機(jī)械臂與其動(dòng)力學(xué)特性

郝國凱 劉鵬飛 鄭鵬飛

摘要：機(jī)械臂屬于工業(yè)生產(chǎn)線上面進(jìn)行傳送物料的一個(gè)裝置，機(jī)械臂作為一種機(jī)械系統(tǒng)，把機(jī)械、液壓傳動(dòng)和自動(dòng)控制集中為一體，機(jī)械臂這種受控的機(jī)械系統(tǒng)有其動(dòng)力學(xué)的計(jì)算基本原理，ADAMS是一種機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，使用這種軟件建立一個(gè)機(jī)械臂機(jī)械和液壓裝置相互耦合、機(jī)械和控制之間相互耦合這樣的動(dòng)力學(xué)模型，獲取機(jī)械臂進(jìn)行工作時(shí)的各個(gè)參數(shù)隨著時(shí)間的變化而變化的規(guī)律，來計(jì)算和分析液壓與控制子系統(tǒng)之間的動(dòng)力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；動(dòng)力學(xué)；設(shè)計(jì)；液壓；模型；ADAMS；

引言

隨著機(jī)械科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代的機(jī)械系統(tǒng)越來越向機(jī)電液一體化的方向發(fā)展，一個(gè)優(yōu)秀的機(jī)電液一體化的機(jī)械系統(tǒng)，本身一定具備完善的機(jī)械性能，還能將控制系統(tǒng)和其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來工作，加強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的耦合作用，能夠使系統(tǒng)特性產(chǎn)生眾多出人意料的變化，還可能會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。雖然人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到耦合問題存在，但是因?yàn)閷@個(gè)領(lǐng)域缺乏完整的研究，現(xiàn)在的機(jī)械設(shè)計(jì)師仍是先進(jìn)行機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)中不考慮會(huì)對控制系統(tǒng)造成的影響，控制工程師再已經(jīng)機(jī)械工程師設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使用的是簡化過的機(jī)械模型，這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大的設(shè)計(jì)返工。所以，要提升機(jī)電液一體化的機(jī)械系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)的成本，縮小開發(fā)周期，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)之間的并行設(shè)計(jì)，利用虛擬樣機(jī)的技術(shù)來設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)?，F(xiàn)在已一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行傳送物料的一個(gè)自動(dòng)機(jī)械臂為例子，使用ADAMS軟件，建立一個(gè)集中機(jī)械、液壓與數(shù)字控制于一體的數(shù)字化的虛擬樣機(jī)，來進(jìn)行機(jī)電液的耦合動(dòng)力仿真。

1、解機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力方程

相對受控的機(jī)械系統(tǒng)，控制往往能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，這種驅(qū)動(dòng)力可以看做是一個(gè)廣義力的特別項(xiàng)，控制子系統(tǒng)可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，也將其加入系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型。因?yàn)榘朔莿傂詸C(jī)械的子系統(tǒng)與剛性控制子系統(tǒng)兩種，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的仿真時(shí)，如何選擇合理的數(shù)值積分的方法時(shí)一個(gè)重要問題，在計(jì)算動(dòng)力學(xué)是，ADANS能夠采取兩種算法，一是給出三個(gè)有強(qiáng)大功能的變階和變步的長積分求解程序，這種方法適用于模擬剛性的系統(tǒng)，二是給出ABM的積分求解程序，使用坐標(biāo)分離的算法，解出獨(dú)立坐標(biāo)的一個(gè)微分方程，這種方法適合模擬一些特征值經(jīng)過突然變化的系統(tǒng)或者高頻系統(tǒng)。

2、計(jì)算機(jī)液耦合的動(dòng)力學(xué)

機(jī)械臂的虛擬樣機(jī)的組成部分有渦輪蝸桿、支臂、液壓缸、電機(jī)減速器的驅(qū)動(dòng)裝置、托料機(jī)構(gòu)和氣液蓄能器等等，受控電機(jī)使用齒輪來驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿，再由渦輪蝸桿驅(qū)動(dòng)支臂圍繞固定軸在七十五度的范圍之內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行定位，支臂上面裝了液壓缸的驅(qū)動(dòng)托料機(jī)構(gòu)帶著料圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)六十一度角把物料送到指定位置。

