某箱式發(fā)射裝置機器人裝填技術(shù)研究

陳國虎，劉志仙，李 能

（國營第四四五廠，浙江 杭州 310024）

0 引言

自推動武器具有無后座力、使用靈活、火力迅猛、性價比較高的優(yōu)點，廣泛用于反潛、反雷[1]、反蛙人、攻擊灘涂陣地、防空干擾等作戰(zhàn)任務。我國現(xiàn)役艦載火箭發(fā)射裝置大量采用箱式設(shè)計，對實現(xiàn)發(fā)射裝置的隱身性、提高發(fā)射裝置排布密度具有較大的優(yōu)勢。由于受到結(jié)構(gòu)布局、技術(shù)手段的限制，部分箱式發(fā)射裝置采用人工裝填的方式，由揚彈系將武器從彈倉輸送至甲板，再由人工裝入發(fā)射管中。完成一輪發(fā)射后無法快速進行下一輪的發(fā)射工作，嚴重影響了武器效能的發(fā)揮，安全性也無法保障?；谏鲜鲈?，急需研制一套針對箱式發(fā)射裝置的自動裝填系統(tǒng)，采用主從隨動遙操作控制，由裝填機器人將武器裝入發(fā)射裝置中，實現(xiàn)自動裝填，取代人工裝填徹底消除人員在艦面操作的安全隱患，提高裝填效率。

1 研究方案

通過對中大口徑的火炮彈藥進行自動裝填研究[2]，針對箱式火箭發(fā)射裝置，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，更適用于采用機器人機械臂的結(jié)構(gòu)形式。

發(fā)射裝置裝填機器人工作原理是采用主從隨動遙操作方式，操作者在甲板下遠程遙操作甲板上的裝填機械手進行彈體自動裝填。

完成1次裝填調(diào)試后，主從隨動遙操作控制器記憶裝填機械臂運動參數(shù)，對后續(xù)裝填過程實現(xiàn)全自動裝填。裝填機器人裝填過程如圖1所示。

圖1 裝填機器人工作過程示意圖Fig.1 Working process diagram of loading robot

非裝填時，裝填機器人折疊縮放至甲板以下，不對發(fā)射裝置運動過程產(chǎn)生影響。裝填機器人內(nèi)部裝有觸覺開關(guān)以檢測其抓彈信號，這是機器人工作安全的保證。

裝填機器人上配有視覺攝像頭[3]，監(jiān)控機器人工作狀態(tài)，一旦工作出現(xiàn)異常可人工干預。

發(fā)射裝置裝填機器人系統(tǒng)主要的特點有：1）采用主從隨動示教方式控制，操作簡便易掌握；2）彈體在豎直面內(nèi)可自由轉(zhuǎn)動以便調(diào)整其姿態(tài)；3）采用安全皮膚技術(shù)，如果因操作不當導致機械手碰及物體時將自動停止，保證機器人工作的安全；4）抓彈手指采用電機驅(qū)動，并采用安全壓力控制，避免抓彈時壓力過大而損壞彈體[4]。

出于對裝填機器人的剛度和強度的考慮，改進其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其裝填示意圖如圖3所示：裝填機械手首先進入姿態(tài)（a），裝填導軌與揚彈通道對齊，提彈機構(gòu)處于最后端位置，將載荷夾緊；在姿態(tài)（b）時，由提彈機構(gòu)將載荷往上提?。谎b填機械手通過姿態(tài)（c）和（d）調(diào)整，將裝填軌道與裝置的發(fā)射管對齊；最后在姿態(tài)（e），將載荷推入發(fā)射管內(nèi)部，實現(xiàn)裝填功能。

圖3 機械臂裝填過程Fig.3 Loading process of manipulator

2 仿真分析

為確定裝填機械臂的結(jié)構(gòu)合理性，采用ANSYS和ADMAS軟件進行仿真研究[5-6]。ANSYS Workbench[7]軟件是美國 ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Creo、UG、CATIA、Solidworks、AutoCAD等。該軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件。ANSYS Workbench主要包括 3個部分：前處理模塊、分析計算模塊、后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

ADAMS/View提供了一個直接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機分析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其他應用程序的接口等。ADAMS/View采用了Windows風格的操作界面和各種操作習慣，使得程序操作界面非常友好。

ADAMS/Solver是求解機械系統(tǒng)運動和動力學問題的程序。完成樣機分析的準備工作以后，ADAMS/View程序可以自動地調(diào)用 ADAMS/Solver模塊，求解樣機模型的靜力學、運動學或動力學問題，完成仿真分析以后再自動地返回ADAMS/View操作界面。

ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊 ADAMS/PostProcessor來完成。ADAMS/PostProcessor模塊具有相當強的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線以外，ADAMS/PostProcessor還可以對仿真分析曲線進行一些數(shù)學和統(tǒng)計計算，可以輸入實驗數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結(jié)果進行比較，可以進行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。

機械臂的仿真分析為靜力結(jié)構(gòu)分析和運動學分析，分別在ANSYS Workbench和ADMAS軟件下完成[8]。

仿真研究在載重為130 kg時，分析機械臂的應力和變形情況。在各個關(guān)節(jié)的輸入移動速度已知的情況下，求解得到機械臂導軌端的速度。機械臂簡化模型導入到ANSYS Workbench中。仿真設(shè)定機械臂主要零部件的材料性能如表1所示。

表1 機械臂主要零部件材料性能表Table 1 Material performance of main parts of manipulator

通過仿真，解得到機械臂的應變和變形圖如圖4-5所示，機械臂的最大應變?yōu)?.25e-6 mm，位于上臂與下臂的連接處；機械臂的最大變形為0.023 mm，位于導軌前后端面。該應變和變形處于合理范圍內(nèi)，滿足要求。

圖4 ANSYS仿真應變圖Fig.4 ANSYS simulated strain diagram

圖5 ANSYS仿真變形圖Fig.5 ANSYS simulated deformation diagram

對機械臂采用ADMAS仿真分析，設(shè)定推桿1的速度為0.02 m/s，方向沿著推桿縮回；設(shè)定推桿2速度為0.03 m/s，方向沿著推桿縮回；設(shè)定推桿3的速度為0.04 m/s，方向沿著推桿縮回。求解得到導軌左端零件質(zhì)心X、Y、Z方向的位移曲線和運動速度曲線如圖6-7所示。

圖6 機械臂左端零件質(zhì)心的位移Fig.6 Displacement of mass center of left end part of manipulator

圖7 機械臂左端零件質(zhì)心的運動速度Fig.7 Velocity of mass center of left end part of manipulator

通過 ADMAS求解可以得到機械臂零件的任意位置的位移和運動速度，確定機械臂各部位質(zhì)心運動情況。通過仿真確定了機械臂左端零件質(zhì)心的位移和速度滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)箱式發(fā)射裝置采用箱式結(jié)構(gòu)時裝填方式原始、效率底下、安全無法保障的缺點，提出了一種機械臂裝填方案，采用 ANSYS、ADMAS進行仿真分析研究，確定了該機械臂裝填方案的可行性。機器人自動裝填技術(shù)的研究對于提升箱式發(fā)射裝置的作戰(zhàn)效能、拓展箱式發(fā)射裝置應用范圍具有較大的意義[9]。