多功能拆挖機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真分析

王英琳，陳旭陽

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430066）

地下工程施工作業(yè)大多存在空間狹小、勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作危險(xiǎn)等問題，特別是開挖、破大塊、撬毛、銑刨等工作人員需求量大，危險(xiǎn)性高。隨著人工成本的大幅度上升以及地下施工安全要求日益嚴(yán)格，地下工程施工機(jī)械化成為1種趨勢(shì)。傳統(tǒng)挖掘機(jī)在狹小空間施工不便，效率不高。因此，設(shè)計(jì)1種多功能拆挖機(jī)器人，集一機(jī)多能、體積小、重量輕、動(dòng)力強(qiáng)、作業(yè)范圍廣、遙控作業(yè)、遠(yuǎn)程操作于一體，替代各種人工的輔助作業(yè)，提高效率，降低地下工程施工的危險(xiǎn)性。

1 多功能拆挖機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

多功能拆挖機(jī)器人集通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)、沖擊振動(dòng)技術(shù)于一體。主要由走行機(jī)構(gòu)、液壓支腿、動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)、臂架系統(tǒng)、液壓快換裝置、工具頭、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)組成，機(jī)器人結(jié)構(gòu)及組成如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

走行機(jī)構(gòu)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)履帶底盤在地面運(yùn)動(dòng)，設(shè)置有多個(gè)走行檔位，在不同作業(yè)地面上，可方便更換鋼履帶或橡膠履帶，具備很好的環(huán)境適應(yīng)性。

液壓支腿由鋼結(jié)構(gòu)、液壓油缸、負(fù)載平衡閥等組成。機(jī)器人作業(yè)時(shí)展開支腿，提高作業(yè)穩(wěn)定性，走行時(shí)折疊支腿，兩支腿橫向?qū)挾刃∮诘妆P寬度，不影響整機(jī)的通過性。

動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，具備360°回轉(zhuǎn)能力。系統(tǒng)具有自動(dòng)怠速控制功能，根據(jù)使用工況控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高燃油利用率和工作效率。

圖1 多功能拆挖機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖

表1 多功能拆挖機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

臂架系統(tǒng)由1號(hào)臂、2號(hào)臂、3號(hào)臂和液壓油缸組成，相比傳統(tǒng)兩臂挖掘機(jī)可提供更大的工作范圍，作業(yè)更靈活。

液壓快換裝置能快速拆卸或安裝工具頭，針對(duì)不同應(yīng)用場合，實(shí)現(xiàn)液壓錘、刨銑頭、挖斗等工具頭的快速更換，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作 效率。

電氣系統(tǒng)通過位移傳感器將油缸運(yùn)動(dòng)信號(hào)反饋到遙控器，并轉(zhuǎn)化成機(jī)械臂的姿態(tài)，同時(shí)遙控器上手柄控制機(jī)械臂動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遙控操作，最遠(yuǎn)遙控距離可達(dá)100m。同時(shí)該系統(tǒng)具備狀態(tài)監(jiān)控、自主安全停機(jī)、自診斷功能。

遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)在遙控操作技術(shù)的基礎(chǔ)上集成了雙目成像、全景環(huán)視攝像、無線通訊等技術(shù)，能在3km外設(shè)備上顯示機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型及施工現(xiàn)場環(huán)境，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人作業(yè)。

2 工作空間優(yōu)化分析

ADAMS提供了強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，在確定好影響設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)后，ADAMS/View提供了4種參數(shù)化的方法［1］：參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)；設(shè)計(jì)變量；參數(shù)化運(yùn)動(dòng)方式；參數(shù)表達(dá)式。

為分析結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)機(jī)器人工作空間的影響以及尋求最理想的工作空間，本文仿真模型使用設(shè)計(jì)變量的方法進(jìn)行參數(shù)化建模，分別設(shè)置6組變量參數(shù)：①油缸1偏角；②鉸點(diǎn)3、4連線長度；③鉸 點(diǎn)3、4連線角度；④鉸點(diǎn)9、17連線長度；⑤油缸 3偏角；⑥鉸點(diǎn)9、10連線角度。如圖2所示。

