雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)及仿真分析

葛正浩

申嬌娟

司賢永

韓嘯宇

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)及仿真分析

葛正浩

申嬌娟

司賢永

韓嘯宇

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

以弧面凸輪機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手輸出執(zhí)行件“提升—前進(jìn)—下降—后退”的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)械手輸出的目標(biāo)循環(huán)動(dòng)作，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。利用Creo3.0建立雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的數(shù)字化樣機(jī)，最后基于ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，輸出執(zhí)行件的位移、速度、加速度以及碰撞力與碰撞力矩的曲線，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。

雙弧面；凸輪式機(jī)構(gòu)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型；機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖；動(dòng)力學(xué)分析

在自動(dòng)化生產(chǎn)線中經(jīng)常需要某一個(gè)機(jī)器實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常單一的步進(jìn)動(dòng)作，其主要特點(diǎn)是輸出執(zhí)行的動(dòng)作具有定周期的動(dòng)停運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的氣壓或液壓控制執(zhí)行的搬運(yùn)機(jī)械手，加速度和速度很難做到平緩過(guò)度，特別在開(kāi)始和停止時(shí)動(dòng)作太過(guò)迅猛、沖擊剛度非常大；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制型的機(jī)械手，對(duì)企業(yè)技術(shù)人員的綜合技能要求較高，由于核心技術(shù)被國(guó)外壟斷，導(dǎo)致成本較高；凸輪機(jī)構(gòu)可使輸出構(gòu)件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，幾乎所有簡(jiǎn)單的、復(fù)雜的重復(fù)性機(jī)械運(yùn)動(dòng)都可以用凸輪機(jī)構(gòu)或含其在內(nèi)的組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。凸輪機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械手, 具有動(dòng)作精準(zhǔn)、工作速度可控、使用成本低、布局緊湊等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，目前在自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用越來(lái)越多。國(guó)外對(duì)于凸輪式機(jī)械手的應(yīng)用研究較早，日本已經(jīng)研究出多種形式的凸輪式機(jī)械手，并使凸輪式機(jī)械手進(jìn)入了系列化生產(chǎn)階段[3-4]；歐美國(guó)家在凸輪式機(jī)械手方面的研究也處于領(lǐng)先地位；而中國(guó)對(duì)于凸輪式機(jī)械手的研究起步較晚，尤其是對(duì)于不易加工的弧面凸輪的應(yīng)用研究甚少[3-4]。凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的提出始于德國(guó)Ferguson公司，由美國(guó)CAMCO公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展并進(jìn)行生產(chǎn)，而中國(guó)使用這種裝置都依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，而且使用和維修都需要專業(yè)的人員指導(dǎo)，不利于生產(chǎn)需求[3]。雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手可以廣泛應(yīng)用于包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線上，有利于產(chǎn)品的系列化，所以雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的研究很有意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)機(jī)器的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，進(jìn)而對(duì)樣機(jī)中的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，以開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)檢測(cè)并行的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)出符合要求的物理樣機(jī)，最大限度地提高設(shè)計(jì)效率及整機(jī)質(zhì)量。本研究基于Creo3.0建立雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的數(shù)字化樣機(jī)[5-6]，然后應(yīng)用ADAMS進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，其動(dòng)態(tài)性能參數(shù)對(duì)凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1.1 雙弧面凸輪式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的輸出執(zhí)行件的升降與進(jìn)退直線運(yùn)動(dòng)均由弧面凸輪帶動(dòng)從動(dòng)盤上的擺桿往復(fù)擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。擺桿的圓弧運(yùn)動(dòng)在二維平面內(nèi)可以分解為互相垂直的2種運(yùn)動(dòng)，多余的運(yùn)動(dòng)靠滑槽分解。此設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備體積小且弧面凸輪機(jī)構(gòu)會(huì)提高輸出端塊的定位精度等級(jí)，雙弧面凸輪式設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

1. 輸出端塊 2,6. 擺桿 3,7. 從動(dòng)盤 4. 升降弧面凸輪 5. 凸輪軸 8. 進(jìn)退弧面凸輪

圖1 雙弧面凸輪式方案設(shè)計(jì)

Figure 1 Conceptual design of globoidal cam

1.2 運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)

機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖采用直角坐標(biāo)式可以直觀地展示出機(jī)械手手臂的動(dòng)作順序。雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手所輸出的動(dòng)作為“提升—前進(jìn)—下降—后退”，升降和進(jìn)退動(dòng)作各由一個(gè)弧面凸輪機(jī)構(gòu)控制，凸輪的輪廓曲線為1個(gè)推程期、1個(gè)回程期和2個(gè)停歇期。圖 2是以輸出端升降距離50 mm和進(jìn)退距離100 mm，凸輪軸按照“60°—120°—60°—120°”分度為例設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖[7]，其中x軸代表弧面凸輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，y軸代表機(jī)械手輸出執(zhí)行件的位移。

