張忠雷　金振林　張金柱

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

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新型送料機(jī)械手及其工作空間分析

張忠雷金振林張金柱

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

摘要：設(shè)計(jì)了一種用于沖壓生產(chǎn)線的新型送料機(jī)械手。該機(jī)械手由大臂、小臂和端拾器依次串聯(lián)而成，其中大臂為六自由度6-PSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，小臂即延長(zhǎng)臂為一個(gè)直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)。繪制了機(jī)械手的工作空間，分析了該機(jī)械手主要幾何參數(shù)對(duì)其工作空間大小的影響規(guī)律，根據(jù)兩壓機(jī)間送料的要求，選取了機(jī)械手的幾何參數(shù)，并設(shè)計(jì)了該機(jī)械手的虛擬樣機(jī)。該機(jī)械手具有橫向移動(dòng)速度快和工作空間大等特點(diǎn)，可用于沖壓線上工件的輸送或現(xiàn)代工業(yè)其他送料場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；6-PSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)；小臂；端拾器；工作空間

0引言

工業(yè)機(jī)械手是綜合機(jī)械、電子、控制、人工智能等先進(jìn)學(xué)科技術(shù)于一體的重要現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化裝備[1-3]。國(guó)外許多公司包括ABB公司、德國(guó)米勒萬家頓公司和Honsberg公司、瑞典ASEA公司等都對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了系列研究[4-5]，其產(chǎn)品的生產(chǎn)和供應(yīng)已形成集體化盈利的成熟模式。國(guó)內(nèi)機(jī)械手主要是走采購(gòu)國(guó)外零部件再拼裝的路線，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品并不多見。目前，國(guó)內(nèi)主要有華中科技大學(xué)研制的經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)[6]，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的集壓力機(jī)、上下料機(jī)械手、穿梭輸送裝置于一體的設(shè)備[7]等。這些機(jī)械手末端可調(diào)范圍較小，承載力較小，僅適用于小型沖壓線，因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型機(jī)械手意義重大。

本文針對(duì)某企業(yè)沖壓生產(chǎn)線送料要求，設(shè)計(jì)了一種新型串并混聯(lián)送料機(jī)械手，其主體結(jié)構(gòu)由大臂(新型6-PSS并聯(lián)機(jī)構(gòu))、小臂(延長(zhǎng)臂)和端拾器組成。該機(jī)械手既具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，又具有串聯(lián)機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)速度快、工作空間可調(diào)范圍大等特點(diǎn)，能夠滿足上述生產(chǎn)線送料要求。此外，本文采用坐標(biāo)矢量變換法[8]和機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系，求出了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解，繪制了該機(jī)械手大臂并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)工作空間和機(jī)械手末端工作空間，分析了大臂的主要幾何參數(shù)對(duì)工作空間大小的影響，并進(jìn)行幾何參數(shù)調(diào)整，最終確定了機(jī)械手的幾何參數(shù)，完成了虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)。

1新型送料機(jī)械手機(jī)構(gòu)構(gòu)型介紹

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要包括大臂、小臂、端拾器三部分。大臂采用6-PSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和兩者之間的6條支鏈組成，其中各支鏈均由移動(dòng)副、上球鉸、定長(zhǎng)連桿、下球鉸依次連接而成；小臂采用直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)(即移動(dòng)副)。為了降低機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，提高其響應(yīng)速度，本文根據(jù)約束螺旋綜合法對(duì)該機(jī)械手大臂進(jìn)行了輸入分析，在滿足確定運(yùn)動(dòng)(三維移動(dòng)、三維轉(zhuǎn)動(dòng))條件下，最終選取與機(jī)架固定的移動(dòng)副作為動(dòng)力輸入端。小臂采用直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)(即移動(dòng)副)，也將移動(dòng)副作為輸入運(yùn)動(dòng)副。這不僅增大了機(jī)械手橫向工作空間，而且與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度疊加可使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)更快運(yùn)動(dòng)。

