磨拋機(jī)器人末端柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

劉 璐，郭彥青，林炳乾，馬 靜

（中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

粉煤光片磨拋質(zhì)量的好壞直接決定了煤巖學(xué)觀察研究的結(jié)果，不合格的粉煤光片在極端情況下會(huì)造成錯(cuò)誤分析結(jié)果，不利于對(duì)煤炭的開(kāi)發(fā)和綜合利用，甚至可能造成巨大的資源和資金浪費(fèi)。粉煤光片通常為圓柱形，用較小的煤顆粒與黏結(jié)劑混合而成，通常采用半自動(dòng)設(shè)備結(jié)合人工進(jìn)行磨拋，效率低，質(zhì)量差。為此，研制一款仿生柔性磨拋設(shè)備就顯得尤為重要[1～2]。

文獻(xiàn)[3]利用附加彈簧雙滑塊四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可以恒力夾持的柔順機(jī)構(gòu)；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了彈簧并聯(lián)柔順結(jié)構(gòu)并對(duì)彈簧參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算說(shuō)明；文獻(xiàn)[5]以柔性砂帶為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了有一定靈活性的曲面工件磨削系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]用低摩擦氣缸作為柔順元件設(shè)計(jì)了可檢測(cè)設(shè)備位移的傳感器；文獻(xiàn)[7]針對(duì)研磨問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)平臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)，具有較好的抗干擾能力；文獻(xiàn)[8]開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人末端打磨執(zhí)行器，解決了軌道交通車輛車體人工打磨方式存在諸多弊端；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行表面加工的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，研究了其工作空間分布特點(diǎn)，并利用ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。目前對(duì)粉煤光片磨拋設(shè)備的研究相對(duì)較少，且存在問(wèn)題較多，因此對(duì)粉煤光片高效高質(zhì)磨拋的研究必然會(huì)對(duì)未來(lái)煤炭的開(kāi)發(fā)和利用產(chǎn)生積極的作用，同時(shí)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性末端執(zhí)行器在磨拋領(lǐng)域具有一定的潛力，可為其他相關(guān)方面的研究提供參考。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉煤光片磨拋時(shí)，磨拋盤由于人為安裝和加工誤差常常存在一定傾角，使粉煤光片端面不能垂直磨拋盤，磨拋出的端面不符合檢測(cè)要求，廢品率較高，且在磨拋過(guò)程中部分粉煤光片需要進(jìn)行倒邊操作。基于此，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》中的工藝要求，對(duì)林炳乾，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在動(dòng)平臺(tái)上安裝三爪式氣缸，完成自動(dòng)抓取粉煤光片動(dòng)作，如圖1所示。

圖1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of End Effector

3 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真分析

對(duì)于并聯(lián)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，活動(dòng)平臺(tái)不可能通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)到達(dá)空間360°的某一位置，因此對(duì)并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行粉煤光片磨拋動(dòng)作仿真時(shí)，加入一個(gè)6自由度串聯(lián)機(jī)械手，用以輔助完成粉煤光片磨拋的圓周動(dòng)作。

3.1 磨拋盤傾斜狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)仿真

在ADAMS軟件中將結(jié)構(gòu)模型和六自由度機(jī)械手模型按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行裝配，得到粉煤光片磨拋機(jī)器人整體裝配圖，如圖2所示。

圖2 ADAMS中裝配仿真圖Fig.2 Assembly Simulation Diagram in ADAMS

對(duì)末端執(zhí)行器與機(jī)械手相連的法蘭中心設(shè)置運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為30°/s；在3個(gè)活塞桿質(zhì)心處設(shè)置大小為10N的沿桿作用力，使活塞桿驅(qū)動(dòng)活動(dòng)平臺(tái)完成對(duì)傾斜磨拋盤的主動(dòng)跟隨；對(duì)動(dòng)平臺(tái)上的粉煤光片端面中心點(diǎn)設(shè)置驅(qū)動(dòng)，使該點(diǎn)在磨拋盤表面做角速度為30°/s的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為方便觀察設(shè)置24s，2000step的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，即仿真兩個(gè)磨拋周期的運(yùn)動(dòng)。

