羅洋，祁宇明，黃賢振

（1.天津市武清區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222）

設(shè)計(jì)技術(shù)

超高壓水射流破拆機(jī)器人機(jī)械臂架的仿真研究

羅洋1，祁宇明1，黃賢振2

（1.天津市武清區(qū)職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222）

超高壓水射流破拆機(jī)器人應(yīng)用含有沙粒的超高壓水作為工作介質(zhì)，對(duì)混凝土建筑進(jìn)行破拆。破拆過程中其機(jī)械臂架需要承受較大的反作用力，其破拆過程是一個(gè)動(dòng)力學(xué)的研究過程，通過應(yīng)用Solidw orks三維軟件建立實(shí)體模型，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械臂架進(jìn)行仿真研究，對(duì)仿真平臺(tái)接口進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，模擬實(shí)際破拆動(dòng)作，獲得機(jī)械臂架的系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及虛擬樣機(jī)動(dòng)作參數(shù)，并為進(jìn)一步優(yōu)化超高壓水射流破拆機(jī)器人機(jī)械臂架的機(jī)械結(jié)構(gòu)提供參數(shù)依據(jù)。

超高壓水射流；ADAMS；破拆機(jī)器人

目前，國內(nèi)超高壓水射流主要應(yīng)用于設(shè)備清洗和鋼板切割。國內(nèi)對(duì)超高壓水射流破拆技術(shù)研究較為基礎(chǔ)，大部分產(chǎn)品還在理論驗(yàn)證階段，沒有走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行應(yīng)用[1]。超高壓水射流的破拆基理是利用參入沙粒的高壓水沖擊帶有縫隙的混凝土路面，高壓、高速的在水流短時(shí)間內(nèi)充滿混凝土縫隙從而使混凝土破碎、開裂[2]。超高壓水射流的利用大大地提高了破拆效率。本文建立了破拆機(jī)器機(jī)械臂人的三維模型，并聯(lián)合ADAMS仿真破拆機(jī)器人機(jī)械臂在施工過程中的載荷沖擊，得到關(guān)鍵的破拆運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)提高我國超高壓水射流破拆研究水平具有一定的實(shí)際意義。

1仿真環(huán)境設(shè)置

應(yīng)用ADAMS進(jìn)行仿真研究之前，首先需要對(duì)ADAMS軟件進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置，包括基本的環(huán)境坐標(biāo)系、環(huán)境單位、重力加速度方向、網(wǎng)格線范圍等等。選取一般情況下進(jìn)入ADAMS界面所需設(shè)置的參數(shù)詳細(xì)方法敘述，如圖1所示，設(shè)置這些參數(shù)其目的不僅是為了保證所得測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，同時(shí)也是為了保證該樣機(jī)模型在其他測(cè)試分析軟件中具有正確的參數(shù)輸出。在ADAMS軟件的環(huán)境設(shè)置中，設(shè)置坐標(biāo)為笛卡爾三維坐標(biāo)系，機(jī)械部件計(jì)算單位設(shè)為“mm、kg、N、s”，機(jī)械部件重力加速度大小設(shè)置為9.806 65m/s2，方向沿-Y軸方向。

2三維模型的建立

超高壓水射流破拆機(jī)器人機(jī)械臂架的三維模型采用實(shí)際比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，破拆機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)置有7個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。其中：旋轉(zhuǎn)部件5個(gè)，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；直線移動(dòng)部件2個(gè)，通過液壓缸驅(qū)動(dòng)。運(yùn)用Solidworks三維建模軟件構(gòu)建出機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂架三維驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型

ADAMS中模型的導(dǎo)入需要做簡化處理，簡化的部分包括一些固定零件，如螺栓、銷軸、軸承等，簡化的部分根據(jù)要求采用了實(shí)體進(jìn)行替代。最后將設(shè)計(jì)好的三維模型保存為x.t文件格式，在ADAMS中選擇file→import，導(dǎo)入保存的x.t格式的文件，在ADAMS/View界面中其結(jié)果如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂架ADAMS模型

3模型參數(shù)設(shè)置

3.1 約束

由于Solidworks與ADAMS沒有專用的數(shù)據(jù)接口，在Solidworks中所配置的約束等其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)無法導(dǎo)入到ADAMS中，因此破拆機(jī)器人的零部件之間的相互約束需要重新添加。添加約束時(shí)需要根據(jù)機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)特征、運(yùn)動(dòng)方向以及距離來添加運(yùn)動(dòng)副，主要添加的運(yùn)動(dòng)副有固定副、移動(dòng)副以及旋轉(zhuǎn)副，如圖3所示。

圖3 ADAMS中三種運(yùn)動(dòng)副

對(duì)機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)的支架翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，其結(jié)果如圖4所示，省略了支架上的托盤機(jī)構(gòu)以及機(jī)械臂大臂架。

圖4 支架運(yùn)動(dòng)副設(shè)置

3.2 材料

在破拆機(jī)器人機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)中，不同的部件具有不同的材質(zhì)，具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件材質(zhì)設(shè)置為不銹鋼，如驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、液壓驅(qū)動(dòng)缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、減速機(jī)等部件；主要承受力作用的部件采用鑄鐵，如大臂架支撐、臂架移動(dòng)部件、支架、支架框、連接法蘭等。材料設(shè)置好后對(duì)整體質(zhì)量進(jìn)行檢查，機(jī)械臂架部件質(zhì)量如表1所示。

