破拆機(jī)器人液壓手腕的剛?cè)狁詈戏治?/h1>
2019-01-10 09:04:26汪世益徐必勇
李 亮，汪世益，徐必勇
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破拆機(jī)器人液壓手腕的剛?cè)狁詈戏治?/p>
*李 亮1，汪世益1，徐必勇2
（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽，馬鞍山 243002；2.安徽驚天液壓智控股份有限公司，安徽，馬鞍山 243000）
液壓手腕是針對(duì)破拆機(jī)器人多功能需求研發(fā)出的一種新型快換裝置，其可以根據(jù)需要進(jìn)行擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)在不同工況下工作。液壓手腕裝置和其連接的機(jī)械臂在制動(dòng)時(shí)具有很大的制動(dòng)加速度，從而產(chǎn)生較大的沖擊力，此沖擊力對(duì)液壓手腕裝置的強(qiáng)度影響較大。本文基于HyperMesh和ADAMS軟件建立了某破拆機(jī)器人液壓手腕剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分別分析了不同制動(dòng)加速度對(duì)相對(duì)薄弱的上連接架的強(qiáng)度影響。分析結(jié)果表明，制動(dòng)加速度對(duì)液壓手腕裝置的上連接架強(qiáng)度影響最大，此結(jié)果為液壓手腕裝置的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)，并為機(jī)械臂和液壓手腕裝置操作規(guī)范的制定提供理論依據(jù)。
液壓手腕；剛?cè)狁詈?；慣性沖擊
0 前言
液壓手腕是集機(jī)、電、液于一體的新型快換裝置，安裝于機(jī)械臂和下接屬具之間，用于不同屬具間的快速更換，它是快換裝置發(fā)展過(guò)程中的第二代，科技含量高，是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械的新成果[1-3]。液壓手腕的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。
圖1 結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖
圖2 液壓手腕結(jié)構(gòu)圖
液壓手腕裝置主要由兩個(gè)結(jié)構(gòu)部分組成，分別為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。上連接架1、擺動(dòng)油缸2與箱體3構(gòu)成擺動(dòng)機(jī)構(gòu)部分，通過(guò)擺動(dòng)油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)下接屬具的擺動(dòng)；蝸輪5、蝸桿6傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在箱體3內(nèi)部，下連接架8通過(guò)螺栓固定在蝸輪5上，從而構(gòu)成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分。其主要功能特點(diǎn)是利用擺動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)下接屬具的±40°擺動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)下接屬具的±360°旋轉(zhuǎn)，具有兩個(gè)自由度，此裝置可以通過(guò)下連接架與破碎錘、挖斗、抓斗、液壓剪等不同屬具快速更換，不僅實(shí)現(xiàn)主機(jī)的多功能性，同時(shí)大大提高工程機(jī)械的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。由于液壓手腕在工作時(shí)需要頻繁啟制動(dòng)，工作載荷較大，易產(chǎn)生較大的慣性沖擊，而傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)往往只進(jìn)行靜強(qiáng)度的校核，從而忽略了慣性沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[4-5]。為了保證液壓手腕操作過(guò)程中的安全可靠性，減少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，本文以驚天液壓公司生產(chǎn)的GTR50型液壓手腕的整體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)剛?cè)狁詈戏治黾夹g(shù)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，從而得到不同工況和制動(dòng)加速度下上連接架的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，對(duì)于液壓手腕的性能分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 剛?cè)狁詈戏治鼋?/h2>
剛?cè)狁詈戏治鰰r(shí)，把所有構(gòu)件柔性化處理進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治龈咏鼘?shí)際情況，但是無(wú)疑大大增加了求解所需資源，帶來(lái)不必要的麻煩，由于液壓手腕上連接架在工作過(guò)程中受力狀態(tài)更為惡劣，慣性沖擊對(duì)其影響更大，所以選取上連接架進(jìn)行柔性化處理。由于液壓手腕下接屬具較多，這里選取較為典型且載荷相對(duì)較大的抓取工況作為其作業(yè)工況。抓斗選取驚天液壓公司的28-ST型，抓取最大載荷為500 kg，以此對(duì)液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治觥?/p>
剛?cè)狁詈戏治鰰r(shí)，建立柔性體主要有兩種方法[6-7]，一種是利用軟件自身的ADMAS/Flex模塊進(jìn)行柔性體的創(chuàng)建，該方法存在諸多不足之處，比如所建柔性體網(wǎng)格比較粗糙、計(jì)算精度較低、創(chuàng)建過(guò)程比較復(fù)雜容易出錯(cuò)等；另一種方法是采用模態(tài)中性文件法，通過(guò)在有限元將構(gòu)建劃分成細(xì)小的網(wǎng)格，然后再對(duì)其進(jìn)行模態(tài)求解，并保存輸出模態(tài)中性MNF文件（Modal Neutral File），再讀入ADAMS中即可[8-9]。本文選擇第二種方法，利用HyperMesh軟件中的Radioss模塊獲取模態(tài)中性文件，并導(dǎo)入到ADAMS中建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?。主要分析流程如圖3所示。