在圖1中，Pi(i=1,2,…,6)表示并聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)副中心點(diǎn)，Bi表示上球鉸中心點(diǎn)，Ai表示下球鉸中心點(diǎn)，P7表示小臂移動(dòng)副中心點(diǎn)，A、B、C、D分別表示動(dòng)平臺(tái)的4個(gè)頂點(diǎn)，E表示球鉸A2和A5中心連線中點(diǎn)在動(dòng)平臺(tái)上的投影。建立坐標(biāo)系，將固定坐標(biāo)系OBxByBzB建立在動(dòng)平臺(tái)的初始位置，此位置下，原點(diǎn)OB與動(dòng)平臺(tái)幾何中心重合，xB軸水平向右，zB軸垂直于動(dòng)平臺(tái)初始位置所在平面且豎直向上，yB軸由右手螺旋定則確定；動(dòng)坐標(biāo)系OMxMyMzM與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固接，其中原點(diǎn)OM與動(dòng)平臺(tái)幾何中心重合，xM軸的方向?yàn)橛葾點(diǎn)指向D點(diǎn)，zM軸垂直于動(dòng)平臺(tái)所在平面且方向向上，yM軸由右手螺旋定則確定，在初始位置下，動(dòng)坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系重合，機(jī)械手的初始位置關(guān)于xBOBzB平面對(duì)稱。設(shè)機(jī)械手的主要幾何參數(shù)為BC=e，AB=f，球鉸A2和A5到動(dòng)平臺(tái)幾何中心OM的水平距離EOM=e1，球鉸A1與A6、球鉸A3與A4中心之間的距離A1A6=A3A4=f1，移動(dòng)副P1與P6、P2與P5、P3與P4的軸線距離分別為2d1、2d2、2d3，延長(zhǎng)臂長(zhǎng)度為p，定長(zhǎng)桿AiBi的直徑為D0。

圖1　新型送料機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2機(jī)械手工作空間分析

2.1大臂機(jī)構(gòu)位置反解

設(shè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上球鉸的中心位置在固定坐標(biāo)系中坐標(biāo)矢量為Bi=(li,di,z0)T(i=1,2,…,6)，動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)OM在固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量為OM=(x,y,z)T，并聯(lián)機(jī)構(gòu)下球鉸在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中位置矢量為Ai0，其中Ai0為固定值。由旋轉(zhuǎn)變換方法得，并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的各個(gè)下球鉸在固定坐標(biāo)系中的位置矢量為

Ai=(xi,yi,zi)T=RAi0+OM

(1)

式中，R為動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)的方向余弦矩陣。

根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系，得矢量方程為

Li=Ai-Bi

(2)

式中，Li為并聯(lián)機(jī)構(gòu)各支鏈桿長(zhǎng)矢量，且各桿的長(zhǎng)度相同，均為L(zhǎng)。

對(duì)式(2)兩端取范數(shù)，并將各坐標(biāo)量代入，根據(jù)機(jī)構(gòu)構(gòu)型和實(shí)際工作意義，求解得

(3)

式中，z0為并聯(lián)機(jī)構(gòu)上球鉸中心位置縱坐標(biāo)，為固定值。

2.2工作空間分析

2.2.1工作空間的影響因素

影響延長(zhǎng)臂即小臂工作空間的因素為滑塊P7的行程，滿足L2min≤L7≤L2max，其中L7表示滑塊P7在動(dòng)坐系中沿xM軸方向的坐標(biāo)，L2min和L2max分別表示滑塊沿xM軸方向的最小、最大行程。

2.2.2工作空間求解

機(jī)械手工作時(shí)，所有的運(yùn)動(dòng)都可分解為以下三個(gè)基本動(dòng)作：①大臂的單純平動(dòng),小臂與大臂保持相對(duì)靜止，此動(dòng)作6個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)；②機(jī)械手微調(diào)位姿即并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)在空間內(nèi)的六維運(yùn)動(dòng)，此時(shí)6個(gè)電機(jī)異步驅(qū)動(dòng)；③大臂靜止時(shí)延長(zhǎng)臂的橫向移動(dòng)。其中動(dòng)作②和動(dòng)作③運(yùn)動(dòng)幾乎同時(shí)開展。

根據(jù)生產(chǎn)線中兩臺(tái)壓機(jī)之間的尺寸、壓機(jī)工作臺(tái)高度等要求，設(shè)定初始幾何參數(shù)：L=1200 mm，D0=100 mm，e=480 mm，d3=136 mm，d1=300 mm，d2=500 mm，f=164 mm，f1=140 mm，e1=123 mm，p=2000 mm，θmax=45°。

由以上動(dòng)作分析可知，動(dòng)作①和動(dòng)作②由大臂完成，動(dòng)作③由小臂完成。基于以上幾何參數(shù)，綜合位置反解式(1)、式(2)，在滿足約束條件的情況下，利用極坐標(biāo)搜索法繪制了大臂末端動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的工作空間，如圖2所示。此外，由圖1可得，小臂由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其工作空間為滑塊P7在大臂可達(dá)姿態(tài)范圍內(nèi)相對(duì)于大臂末端參考點(diǎn)沿P7軌道平移所達(dá)位置的集合。因此，機(jī)械手操作端的工作空間即為大臂工作空間和小臂工作空間在執(zhí)行器末端參考點(diǎn)處的映射，圖3為機(jī)械手姿態(tài)角為(7.5°，15°，0°)時(shí)的工作空間。企業(yè)沖壓生產(chǎn)線對(duì)送料機(jī)械手工作空間的要求如表1所示。