圖2 機(jī)械手手臂工作循環(huán)圖

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的一個(gè)完整的執(zhí)行件輸出動(dòng)作中，分別由升降和進(jìn)退弧面凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)。凸輪軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)弧面凸輪機(jī)構(gòu)可以轉(zhuǎn)變成從動(dòng)件的間歇往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)滾子從動(dòng)件弧面凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的工作運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為停歇、升程、停歇、回程4個(gè)階段，在弧面凸輪的回轉(zhuǎn)體上既有升程段也有回程段，即 “左旋”與“右旋”同在。當(dāng)機(jī)械手輸出執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)位移較大時(shí)，小擺角會(huì)使凸輪機(jī)構(gòu)的擺桿過(guò)長(zhǎng)，使得機(jī)械手的整體體積增大，同時(shí)使凸輪的接觸力變大，可以采用多頭擺動(dòng)滾子從動(dòng)件弧面凸輪機(jī)構(gòu)，增加從動(dòng)件的擺角以減小擺桿長(zhǎng)度，優(yōu)化機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能，同時(shí)能夠提高機(jī)器的承載能力[6]。單頭和多頭擺動(dòng)滾子從動(dòng)件弧面凸輪的展開(kāi)示意圖見(jiàn)圖3。升降和進(jìn)退弧面凸輪的三維實(shí)體模型見(jiàn)圖4。

圖3 擺動(dòng)滾子從動(dòng)件弧面凸輪展開(kāi)示意圖

Figure 3 Schematic diagram after deployment of globoidal cam with oscillating roller follower

圖4 弧面凸輪模型圖

1.3 雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的數(shù)字化樣機(jī)

減速電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸上固定連接有進(jìn)退和升降弧面凸輪，2弧面凸輪分別帶動(dòng)從動(dòng)盤作周期性擺動(dòng)，再通過(guò)擺桿和滑槽使間歇擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，2直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)組合使機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)“提升—前進(jìn)—下降—后退”定周期性的動(dòng)作。將各個(gè)零部件按照功能要求進(jìn)行裝配，雙弧面凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手?jǐn)?shù)字化樣機(jī)模型見(jiàn)圖5。

圖5 雙弧面凸輪式機(jī)械手?jǐn)?shù)字化樣機(jī)

2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)仿真模型

2.1 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

將Creo3.0中的凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手模型保存為“x_t”格式的副本文件，然后在ADAMS中通過(guò)Import選項(xiàng)導(dǎo)入該模型[8-9]。模型導(dǎo)入后，零件的質(zhì)量屬性和約束關(guān)系均丟失需要重新設(shè)置；同時(shí)為了使分析過(guò)程更符合實(shí)際情況，對(duì)重力加速度和單位進(jìn)行設(shè)置。

2.2 添加約束及設(shè)置接觸力

該模型需要添加的約束分別為：雙弧面凸輪分別與主動(dòng)軸之間的固定副；滑軌與大地之間的固定副；凸輪軸與大地之間的旋轉(zhuǎn)副；擺桿與大地之間的旋轉(zhuǎn)副；滑塊與滑軌之間的移動(dòng)副。

碰撞接觸力是作用在物體上的特殊力，只有當(dāng)物體的幾何外形相互接觸時(shí)才會(huì)有接觸力的作用。根據(jù)凸輪和滾子的幾何參數(shù)確定接觸剛度(k)、力的指數(shù)值(e)、阻力系數(shù)(C)和全阻尼時(shí)的穿透值(δ)，將弧面凸輪與從動(dòng)盤之間的接觸等效為2個(gè)變曲率半徑柱體的碰撞問(wèn)題，碰撞力定義[10]如下：

(1)

式中：

STEP——階躍函數(shù)；

q0——兩物體間初始距離，mm；

q——構(gòu)件碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離，mm。

2個(gè)變曲率半徑柱體在接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸法向力P和變形δ的關(guān)系有：

P=K×δ3/2。

(2)

接觸剛度的公式：

K=(4/3)R1/2×E*，

(3)

其中：1/R=1/R1+1/R2，R1、R2分別是弧面凸輪和滾子接觸點(diǎn)的當(dāng)量半徑，mm。

(4)

式中：

μ1、μ2——分別為凸輪和滾子材料的泊松比；

E1、E2——分別為凸輪和滾子所選材料的彈性模量。

一般情況下，與凸輪的曲率半徑相比滾子半徑很小，所以：1/R≈1/R2。

2.3 外部載荷的定義及添加驅(qū)動(dòng)

凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手一個(gè)完整的運(yùn)輸過(guò)程包括提升、前進(jìn)、下降、后退4個(gè)動(dòng)作。凸輪軸從0°旋轉(zhuǎn)到10°時(shí)機(jī)械手處于空載時(shí)期不承受外部工件重量，凸輪軸從10°旋轉(zhuǎn)到15°時(shí)機(jī)械手開(kāi)始承受外部工件重量；凸輪軸從15°旋轉(zhuǎn)到225°時(shí)機(jī)械手完成運(yùn)輸過(guò)程，手臂一直承受外部工件重量；凸輪軸從225°旋轉(zhuǎn)到230°時(shí)開(kāi)始放置工件，手臂承受的外部載荷逐漸為0；凸輪軸從230°旋轉(zhuǎn)到360°時(shí)機(jī)械手完成復(fù)位動(dòng)作外部載荷為0[11]。