圖3 剛?cè)狁詈戏治隽鞒虉D
從圖中可以看出，剛?cè)狁詈系姆治鲋饕瓿蓛蓚€(gè)獨(dú)立的步驟，一個(gè)是建立三維實(shí)體模型，然后把各部件通過(guò)X_T格式導(dǎo)入到ADAMS中建立多剛體動(dòng)力學(xué)模型，二是把需要柔性化的部件通過(guò)IGS格式導(dǎo)入到HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分、賦值材料屬性、定義控制卡片等前處理，然后再提交Radioss進(jìn)行求解中性文件MNF，并把中性文件導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行剛?cè)崽鎿Q處理，最后通過(guò)重新添加柔性體構(gòu)件的約束，即建立好剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型。
HyperMesh輸出模態(tài)中性文件MNF的詳細(xì)步驟如下：
（1）對(duì)上連接架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
（2）定義材料屬性。為了保證HyperMesh與ADAMS之間的單位制一致，重新對(duì)上連接架進(jìn)行屬性定義，定義其材料彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.28，密度7.85×106Kg/mm3。
（3）連接點(diǎn)的創(chuàng)建。連接點(diǎn)是指柔性體和剛性體進(jìn)行連接裝配時(shí)所用到的節(jié)點(diǎn)，它是柔性體導(dǎo)入到ADAMS時(shí)唯一被ADAMS識(shí)別的節(jié)點(diǎn)。連接點(diǎn)在銷孔的圓心處創(chuàng)建，以連接點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，銷孔內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)建立rbe2剛性單元，并約束連接點(diǎn)六個(gè)自由度。
（4）后處理控制卡片的設(shè)置。在HyperMesh中創(chuàng)建Load Collector載荷卡片和Control Card控制卡片，其設(shè)置見(jiàn)表1。
表1 HyperMesh載荷卡片和控制卡片設(shè)置
Table 1 HyperMesh load card and control card Settings
（5）提交Radioss求解，得到MNF文件。
建立好的液壓手腕剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D4所示。
圖4 快捷液壓手腕剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>
2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真
液壓手腕在進(jìn)行抓取作業(yè)時(shí)，需要頻繁的擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，取三種工況進(jìn)行仿真分析，工況一為擺動(dòng)到最高點(diǎn)制動(dòng)，工況二為擺到最高點(diǎn)返回最低點(diǎn)制動(dòng)，工況三為旋轉(zhuǎn)制動(dòng)。在三種分析工況下選取不同制動(dòng)時(shí)間，查看不同制動(dòng)加速度所產(chǎn)生的慣性沖擊對(duì)上連接架強(qiáng)度的影響。液壓手腕位于破拆機(jī)器人末端位置，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)行速度較大，制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的慣性沖擊，因此在機(jī)械臂快速下降制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)制動(dòng)兩種工況下對(duì)快捷液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?。本文所選破拆機(jī)器人機(jī)械臂為課題小組成員設(shè)計(jì)的新型機(jī)械臂。
2.1 擺到最高點(diǎn)制動(dòng)仿真
液壓手腕擺動(dòng)到最高點(diǎn)也就是最大角度，分別以1，0.5，0.25和0.1 s不同制動(dòng)時(shí)間進(jìn)行制動(dòng)，使用AMDAS系統(tǒng)中提供的step()階躍函數(shù)可以模擬液壓缸中活塞桿伸縮的運(yùn)動(dòng)[6]，本文活塞桿伸縮速度通過(guò)理論計(jì)算取為100 mm/s，以此對(duì)液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)后處理可以查看任意節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，分別取不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖5所示，其節(jié)點(diǎn)所在位置如圖6所示。
圖5 節(jié)點(diǎn)109877不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖6 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖6可以看出最大應(yīng)力值點(diǎn)在銷軸連接位置，此時(shí)液壓手腕擺動(dòng)到最高位置，此處所受彎矩為最大。由圖5可以看出，在突然制動(dòng)時(shí)應(yīng)力值會(huì)有所減小，這是因?yàn)樵跀[到最高位置的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)所受為拉應(yīng)力，突然制動(dòng)時(shí)，由于慣性的作用，導(dǎo)致應(yīng)力會(huì)有一定的減小，然后迅速增大，符合實(shí)際情況。制動(dòng)時(shí)間為1 s和0.5 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響不大，應(yīng)力值分別為123 MPa和123.7 MPa；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.25 s時(shí)，最大應(yīng)力值為126.5 MPa，應(yīng)力值出現(xiàn)小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.1 s時(shí)，應(yīng)力值先減小到很小又突然增加至最大168.5 MPa，出現(xiàn)較大波動(dòng)最后趨于穩(wěn)定。