選取串聯(lián)機(jī)械手底座中心處的水平面為大地平面，以此面為基準(zhǔn)，向上運(yùn)動(dòng)為正向運(yùn)動(dòng)。氣缸活塞桿末端連接中心為測(cè)量點(diǎn)，此點(diǎn)在空間中的運(yùn)動(dòng)即可反應(yīng)活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況，也就反應(yīng)了活動(dòng)臺(tái)的位姿變化情況。氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況，如圖3～圖5所示。由圖3所示曲線可知，在0時(shí)刻，通過(guò)3個(gè)氣缸的活塞桿位移曲線可以看出，活塞桿1和2的位移較大，且在同一位置，活塞桿3的位移較小，這與圖2所示的初始位姿相吻合。在6s時(shí)，運(yùn)動(dòng)到半個(gè)周期，由于磨拋盤的傾斜狀態(tài)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，粉煤光片運(yùn)動(dòng)到磨拋盤的最低位置，活動(dòng)平臺(tái)也恰好繞中心轉(zhuǎn)過(guò)180°，活塞桿3的位移由最小變化到最大；從（6～12）s時(shí)，粉煤光片從磨拋盤的最低位置向最高位置運(yùn)動(dòng)，活塞桿3的位移逐漸減小，在12s時(shí)運(yùn)動(dòng)到初始位置，完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。同理，活塞桿1和2的位移變化也符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在圖5所示的加速度曲線中，在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的瞬時(shí)，加速度發(fā)生微小突變，但圖4中的速度曲線沒(méi)有突變，因此會(huì)產(chǎn)生較小的柔性沖擊，柔性沖擊運(yùn)動(dòng)適用于中低速場(chǎng)合，符合對(duì)粉煤光片研磨的低速作業(yè)場(chǎng)景，能夠保證在傾斜磨拋盤上穩(wěn)定可靠的研磨運(yùn)動(dòng)。

圖3 活塞桿位移變化圖Fig.3 Piston Rod Displacement Changes

圖4 活塞桿速度變化圖Fig.4 Piston Rod Speed Changes

圖5 活塞桿加速度變化圖Fig.5 Piston Rod Acceleration Changes

3.2 仿腕部倒邊磨拋運(yùn)動(dòng)仿真

在該工況下，磨拋盤水平安裝，動(dòng)平臺(tái)水平面與磨拋盤水平面初始位置夾角為30°，其余參數(shù)同上一小節(jié)。在ADAMS軟件中裝配初始狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 ADAMS中仿手腕動(dòng)作裝配圖Fig.6 Assembly Diagram of the Imitation Wrist Movement in ADAMS

對(duì)末端執(zhí)行器與機(jī)械手相連的法蘭中心設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為30°/s，定平臺(tái)的中心點(diǎn)繞磨拋盤軸線角速度為30°/s，在粉煤光片被磨拋面中心點(diǎn)添加點(diǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)：

TraZdisp（time）=0×time，

RotXdisp（time）=30d×sin（time），

RotYdisp（time）=30d×sin（time）。

設(shè)置24s，2000step的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，即仿真兩個(gè)周期的仿腕部磨拋動(dòng)作。磨拋盤安裝臺(tái)平面為大地平面，以此面為基準(zhǔn)，向下運(yùn)動(dòng)為正向運(yùn)動(dòng)。氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況，如圖7～圖9所示。

圖7 活塞桿位移變化圖Fig.7 Piston Rod Displacement Changes

圖9 活塞桿加速度變化圖Fig.9 Piston Rod Acceleration Changes

根據(jù)設(shè)置的相關(guān)參數(shù)可知，粉煤光片將隨活動(dòng)平臺(tái)在磨拋盤表面做2圈周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和2圈自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由圖7所示，氣缸活塞桿行程的位移規(guī)律在2個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，均為正弦運(yùn)動(dòng)曲線，位移變化平穩(wěn)，在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始階段，通過(guò)3個(gè)氣缸的活塞桿位移可以看出，活塞桿1處在最大位移處，活塞桿2和3均處在最小位移處，符合圖6所設(shè)置的初始狀態(tài)。在圖9的加速度曲線中，在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的瞬時(shí)，同樣發(fā)生了微小突變，由圖8的速度曲線分析可知，3個(gè)活塞桿速度變化趨勢(shì)平穩(wěn)，所產(chǎn)生的柔性沖擊并不影響整體運(yùn)動(dòng)，能夠滿足柔性腕部動(dòng)作需求。

