黃秀琴，潘晨

(常州工學(xué)院機械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002)

HUANG Xiuqin，PAN Chen

(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

(a)x方向位置圖

(b)y方向位置圖

(c)z方向位置圖

(d)x方向速度圖

(e)y方向速度圖

(f)z方向速度圖

(g)x方向加速度圖

(h)y方向加速度圖

(i)z方向加速度圖

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基于虛擬樣機的傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機器人的設(shè)計與分析

黃秀琴，潘晨

(常州工學(xué)院機械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002)

以3-PRS并聯(lián)機器人為研究對象,采用傾斜導(dǎo)軌式布置3個滑塊為驅(qū)動，應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)，在SolidWorks和Adams平臺上進行了并聯(lián)機器人的建模、仿真和運動學(xué)分析，從而獲得該機構(gòu)的運動特性曲線，為并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)的發(fā)展和潛在的工業(yè)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

3-PRS；并聯(lián)機器人；運動學(xué)仿真

HUANG Xiuqin，PAN Chen

(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

并聯(lián)機器人因其在結(jié)構(gòu)上有較大的剛度、較強的承載能力以及累積誤差小等特點，逐漸引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。而3、4、 5自由度的少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)，是并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)研究領(lǐng)域的一個重要分支，尤其是3自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度大、低慣性、負載高、運動速度快等特點，成為并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)研究的熱點之一。并聯(lián)機器人的機構(gòu)學(xué)與運動學(xué)分析主要研究并聯(lián)機器人機構(gòu)的運動學(xué)、工作空間、奇異位形和靈巧度分析等方面。該項研究是實現(xiàn)并聯(lián)機器人的控制和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，因而在并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)的研究中占有重要地位。并聯(lián)機器人機構(gòu)憑借其卓越的性能，逐漸在現(xiàn)代先進制造裝備中得到廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計構(gòu)造了一種一平移二轉(zhuǎn)動并聯(lián)機器人機構(gòu)，并對其進行了三維實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和基于ADAMS的運動學(xué)仿真，分析了動平臺輸出運動特性，為該并聯(lián)機器人機構(gòu)潛在的工業(yè)應(yīng)用及實時控制奠定了理論基礎(chǔ)。

1　機構(gòu)描述

并聯(lián)機器人機構(gòu)由下靜平臺、上動平臺和連接于兩平臺之間的3條支鏈PRS組成，靜平臺和動平臺通過3組連桿和滑塊相連，靜平臺和滑塊之間采用移動副，滑塊與連桿之間采用轉(zhuǎn)動副，連桿與動平臺之間采用球鉸副(見圖1)。

圖1　并聯(lián)機器人機構(gòu)簡圖

整個模型通過滑塊在固定導(dǎo)軌上的移動來改變動平臺的位置和姿態(tài)，該并聯(lián)機器人能實現(xiàn)一平移二轉(zhuǎn)動的運動輸出[1-3]。

2　3-PRS虛擬樣機實體建模設(shè)計

3-PRS虛擬樣機為框架式結(jié)構(gòu)，由靜平臺組件、導(dǎo)軌-傳動組件、動平臺組件和支鏈組件等主要部件組成。通過特殊設(shè)計的導(dǎo)軌-傳動體組件，將滾珠絲杠的運動與滑塊聯(lián)系起來，帶動連桿與球鉸的運動，實現(xiàn)動平臺的空間運動。絲杠的運動傳遞與連接形式、動平臺和定平臺等是設(shè)計的重點[4]。

2.1導(dǎo)軌-傳動體組件

導(dǎo)軌-傳動體組件是3-PRS并聯(lián)機器人中關(guān)鍵的運動傳遞部件，由梁、傳動體和2根導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌固定在梁上。傳動體為特殊設(shè)計的構(gòu)件，它包括絲杠和滑塊，滑塊中部與滾珠絲杠連接，兩端孔與導(dǎo)軌進行同心配合，上部分與支鏈組件進行轉(zhuǎn)動副連接，下底面與梁平行移動。導(dǎo)軌-傳動體組件的模型組件見圖2。

圖2　傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機器人模型裝配過程

2.2靜平臺組件

靜平臺是滾珠絲桿、導(dǎo)軌、伺服電機的安裝平臺，由上下固定板、支板、導(dǎo)軌-傳動體組件等組成，3個導(dǎo)軌-傳動體組件的安裝呈110°。靜平臺組件的模型如圖2所示。

2.3支鏈組件

支鏈組件是機構(gòu)中連接上下平臺的重要組件，也是傳遞運動的中間紐帶。支鏈組件下端通過同心配合連接滑塊，上端通過球鉸與靜平臺連接。支鏈組件的模型如圖2所示。

2.4動平臺組件

動平臺是主軸電機、刀具或測頭的安裝平臺，是比較重要的部件。動平臺的質(zhì)量和體積應(yīng)該盡量小，否則會增大機構(gòu)的運動質(zhì)量。動平臺組件的模型如圖2所示。

2.5虛擬樣機的裝配及運動檢查

在3-PRS并聯(lián)機器人的裝配中需要注意的是，對導(dǎo)軌-傳動體等運動部件不能用零部件陣列功能，否則會使完成的裝配體中的運動部件不能運動，無法進行運動檢查，也不能進行運動學(xué)和動力學(xué)分析。裝配過程如圖2所示。

裝配完成后，可以利用裝配環(huán)境的移動功能檢查機構(gòu)是否能正常運動。如果發(fā)現(xiàn)有問題，應(yīng)該及時檢查約束配合部分是否有問題。