2.2 擺回到最低點(diǎn)制動(dòng)仿真
液壓手腕擺到最高點(diǎn)又返回最低點(diǎn)進(jìn)行制動(dòng)，同樣分別以1，0.5，0.25和0.1 s不同制動(dòng)時(shí)間制動(dòng)，仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊，不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖7所示，其節(jié)點(diǎn)所在位置如圖8所示。
圖7 節(jié)點(diǎn)109808不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖8 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖8可以看出最大應(yīng)力值點(diǎn)也在銷軸連接位置，同樣此時(shí)液壓手腕擺動(dòng)到最高位置，此處所受彎矩為最大。由圖7可以看出，制動(dòng)時(shí)間為1 s和0.5 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響不大，應(yīng)力最大值都發(fā)生在最高點(diǎn)位置，為124.5 MPa；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.25 s時(shí)，最大應(yīng)力值也發(fā)生在最高點(diǎn)位置為124.5 MPa，應(yīng)力值出現(xiàn)小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.1 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響顯著，最大應(yīng)力值增至160.7 MPa并伴隨著波動(dòng)趨于穩(wěn)定。
2.3 回轉(zhuǎn)制動(dòng)仿真
回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)液壓缸位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)修改為0* time，分別選取四個(gè)制動(dòng)時(shí)間為0.4，0.2，0.1和0.05 s，由于蝸輪轉(zhuǎn)速為12/min，根據(jù)傳動(dòng)比可以算出蝸桿的轉(zhuǎn)速為2736/，查看后處理結(jié)果，不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖9所示，其節(jié)點(diǎn)所在位置如圖10所示。
圖9 節(jié)點(diǎn)98896不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖10 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖10可以看出最大應(yīng)力值點(diǎn)位于上連接架一焊接位置，此位置為角點(diǎn)位置，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由圖9可以看出，制動(dòng)時(shí)間為0.4 s和0.2 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響不大，應(yīng)力最大值從11.5 MPa分別增至20.6 MPa和26.2 MPa；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.1 s時(shí)，最大應(yīng)力值增至37.8 MPa，應(yīng)力值出現(xiàn)小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.05 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響顯著，最大應(yīng)力值增至62.6 MPa并伴隨著波動(dòng)趨于穩(wěn)定。
2.4 機(jī)械臂制動(dòng)仿真
液壓手腕位于破拆機(jī)器人末端位置，由于機(jī)械臂較長(zhǎng)，當(dāng)快速制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊，所以考慮機(jī)械臂制動(dòng)對(duì)液壓手腕上連接架強(qiáng)度的影響，可分為機(jī)械臂下降制動(dòng)和機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)。機(jī)械臂下降制動(dòng)時(shí)，大臂油缸以100 mm/s運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重物下降到水平位置時(shí)，快速制動(dòng)，仿真工況重物運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示；機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，重物處于水平，重物距離回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)以最大回轉(zhuǎn)速度24°/s制動(dòng)，仿真工況重物運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示。
圖11 機(jī)械臂快速下降制動(dòng)軌跡圖圖
圖12 機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)軌跡圖
通過(guò)后處理查看，兩種機(jī)械臂制動(dòng)工況下，不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖13和圖14所示，其節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)位置如圖15所示。