綜上，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠很好地解決目前剛性磨拋存在的問(wèn)題，具有較好的柔性和適應(yīng)性，運(yùn)行流暢穩(wěn)定。

4 磨拋實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

搭建磨拋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)粉煤光片進(jìn)行磨拋實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。結(jié)合國(guó)標(biāo)中對(duì)粉煤光片磨拋動(dòng)作的要求及上一節(jié)的動(dòng)作仿真可知，需對(duì)不同工況下的磨拋?lái)?xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并設(shè)定具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

圖10 磨拋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Grinding and Polishing Experiment Platform

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)Tab.1 Experimental Items and Parameters

根據(jù)表中相關(guān)參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，按照表中所列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依次進(jìn)行粉煤光片磨拋實(shí)驗(yàn)，粉煤光片為直徑30mm高15mm的圓柱形，對(duì)2種工況下的粉煤光片磨拋結(jié)果對(duì)比，如圖11所示。

圖11 磨拋實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖Fig.11 Comparison Chart Before and After the Grinding and Polishing Experiment

由圖11所示的磨拋結(jié)果可以看出，不同工況下的粉煤光片磨拋效果均較好，沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的瑕疵，磨拋質(zhì)量較高。將上述各實(shí)驗(yàn)中磨拋后的粉煤光片使用電子顯微鏡放大（20～50）倍進(jìn)行煤相的煤巖學(xué)觀察分析，如圖12所示。

圖12 粉煤光片顯微檢測(cè)放大圖Fig.12 Enlarged Photomicrograph of Pulverized Coal Light Sheet

通過(guò)對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目粉煤光片顯微圖像的檢測(cè)分析可以看出，在以上不同工況下，經(jīng)過(guò)柔性并聯(lián)末端執(zhí)行器磨拋后的粉煤光片表面平整，無(wú)明顯突起、凹痕，煤顆粒表面顯微組分界線清晰、無(wú)明顯劃道且表面清潔，無(wú)污點(diǎn)，具有較高的磨拋質(zhì)量，完全滿足粉煤光片檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于粉煤光片的磨拋，在采用傳統(tǒng)的手工研磨和拋光時(shí)，每個(gè)光片的磨拋時(shí)間需要（30～40）min，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅極不方便，且難以保證粉煤光片的磨拋質(zhì)量[11]。利用所設(shè)計(jì)的柔性末端執(zhí)行器對(duì)粉煤光片進(jìn)行磨拋加工，根據(jù)表1所列磨拋參數(shù)可知，每個(gè)磨拋工序的環(huán)節(jié)只需用時(shí)3.3min左右，整個(gè)磨拋流程需用時(shí)13.2min，在保證對(duì)粉煤光片磨拋質(zhì)量的前提下，磨拋速度較手工磨拋平均提高了2.65倍。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)粉煤光片磨拋過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了一種柔性并聯(lián)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。

（2）在ADAMS中對(duì)兩種常見(jiàn)工況進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，仿真結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)不同工況均具有良好的柔性和適應(yīng)性。

（3）搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)三種常見(jiàn)工況進(jìn)行磨拋實(shí)驗(yàn)。磨拋后的粉煤光片經(jīng)檢測(cè)后均為合格品，磨拋質(zhì)量和效率較人工操作顯著提高，磨拋速度較手工磨拋的速度平均提高了2.65倍，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析的可行性，具有實(shí)際使用價(jià)值，也為其他自動(dòng)磨拋設(shè)備的研制提供參考。