圖2　大臂工作空間三維圖

圖3　機(jī)械手工作空間三維圖

工作方向要求數(shù)值沿xB軸方向移動(dòng)±3600mm沿yB軸方向移動(dòng)±150mm沿zB軸方向移動(dòng)±130mm繞xB軸轉(zhuǎn)動(dòng)±7.5°繞yB軸轉(zhuǎn)動(dòng)±15°

由圖2、圖3可以看出，大臂和機(jī)械手末端的工作空間連續(xù)性好，沿各個(gè)坐標(biāo)軸的分布也比較合理；結(jié)合表1要求表明，大臂繞xB軸、yB軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度能夠滿足機(jī)械手作業(yè)姿態(tài)要求，機(jī)械手末端的移動(dòng)工作空間滿足生產(chǎn)線對(duì)機(jī)械手的移動(dòng)要求。因此，該機(jī)械手工作空間能夠滿足該企業(yè)沖壓生產(chǎn)線作業(yè)要求。

2.2.3幾何參數(shù)對(duì)工作空間的影響

綜合分析整個(gè)機(jī)構(gòu)可得，大臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其工作空間的體積大小、形狀分布直接影響機(jī)械手的性能。工作空間越大，連續(xù)性越好，機(jī)械手的靈活性也越好。因此，本文將大臂工作空間的大小作為大臂主要幾何參數(shù)，為了便于說明，定義相對(duì)工作空間影響函數(shù)η為

(4)

式中，V0為初始幾何參數(shù)下大臂工作空間的體積；V為參數(shù)調(diào)整后大臂工作空間的體積。

分析大臂機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，得桿長(zhǎng)L受壓機(jī)工作臺(tái)高度和機(jī)械手設(shè)計(jì)高度要求限制，按初選參數(shù)賦值，然后利用單因素分析法，逐一分析大臂其余主要幾何參數(shù)d1、d2、d3、f、f1、e1與η之間的關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果表明，幾何參數(shù)d3對(duì)大臂工作空間的體積幾乎沒有影響，考慮滑塊寬度和安裝要求，選取d3=136 mm；由圖4可知，d1、d2曲線在給定取值范圍內(nèi)，隨著取值的增大，η值變小，考慮滑塊寬度和在滑動(dòng)過程中滑塊及相連部件不發(fā)生干涉,因此將其確定為初始值；參數(shù)f、f1、e1對(duì)應(yīng)的曲線在給定取值范圍內(nèi)，隨著取值的增大，η值增大，因此需進(jìn)一步調(diào)整。

(a)d3與η的關(guān)系(b)d1與η的關(guān)系

(c)d2與η的關(guān)系(d)f與η的關(guān)系

(e)f1與η的關(guān)系(f)e1與η的關(guān)系圖4　η隨大臂幾何參數(shù)的變化規(guī)律

本文定義χ為參數(shù)f、f1、e1的調(diào)整函數(shù)，其物理意義為使該機(jī)械手的大臂工作空間的體積盡可能大，用函數(shù)表現(xiàn)形式可表示如下：

η=χ(ff1e1)

(5)

圖5　調(diào)整參數(shù)后大臂工作空間三維圖

圖6　調(diào)整參數(shù)后機(jī)械手工作空間三維圖

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)上述三個(gè)參數(shù)對(duì)工作空間體積都有很大影響，且相互制約，不能給出固定的變化規(guī)律。因此本文基于離散及組合的思想，將上述三個(gè)參數(shù)隨機(jī)組合成(ff1e1)的數(shù)組對(duì)，利用MATLAB軟件計(jì)算在相應(yīng)數(shù)組下的工作空間體積，并逐一比較，最終確定一組使χ最大的數(shù)組對(duì)。根據(jù)圖4中的曲線變化趨勢(shì)，將上述三個(gè)參數(shù)的取值范圍設(shè)定為f為200～300mm，f1為150～250mm，e1為150～250mm，并以10mm的間距對(duì)上述三個(gè)參數(shù)進(jìn)行離散與組合，將獲得的數(shù)組代入MATLAB中，經(jīng)計(jì)算可得f=250mm、f1=180mm、e1=180mm時(shí)χ最大(即大臂工作空間的體積最大)。因此，綜合考慮，最終選取d1=200mm，d2=400mm，f=250mm，f1=180mm，e1=180mm。根據(jù)上述方法選取的機(jī)械手幾何參數(shù)，得出調(diào)整后機(jī)械手大臂和末端工作空間如圖5和圖6所示，可以看出機(jī)械手工作空間明顯增大，進(jìn)一步顯示了該機(jī)械手良好的工作性能。選擇大臂虛擬樣機(jī)的幾何參數(shù)如表2所示。

表2　大臂虛擬樣機(jī)幾何參數(shù)