圖13 節(jié)點(diǎn)37518不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖14 節(jié)點(diǎn)49835不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖15 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖15可以看出下降制動(dòng)的最大應(yīng)力值點(diǎn)位于上連接架一焊接位置，制動(dòng)瞬時(shí)，此處所受彎矩最大，又為角點(diǎn)位移，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)瞬時(shí)，此處所受彎矩為最大。由圖13和圖14 可以看出，隨著制動(dòng)時(shí)間的減小，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值的影響快速增加，當(dāng)機(jī)械臂下降制動(dòng)時(shí)間為0.05 s，機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間為0.2 s時(shí)，最大應(yīng)力值增至最大，分別為517.8 MPa和547.8 MPa。并伴隨著波動(dòng)趨于穩(wěn)定，此時(shí)大大超出材料屈服極限345 MPa，應(yīng)避免此種情況的發(fā)生。
3 總結(jié)
采用HyperMesh和ADAMS軟件對(duì)破拆機(jī)器人液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治?，仿真結(jié)果表明：
（1）在制動(dòng)過(guò)程中，柔性上連接架存在慣性沖擊，制動(dòng)時(shí)間越短，慣性沖擊越大，應(yīng)力幅值波動(dòng)也越大。
（2）液壓手腕自身快速制動(dòng)時(shí)，上連接架應(yīng)力值最大為168.5MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。
（3）機(jī)械臂進(jìn)行快速制動(dòng)時(shí)，上連接架的應(yīng)力值最大達(dá)到547.8MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，這是因?yàn)闄C(jī)械臂較長(zhǎng)，突然制動(dòng)對(duì)液壓手腕慣性沖擊影響巨大，應(yīng)盡量避免此種情況的發(fā)生。
通過(guò)對(duì)液壓手腕的剛?cè)狁詈戏治觯梢詾槠浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論依據(jù)，并為液壓手腕和機(jī)械臂操作規(guī)范的制定提供理論依據(jù)，也為解決同類共性問(wèn)題提供一定的參考價(jià)值。
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Rigid-flexible coupling analysis on hydraulic wrist of demolition robot
*LI Liang1, WANG Shi-yi1, XU Bi-yong2
(1.Anhui University of Technology, Maanshan, Anhui 243002, China;2.Giant Intelligent Equipment Co.Ltd, Maanshan, Anhui 243041,China)
Hydraulic wrist is a new type of quick change device which is based on the demand of the demolition robot.It can swing and rotate according to the demand.Because of the great acceleration of the hydraulic wrist and the mechanical arm, the impact force is larger, which has a great influence on the strength of the wrist device.In this paper, based on HyperMesh and ADAMS software, the rigid flexible coupling model of a robot is established, and the influence of different braking time on the strength of the upper connecting frame is analyzed.The results show that the different braking acceleration has a great influence on the strength of the upper connecting frame, which provides a theoretical basis not only for the design and improvement of the hydraulic wrist, but also for the operation of the mechanical arm and the hydraulic wrist.
hydraulic wrist; rigid-flexible coupling; inertial impact
TP242
A
10.3969/j.issn.1674-8085.2018.06.011
2017-04-23；
2018-10-12
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAK06B02）
*李 亮(1991-)，男，安徽亳州人，碩士生，主要從液壓手腕的設(shè)計(jì)與仿真研究(E-mail:805994805@qq.com);
汪世益(1963-)，男，安徽桐城人，教授，博士，主要從事數(shù)控技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)，電液比例伺服控制技術(shù)，工程機(jī)械液壓傳動(dòng)與控制研究(E-mail:195788924@qq.com);
徐必勇(1977-)，男，安徽滁州人，研究員，碩士，主要從事工程機(jī)器人的研發(fā)(E-mail:xubiyong@163.com).
1674-8085(2018)06-0061-06
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李 亮，汪世益，徐必勇
?
