工業(yè)機(jī)械手振動(dòng)模擬測(cè)試平臺(tái)的搭建

張佳福，王延超，楊光賀，沙 碩

（1.中車山東風(fēng)電有限公司，山東 濟(jì)南 250104；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

0 引言

機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)[1]，已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，是一種能部分模擬人的手臂動(dòng)作[2]，按預(yù)定的程序軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取搬運(yùn)工件或操做工具的自動(dòng)化裝置[3]。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人[4]，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全[5]，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[6]。

隨著5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用前景更加廣泛[7]。工業(yè)領(lǐng)域和家用機(jī)器人將作為一種高科技自動(dòng)化設(shè)備，采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人工智能和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，是人的智能、信息化、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)綜合體現(xiàn)，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[8-11]。

而為了能夠更好的研究設(shè)計(jì)機(jī)械手系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制可靠性，搭建模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境，檢測(cè)機(jī)械手的控制信號(hào)則是必要的途徑?；谶m應(yīng)場(chǎng)地，保障被測(cè)機(jī)械手的安全以及模擬不同振動(dòng)頻率的角度考慮，如何設(shè)計(jì)搭建重工業(yè)機(jī)械手模擬測(cè)試平臺(tái)就顯得尤為重要。

1 測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)構(gòu)思

為了模擬設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境，需設(shè)計(jì)出一種可模擬各種振動(dòng)環(huán)境的測(cè)試平臺(tái)[12]。所模擬的測(cè)試內(nèi)容主要是在不同的振動(dòng)頻率環(huán)境下，測(cè)試機(jī)械手的抓握能力以及機(jī)械手系統(tǒng)通過控制機(jī)械手搬動(dòng)設(shè)備的能力。那么我們?yōu)楸ＷC測(cè)試過程的安全性[13-14]，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)有條件，設(shè)想了一套安全可靠的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，見圖1。

圖1 測(cè)試平臺(tái)原型

本模擬測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)具備可移動(dòng)能力，在不干擾實(shí)驗(yàn)辦公的前提下，可以隨時(shí)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。當(dāng)不需要測(cè)試時(shí)，可將平臺(tái)移動(dòng)到適當(dāng)位置。那么機(jī)械手可以在平臺(tái)下A、B承臺(tái)間來回搬動(dòng)振動(dòng)器。振動(dòng)器則可以懸掛在移動(dòng)平臺(tái)下，保證振動(dòng)器在任何情況下不會(huì)掉落。振動(dòng)器通過相關(guān)的控制旋鈕可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，同時(shí)在振動(dòng)器整體設(shè)計(jì)上方便機(jī)械手操作模擬使用，并在合適位置設(shè)置急停按鈕，避免設(shè)備影響到機(jī)械手裝置的安全性。

2 振動(dòng)模擬測(cè)試平臺(tái)的搭建

本測(cè)試平臺(tái)主要包括振動(dòng)模擬器、移動(dòng)平臺(tái)、承臺(tái)以及相關(guān)的電源線纜等。

2.1 振動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)

本方案是建立在機(jī)械手來操作振動(dòng)模擬器。振動(dòng)模擬器外部殼體采用了鋁制結(jié)構(gòu)殼體，這樣既保證了設(shè)備強(qiáng)度也減輕了設(shè)備的總體重量，見圖2。

圖2 振動(dòng)模擬器模型

在機(jī)械手正常手抓握常用把手41，通過開關(guān)按鈕5控制振動(dòng)模擬器的啟停。通過吊鉤2與移動(dòng)平臺(tái)柔性連接，可以保證振動(dòng)模擬器的振動(dòng)狀態(tài)不被干擾，同時(shí)可以防止振動(dòng)模擬器意外墜落。如此在模擬測(cè)試時(shí)保證了機(jī)械手裝置的安全。另外振動(dòng)模擬器操作面板布置考慮到人機(jī)工程學(xué)，使得在遇到緊急情況時(shí)，可以盡快的通過急停按鈕6停止設(shè)備運(yùn)行。振動(dòng)模擬器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 振動(dòng)模擬器參數(shù)

為了準(zhǔn)確的測(cè)試機(jī)械手在不同振動(dòng)頻率下的機(jī)械手的控制信號(hào)的輸出狀態(tài)，在振動(dòng)模擬器的操作面板上設(shè)置頻率調(diào)節(jié)旋鈕3，以調(diào)節(jié)振動(dòng)模擬器的振動(dòng)頻率。在組裝完成振動(dòng)模擬器后，考慮到設(shè)備內(nèi)部振動(dòng)電機(jī)傳遞到整個(gè)設(shè)備的振動(dòng)頻率有所變動(dòng)，通過分體式測(cè)振儀對(duì)其進(jìn)行了二次標(biāo)定，確定了振動(dòng)模擬器的振動(dòng)頻率等相關(guān)參數(shù)。由于測(cè)振儀的測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)只包含速度v、加速度a、位移s，振動(dòng)模擬器的振動(dòng)頻率可通過公式（1）計(jì)算得出。