托料機(jī)構(gòu)圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量是2.964kg°m3，物料圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量是11.2129kg°m3。環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，液壓油的密度是850㎏/m3，液壓管長六米，液壓泵的排量是10.31ml/s，液壓泵輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度是1720r/min，換向閥的切換時(shí)間是5ms，閥的開啟壓力是0.20Mpa，壓力缸的最小長度是0.3m，機(jī)械效率是0.94。A腔最初的壓力值設(shè)定是0.57Mpa，B腔最初的壓力值設(shè)定是0.1Mpa，使用兩個(gè)單向的閥來實(shí)現(xiàn)液壓鎖的功能，兩個(gè)安全閥來設(shè)定液壓缸工作的壓力。

3、控制系統(tǒng)進(jìn)行的交互式仿真

控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)角的過程為：直流電機(jī)輸入電壓信號，輸出軸要輸出扭矩，經(jīng)過變扭矩的作用，經(jīng)過齒輪副來帶動(dòng)蝸桿圍繞渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，來帶動(dòng)支臂圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到所需要的位置，平衡器是一個(gè)氣液蓄能器，它可以使支臂平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)上面機(jī)械定位的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)控制原理的方案是，使用經(jīng)典的控制理論的閉路反饋，為此要定義兩個(gè)反饋?zhàn)兞?，一個(gè)是使用轉(zhuǎn)軸的編碼盤測試出來的支臂轉(zhuǎn)角，第二個(gè)第使用測速發(fā)電機(jī)測量出的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度。ADAMS planl和MATILAB控制系統(tǒng)這些仿真軟件都有很好的接口，先要在虛擬的樣機(jī)模型中把要控制好的輸入輸出變量定義好，ADAMS輸出的變量是MATLAB輸入的變量，這樣就可以形成變量之間的閉環(huán)回路，然后在MATLAB內(nèi)輸入控制原理圖就能夠控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)角。要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)和控制之間的交互式仿真，需要在ADAMS view中定義三個(gè)狀態(tài)變量，這三個(gè)變量為：輸入變量是電機(jī)的輸入扭矩、輸出變量是支臂圍繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角與電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂品抡娣治龈膭?dòng)力學(xué)模型，仿真參數(shù)是：單位的階躍信號是0.4，求解剛性方程是15秒，仿真時(shí)間是2秒，位置環(huán)參數(shù)為：P=1400，速度環(huán)參數(shù)是P=6?？梢詮姆抡娼Y(jié)果中得知，過渡時(shí)間大約是0.8秒，滿足設(shè)計(jì)的要求，在0.8秒后的位置跟蹤，誤差應(yīng)該控制在0.02rad之間。使用MATLAB這個(gè)控制系統(tǒng)軟件來對其的控制系統(tǒng)來仿真，同時(shí)把動(dòng)畫的模式設(shè)置成交互式，這樣就能通過ADANS/view來動(dòng)態(tài)的顯示被跟蹤的仿真結(jié)果，支臂到達(dá)平衡時(shí)候的轉(zhuǎn)角是22.7°。

4、結(jié)語

機(jī)械臂作為生產(chǎn)過程中傳送的重要紐帶，在各生產(chǎn)加工中起著非常重要的作用，鑒于當(dāng)前動(dòng)力學(xué)手段還存在著局限性，我國的機(jī)械臂設(shè)計(jì)和理論實(shí)踐研究還存在一些不足，所以，我們要在現(xiàn)有的機(jī)械臂研究中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行不斷的完善和創(chuàng)新，同時(shí)，可以借鑒國外的相關(guān)技術(shù)，將其技術(shù)與我國的生產(chǎn)技術(shù)相互結(jié)合，相信在今后，這一領(lǐng)域的研究會(huì)得到更加顯著的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭振鋒，金國光，暢博彥，王艷.剛-柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模及其動(dòng)力學(xué)特性研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（01）：70-74.

[2]谷勇霞，張玉玲，趙杰亮，閻紹澤.柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2016，27（12）：1694-1703.

[3]趙杰亮，谷勇霞，閻紹澤，吳嘉寧.諧波傳動(dòng)對柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，53（04）：482-486.

[4]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]苗明，屈福政等.門座起重機(jī)平衡滑輪補(bǔ)償法變幅系統(tǒng)的優(yōu)化.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995（6）：853-857.

[6]周平，李海波，梁立孚.剛彈耦合動(dòng)力學(xué)初值問題擬變分原理及其應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43（07）：1321-1329.