楔橫軋上料機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析*

郭 凱,張 靜*,寇子明,郭宏偉,夏 峰,單天松

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030024;3.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150006;5.青島海德馬克智能裝備有限公司,山東 青島 266111)

0 引 言

在超大型軸類零件軋制生產(chǎn)過(guò)程中,楔橫軋機(jī)的上料多由人工完成,存在危險(xiǎn)性高、工作任務(wù)繁重、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題,嚴(yán)重影響了超大型軸類零件的軋制效率[1,2]。

作為一種多學(xué)科融合的高新技術(shù)設(shè)備,重載上料機(jī)器人可有效解決以上問(wèn)題,且隨著科技進(jìn)步和市場(chǎng)發(fā)展需要,其已成為不可或缺的自動(dòng)化重載上料工具[3,4]。因此,研究者們以楔橫軋領(lǐng)域應(yīng)用為背景,面向超大型軸類零件等重型構(gòu)件的自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)需求,立足于機(jī)器人工作空間、抓取靈活性以及穩(wěn)定性的提升,以機(jī)器人本體構(gòu)型設(shè)計(jì)為牽引,開(kāi)展了對(duì)重載上料機(jī)器人的研制工作[5,6]。

舒陽(yáng)[7]設(shè)計(jì)的重載碼垛機(jī)器人與CHU A M等人[8]設(shè)計(jì)的鍛件轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人均采用混聯(lián)式機(jī)構(gòu),具有體積小、重量輕、關(guān)節(jié)數(shù)量少等特點(diǎn);但機(jī)器人所受傾覆力矩大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性較差。李閣強(qiáng)等人[9]基于平行四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的全液壓重載鍛造轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人,與李躍等人[10]采用緩沖裝置與鉸鏈?zhǔn)剿倪B桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)的碼垛重載機(jī)器人,均有轉(zhuǎn)運(yùn)速度快、定位精度高、承載能力大等優(yōu)點(diǎn);然而兩者夾持物料時(shí)存在偏載嚴(yán)重、本體占用空間大、運(yùn)動(dòng)空間較小的問(wèn)題,不適用于工作空間受限的區(qū)域。武廣平[11]研制的四平行四連桿式重載轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人,與魏雅君等人[12]設(shè)計(jì)的結(jié)合響應(yīng)面法和拓?fù)浞ㄟM(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的MP-MD110型重載碼垛機(jī)器人具有輕量化、高剛度、高負(fù)載、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn);但兩者的末端執(zhí)行器均存在動(dòng)作不靈活的缺陷,不便于其位置的調(diào)整。徐振邦等人[13]基于改進(jìn)型蒙特卡洛法,精確求解了九自由度超冗余串聯(lián)機(jī)械臂的工作空間。賈磊等人[14]采用ADAMS對(duì)重載碼垛機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,得到了其設(shè)計(jì)參數(shù)。

針對(duì)以上重載上料機(jī)器人存在的問(wèn)題及優(yōu)勢(shì),為匹配智能化超大型軸類楔橫軋?jiān)O(shè)備,筆者提出一種新型楔橫軋上料機(jī)器人。

首先,筆者基于六連桿機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)機(jī)身升降、大臂擺動(dòng)等動(dòng)作;同時(shí),進(jìn)行夾鉗的夾取和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合大尺寸軸類零件的轉(zhuǎn)運(yùn)需求,依次建立機(jī)器人各組件的三維模型,并通過(guò)D-H法建立機(jī)器人連桿坐標(biāo)系,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,基于MATLAB求解得到其工作空間;利用ADAMS對(duì)機(jī)器人虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,得到其所有驅(qū)動(dòng)部件的受力和力矩變化曲線,以及關(guān)鍵桿件上各鉸接點(diǎn)的受力變化曲線,并分析其各曲線的變化原因。

1 機(jī)器人設(shè)計(jì)原理

1.1 機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上料機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)主要由基于六連桿機(jī)構(gòu)ADEFC的升降機(jī)構(gòu)與基于四連桿機(jī)構(gòu)GHIJ的大臂擺動(dòng)組件串聯(lián)構(gòu)成。