測(cè)振儀在檢測(cè)設(shè)備振動(dòng)頻率時(shí)，通過探測(cè)針頭施加500～1000g的恒定力壓觸在振動(dòng)模擬器外壁上，可分別得出各個(gè)分項(xiàng)數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 頻率測(cè)試方法

通過分體式測(cè)振儀測(cè)得振動(dòng)模擬器的振動(dòng)范圍在0～3000Hz之間，可以通過控制面板上的頻率調(diào)節(jié)旋鈕在0-10檔之間進(jìn)行切換，來滿足將來對(duì)機(jī)械手在不同頻率下的測(cè)試，獲取機(jī)械手在不同頻率下的機(jī)械手的控制信號(hào)的變化情況。最終為進(jìn)一步研究能適應(yīng)振動(dòng)環(huán)境的新型機(jī)械手積累大量研究資料。

2.2 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)械手在不同工作環(huán)境下的適應(yīng)能力，在振動(dòng)環(huán)境下對(duì)機(jī)械手的測(cè)試過程中為保證機(jī)械手系統(tǒng)的安全和使用方便，需要設(shè)計(jì)一款安全測(cè)試的移動(dòng)平臺(tái)。同時(shí)在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試平臺(tái)要求具有可移動(dòng)能力。

具體模擬工況是機(jī)械手系統(tǒng)通過機(jī)械手抓取振動(dòng)模擬器，將其在承臺(tái)A和承臺(tái)B之間進(jìn)行往復(fù)操作。綜合考慮實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)際耐受能力等各方面因素，初步設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）約為2.5m×0.5m×2.1m，見圖4，機(jī)械手控制系統(tǒng)在移動(dòng)平臺(tái)之間的可操作空間約為2m。

圖4 移動(dòng)平臺(tái)外形尺寸圖

在移動(dòng)平臺(tái)的底部每個(gè)支腿上安裝4個(gè)腳輪，可以通過腳輪移動(dòng)到所需測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試，待設(shè)備到位后通過腳輪鎖止機(jī)構(gòu)將平臺(tái)固定，見圖5。

圖5 平臺(tái)腳輪支腿

移動(dòng)平臺(tái)中部通過2根40mm×40mm×2000mm的鋁型材橫梁將其連接形成一個(gè)整體，保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。平臺(tái)上部通過C型鋁型材固定連接構(gòu)成平臺(tái)的吊裝橫梁。在C型鋁橫梁內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)向滑輪，使其能夠在C型鋁橫梁內(nèi)部往復(fù)滑動(dòng)，見圖6。

圖6 C型鋁橫梁和導(dǎo)向滑輪

在導(dǎo)向滑輪上安裝吊裝吊環(huán)，通過尼龍繩索連接吊環(huán)和振動(dòng)模擬器，如此機(jī)械手控制系統(tǒng)通過機(jī)械手操作振動(dòng)模擬器在承臺(tái)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以保證振動(dòng)模擬器意外掉落時(shí)而不會(huì)損壞機(jī)械手的控制系統(tǒng)。

而當(dāng)振動(dòng)模擬器掉落時(shí)，是通過移動(dòng)平臺(tái)上部C型鋁橫梁內(nèi)的吊環(huán)保護(hù)的。由此振動(dòng)模擬器向下掉落產(chǎn)生的力全部傳遞到橫梁上。為保證移動(dòng)平臺(tái)不因此產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象，設(shè)計(jì)上部C型鋁橫梁由立柱外探長(zhǎng)度L1小于移動(dòng)平臺(tái)支腿外探長(zhǎng)度L2。這樣保證了移動(dòng)平臺(tái)的重心始終位于腳輪之間，見圖7。

圖7 防傾覆設(shè)計(jì)

2.3 振動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

本振動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成包括移動(dòng)平臺(tái)、振動(dòng)模擬器、2個(gè)承臺(tái)以及相關(guān)的附屬電器零部件組成。振動(dòng)模擬器通過安全繩索連接在移動(dòng)平臺(tái)上部C型鋁橫梁中部的吊環(huán)上，從而保證其在承臺(tái)A、B之間往復(fù)自由移動(dòng)而不跌落，最終可使機(jī)械手安全操作振動(dòng)模擬器，見圖8。

圖8 模擬測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

3 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于移動(dòng)平臺(tái)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的安全保證，要求其具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[15]。當(dāng)機(jī)械手在測(cè)試過程中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，不致發(fā)生危險(xiǎn)，則要求移動(dòng)平臺(tái)在最不利工況下，平臺(tái)橫梁不會(huì)斷裂失效。因此，在移動(dòng)平臺(tái)初步設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。而有限元法作為一種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計(jì)算方法，目前在各行各業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了越來越重要的作用。本文通過SolidWorks軟件有限元模塊對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行受力分析[16]。

