基于ADAMS的懸掛輸送機仿真研究

王雷 寧祎 李顯 蔡倩倩

摘要：懸掛輸送機在制造加工中起著重要的作用，尤其在噴涂生產(chǎn)車間是不可缺少的重要機電設(shè)備。在實際應(yīng)用中懸掛輸送機設(shè)備的組裝和調(diào)試，以及噴涂機器人的空間軌跡的確定等，工序煩瑣且調(diào)試周期相對長。使用ADAMS軟件對懸掛輸送機和工業(yè)機器人進行計算機仿真分析研究，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并且改進，通過ADAMS與Matlb的聯(lián)合仿真，使得機械部分和控制部分有了一個較好的銜接，為實際應(yīng)用帶來可靠的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：懸掛輸送機；噴涂；軌跡；計算機仿真

中圖分類號：TH692.9 文獻標志碼：B 文章編號：1009-3044（2018）21-0280-02

Abstract： Suspension conveyors play an important role in the manufacture and processing， especially in the spraying production workshops are indispensable important electromechanical equipment. In actual application， the assembly and debugging of the suspension conveyor equipment and the determination of the space trajectory of the painting robot are complicated and the debugging period is relatively long. Using ADAMS software to simulate the suspension conveyor and industrial robots， the problem can be found and corrected in time. Through the joint simulation of ADAMS and Matlb of the motor spindle， the mechanical part and the control part have a good connection. Practical application brings reliable data support.

Key words： suspended conveyor； spraying paint； track； computer simulation

1 背景

懸掛輸送機在工件加工、噴涂和組裝等各個方面的應(yīng)用非常廣泛。如今隨著智能制造等的提出，更是對制造業(yè)提出了更高的要求。懸掛輸送機作為在生產(chǎn)制造過程中的重要機電設(shè)備，尤其是在噴涂過程中起著非常重要的作用，如何協(xié)同噴涂機器人實現(xiàn)在指定噴涂工位噴涂，以及確定噴涂機器人的執(zhí)行末端位置是較為關(guān)鍵的。利用ADAMS軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)多剛體的運動學(xué)和動力學(xué)仿真，既可以準確地得到仿真結(jié)果，又減少了實際調(diào)試的周期，并且為實際的研究提供技術(shù)依據(jù)。

2 懸掛輸送機的分析與建模

2.1 懸掛輸送機的主要組成

懸掛輸送機的組成如圖1所示，其中驅(qū)動部分由三相臥式異步電機提供動力輸出，通過減速機和傳動鏈條來驅(qū)動懸掛輸送機的驅(qū)動鏈，驅(qū)動鏈上的卡槽通過與軌道中的輸送鏈條垂直輪的輪軸嚙合，從而使得整套懸掛輸送系統(tǒng)得到動力。

輸送鏈條是由垂直輪和水平輪相互連接而成的，如圖2所示。吊具是掛在垂直輪的軸上，水平輪在懸掛線中提供轉(zhuǎn)向輔助支撐的作用。根據(jù)輸送鏈的型號不同，通常單點的懸掛可承載15至100公斤，根據(jù)懸掛點位的個數(shù)來確定可承載質(zhì)量。

2.2 懸掛輸送機的建模

ADAMS作為一款專業(yè)的仿真分析軟件，有著強大的計算求解功能，但是目前在機械建模方面存在一些不足，因此需要使用主流的三維建模軟件作為輔助，可以提高建模的效率。首先使用SolidWorks進行主體建模，整體結(jié)構(gòu)和傳動裝置的局部放大圖如圖3所示，建立了機架、電機、減速器等懸掛輸送機的主要設(shè)備和部件[1]。

而對于驅(qū)動裝置中使用到的鏈輪、鏈條和帶輪等傳動部件，使用ADAMS中的Machinery模塊要更加便捷，只需把帶輪、鏈輪、皮帶與鏈條的相關(guān)參數(shù)設(shè)定為所需即可。對于輸送鏈條和懸掛吊具這種批量的構(gòu)件，可以使用ADAMS中命令流與參數(shù)化結(jié)合的方法，減少了建模的工作量，同時也可以提高建模的效率和正確性，并且也方便了對模型后期的修改。整體建模后的在ADAMS中的效果圖如圖4所示，這種聯(lián)合建模的方法，極大地縮短了建模的時間。