機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1中,夾鉗在升降機(jī)構(gòu)與大臂擺動(dòng)組件的作用下實(shí)現(xiàn)大范圍平動(dòng),同時(shí)繞J點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

在機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)物料時(shí),為了滿足其豎直升降的要求,以及機(jī)身在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中保持穩(wěn)定姿態(tài)的要求,筆者基于六連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了升降機(jī)構(gòu)。

筆者將圖1中D、E兩點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)副合并為連接滑桿、主動(dòng)桿及升降連桿的復(fù)合鉸鏈,可得升降機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖,如圖2所示。

圖2 升降機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖1—導(dǎo)桿;2—滑桿;3—主動(dòng)桿;4—升降連桿;5—擺桿;6—機(jī)架

圖2中,該六連桿機(jī)構(gòu)由兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成:導(dǎo)桿、滑桿、主動(dòng)桿及機(jī)架構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu);導(dǎo)桿與滑桿通過(guò)移動(dòng)副連接組成一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)單元,可使主動(dòng)桿繞機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)桿、升降連桿、擺桿及機(jī)架構(gòu)成一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)。主動(dòng)桿繞機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng),利用平行四邊形對(duì)邊保持平行的性質(zhì),驅(qū)動(dòng)升降連桿始終做與機(jī)架保持平行的升降運(yùn)動(dòng),不僅拓展了機(jī)器人的升降空間,而且達(dá)到了升降平穩(wěn)的目標(biāo)。

1.3 大臂擺動(dòng)組件設(shè)計(jì)原理

在轉(zhuǎn)運(yùn)軸類零件時(shí),為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左右位置變化及二次升降,筆者基于四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了大臂擺動(dòng)組件,其原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 大臂擺動(dòng)組件原理簡(jiǎn)圖1—擺臂底座;2—支撐套;3—支撐桿;4—大臂連桿

圖3中,該四連桿機(jī)構(gòu)由擺臂底座、支撐套、支撐桿及大臂連桿組成。其中,支撐套底部與大臂連桿底部分別鉸接于擺臂底座的不同位置。支撐桿與支撐套間的相對(duì)移動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)單元,驅(qū)動(dòng)大臂連桿繞擺臂底座擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)物料的左右轉(zhuǎn)移。

同時(shí),筆者利用四連桿機(jī)構(gòu)放大驅(qū)動(dòng)單元行程,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人二次升降,進(jìn)一步拓展了機(jī)器人的工作空間。

1.4 夾鉗設(shè)計(jì)原理

為使機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)靈活抓取,筆者設(shè)計(jì)了一種可翻轉(zhuǎn)的自動(dòng)夾鉗。該夾鉗由鉗頭部分和翻鉗部分組成。其中,翻鉗部分是一個(gè)回轉(zhuǎn)裝置,將鉗頭部分固定安裝于翻鉗部分,構(gòu)成一個(gè)可翻轉(zhuǎn)自動(dòng)夾鉗,相較于傳統(tǒng)夾鉗具有很高的靈活性。

該處利用拉緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉗頭部分的抓取動(dòng)作,其工作原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 鉗頭部分工作原理簡(jiǎn)圖1—拉桿;2—拉塊;3—拉板;4—鉗頭體;5—鉗臂

由圖4可知:拉桿一頭連接驅(qū)動(dòng)部件,另一頭與拉塊固定連接,做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。拉塊又分別與上下對(duì)稱的兩拉板鉸接,兩拉板分別與上下對(duì)稱的兩鉗臂鉸接,兩鉗臂另一端又鉸接于鉗頭體上。

當(dāng)拉桿在驅(qū)動(dòng)力的作用下向左運(yùn)動(dòng)時(shí),通過(guò)拉塊及拉板帶動(dòng)上下鉗臂分別繞著固定支點(diǎn)做順(逆)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),完成夾鉗閉合抓取動(dòng)作。反之,則完成夾鉗張開(kāi)放置動(dòng)作。

