孫景福，唐術(shù)鋒，李華雷

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機械學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大氣中的污染物種類越來越復(fù)雜，污染程度也越來越高,污穢的產(chǎn)生對電力系統(tǒng)的安全運行造成了極大的威脅[1]。絕緣子帶電干冰清洗作業(yè)是保證電力系統(tǒng)能安全、可靠運行的重要環(huán)節(jié)，其清洗效果直接影響到設(shè)備的維修和運行型。因此，本文從絕緣子清洗效果和環(huán)保的方向出發(fā)，以帶電干冰清洗機器人為研究對象，采用Pro/E技術(shù)對該機器人進(jìn)行三維模型樣機的建立，結(jié)合仿真軟件ADAMS綜合對其進(jìn)行運動學(xué)仿真分析。

1 絕緣子帶電干冰清洗機器人運動學(xué)分析

應(yīng)用機器人運動學(xué)求解常用方法D-H法[2]，此方法計算起來比較復(fù)雜，為了增強機器人整體剛性，提高控制精度及其穩(wěn)定性，該機器人采用平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，為了便于對并聯(lián)部分的運動進(jìn)行分析求解，設(shè)置一個固定坐標(biāo)系XOY，隨平行四邊形部分繞腰部一起轉(zhuǎn)動[3,4]，如圖1所示，為絕緣子帶電干冰清洗機器人運動機構(gòu)簡圖。

圖1 絕緣子帶電干冰清洗機器人運動機構(gòu)簡圖

1）正求解計算

機械臂部分由開始位置運動圖示位置時，大臂l1與X軸的夾角為α，連桿l2與X軸的夾角為β，O點坐標(biāo)為（0, 0），C點坐標(biāo)為（X1, Y1），D點坐標(biāo)（X2,Y2），E點坐標(biāo)為（X,Y）。

如以上機構(gòu)簡圖，RtΔOCG中則C點坐標(biāo)為：

在RtΔCFD中則D點坐標(biāo)為：

由式(1)、式(2)可得工具末端E點的坐標(biāo)為：

把l1=1285mm，l2=230mm，l3=1310mm，l4=375mm帶入式(3)可得：

2）逆求解計算

逆求解計算是已知工具末端E點的坐標(biāo)，然后來得到大臂與X軸的夾角α，連桿與X軸的夾角β，已知E點坐標(biāo)可得到D點的坐標(biāo)，即：

如圖1所示，在ΔOCD中，

同理可得：

綜上式(5)、式(6)和式(7)可得：

把l1=1285mm，l2=230mm，l3=1310mm，l4=375mm帶入式(8)可得：

2 基于Pro/E絕緣子帶電干冰清洗機器人的三維模型的建立

利用ADAMS進(jìn)行三維實體建模比較困難，這里借助Pro/E 5.0軟件對絕緣子帶電干冰清洗機器人各個零件進(jìn)行三維實體建模，然后再導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真分析[5]。

首先借助Pro/E 5.0軟件，利用其實體建模模塊提供的功能，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列、掃描、混合、倒角、螺紋孔等，建立各個零件三維實體模型；并將建立好的各個零件的三維實體模型保存在工作目錄[6]。

然后進(jìn)入裝配模式后按設(shè)計要求正確裝配零部件，并根據(jù)連接方式對每個零件進(jìn)行約束。這里要注意的是基件的裝配位置，第一個零件的放置會影響到導(dǎo)入ADAMS后的顯示位置。圖2所示為絕緣子帶電干冰清洗機器人三維模型的截圖。

圖2 絕緣子帶電干冰清洗機器人三維模型

3 運動學(xué)仿真

3.1 模型的導(dǎo)入

由于Pro/E中的三維樣機模型直接輸出的格式并不能在ADAMS中進(jìn)行直接調(diào)用，所以采取在Pro/E中導(dǎo)出x_t格式，再將該模型導(dǎo)入到ADAMS中。打開ADAMS/View界面，然后單擊主菜單中的File→Import，單擊Import會出現(xiàn)文件導(dǎo)入對話框如圖3，并按照圖3進(jìn)行設(shè)置，然后單擊OK，完成了模型的導(dǎo)入[7]。

圖3 文件導(dǎo)入對話框

3.2 設(shè)置仿真環(huán)境的參數(shù)