破拆機(jī)器人液壓手腕的剛?cè)狁詈戏治?/p>
*李 亮1，汪世益1，徐必勇2
（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽，馬鞍山 243002；2.安徽驚天液壓智控股份有限公司，安徽，馬鞍山 243000）
液壓手腕是針對(duì)破拆機(jī)器人多功能需求研發(fā)出的一種新型快換裝置，其可以根據(jù)需要進(jìn)行擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)在不同工況下工作。液壓手腕裝置和其連接的機(jī)械臂在制動(dòng)時(shí)具有很大的制動(dòng)加速度，從而產(chǎn)生較大的沖擊力，此沖擊力對(duì)液壓手腕裝置的強(qiáng)度影響較大。本文基于HyperMesh和ADAMS軟件建立了某破拆機(jī)器人液壓手腕剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分別分析了不同制動(dòng)加速度對(duì)相對(duì)薄弱的上連接架的強(qiáng)度影響。分析結(jié)果表明，制動(dòng)加速度對(duì)液壓手腕裝置的上連接架強(qiáng)度影響最大，此結(jié)果為液壓手腕裝置的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)，并為機(jī)械臂和液壓手腕裝置操作規(guī)范的制定提供理論依據(jù)。
液壓手腕；剛?cè)狁詈?；慣性沖擊
0 前言
液壓手腕是集機(jī)、電、液于一體的新型快換裝置，安裝于機(jī)械臂和下接屬具之間，用于不同屬具間的快速更換，它是快換裝置發(fā)展過(guò)程中的第二代，科技含量高，是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械的新成果[1-3]。液壓手腕的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。
圖1 結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖
圖2 液壓手腕結(jié)構(gòu)圖
液壓手腕裝置主要由兩個(gè)結(jié)構(gòu)部分組成，分別為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。上連接架1、擺動(dòng)油缸2與箱體3構(gòu)成擺動(dòng)機(jī)構(gòu)部分，通過(guò)擺動(dòng)油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)下接屬具的擺動(dòng)；蝸輪5、蝸桿6傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在箱體3內(nèi)部，下連接架8通過(guò)螺栓固定在蝸輪5上，從而構(gòu)成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分。其主要功能特點(diǎn)是利用擺動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)下接屬具的±40°擺動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)下接屬具的±360°旋轉(zhuǎn)，具有兩個(gè)自由度，此裝置可以通過(guò)下連接架與破碎錘、挖斗、抓斗、液壓剪等不同屬具快速更換，不僅實(shí)現(xiàn)主機(jī)的多功能性，同時(shí)大大提高工程機(jī)械的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。由于液壓手腕在工作時(shí)需要頻繁啟制動(dòng)，工作載荷較大，易產(chǎn)生較大的慣性沖擊，而傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)往往只進(jìn)行靜強(qiáng)度的校核，從而忽略了慣性沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[4-5]。為了保證液壓手腕操作過(guò)程中的安全可靠性，減少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，本文以驚天液壓公司生產(chǎn)的GTR50型液壓手腕的整體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)剛?cè)狁詈戏治黾夹g(shù)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，從而得到不同工況和制動(dòng)加速度下上連接架的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，對(duì)于液壓手腕的性能分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 剛?cè)狁詈戏治鼋?/h2>
剛?cè)狁詈戏治鰰r(shí)，把所有構(gòu)件柔性化處理進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治龈咏鼘?shí)際情況，但是無(wú)疑大大增加了求解所需資源，帶來(lái)不必要的麻煩，由于液壓手腕上連接架在工作過(guò)程中受力狀態(tài)更為惡劣，慣性沖擊對(duì)其影響更大，所以選取上連接架進(jìn)行柔性化處理。由于液壓手腕下接屬具較多，這里選取較為典型且載荷相對(duì)較大的抓取工況作為其作業(yè)工況。抓斗選取驚天液壓公司的28-ST型，抓取最大載荷為500 kg，以此對(duì)液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治觥?/p>
剛?cè)狁詈戏治鰰r(shí)，建立柔性體主要有兩種方法[6-7]，一種是利用軟件自身的ADMAS/Flex模塊進(jìn)行柔性體的創(chuàng)建，該方法存在諸多不足之處，比如所建柔性體網(wǎng)格比較粗糙、計(jì)算精度較低、創(chuàng)建過(guò)程比較復(fù)雜容易出錯(cuò)等；另一種方法是采用模態(tài)中性文件法，通過(guò)在有限元將構(gòu)建劃分成細(xì)小的網(wǎng)格，然后再對(duì)其進(jìn)行模態(tài)求解，并保存輸出模態(tài)中性MNF文件（Modal Neutral File），再讀入ADAMS中即可[8-9]。本文選擇第二種方法，利用HyperMesh軟件中的Radioss模塊獲取模態(tài)中性文件，并導(dǎo)入到ADAMS中建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?。主要分析流程如圖3所示。