1.5 機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

根據(jù)平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式[15],筆者求解圖1中機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度:

F=3×(N-1)-2PL

(1)

式中:F—機(jī)構(gòu)自由度;N—機(jī)構(gòu)構(gòu)件總數(shù),N=9;PL—機(jī)構(gòu)低副總數(shù),PL=11。

由式(1)可得機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度為:F=2。

圖1是四自由度機(jī)器人去除末端夾鉗翻轉(zhuǎn)與夾取兩個(gè)自由度后所得,因此,由自由度計(jì)算結(jié)果可知其設(shè)計(jì)滿足機(jī)器人動(dòng)作要求。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

楔橫軋上料機(jī)器人需轉(zhuǎn)運(yùn)的軸類零件直徑約為250 mm,質(zhì)量為800 kg。筆者據(jù)此對(duì)機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 升降組件結(jié)構(gòu)

升降組件是由一組升降機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置于升降部分底座構(gòu)成。并聯(lián)布置的方式可使機(jī)器人負(fù)載分配均勻合理,提高了其升降的穩(wěn)定性,減少了其對(duì)地面的沖擊。

雙油缸的驅(qū)動(dòng)方式使機(jī)器人的承載能力得到了很大提升,其所構(gòu)成的升降組件如圖5所示。

圖5 升降組件三維模型1—連桿支座;2—升降油缸支座;3—升降油缸;4—固定連桿;5—“T”型桿;6—主動(dòng)桿;7—擺桿;8—升降部分底座

圖5中:由于液壓驅(qū)動(dòng)易獲得較大的力和力矩,可實(shí)現(xiàn)快速且無(wú)沖擊的升降[16],因此,此處升降機(jī)構(gòu)中的直線驅(qū)動(dòng)單元由升降油缸代替。機(jī)架則是一個(gè)由連桿支座、升降油缸支座、固定連桿與“T”型桿組成的三桿機(jī)構(gòu)。固定連桿一端與升降油缸支座相連,另一端與“T”型桿相連?！癟”型桿一端與擺桿相連,另一端則是通過(guò)連桿支座的銷軸和主動(dòng)桿連接。主動(dòng)桿是“L”型桿,其可將升降油缸近似水平的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為升降連桿的上下運(yùn)動(dòng)。

2.2 大臂擺動(dòng)組件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3,筆者對(duì)大臂擺動(dòng)組件各構(gòu)件進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同樣將直線驅(qū)動(dòng)單元由擺動(dòng)油缸代替,得到大臂擺動(dòng)組件的三維模型,如圖6所示。

圖6 大臂擺動(dòng)組件三維模型1—升降連桿;2—擺臂底板;3—大臂連桿支座;4—擺動(dòng)油缸支座;5—擺動(dòng)油缸;6—大臂連桿

在圖6中,一組并聯(lián)的升降連桿與擺臂底板、大臂連桿支座,以及擺動(dòng)油缸支座構(gòu)成擺臂底座;升降連桿為筒式結(jié)構(gòu),擺臂底板水平嵌入到升降連桿中,在升降連桿的帶動(dòng)下,擺臂底板始終平行于地面升降,以保證升降過(guò)程的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性;擺動(dòng)油缸以及大臂連桿均與各自支座鉸接,擺動(dòng)油缸布置在大臂連桿的下方,驅(qū)動(dòng)大臂連桿繞其支座擺動(dòng)。

2.3 夾鉗結(jié)構(gòu)

基于圖4的夾鉗設(shè)計(jì)原理,筆者研制了機(jī)器人末端夾鉗結(jié)構(gòu),如圖7所示。

圖7 夾鉗三維模型1—法蘭板;2—方筒;3—夾緊油缸;4—鉗頭體;5—鉗臂;6—翻鉗部分

在圖7中:鉗頭部分的方筒固定在法蘭板的外表面,方筒左側(cè)固定有夾緊油缸,右側(cè)安裝有鉗頭體,拉桿穿過(guò)方筒與夾緊油缸活塞桿連接,隨著活塞桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)夾鉗夾緊張開(kāi);