1）設(shè)置工作柵格和單位。

2）按仿真環(huán)境中的模型設(shè)置正確的重力方向。

3）修改樣機模型的每一個零部件的材料屬性（整個機器人零部件中，除了底座和部分連桿為硬質(zhì)鋁合金LY12外，其余零部件材料均為MC尼龍66）。

3.3 模型的簡化

由于導(dǎo)入的模型比較復(fù)雜，會影響仿真結(jié)果，因此要對虛擬樣機模型進(jìn)行簡化處理，首先刪除相對于樣機模型沒有運動關(guān)系，且質(zhì)量很小的零件，如螺栓、螺母或者墊片等，然后利用布爾和操作將相互之間不存在運動關(guān)系，并且材料屬性有相同的部件連接在一起，圖4為簡化后的虛擬樣機模型。

圖4 簡化后的虛擬樣機模型

3.4 運動副的建立

設(shè)置各個連桿之間的運動關(guān)系，完成各運動部件之間的運動副的建立。具體連接關(guān)系如表5所示，最終虛擬樣機模型如圖5所示。

表1 連接關(guān)系

圖5 虛擬樣機模型

3.5 仿真分析

本文中基于機器人的工作情況，工具末端做垂直升降，給工具末端添加移動副，并添加驅(qū)動，然后對仿真對話框進(jìn)行設(shè)置End Time=180，Step=400，進(jìn)行仿真，得到主臂和連桿的角速度曲線如圖6和圖7所示，并測得工具末端的位移曲線如圖8所示，然后通過ADAMS/Post processor生成主臂和連桿的速度樣條曲線分別命名為ZB_2和LG_2，返回ADAMS/View界面，把樣條曲線添加到主臂和連桿上，即把主臂上的驅(qū)動MOTION_ZB修改為1d *CUBSPL(time,0,.robot_20141108.ZB_2,0)，把連桿上的驅(qū)動MOTION_LG修改為1d * CUBSPL(time,0,.robot_20141108.LG_2,0）并把工具末端的移動副和驅(qū)動進(jìn)行抑制，再次對虛擬樣機進(jìn)行仿真分析[8,9]。

圖6 主臂電機的運動角速度曲線

圖7 連桿電機的運動角速度曲線

圖8 工具末端運動軌跡圖

3.6 仿真結(jié)果與分析

運動仿真結(jié)束后，利用ADAMS/Post processor模塊可以得到連桿在任意時間的關(guān)節(jié)變量值以及任意點的位移、速度和加速度曲線，圖9為工具末端在運動平面內(nèi)X、Y兩個方向上的位移、速度和加速度曲線。

圖9 工具末端位移、速度和加速度曲線

4 結(jié)束語

本文對絕緣子帶電干冰清洗機器人進(jìn)行了運動學(xué)分析，得到了運動學(xué)正解和逆解計算，為機器人的運動控制和軌跡規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。本文利用Pro/E技術(shù)對零件進(jìn)行三維建模和裝配，然后再將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析，這樣既能克服ADAMS軟件三維建模能力差的缺點，又能很好地對機器人進(jìn)行運動學(xué)分析，能直觀地觀察到機器人工具末端的位移、速度和加速度，為以后的清洗過程控制和運動學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)，此技術(shù)的成熟可簡化產(chǎn)品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]王瑜,惠建輝.電力設(shè)備帶電絕緣清洗技術(shù)與實踐[J].洗凈技術(shù),2003,(2):16-19.

[2]牛元會,程光明,楊志剛.D-H坐標(biāo)系下機械手正向運動學(xué)分析[J].機器人技術(shù)2006(7):27-29.

[3]李成偉,贠超.碼垛機器人機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)研究[J].機械設(shè)計與制造,2009,6(6):181-183.

[4]劉清,韓寶玲,羅慶生,黃麟.S7-200可編程控制器在新型智能碼垛機器人中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動化,2008,30(7):39-43.

[5]李俄鋒,徐學(xué)林.基于Pro/EADAMS的林木干果采摘臂的運動仿真分析[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2010,38(2):34-36,48.

[6]張云靜.Pro/ENGINEER野火5.0中文版從入門到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[7]劉愛敏,韓衍昭,王麗萍.基于Pro/E和ADAMS的齒輪減速器動力學(xué)仿真[J].煤礦機械,2011,(9):47-49

[8]徐東濤,孫志禮.基于ADAMS的平動機構(gòu)運動軌跡的規(guī)劃與驗證[J].機械與電子,2010,(9):59-62.

[9]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業(yè)出版社,2006.