本設(shè)計(jì)機(jī)械手的外部載荷STEP函數(shù)定義為：

step(time,0.056,0,0.83,50)～step(time,1.25,0,1.28,50)，

(5)

在凸輪軸和大地的旋轉(zhuǎn)副上給定電機(jī)驅(qū)動(dòng)，凸輪旋轉(zhuǎn)的角速度值為30 r/min。雙弧面凸輪式機(jī)械手的虛擬樣機(jī)見(jiàn)圖6。

圖6 雙弧面凸輪式機(jī)械手仿真模型

3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手的仿真分析

3.1 仿真求解參數(shù)的設(shè)置

為了得到精確度較高的速度曲線、加速度曲線，提高求解的穩(wěn)定性，需要對(duì)仿真輸出步長(zhǎng)(步數(shù)500和仿真時(shí)間2 s)和求解器(Wstiff積分器和SI2積分形式)進(jìn)行設(shè)置，在仿真步長(zhǎng)很小的情況下也能保證雅克比矩陣的穩(wěn)定性。

3.2 仿真結(jié)果及分析

以機(jī)械手輸出端為研究對(duì)象，求解其位移、速度、加速度[9-10]，以弧面凸輪與滾子為對(duì)象求解其接觸力(Force)與接觸力力矩(Torque)。

如圖7、8所示，3條曲線分別是雙弧面凸輪式機(jī)械手完成進(jìn)退(升降)動(dòng)作時(shí)輸出端的位移、速度和加速度曲線，速度最大值出現(xiàn)在推程中點(diǎn)，且位移、速度和加速度曲線與修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律理論曲線相符，速度及加速度曲線基本上沒(méi)有抖動(dòng)，說(shuō)明其運(yùn)動(dòng)特性良好。

最大接觸力和最大接觸力矩見(jiàn)圖9、10。由仿真結(jié)果知：機(jī)械手速度最大時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)的碰撞力和碰撞力矩最大，在停歇段凸輪機(jī)構(gòu)的碰撞力和碰撞力矩最小，符合實(shí)際情況。

圖7 機(jī)械手進(jìn)退動(dòng)作位移、速度和加速度曲線

Figure 7 Displacement, velocity and acceleration curve of manipulator forward and backward movement

圖8 機(jī)械手升降動(dòng)作位移、速度和加速度曲線

圖9 進(jìn)退弧面凸輪機(jī)構(gòu)碰撞力和碰撞力矩曲線

圖10 升降弧面凸輪機(jī)構(gòu)碰撞力和碰撞力矩曲線

4 結(jié)論

根據(jù)機(jī)械手的執(zhí)行動(dòng)作設(shè)計(jì)凸輪運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，設(shè)計(jì)一款凸輪式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手；建立該機(jī)械手的數(shù)字化樣機(jī)，尤其是對(duì)兩端的弧面凸輪進(jìn)行了參數(shù)化建模；最后通過(guò)ADAMS對(duì)整機(jī)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析。結(jié)果表明，該機(jī)械手的位移、速度和加速度曲線與修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律理論曲線相符，速度及加速度曲線基本上沒(méi)有抖動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特性良好，碰撞力和碰撞力矩也符合實(shí)際情況。試驗(yàn)只對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手進(jìn)行了多剛體動(dòng)態(tài)仿真，為了更加接近實(shí)際工作環(huán)境，今后可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)分析。

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Design and simulation analysis for double globoidal cam-type stepping drive manipulator

GEZheng-hao

SHENJiao-juan

SIXian-yong

HANXiao-yu

(MechanicalandElectricalEngineeringCollege,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi710021,China)

Based on the theory of globoidal cam mechanism, the double globoidal cam-type stepping-driven manipulator is designed to realize the step-by-step movement of the actuator output “l(fā)ifting, forward, falling, retreating”. According to the target rotation of the robot output, design the motion cycle diagram. Finally, the kinematic simulation analysis based on ADAMS, the displacement of the actuator, the velocity, the acceleration curve and the curve of the collision force and the collision torque were analyzed by using Creo3.0 to build the digital prototype of the double globoidal cam-type stepping-driven manipulator . To verify the correctness of the design results.

Double globoidal cam mechanism; step-driven manipulator; motion cycle diagram; dynamics analysis

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：CXY1431﹝3﹞)；陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：15JF010)

葛正浩(1964—)，男，陜西科技大學(xué)教授，碩博士研究生導(dǎo)師，博士。E-mail:285188506@qq.com

2017—04—05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.016