翻鉗部分的回轉(zhuǎn)功能由內(nèi)置電機(jī)與齒輪減速器實(shí)現(xiàn);鉗頭部分通過(guò)法蘭板與翻鉗部分的回轉(zhuǎn)端面相連,構(gòu)成可翻轉(zhuǎn)的自動(dòng)夾鉗。

2.4 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

筆者將大臂擺動(dòng)組件中的升降連桿與升降組件中的對(duì)應(yīng)桿件連接,同時(shí)將夾鉗對(duì)稱置于大臂連桿頭部?jī)蓚?cè),即可得到楔橫軋上料機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型如圖8所示。

圖8 上料機(jī)器人三維模型

圖8中,升降組件實(shí)現(xiàn)機(jī)身的穩(wěn)定升降,大臂擺動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)軸類零件左、右轉(zhuǎn)移以及二次升降,兩者構(gòu)造了符合任務(wù)要求所需的工作空間大、升降穩(wěn)定、高負(fù)載的混聯(lián)式機(jī)器人主體;搭載可翻轉(zhuǎn)的自動(dòng)夾鉗,保證了機(jī)器人夾取的靈活性,夾鉗采用對(duì)稱布置的方式避免了單側(cè)夾取時(shí)偏載嚴(yán)重的情況,減少了機(jī)器人在非受力方向的變形。

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 D-H坐標(biāo)系構(gòu)建

標(biāo)準(zhǔn)型D-H參數(shù)法[17,18]通過(guò)連桿轉(zhuǎn)角θi、連桿距離di、連桿長(zhǎng)度ai和連桿扭角αi等4個(gè)獨(dú)立參數(shù),確定機(jī)器人各桿件參數(shù)及關(guān)節(jié)變量。

由于D-H法不能直接用于混聯(lián)機(jī)構(gòu),且機(jī)器人機(jī)構(gòu)中存在移動(dòng)副,以及多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu),為方便建立D-H坐標(biāo)系,筆者將圖1機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為只含轉(zhuǎn)動(dòng)副的串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu),并將其運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)化為單連桿繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

筆者以BE為連桿1、EG為連桿2、GJ為連桿3,以B點(diǎn)為初始坐標(biāo)系原點(diǎn),分別在4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)B、E、G、J處建立坐標(biāo)系。

最后得到的標(biāo)注有D-H坐標(biāo)系的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖9所示。

圖9 上料機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

根據(jù)圖9列出相應(yīng)的D-H參數(shù)表,如表1所示。

表1 上料機(jī)器人D-H參數(shù)

表1中,θ1、θ3、θ4是主動(dòng)變量,θ2是相關(guān)變量,且θ1+θ2=71.6°。

3.2 機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為:已知各桿件結(jié)構(gòu)參數(shù)以及關(guān)節(jié)變量,求解末端夾鉗在操作空間中的位置與姿態(tài)。

相鄰坐標(biāo)系間的位姿變換矩陣可表示為:

(2)

式中:i—連桿。

當(dāng)i=0時(shí),表示基坐標(biāo)系。

筆者將D-H參數(shù)表中的參數(shù)分別代入式(2)中,可得到所有相鄰坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)變換矩陣:

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3～6)中:si—sinθi的縮寫;ci—cosθi的縮寫;下同。

將以上矩陣依次相乘,可得到機(jī)器人末端夾鉗相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿變換矩陣:

(7)

式中:sijk—sin(θi+θj+θk)的縮寫;cijk—cos(θi+θj+θk)的縮寫(下同)。

在基坐標(biāo)系下,末端夾鉗的位置矢量與方向矢量所組成的4×4矩陣如下:

(8)

由式(7，8)相等,可得正運(yùn)動(dòng)求解結(jié)果為:

3.3 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

(1)求解關(guān)節(jié)角度θ1。

(9)

式(9)兩邊展開(kāi),并化簡(jiǎn),令兩側(cè)矩陣(1,3)和(2,3)位置的元素相等,可求得:

θ1=arctan2(ay,ax)或θ1=arctan2(-ax,ay)