該模型的建立能真實地反映出并聯(lián)機器人各部分零件的具體結(jié)構(gòu)，為機器人設(shè)計制造提供第一手的圖紙資料。

3　基于Adams的并聯(lián)機器人的運動學(xué)仿真

并聯(lián)機器人運動學(xué)仿真的目的是為了檢查各部件與運動副之間的相對運動關(guān)系，驗證機構(gòu)設(shè)計的正確性以及各支鏈之間是否會產(chǎn)生干涉，并且考察并聯(lián)機器人系統(tǒng)的速度和加速度特性。

3.1仿真流程

Adams的仿真一般分為以下幾個步驟：首先，建立機器人機構(gòu)模型；其次，利用Adams軟件自帶的約束庫對機構(gòu)的運動副添加約束；最后，在驅(qū)動副上添加驅(qū)動并設(shè)置驅(qū)動參數(shù)。本文采用SolidWorks軟件進行建模和裝配，再將模型導(dǎo)入到Adams軟件中進行仿真，其仿真流程圖[5]如圖3所示。

圖3　仿真流程圖

3.2簡化模型和仿真

為了提高仿真的精度和效率，有必要對所建的模型進行簡化處理。在不改變機構(gòu)自由度的前提下，多個零件固結(jié)在一起簡化為1個零件，并且盡可能地簡化運動副的結(jié)構(gòu)和動平臺及靜平臺的構(gòu)造，降低仿真計算過程中的誤差，最后忽略整個模型的重力。圖4即為機器人機構(gòu)的簡化模型圖。簡化后模型由動平臺和靜平臺(機架)及3個相同支鏈組成，其中靜平臺為三角錐的雙層結(jié)構(gòu)，三角錐的上下面均為正三角形，同理動平臺也為正三角形結(jié)構(gòu)，驅(qū)動滑塊布置在靜平臺3個傾斜的導(dǎo)軌上，實現(xiàn)對整個機器人的驅(qū)動，實際設(shè)計用滾珠絲杠驅(qū)動。

3.3仿真的實現(xiàn)

對簡化的模型添加約束和驅(qū)動，導(dǎo)軌與滑塊之間為移動副，滑塊與連桿之間為轉(zhuǎn)動副，連桿與動平臺之間為球副，驅(qū)動則加在3個移動副上(見圖4)。

圖4　簡化的模型圖

對于傾斜導(dǎo)軌式3-PRS并聯(lián)機器人的運動學(xué)正解分析，已知驅(qū)動滑塊運動規(guī)律，求解動平臺的位置或者姿態(tài)。

假設(shè)：靜平臺上三角邊長為1 020 mm；靜平臺下三角邊長為300 mm；動平臺三角邊長為340 mm；連桿長度為800 mm；導(dǎo)軌長度為877.5 mm。另外，給定滑塊驅(qū)動函數(shù)分別為：①MOTION_1為60*cos(0.1*time);②MOTION_2為80*cos(0.1*time);③MOTION_3為100*cos(0.1*time)。

經(jīng)過仿真后處理，可以得出如圖5所示動平臺參考點上的運動規(guī)律圖。

通過仿真圖可知：當(dāng)給定的滑塊運動規(guī)律為余弦函數(shù)時，動平臺的加速度曲線為光滑的連續(xù)曲線，不存在突變。因此，運動特性較好，沒有慣性沖擊，是一種較為理想的機器人機構(gòu)。

(a)x方向位置圖

(b)y方向位置圖

(c)z方向位置圖

(d)x方向速度圖

(e)y方向速度圖

(f)z方向速度圖

(g)x方向加速度圖

(h)y方向加速度圖

(i)z方向加速度圖

圖5仿真特性曲線圖

4　結(jié)論

本文以3-PRS并聯(lián)機器人機構(gòu)為研究對象，改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，將驅(qū)動滑塊布置在傾斜導(dǎo)軌上來提高滑塊的行程。

1)在SolidWorks平臺上對3-PRS并聯(lián)機器人實現(xiàn)了三維實體設(shè)計，在設(shè)計上進行了結(jié)構(gòu)的細化，采用滾珠絲杠驅(qū)動，從中可以觀察出該并聯(lián)機器人機構(gòu)的具體構(gòu)造和構(gòu)件之間的連接方式。

2)將機器人機構(gòu)的模型進行簡化并導(dǎo)入到Adams軟件中，通過仿真獲得動平臺上參考點的位移、速度和加速度曲線。驗證和考察了該并聯(lián)機器人機構(gòu)的工作原理和運動特性，為該機器人機構(gòu)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]葛勝蘭.3PRS并聯(lián)機器人運動仿真的實現(xiàn)[J].機械研究與應(yīng)用，2006，19(4):82-83.

[2]金瓊.過約束機構(gòu)與欠秩并聯(lián)機器人機構(gòu)研究[D].南京：東南大學(xué)，2001.

[3]黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社,1997.

[4]劉峰,陳文凱.3自由度并聯(lián)機器人的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2006(1)：9-10.

[5]李增剛.Adams入門詳解與實例[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

責(zé)任編輯：陳亮

Design and Analysis on a 3-PRS Parallel Robot with Inclined Guide Rail Based on the Virtual Prototype

The 3-PRS parallel robot was studied and three driving sliders were arranged with inclined guide rails.Modeling,simulation,kinematic analysis of parallel robot were carried out on the ADAMS platform by using virtual prototype technology to obtain the motion characteristic curve of the mechanism,which provided a theoretical basis for parallel robot mechanism development and potential industrial application.

3-PRS;parallel robot;kinematics simulation

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.009

2016- 06- 01

黃秀琴(1969—)，女，副教授。

TP242

A

1671- 0436(2016)04- 0039- 04