3新型送料機(jī)械手虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)沖壓生產(chǎn)線給出的送料機(jī)械手的工況，結(jié)合表2所示大臂幾何參數(shù)，設(shè)計(jì)出新型送料機(jī)械手樣機(jī)，如圖7所示。該機(jī)械手工作目標(biāo)為：機(jī)械手將壓機(jī)1加工完的工件準(zhǔn)確抓取，然后送到壓機(jī)2的工作臺(tái)上進(jìn)一步加工，最后復(fù)位到初始位置，等待下一條指令。

(a)機(jī)械手樣機(jī)

(b)機(jī)械手延長(zhǎng)臂1.機(jī)架　2.下關(guān)節(jié)(等效球鉸)組　3.定長(zhǎng)桿組　4.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)　5.延長(zhǎng)臂　6.絲杠電機(jī)組　7.電機(jī)機(jī)座組　8.聯(lián)軸器組 9.絲杠支座組(左)　10.絲杠組　11.滑塊組　12.上關(guān)節(jié)(等效球鉸)組　13.絲杠支座組(右)　14.延長(zhǎng)臂電機(jī)　15.電機(jī)支座　16.同步帶輪組　17.帶輪軸　18.同步帶組(長(zhǎng)) 19.上滑臺(tái)　20.同步帶輪　21.同步帶(短)　22.傳動(dòng)軸端蓋 23.上導(dǎo)軌組　24.延長(zhǎng)臂架　25.上滑塊組　26.同步帶卡盤組　27.端拾器　28.下滑塊組　29.下滑臺(tái)圖7　用于壓機(jī)間的機(jī)械手樣機(jī)

機(jī)械手各部分的連接形式如下：對(duì)于機(jī)械手大臂，由于6條支鏈結(jié)構(gòu)完全相同，這里以一條支鏈為例說明其連接方式。伺服電機(jī)6和電機(jī)座7固連在機(jī)架1上，通過聯(lián)軸器8與連接在絲杠支座9和13上的絲杠10相連，滑塊11與絲杠10上的螺母結(jié)構(gòu)固結(jié)，滑塊11與定長(zhǎng)桿3通過上關(guān)節(jié)12連接，定長(zhǎng)桿3與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4通過下關(guān)節(jié)2連接；對(duì)于機(jī)械手小臂即延長(zhǎng)臂5的連接方式，上滑臺(tái)19的上表面與動(dòng)平臺(tái)4固結(jié)，上滑臺(tái)19的下表面與上滑塊組25(與上滑臺(tái)相連的4個(gè)滑塊)固結(jié)，滑塊組25的導(dǎo)軌與延長(zhǎng)臂架24固結(jié),延長(zhǎng)臂架24通過電機(jī)支座15與電機(jī)14連接，同步帶輪20連于電機(jī)14軸端，同步帶(短)21和同步帶(長(zhǎng))18通過對(duì)應(yīng)帶輪連接于傳動(dòng)軸22上，同步帶(長(zhǎng))18與下滑臺(tái)29的上表面固結(jié)，下滑臺(tái)29的下表面與端拾器27固結(jié)。

4結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種送料機(jī)械手新機(jī)型，該機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)緊湊、末端移動(dòng)敏捷等特點(diǎn)。

(2)求解了大臂的位置反解，繪制了機(jī)械手的工作空間，分析了大臂主要幾何參數(shù)對(duì)工作空間大小的影響規(guī)律，給定了一組使機(jī)械手有較大工作空間的幾何參數(shù)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的虛擬樣機(jī)。

(3)該機(jī)械手具有橫向工作空間大、運(yùn)動(dòng)快等特點(diǎn)，滿足沖壓生產(chǎn)線送料要求。本文結(jié)論為該機(jī)械手的研發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-16

中圖分類號(hào)：TH112

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.009

作者簡(jiǎn)介：張忠雷，男，1989年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)理論及其應(yīng)用。金振林(通信作者)， 男，1962年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張金柱，男，1989年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。

Workspace Analysis of a Novel Feeding Manipulator

Zhang ZhongleiJin ZhenlinZhang Jinzhu

Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

Abstract:A novel feeding manipulator used in stamping production line was designed herein. This manipulator was successively formed by arm, forearm and end-picking device. Configuration of the arm was 6-PSS parallel mechanism. The forearm was also known as extended arm and the configuration was linear moving mechanism.The workspace of the manipulator was drawn. The influence rules between geometrical parameters of the manipulator and workspace volume were revealed. A set of reasonable geometrical parameters was selected based on feeding requirements among two presses, and the virtual prototype of this manipulator was presented. The features of the manipulator are of fast speed of lateral movement, large work space, etc, which can be used to convey workpieces on punching lines or other feed applications of modern industries.

Key words:manipulator; 6-PSS parallel mechanism; forearm；end-picking device；workspace