(10)

(2)求解關(guān)節(jié)角度θ2。

由于設(shè)計(jì)時(shí)已知θ1+θ2=71.6°,所以有:

θ2=71.6°-θ1

(11)

(3)求解關(guān)節(jié)角度θ3。

θ3=arctan2(k2,k1)

(12)

其中:

k1=(pxc12+pys12-a2-a1c2)/a3
k2=(pyc12-pxs12+a1s2)/a3。

(4)求解關(guān)節(jié)角度θ4。

θ4=arctan2(nyc123-nxs123,nxc123+nys123)

(13)

由上述推導(dǎo)可知,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解具有多重性,這是由于表達(dá)式的不唯一性和求解反三角函數(shù)方程式造成的。在選取各關(guān)節(jié)角度時(shí),首先依據(jù)關(guān)節(jié)角度變化區(qū)間確定θ1的值并以此為參考,然后將所得結(jié)果代入到各角度的代數(shù)表達(dá)式,依次求出θ2、θ3和θ4的值,檢查所得角度值是否在設(shè)定的區(qū)間內(nèi),以避免各連桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉且保證運(yùn)動(dòng)連續(xù)性,最后獲得一組最優(yōu)解。

3.4 機(jī)器人工作空間分析

機(jī)器人的工作空間范圍可有效表征其運(yùn)動(dòng)特性,用來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人軌跡規(guī)劃的正確性,對(duì)機(jī)器人輔助優(yōu)化有著重要意義[20,21]。

筆者首先依據(jù)圖9中D-H坐標(biāo)系及表1中D-H參數(shù),在Robotics Toolbox中建立機(jī)器人在初始位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真模型,然后對(duì)其做工作空間分析。

機(jī)器人在初始位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖10所示。

圖10 基于MATLAB機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

基于蒙特卡洛法,利用MATLAB中的Rand函數(shù),筆者同時(shí)從4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)變量的范圍內(nèi)隨機(jī)取值,將得到的4個(gè)隨機(jī)值代入到正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解所得的末端夾鉗位姿表達(dá)式中,即可確定一個(gè)工作點(diǎn)位。

利用for函數(shù)循環(huán)106次,可得到末端夾鉗在操作空間中的106個(gè)工作點(diǎn)位(這些點(diǎn)在操作空間的分布集合表示了末端夾鉗的工作空間),利用plot函數(shù)表示這106個(gè)點(diǎn)組成的工作空間云圖,如圖11所示。

圖11 工作空間三維圖

工作空間云圖在xoy平面上的投影如圖12所示。

圖12 xoy平面投影

圖12中:由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型中的4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,且垂直于xoy平面,所以機(jī)器人僅在xoy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),而在xoz平面的工作空間云圖投影為一條直線,因此,xoy平面內(nèi)投影即為機(jī)器人的工作空間;

工作空間云圖在xoy平面內(nèi)的投影呈帶狀,末端夾鉗水平方向的移動(dòng)范圍是-889 mm～1 172 mm,豎直方向移動(dòng)范圍是1 548 mm～2 551 mm,構(gòu)造出了較大的工作空間,符合上料機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)軸類零件工作的要求。

4 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

4.1 動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí),為防止出現(xiàn)冗余約束的問(wèn)題,筆者將圖8中機(jī)器人三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后再將其導(dǎo)入ADAMS中,并依據(jù)圖1對(duì)所導(dǎo)入模型進(jìn)行標(biāo)注。

所得到的上料機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型如圖13所示。

圖13 上料機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型

在圖13中,機(jī)器人布置在楔橫軋機(jī)與取料臺(tái)之間,呈待夾取狀態(tài)。當(dāng)軸類零件經(jīng)托輥傳送至夾鉗所能觸及的位置時(shí),夾鉗夾取。夾取完成后,升降組件將擺臂底座抬升至高位,擺動(dòng)油缸活塞桿伸長(zhǎng)到中位,使大臂連桿擺動(dòng)一定角度,翻鉗部分翻轉(zhuǎn)使得夾鉗平行于地面,此時(shí)機(jī)器人整體呈擺動(dòng)預(yù)備狀態(tài);