圖3 剛?cè)狁詈戏治隽鞒虉D
從圖中可以看出，剛?cè)狁詈系姆治鲋饕瓿蓛蓚€(gè)獨(dú)立的步驟，一個(gè)是建立三維實(shí)體模型，然后把各部件通過(guò)X_T格式導(dǎo)入到ADAMS中建立多剛體動(dòng)力學(xué)模型，二是把需要柔性化的部件通過(guò)IGS格式導(dǎo)入到HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分、賦值材料屬性、定義控制卡片等前處理，然后再提交Radioss進(jìn)行求解中性文件MNF，并把中性文件導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行剛?cè)崽鎿Q處理，最后通過(guò)重新添加柔性體構(gòu)件的約束，即建立好剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型。
HyperMesh輸出模態(tài)中性文件MNF的詳細(xì)步驟如下：
（1）對(duì)上連接架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
（2）定義材料屬性。為了保證HyperMesh與ADAMS之間的單位制一致，重新對(duì)上連接架進(jìn)行屬性定義，定義其材料彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.28，密度7.85×106Kg/mm3。
（3）連接點(diǎn)的創(chuàng)建。連接點(diǎn)是指柔性體和剛性體進(jìn)行連接裝配時(shí)所用到的節(jié)點(diǎn)，它是柔性體導(dǎo)入到ADAMS時(shí)唯一被ADAMS識(shí)別的節(jié)點(diǎn)。連接點(diǎn)在銷孔的圓心處創(chuàng)建，以連接點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，銷孔內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)建立rbe2剛性單元，并約束連接點(diǎn)六個(gè)自由度。
（4）后處理控制卡片的設(shè)置。在HyperMesh中創(chuàng)建Load Collector載荷卡片和Control Card控制卡片，其設(shè)置見(jiàn)表1。
表1 HyperMesh載荷卡片和控制卡片設(shè)置
Table 1 HyperMesh load card and control card Settings
（5）提交Radioss求解，得到MNF文件。
建立好的液壓手腕剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D4所示。
圖4 快捷液壓手腕剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>
2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真
液壓手腕在進(jìn)行抓取作業(yè)時(shí)，需要頻繁的擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，取三種工況進(jìn)行仿真分析，工況一為擺動(dòng)到最高點(diǎn)制動(dòng)，工況二為擺到最高點(diǎn)返回最低點(diǎn)制動(dòng)，工況三為旋轉(zhuǎn)制動(dòng)。在三種分析工況下選取不同制動(dòng)時(shí)間，查看不同制動(dòng)加速度所產(chǎn)生的慣性沖擊對(duì)上連接架強(qiáng)度的影響。液壓手腕位于破拆機(jī)器人末端位置，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)行速度較大，制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的慣性沖擊，因此在機(jī)械臂快速下降制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)制動(dòng)兩種工況下對(duì)快捷液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?。本文所選破拆機(jī)器人機(jī)械臂為課題小組成員設(shè)計(jì)的新型機(jī)械臂。
2.1 擺到最高點(diǎn)制動(dòng)仿真
液壓手腕擺動(dòng)到最高點(diǎn)也就是最大角度，分別以1，0.5，0.25和0.1 s不同制動(dòng)時(shí)間進(jìn)行制動(dòng)，使用AMDAS系統(tǒng)中提供的step()階躍函數(shù)可以模擬液壓缸中活塞桿伸縮的運(yùn)動(dòng)[6]，本文活塞桿伸縮速度通過(guò)理論計(jì)算取為100 mm/s，以此對(duì)液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)后處理可以查看任意節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，分別取不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖5所示，其節(jié)點(diǎn)所在位置如圖6所示。
圖5 節(jié)點(diǎn)109877不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖6 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖6可以看出最大應(yīng)力值點(diǎn)在銷軸連接位置，此時(shí)液壓手腕擺動(dòng)到最高位置，此處所受彎矩為最大。由圖5可以看出，在突然制動(dòng)時(shí)應(yīng)力值會(huì)有所減小，這是因?yàn)樵跀[到最高位置的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)所受為拉應(yīng)力，突然制動(dòng)時(shí)，由于慣性的作用，導(dǎo)致應(yīng)力會(huì)有一定的減小，然后迅速增大，符合實(shí)際情況。制動(dòng)時(shí)間為1 s和0.5 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響不大，應(yīng)力值分別為123 MPa和123.7 MPa；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.25 s時(shí)，最大應(yīng)力值為126.5 MPa，應(yīng)力值出現(xiàn)小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.1 s時(shí)，應(yīng)力值先減小到很小又突然增加至最大168.5 MPa，出現(xiàn)較大波動(dòng)最后趨于穩(wěn)定。