3.1 移動(dòng)平臺(tái)受力工況分析

根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，其極端工況主要是當(dāng)振動(dòng)模擬器移動(dòng)到移動(dòng)平臺(tái)中部時(shí)跌落，此時(shí)移動(dòng)平臺(tái)受到的負(fù)載最大。

振動(dòng)模擬器設(shè)計(jì)完成后，其總的重量M為4.3kg，其重力為G：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和人體人機(jī)工程學(xué)分析，假定殘疾人在操作振動(dòng)模擬器時(shí)，振動(dòng)模擬器不慎掉落，其最大跌落高度h為0.5m。根據(jù)公式（3）和（4）可知振動(dòng)模擬器在跌落最低點(diǎn)時(shí)的速度v為3.16m/s。

假設(shè)繩索的抵消沖擊力的時(shí)間為0.1s，根據(jù)公式（5），沖擊力F約為135N。

通過以上計(jì)算可知，移動(dòng)平臺(tái)受到向下的最大力F約為135N。

3.2 鋁型材材料選擇

移動(dòng)平臺(tái)的整個(gè)框架結(jié)構(gòu)采用的是鋁型材，選用牌號(hào)為鋁6063-T5，其性能參數(shù)見表2。如此便于輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)減少了大量的機(jī)加工作業(yè)環(huán)節(jié)，大大節(jié)約了成本和研發(fā)周期。

表2 鋁型材材料的性能參數(shù)

3.3 網(wǎng)格劃分、施加載荷和約束

網(wǎng)格劃分是有限元分析前處理中的重要工作，Solid-Works Simulation先進(jìn)的網(wǎng)格處理功能可對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格處理[17]。

通過SolidWorks軟件對(duì)移動(dòng)平臺(tái)建模后，將建立模型的材料設(shè)置為鋁6063-T5，根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)使用的工作環(huán)境，其最不利工況為在振動(dòng)模擬器移動(dòng)至平臺(tái)中部時(shí)發(fā)生跌落。由上節(jié)計(jì)算可知最大沖力約為135N。

為了便于網(wǎng)格劃分，必須對(duì)移動(dòng)平臺(tái)做必要的簡(jiǎn)化處理。因此忽略不重要區(qū)域的小孔、圓角及小尺寸結(jié)構(gòu)；對(duì)主要部件受力影響不大的部分可以省略；模型簡(jiǎn)化中認(rèn)為螺栓鏈接等同于母材強(qiáng)度，按整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化建模。移動(dòng)平臺(tái)網(wǎng)格劃分及載荷和約束示意如圖9。

圖9 模型網(wǎng)格劃分、載荷及約束

3.4 模型加載及靜力學(xué)分析

經(jīng)過網(wǎng)格劃分及載荷和約束設(shè)置后，對(duì)移動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行加載運(yùn)行分析。分別得出了移動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)化模型的各項(xiàng)受力分析結(jié)果，見圖10～12。

如圖10所示，當(dāng)機(jī)械手操作振動(dòng)模擬器出現(xiàn)極端情況時(shí)，即設(shè)備跌落，向移動(dòng)平臺(tái)施加最大力所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為36.31MPa。其遠(yuǎn)低于移動(dòng)平臺(tái)的屈服力145MPa。且通過SolidWorks有限元分析可知，該最大應(yīng)力點(diǎn)為C型鋁橫梁的兩端連接處。

圖10 模型靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果

如圖11所示，可以看出此時(shí)移動(dòng)平臺(tái)最大變形位移點(diǎn)位于移動(dòng)平臺(tái)的上部C型鋁橫梁中部位置，最大變形量為13.64mm。

圖11 模型靜態(tài)位移分析結(jié)果

如圖12所示，移動(dòng)平臺(tái)最大應(yīng)變?yōu)?，通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及其相關(guān)文檔可知，移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的要求。從而為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安全測(cè)試提供了可靠的理論保障。

圖12 模型靜態(tài)應(yīng)變分析結(jié)果

3.5 移動(dòng)平臺(tái)制造及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過SolidWorks有限元分析模塊對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行有效分析，理論通過了移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)，加工生產(chǎn)移動(dòng)平臺(tái)、振動(dòng)模擬器，最終成功搭建振動(dòng)環(huán)境下的模擬測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，見圖13。

圖13 模擬測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)

在最不利工況下進(jìn)行了自由跌落實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，滿足機(jī)械手進(jìn)行各種振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文搭建了一款能夠模擬振動(dòng)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，主要包括振動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)和移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)平臺(tái)能夠提供不同振動(dòng)頻率的振動(dòng)環(huán)境，同時(shí)能夠?yàn)闇y(cè)試提供安全保障。對(duì)所設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了有限元分析，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性、安全性。

在該系統(tǒng)平臺(tái)搭建完成后，將通過機(jī)械手操作不同振動(dòng)頻率下的振動(dòng)模擬器，檢測(cè)機(jī)械手的控制信號(hào)的變化及機(jī)械手穩(wěn)定性，為下一步設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)積累大量的原始數(shù)據(jù)資料。