張孝明劉樹華方東旭、山西中北大學(xué)　、中國兵器工業(yè)第二零八研究所

基于ADAMS的新型機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì)

張孝明1劉樹華1方東旭2
1、山西中北大學(xué)2、中國兵器工業(yè)第二零八研究所

本文為貨物平臺設(shè)計(jì)一種機(jī)械手來完成對貨物的抓取搬運(yùn)，并對該機(jī)械手進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過三維建模和ADAMS軟件對其機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析計(jì)算，得到機(jī)械手抓取貨物過程的運(yùn)動規(guī)律和曲線，對其中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了參數(shù)化分析，對改進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

機(jī)械手；優(yōu)化設(shè)計(jì)；參數(shù)化分析；動力學(xué)仿真

優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)的熱點(diǎn)，伴隨著我國成為世界機(jī)械生產(chǎn)、加工和消費(fèi)大國，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用要求也不斷提高?？茖W(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展創(chuàng)新，在同工業(yè)發(fā)達(dá)國家相競爭的過程中，就必須要有先進(jìn)的工業(yè)效率，保證產(chǎn)品的包裝輸送效率，這個(gè)過程需要機(jī)械手的平穩(wěn)運(yùn)動。因此現(xiàn)代化機(jī)械手的設(shè)計(jì)與優(yōu)化勢在必行。ADAMS仿真技術(shù)可以提高機(jī)械手的研發(fā)速度，從而縮短開發(fā)周期。

1　機(jī)械手的模型建立與工作原理

使用UG三維建模軟件對新型機(jī)械手進(jìn)行建模如圖1所示。

圖1　新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖與三維模型

新型機(jī)械手通過電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)連接軸絲杠可以上下移動。連桿由于銷釘?shù)墓潭?，一端隨著連接軸絲杠向上運(yùn)動，另一端帶動機(jī)械爪運(yùn)動，機(jī)械爪在銷釘?shù)墓潭ㄏ聲凿N釘為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)連接軸絲杠向上運(yùn)動時(shí)，機(jī)械爪張開，放松貨物，放松貨物的過程由慢到快；反之，當(dāng)電機(jī)連接軸絲杠向下運(yùn)動時(shí)，對貨物進(jìn)行抓取，抓取速度由快到慢。整個(gè)運(yùn)動過程可以保證貨物的安全性。

機(jī)械手在抓取貨物的過程中，與貨物的接觸力和接觸速度大小，都對貨物的無損傷有著至關(guān)重要的影響?；诖耍覀兪褂肁DAMS軟件對機(jī)械手的運(yùn)動過程進(jìn)行動力學(xué)仿真，并對關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化。

2　新型機(jī)械手運(yùn)動仿真

2.1對機(jī)械手模型添加約束

根據(jù)機(jī)械手的實(shí)際工作情況，參照本機(jī)械手的工作原理，對機(jī)械手添加約束。對電機(jī)連接軸絲杠添加移動副，連桿與電機(jī)連接軸絲杠添加旋轉(zhuǎn)副，機(jī)械爪與連桿之間添加旋轉(zhuǎn)副，機(jī)械爪與機(jī)械爪上的兩個(gè)銷釘添加旋轉(zhuǎn)副，機(jī)械爪上的銷釘與保護(hù)殼體添加固定副。在電機(jī)連接軸絲杠上添加往復(fù)的驅(qū)動速度，按照機(jī)械手的實(shí)際工作情況對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立合理的動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2　機(jī)械手動力學(xué)模型

2.2確定機(jī)械手的設(shè)計(jì)變量

在參數(shù)化建模的過程中，我們首先確定參數(shù)化變量來對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化。由于參數(shù)化的過程中，我們只需要保證所建立的模型與實(shí)物有著相同的質(zhì)量和位置變化關(guān)系，不需要考慮模型形狀的改變。因而，依據(jù)機(jī)械手抓取時(shí)間t≤4s，抓取力F≥428N，抓取的終了速度v1last≤20mm/s，可以等效計(jì)算出連接軸絲杠的運(yùn)動速度v在17mm/s到28mm/s之間。由于連接軸絲杠的運(yùn)動速度與抓取時(shí)間存在一定的運(yùn)動關(guān)系，因而在仿真優(yōu)化的過程中不對v進(jìn)行額外處理。因此影響機(jī)械手抓取貨物時(shí)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素有抓取時(shí)間t、貨物的運(yùn)動速度v1決定。變量的參數(shù)如表1所示。我們選擇機(jī)械手與貨物的夾緊力作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)。

變量　　標(biāo)準(zhǔn)值　　變化區(qū)間抓取時(shí)間　1.5　1～2抓取速度　15　5～20

3　仿真結(jié)果分析

基于ADAMS軟件對機(jī)械手進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化仿真，充分考慮了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對模型的影響。經(jīng)過仿真計(jì)算，我們得到了抓取時(shí)間t與機(jī)械爪同貨物夾緊力F的關(guān)系如圖3所示。貨物的抓取速度v1同夾緊力F的關(guān)系如圖4所示。

圖3　抓取時(shí)間t與機(jī)械爪同貨物的夾緊力F的關(guān)系圖

圖4　貨物的抓取速度與夾緊力的關(guān)系圖

從圖3中我們可以看出，機(jī)械爪與貨物間的最小夾緊力Fmin隨著時(shí)間t的增大而逐漸減?。蛔畲髪A緊力Fmax隨著時(shí)間t先是增大再逐漸減小，最后又略有增大。由此可以說明，在抓取貨物的過程中，抓取時(shí)間越長，反復(fù)振動的頻率就會越高，機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性也就會逐漸變差。從圖中可以看出，最佳的抓取時(shí)間t是1.2～1.8s。

從圖4中我們可以看出，貨物的夾取速度對新型機(jī)械爪的抓取平穩(wěn)性和可靠性具有重要的影響。機(jī)械爪與貨物間的最小夾緊力Fmin隨著抓取貨物的速度v1的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；最大夾緊力Fmax隨著抓取貨物的速度v1的增大而增大。由仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在保證夾取物品穩(wěn)定性的前提下，抓取貨物的最佳速度v1為10～15mm/s。由此可見，抓取速度并非越小越好，控制抓取速度在一定的范圍內(nèi)，是保證機(jī)械手抓取貨物保持穩(wěn)定的重要前提。

4　結(jié)語

（1）基于ADAMS軟件對新型機(jī)械手進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了抓取時(shí)間同夾緊力的變化規(guī)律及抓取速度同夾緊力的變化規(guī)律，直觀清晰。最終得到了最佳的抓取時(shí)間t是1.2～1.8s，最佳速度v1為10～15mm/s。將影響機(jī)械手抓取貨物平穩(wěn)性的影響因素控制在合理的范圍內(nèi)，可以極大地保證機(jī)械手工作的可靠性，提高機(jī)械手的工作效率。

（2）通過ADAMS動力學(xué)仿真軟件對復(fù)雜模型機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析，避免了數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)計(jì)算的復(fù)雜煩瑣的過程，極大的縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

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張孝明，1990出生，遼寧省莊河人，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。