3 懸掛輸送機與噴涂機器人的仿真研究

3.1 驅(qū)動裝置速度特性選擇

懸掛輸送機運行的平穩(wěn)性是該系統(tǒng)的重要要求，因此驅(qū)動裝置作為動力來源，使用ADAMS仿真找到啟動加速階段最佳的輸出速度曲線是非常必要的[2]。如圖5所示，通過模擬驅(qū)動鏈的幾種啟動加速情況，可以得到實際驅(qū)動鏈的速度波動情況，選擇速度波動小的加速曲線，能夠提高運輸?shù)钠椒€(wěn)性。A、C和E是理想狀況下速度與時間函數(shù)圖像，B、D和F是在上述情況下驅(qū)動鏈模擬的實際速度波動情況，雖然B曲線的波動最小，但是要達到既定運行速度，需要時間較長，而F曲線的速度波動量過大，會導(dǎo)致傳動的不平穩(wěn)，因此選擇C為懸掛輸送系統(tǒng)的理想驅(qū)動速度曲線較為合適。

3.2 ADAMS與Matlab聯(lián)合仿真

目前單純的機械仿真已經(jīng)無法滿足要求，若能根據(jù)上述速度輸出曲線，找到電機的輸出轉(zhuǎn)速，在現(xiàn)場中對電機的驅(qū)動調(diào)試具有指導(dǎo)意義。因此開展機電一體的設(shè)計仿真是非常必要的，通過ADAMS與Matlab的聯(lián)合仿真[3]，能夠有效地把機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)合起來，具體的實現(xiàn)方法如圖6所示。關(guān)鍵點是狀態(tài)變量與模型的關(guān)聯(lián)，以及創(chuàng)建系統(tǒng)變量的輸入輸出，在ADAMS Controls模塊中設(shè)置控制參數(shù)，做好與Matlab軟件對接的準備[4]。

在Maltab中通過adams_sys命令實現(xiàn)兩個軟件的互通，在Simulink窗口中創(chuàng)建實現(xiàn)PID控制的各個模塊關(guān)系，如圖7所示。其中adams_sub中包含了非線性方程及相關(guān)變量，在該模塊的MSC Software中設(shè)置數(shù)據(jù)交換的參數(shù)和計算方式[5]。

最后確定Simulation Parameters中的仿真時間和類型，即可開始聯(lián)合仿真。如圖8所示即為驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系，仿真結(jié)果對于電機參數(shù)設(shè)置及現(xiàn)場調(diào)試具有參考意義。

3.3 噴涂機器人的工作過程仿真

使用ADAMS軟件對噴涂機器人進行仿真，可以確定工業(yè)機器人的工作范圍。并且通過仿真分析，能夠確定噴涂機器人的工作路徑[6]。首先建立機器人與噴涂工件的相對位置關(guān)系，并創(chuàng)建工業(yè)機器人每個軸之間的連接約束和驅(qū)動，使用STEP（ x ， x0 ， h0 ， x1 ， h1 ）函數(shù)來引導(dǎo)機器人的工作路徑，其中x設(shè)置為時間，h定義為位置距離。如圖9所示，即為噴涂時第六軸上噴槍的位置高度隨時間變化曲線。通過該圖像可以掌握機器人在仿真過程中噴槍的實時位置，對于現(xiàn)場中機器人的安裝，噴涂工件的懸掛高度等提供了相關(guān)參考，減少了實際安裝調(diào)試的時間。

4 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，這種機電一體的聯(lián)合設(shè)計、調(diào)試和仿真的方法，極大地提高了設(shè)計效率，提升了模型的可靠性，縮短了開發(fā)周期。并且為后期的實際工程帶來可靠的數(shù)據(jù)支撐，具有較高的參考價值。

參考文獻：

[1] 劉琦， 賀建平， 孫立三， 等. 涂裝生產(chǎn)線前期設(shè)計步驟[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝， 2016， 19（9）： 44-47.

[2] 高照森. SG50型懸掛輸送機運行機構(gòu)設(shè)計與穩(wěn)定性能研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2007.

[3] 吳艷， 岳玉娜， 齊志會. 基于ADAMS和MATLAB的模塊化建模方法與實現(xiàn)[J]. 導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)， 2017（2）： 66-71.

[4] 馬如奇， 郝雙暉， 鄭偉峰， 等. 基于MATLAB與ADAMS的機械臂聯(lián)合仿真研究[J]. 機械設(shè)計與制造， 2010（4）： 93-95.

[5] HUANG Guang-bin， ZHU Qin-yu， SIEW C K. Extreme learning machine： theory and application[J].Neurocomputing， 2006， 70（13）： 489-501.

[6] 胡蘊博. 基于ADAMS和MATLAB的機器人聯(lián)合運動仿真[J]. 機電技術(shù)， 2015（2）： 23-27.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】