然后,擺動(dòng)油缸活塞桿伸長(zhǎng)到最大長(zhǎng)度,使大臂連桿擺動(dòng)至左極限位,同時(shí),翻鉗部分繼續(xù)翻轉(zhuǎn),使得夾鉗反向平行于地面;

最后,擺臂底座降至低位,完成機(jī)器人上料的動(dòng)作過(guò)程。

機(jī)器人的工作范圍主要由各驅(qū)動(dòng)部件行程所決定,其中翻鉗部分旋轉(zhuǎn)角度范圍是0°～125°。

各驅(qū)動(dòng)油缸行程參數(shù)如表2所示。

表2 各驅(qū)動(dòng)油缸行程參數(shù)/mm

4.2 上料過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真分析

筆者在ADAMS中,定義了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的材料屬性,適當(dāng)添加了約束及運(yùn)動(dòng)副;由軸類零件尺寸參數(shù)及其材料屬性,可得末端夾鉗所受外載荷;利用STEP階躍函數(shù),分別對(duì)各驅(qū)動(dòng)油缸的伸縮行程以及翻鉗部分旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制;仿真時(shí)間設(shè)為10 s,仿真步數(shù)為200。

各驅(qū)動(dòng)部件的階躍函數(shù)如表3所示。

表3 各驅(qū)動(dòng)部件階躍函數(shù)

因?yàn)闄C(jī)器人承載較大,所以筆者只分析其帶載轉(zhuǎn)運(yùn)工況。已知機(jī)器人的上料過(guò)程,以及完成其各項(xiàng)基本參數(shù)的設(shè)置,分析其各驅(qū)動(dòng)部件與關(guān)鍵桿件上各鉸接點(diǎn)的受力和力矩變化情況。

在上料過(guò)程中,各驅(qū)動(dòng)油缸所受壓力變化曲線如圖14所示。

圖14 各驅(qū)動(dòng)油缸受力變化曲線圖

在上料過(guò)程中,翻鉗部分翻轉(zhuǎn)力矩變化曲線如圖15所示。

圖15 翻鉗部分力矩變化曲線圖

由圖14和圖15可得:

在0～2 s時(shí),機(jī)器人呈待夾取狀態(tài),各連桿僅受自重影響,升降油缸和擺動(dòng)油缸的壓力基本保持不變,夾緊油缸壓力與翻鉗部分翻轉(zhuǎn)力矩均為0;

在2 s時(shí),夾鉗完成軸類零件的夾取,同時(shí)升降油缸驅(qū)動(dòng)機(jī)器人上升;此時(shí),由于軸類零件重力及升降油缸啟動(dòng)影響,在各油缸及翻鉗部分上產(chǎn)生了力和力矩的突變;其中,擺動(dòng)油缸的瞬間壓力最大值可達(dá)240 kN左右;

在2 s～4 s內(nèi),各驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)力和力矩平穩(wěn),升降油缸繼續(xù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)步上升;

在4 s時(shí),擺動(dòng)油缸與翻鉗部分開(kāi)始動(dòng)作,分別驅(qū)動(dòng)大臂連桿與夾鉗繞各自旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),各驅(qū)動(dòng)力和力矩在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了微小的波動(dòng);

在4 s～6 s內(nèi),隨著翻鉗部分的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),軸類零件質(zhì)心與翻鉗部分回轉(zhuǎn)中心的水平距離逐漸增加,因此翻轉(zhuǎn)力矩逐漸增加;而大臂連桿繞其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)則使其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心的水平距離愈來(lái)愈小,從而使擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)力逐漸減小;

在6 s時(shí),機(jī)器人呈擺動(dòng)預(yù)備狀態(tài),機(jī)身保持最高位狀態(tài)不變,大臂連桿與夾鉗繼續(xù)繞各自旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);

