舵機(jī)。當(dāng)其中一個(gè)舵機(jī)失效時(shí)，另外一個(gè)舵機(jī)可以繼續(xù)工作。兩個(gè)齒輪機(jī)械手之間的嚙合作用能保證彈丸夾持狀態(tài)穩(wěn)定，提高了輸彈過(guò)程中的可靠性。具體結(jié)構(gòu)包括金屬舵機(jī)、夾持基座、齒輪機(jī)械手和光軸導(dǎo)軌滑塊。

4) 絲杠滑臺(tái)機(jī)構(gòu)

通過(guò)絲杠步進(jìn)電機(jī)的控制，該機(jī)構(gòu)可以改變輾壓活動(dòng)板的位置，實(shí)現(xiàn)其與四連桿機(jī)構(gòu)中的“r” 型絲杠端連桿的接觸和脫離，即有無(wú)支撐力的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四連桿和夾持機(jī)構(gòu)的控制。

圖3 四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 多體動(dòng)力學(xué)分析

供輸彈機(jī)械手的多體動(dòng)力學(xué)分析要考慮各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度、加速度、力矩以及慣量等因素[6]，通過(guò)對(duì)各部分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力的分析研究，驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的合理性。本設(shè)計(jì)使用動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams。

2.1 廣義坐標(biāo)的選取和數(shù)學(xué)模型

式中，T為系統(tǒng)動(dòng)能；q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)陣；Q為廣義力列陣；λ為拉氏乘子列陣[8]。

2.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程

手爪夾持炮彈→二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌前進(jìn)1 000 mm(曲柄受重轉(zhuǎn)動(dòng))→曲柄順時(shí)針旋轉(zhuǎn)19°(帶動(dòng)炮彈下降160 mm)→絲杠滑臺(tái)后退305 mm→手爪松開(kāi)→二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌后退(絲杠滑臺(tái)前進(jìn))→回到初始位。

2.3 動(dòng)力學(xué)仿真

仿真時(shí)建立如下坐標(biāo)系：Z軸沿身管軸線指向炮口為正，Y軸垂直于Z軸向上為正，X軸的正向滿足右手定則。將Solidworks環(huán)境下建立的機(jī)械手模型以ADAMS 能較好識(shí)別的Parasolid格式導(dǎo)出，然后將三維模型導(dǎo)入Adams。設(shè)置好工作環(huán)境，在 ADAMS 環(huán)境中生成的供輸彈機(jī)械手的虛擬樣機(jī)如圖4所示。各部件的約束關(guān)系如表1所示。

圖4 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型

部件1部件2性質(zhì)名稱云臺(tái)身管旋轉(zhuǎn)副JOINT＿2身管二級(jí)導(dǎo)軌移動(dòng)副JOINT＿3身管絲杠活動(dòng)體移動(dòng)副JOINT＿33機(jī)械手機(jī)械手夾持基座旋轉(zhuǎn)副JOINT＿34、JOINT＿35二級(jí)導(dǎo)軌連桿底旋轉(zhuǎn)副JOINT＿41、JOINT＿42連桿底連桿中旋轉(zhuǎn)副JOINT＿43、JOINT＿44連桿中連桿頂銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)副JOINT＿45、JOINT＿46連桿頂連桿頂銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)副JOINT＿47、JOINT＿48連桿頂二級(jí)導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)副JOINT＿49、JOINT＿50

Adams的主要仿真參數(shù)如下：電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time,1.5,0.0,6.5,-1000.0)+STEP(time,8.5,0.0,13.0,305.0)+STEP(time,14.0,0.0,18.0,695.0)，夾持機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time,13.0,0.0d,14.0,-30.0d)，絲杠滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time,5.5,0.0,10.0,-305.0)。為了實(shí)現(xiàn)3～4發(fā)/min的快速打擊，仿真時(shí)間設(shè)置為18 s(包括1.5 s云臺(tái)升起時(shí)間)，在各關(guān)節(jié)處添加驅(qū)動(dòng)，繪制炮彈的位移曲線如圖5所示。

圖6為炮彈在X方向的位移曲線圖，圖7為炮彈在X方向的振動(dòng)速度圖。為了準(zhǔn)確得到機(jī)械手各部件的變形和受力，模擬真實(shí)情況，本仿真設(shè)計(jì)采用了Adams柔體建模，因此X方向存在微幅振動(dòng)[9]。從結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，X方向位移近似不變，振動(dòng)速度關(guān)于橫坐標(biāo)軸對(duì)稱，最大速度在云臺(tái)抬起位置處，約為6.5 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8為二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌的速度和加速度曲線圖。從仿真結(jié)果可以看出，二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌的加速度最大值為0.28 m/s2，由牛頓第二定律F=ma，可求得電動(dòng)推桿的最大推力，為電動(dòng)推桿的選擇提供依據(jù)。

圖5 炮彈在Y和Z方向的位移

圖6 炮彈在X方向的位移

圖7 炮彈在X方向的振動(dòng)速度

圖8 二級(jí)活動(dòng)導(dǎo)軌的速度和加速度

圖9是夾持裝置的角速度和角加速度曲線圖，對(duì)該仿真結(jié)果的分析有利于舵機(jī)設(shè)計(jì)。

圖9 夾持裝置的角速度和角加速度

3 結(jié)論

1) 該供輸彈機(jī)械手性能滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。

2) 各個(gè)部件的位移、速度、力矩、角加速度和轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線為機(jī)械手控制的研究和設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 談樂(lè)斌,張相炎.火炮概論[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014.

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(責(zé)任編輯周江川)

Structural Design and Dynamic Analysis of Robotic Manipulator for a Mortar

QIN Zhun, WU Hai-bin, ZHAO Ming-sheng, GE Jian-li

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aimed at the low automation and the poor viability of the traditional mortar, a robotic manipulator for a mortar was designed to achieve the quick strike of 3 to 4 rounds per minute. The dynamic simulation of the manipulator was carried out by using ADAMS. The key data including motion parameters of the projectile, the vibration and deformation of the manipulator and the drive of joints were obtained.

120 mm mortar; robotic manipulator for the ammunition feed; dynamics simulation

2016-09-20；

2016-10-25

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(201510288006)

秦準(zhǔn)(1995—)，男，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化研究。

葛建立(1980—)，男，博士，副教授，主要從事非線性有限元、虛擬樣機(jī)以及等幾何分析研究。

10.11809/scbgxb2017.01.014

秦準(zhǔn),吳海斌,趙明升，等.迫擊炮供輸彈機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):55-58.

format:QIN Zhun, WU Hai-bin, ZHAO Ming-sheng, et al.Structural Design and Dynamic Analysis of Robotic Manipulator for a Mortar[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):55-58.

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