2.2 擺回到最低點(diǎn)制動(dòng)仿真
液壓手腕擺到最高點(diǎn)又返回最低點(diǎn)進(jìn)行制動(dòng)，同樣分別以1，0.5，0.25和0.1 s不同制動(dòng)時(shí)間制動(dòng)，仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊，不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖7所示，其節(jié)點(diǎn)所在位置如圖8所示。
圖7 節(jié)點(diǎn)109808不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖8 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖8可以看出最大應(yīng)力值點(diǎn)也在銷軸連接位置，同樣此時(shí)液壓手腕擺動(dòng)到最高位置，此處所受彎矩為最大。由圖7可以看出，制動(dòng)時(shí)間為1 s和0.5 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響不大，應(yīng)力最大值都發(fā)生在最高點(diǎn)位置，為124.5 MPa；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.25 s時(shí)，最大應(yīng)力值也發(fā)生在最高點(diǎn)位置為124.5 MPa，應(yīng)力值出現(xiàn)小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.1 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響顯著，最大應(yīng)力值增至160.7 MPa并伴隨著波動(dòng)趨于穩(wěn)定。
2.3 回轉(zhuǎn)制動(dòng)仿真
回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)液壓缸位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)修改為0* time，分別選取四個(gè)制動(dòng)時(shí)間為0.4，0.2，0.1和0.05 s，由于蝸輪轉(zhuǎn)速為12/min，根據(jù)傳動(dòng)比可以算出蝸桿的轉(zhuǎn)速為2736/，查看后處理結(jié)果，不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖9所示，其節(jié)點(diǎn)所在位置如圖10所示。
圖9 節(jié)點(diǎn)98896不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖10 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖10可以看出最大應(yīng)力值點(diǎn)位于上連接架一焊接位置，此位置為角點(diǎn)位置，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由圖9可以看出，制動(dòng)時(shí)間為0.4 s和0.2 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響不大，應(yīng)力最大值從11.5 MPa分別增至20.6 MPa和26.2 MPa；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.1 s時(shí)，最大應(yīng)力值增至37.8 MPa，應(yīng)力值出現(xiàn)小幅波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為0.05 s時(shí)，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值影響顯著，最大應(yīng)力值增至62.6 MPa并伴隨著波動(dòng)趨于穩(wěn)定。
2.4 機(jī)械臂制動(dòng)仿真
液壓手腕位于破拆機(jī)器人末端位置，由于機(jī)械臂較長(zhǎng)，當(dāng)快速制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊，所以考慮機(jī)械臂制動(dòng)對(duì)液壓手腕上連接架強(qiáng)度的影響，可分為機(jī)械臂下降制動(dòng)和機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)。機(jī)械臂下降制動(dòng)時(shí)，大臂油缸以100 mm/s運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重物下降到水平位置時(shí)，快速制動(dòng)，仿真工況重物運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示；機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，重物處于水平，重物距離回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)以最大回轉(zhuǎn)速度24°/s制動(dòng)，仿真工況重物運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示。
圖11 機(jī)械臂快速下降制動(dòng)軌跡圖圖
圖12 機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)軌跡圖
通過(guò)后處理查看，兩種機(jī)械臂制動(dòng)工況下，不同制動(dòng)時(shí)間下的高應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖13和圖14所示，其節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)位置如圖15所示。
圖13 節(jié)點(diǎn)37518不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖14 節(jié)點(diǎn)49835不同制動(dòng)時(shí)間下應(yīng)力時(shí)間歷程曲線