在7.1 s左右,大臂連桿垂直于地面,夾緊油缸軸線與大臂連桿共線,此時(shí)擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)力與翻鉗部分翻轉(zhuǎn)力矩近似回落到0,轉(zhuǎn)過(guò)此位后會(huì)迅速回升,并在8 s左右分別達(dá)到100 kN、4.7 MN·mm,此時(shí)大臂連桿處于左極限位,夾鉗反向平行于地面;

在8 s～10 s,升降油缸收縮,機(jī)器人降至最低位完成放料。

由圖14曲線可知:擺動(dòng)油缸與夾緊油缸受力均在機(jī)器人夾緊軸料抬升的瞬間發(fā)生明顯振蕩,但迅速恢復(fù)平穩(wěn);升降油缸受力曲線波動(dòng)較小,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)升降組件能夠保證機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)。

大臂連桿上各鉸接點(diǎn)的受力變化曲線,如圖16所示。

圖16 大臂連桿各鉸接點(diǎn)受力變化曲線圖

由圖16可知:各點(diǎn)受力變化趨勢(shì)與擺動(dòng)油缸壓力變化相似,其中,鉸接點(diǎn)H和鉸接點(diǎn)I的受力變化曲線幾乎重合。在0～2 s的空載期內(nèi),各受力曲線平穩(wěn);在6 s～8 s內(nèi),大臂連桿與翻鉗部分同時(shí)完成了繞各自回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn),形成了近似左右對(duì)稱的受力變化曲線。

鉸接點(diǎn)G是大臂連桿的回轉(zhuǎn)中心,其受力峰值可達(dá)180 kN左右,因此,筆者在該處有針對(duì)性地使用了大直徑連接銷,并增加了連接板的厚度,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)大臂連桿結(jié)構(gòu)的合理性。

大臂連桿上擺桿兩端鉸接點(diǎn)受力變化曲線,如圖17所示。

圖17 擺桿各鉸接點(diǎn)受力變化曲線圖

在圖17中,擺桿兩端鉸接點(diǎn)受力變化曲線幾乎重合。

由圖17與圖16相比可知:相較于大臂連桿各鉸接點(diǎn),兩鉸接點(diǎn)的受力更大,因此,筆者在前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)性地增加了擺桿兩端鉸接處圓形鋼板的直徑,提高了擺桿的連接強(qiáng)度。

該結(jié)果驗(yàn)證了擺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決超大型軸類零件楔橫軋制生產(chǎn)中自動(dòng)化程度低的問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了一種新型楔橫軋上料機(jī)器人。

筆者依據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖,完成了機(jī)器人三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì),并由標(biāo)準(zhǔn)型D-H參數(shù)法推導(dǎo)了機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果,建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真模型,求解出了機(jī)器人的工作空間;利用ADAMS對(duì)機(jī)器人帶載轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程做了動(dòng)力學(xué)仿真分析。

研究結(jié)論如下:

(1)機(jī)器人分別利用六連桿機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)身的升降運(yùn)動(dòng)與大臂連桿擺動(dòng),具有工作空間大、穩(wěn)定性高等顯著特點(diǎn);利用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和拉緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可翻轉(zhuǎn)自動(dòng)夾鉗,保證了機(jī)器人抓取的靈活性;

(2)機(jī)器人末端夾鉗的水平移動(dòng)范圍為-889 mm～1 172 mm,縱向移動(dòng)范圍為1 548 mm～2 551 mm,驗(yàn)證了機(jī)器人工作空間大這一運(yùn)動(dòng)特性;

(3)動(dòng)力學(xué)仿真分析得到機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)部件受力和力矩變化曲線圖,及關(guān)鍵桿件上各鉸接點(diǎn)受力變化曲線圖。通過(guò)分析曲線變化規(guī)律與原因,驗(yàn)證了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與工作穩(wěn)定性。研究成果為重載上料機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了模型參考。

在后續(xù)的工作中,筆者將從上料機(jī)器人所處高溫軋制的實(shí)際工作環(huán)境出發(fā),在溫度載荷下,完成對(duì)機(jī)器人各關(guān)鍵部件的應(yīng)力應(yīng)變分析。