表1 機(jī)械臂架部件質(zhì)量

3.3 載荷

根據(jù)破拆機(jī)器人工作時(shí)受力進(jìn)行簡單分析，其工作載荷主要來自于噴槍噴射時(shí)的反作用力。進(jìn)行破拆作業(yè)時(shí)噴槍在時(shí)的擺動(dòng)，噴射反作用力會(huì)隨著混凝土破碎深度的加深而變小，受到的載荷隨噴槍的擺動(dòng)而擺動(dòng)。在ADAMS中設(shè)置該載荷力時(shí)，采取在噴槍頂端標(biāo)記點(diǎn)，以該標(biāo)記點(diǎn)作為作用點(diǎn)設(shè)置載荷力F，并使得該力沿噴槍桿方向進(jìn)行作用?？紤]到載荷大小的變化，力的大小采用自定義驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，驅(qū)動(dòng)函數(shù)公式為：

其中：time為ADAMS的時(shí)間變量，隨著仿真時(shí)間的變化而變化，采用正弦函數(shù)構(gòu)造載荷F的波動(dòng)，來模擬實(shí)際破碎時(shí)F值的變化。

4模型仿真及分析

在對(duì)機(jī)械臂架模型添加約束和其他參數(shù)設(shè)置后，需要及時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，觀察其運(yùn)動(dòng)結(jié)果是否正確。大臂架移動(dòng)缸和支架翻轉(zhuǎn)液壓缸是機(jī)械臂架的主驅(qū)動(dòng)力，兩者之間支架翻轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)也是受力最大、機(jī)械部分最危險(xiǎn)的部分。機(jī)械臂架由于重力作用的原因，在初始狀態(tài)下大臂架移動(dòng)缸和支架翻轉(zhuǎn)液壓缸會(huì)受到力的作用。將各個(gè)部件的驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為零，仿真后進(jìn)入后處理，提取支架鉸接點(diǎn)的受力參數(shù)，可得到該部件鉸接點(diǎn)受力狀況如圖5所示。

圖5 靜止?fàn)顟B(tài)支架翻轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)受力

靜止?fàn)顟B(tài)下大臂架移動(dòng)缸和支架翻轉(zhuǎn)液壓缸之間鉸接點(diǎn)受力均值為1 957 N，這是由于大臂架移動(dòng)機(jī)構(gòu)缸其承受力的方向與施力方向在同一直線上，因此仿真時(shí)其受力小于支架翻轉(zhuǎn)液壓缸受力。根據(jù)部件質(zhì)量進(jìn)行分析可知，在除去臂架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大臂架質(zhì)量后的整體質(zhì)量為210.81 kg，其重力為G＝m·g＝210.81×9.8＝2 066 N，與其鉸接點(diǎn)受力相差109 N，可知其仿真結(jié)果與實(shí)際情況具有一致性。

為確保破拆機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的正確性和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，需要對(duì)機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型驗(yàn)證，這里選取破拆機(jī)器人對(duì)豎直墻壁破拆時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行模型檢查。豎直壁面破拆時(shí)，需要機(jī)械臂對(duì)各部件進(jìn)行方位調(diào)整，將噴槍頭調(diào)整到垂直于墻面的方向，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括臂架回轉(zhuǎn)、支架回轉(zhuǎn)、支架翻轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)，對(duì)相應(yīng)的關(guān)節(jié)設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)見表2.

表2 墻面破拆驅(qū)動(dòng)參數(shù)

仿真時(shí)間設(shè)置為10.5 s，仿真5 s時(shí)大臂架移動(dòng)缸和支架翻轉(zhuǎn)液壓缸的支架翻轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)受力均值為2 755 N，如圖6所示，鉸接點(diǎn)的受力在材料的屈服極限之內(nèi)，仿真過程中運(yùn)動(dòng)過程流暢，無機(jī)構(gòu)干涉等現(xiàn)象發(fā)生，所預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)過程一致，說明各動(dòng)作模塊連接參數(shù)設(shè)計(jì)正確。

圖6 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)支架翻轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)受力

5結(jié)束語

本文建立了破拆機(jī)器人機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)仿真的具體方法，應(yīng)用solidworks建立破拆機(jī)器人機(jī)械臂的系統(tǒng)模型，采用ADAMS作為主控軟件，并進(jìn)行模型驗(yàn)證。仿真結(jié)果為破拆機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

Simulation Study on the MechanicalArm of Ultra High Pressure Water JetDemolition Robot

LUO Yang1，QIYu-ming1，HUANG Xian-zhen2
（1.Tianjin City Wuqing District Occupation Technical Secondary School，Tianjin 300222，China；2.Institute of Robotics and Intelligent Equipment，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Ultra-high pressure water jet is used as the working medium，which is used as the working medium，which contains sand particles.In the process of dismantling themechanical arm to bear great reaction，the rescue process is a process of dynamic research，this papermodels through the application of 3D software，using ADAMS software to simulate the mechanical arm，related settings for simulation platform interface，simulating the actual rescue action，get the system data themechanical arm of the virtual prototype and motion parameters，systematic analysis of the simulation results of parameters，and further optimize the mechanical structure of ultra high pressure water jet rescue robot arm.

ultra-high pressure water jet；ADAMS；breaking and dismantling robot

TP240

A

1672-545X（2016）12-0001-03

2016-09-04

國家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAK06B04）；天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（14ZCZDSF00022）；天津市智能制造科技重大專項(xiàng)（15ZXZNGX00260）；國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（61301040）

羅洋（1975-），男，天津武清人，學(xué)士，中學(xué)高級(jí)，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。