圖15 最大熱點(diǎn)應(yīng)力值所在位置
由圖15可以看出下降制動(dòng)的最大應(yīng)力值點(diǎn)位于上連接架一焊接位置，制動(dòng)瞬時(shí)，此處所受彎矩最大，又為角點(diǎn)位移，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)瞬時(shí)，此處所受彎矩為最大。由圖13和圖14 可以看出，隨著制動(dòng)時(shí)間的減小，慣性沖擊對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值的影響快速增加，當(dāng)機(jī)械臂下降制動(dòng)時(shí)間為0.05 s，機(jī)械臂回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間為0.2 s時(shí)，最大應(yīng)力值增至最大，分別為517.8 MPa和547.8 MPa。并伴隨著波動(dòng)趨于穩(wěn)定，此時(shí)大大超出材料屈服極限345 MPa，應(yīng)避免此種情況的發(fā)生。
3 總結(jié)
采用HyperMesh和ADAMS軟件對(duì)破拆機(jī)器人液壓手腕進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治?，仿真結(jié)果表明：
（1）在制動(dòng)過(guò)程中，柔性上連接架存在慣性沖擊，制動(dòng)時(shí)間越短，慣性沖擊越大，應(yīng)力幅值波動(dòng)也越大。
（2）液壓手腕自身快速制動(dòng)時(shí)，上連接架應(yīng)力值最大為168.5MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。
（3）機(jī)械臂進(jìn)行快速制動(dòng)時(shí)，上連接架的應(yīng)力值最大達(dá)到547.8MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，這是因?yàn)闄C(jī)械臂較長(zhǎng)，突然制動(dòng)對(duì)液壓手腕慣性沖擊影響巨大，應(yīng)盡量避免此種情況的發(fā)生。
通過(guò)對(duì)液壓手腕的剛?cè)狁詈戏治觯梢詾槠浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論依據(jù)，并為液壓手腕和機(jī)械臂操作規(guī)范的制定提供理論依據(jù)，也為解決同類共性問(wèn)題提供一定的參考價(jià)值。
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[9] 喬紅嬌．基于多體動(dòng)力學(xué)和有限元法聯(lián)合仿真的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法研究[D]．合肥工業(yè)大學(xué),2013,4．
Rigid-flexible coupling analysis on hydraulic wrist of demolition robot
*LI Liang1, WANG Shi-yi1, XU Bi-yong2
(1.Anhui University of Technology, Maanshan, Anhui 243002, China;2.Giant Intelligent Equipment Co.Ltd, Maanshan, Anhui 243041,China)
Hydraulic wrist is a new type of quick change device which is based on the demand of the demolition robot.It can swing and rotate according to the demand.Because of the great acceleration of the hydraulic wrist and the mechanical arm, the impact force is larger, which has a great influence on the strength of the wrist device.In this paper, based on HyperMesh and ADAMS software, the rigid flexible coupling model of a robot is established, and the influence of different braking time on the strength of the upper connecting frame is analyzed.The results show that the different braking acceleration has a great influence on the strength of the upper connecting frame, which provides a theoretical basis not only for the design and improvement of the hydraulic wrist, but also for the operation of the mechanical arm and the hydraulic wrist.
hydraulic wrist; rigid-flexible coupling; inertial impact
TP242
A
10.3969/j.issn.1674-8085.2018.06.011
2017-04-23；
2018-10-12
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAK06B02）
*李 亮(1991-)，男，安徽亳州人，碩士生，主要從液壓手腕的設(shè)計(jì)與仿真研究(E-mail:805994805@qq.com);
汪世益(1963-)，男，安徽桐城人，教授，博士，主要從事數(shù)控技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)，電液比例伺服控制技術(shù)，工程機(jī)械液壓傳動(dòng)與控制研究(E-mail:195788924@qq.com);
徐必勇(1977-)，男，安徽滁州人，研究員，碩士，主要從事工程機(jī)器人的研發(fā)(E-mail:xubiyong@163.com).
1674-8085(2018)06-0061-06
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