圖2 臂架系統(tǒng)參數(shù)化示意圖

對(duì)ADAMS模型進(jìn)行前處理，創(chuàng)建各關(guān)節(jié)約束，在油缸處添加線性驅(qū)動(dòng)，設(shè)置步長和仿真時(shí)間，對(duì)第①組變量參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。分別對(duì)另外5組參數(shù)化模型進(jìn)行仿真，選取最優(yōu)參數(shù)，最終得到機(jī)器人的最理想工作空間如圖4所示。

圖3 第①組參數(shù)下的工作軌跡

3 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析

多功能拆挖機(jī)器人工作時(shí)，常常伴隨著較大的振動(dòng)沖擊，臂架系統(tǒng)受力惡劣。簡單的靜力學(xué)計(jì)算往往與實(shí)際應(yīng)用情況有較大偏差。因此，有必要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，研究臂架作業(yè)過程中所受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變。

圖4 機(jī)器人最理想工作空間

剛?cè)狁詈夏Ｐ徒Ｋ悸啡缦拢?］：在CREO軟件中建立機(jī)器人模型，另存為Parasolid（.x_t）格式，導(dǎo)入ANSYS軟件中將工作臂等部件做成柔性體，導(dǎo)入到ADAMS軟件建立機(jī)器人的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，整機(jī)模型如圖5所示。

圖5 整機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

機(jī)器人配備工具頭種類多，每種工具頭對(duì)應(yīng)的工況復(fù)雜，本文主要計(jì)算機(jī)器人配備液壓錘的2種極限工況：①4個(gè)油缸最大速度破碎作業(yè)。②1、2號(hào)油缸最大速度破碎作業(yè)。受力最大的1號(hào)臂應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

通過耦合動(dòng)力學(xué)分析得到，臂架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為196MPa、最大應(yīng)變?yōu)?.615mm，結(jié)果如表2、表3所示。

4 整機(jī)模態(tài)分析

機(jī)器人在進(jìn)行破拆作業(yè)時(shí)，液壓破碎錘以一定的打擊頻率進(jìn)行破碎，當(dāng)激振頻率與機(jī)器人的固有頻率接近時(shí)會(huì)引起共振現(xiàn)象，且頻率越接近共振效應(yīng)越顯著。共振會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，加速鉸銷處的磨損，從而降低機(jī)器人的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可造成結(jié)構(gòu)破壞。

圖6 1號(hào)臂的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

表2 最大應(yīng)力表

表3 最大應(yīng)變表

在ADAMS中對(duì)機(jī)器人剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)器人常用姿態(tài)下固有頻率和振型，前6階振型圖分別如圖7所示。

圖7 機(jī)器人前6階振型圖

安裝破碎錘時(shí)前10階固有頻率和振型說明見表4。

表4 前10階固有頻率和振型

機(jī)器人的激振源主要來自兩方面，一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，另一方面是液壓錘的振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、汽缸數(shù)、沖程數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式為［3］：

式中 n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，z為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)，r為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)。

拆除機(jī)器人采用的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)z4，沖程數(shù)r4，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800～2200r/min，由公式（4-1）可求得發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率在26.67～73.33Hz范圍內(nèi)，與整機(jī)2階、3階固有頻率有重合。因此，在安裝時(shí)使用專用橡膠式減震墊，吸收振動(dòng)能量，隔離振動(dòng)。本機(jī)器人配備的液壓錘沖擊速度為650～1150bpm，沖擊頻率為10.8～19.2Hz，介于1階和2階頻率之間，不會(huì)引起共振。

5 結(jié)束語

機(jī)器人在經(jīng)過長時(shí)間廠內(nèi)試驗(yàn)后，成功應(yīng)用在廣州地鐵十一號(hào)線南石路站進(jìn)行了破碎、挖掘等一系列施工作業(yè)，如圖8、9所示。試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)可靠，遙控操作準(zhǔn)確、靈敏，各項(xiàng)性能指標(biāo)及施工效率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 廠內(nèi)試驗(yàn)

圖9 廣州地鐵試驗(yàn)照