陳國虎，劉志仙，李 能

（國營第四四五廠，浙江 杭州 310024）

0 引言

自推動(dòng)武器具有無后座力、使用靈活、火力迅猛、性價(jià)比較高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于反潛、反雷[1]、反蛙人、攻擊灘涂陣地、防空干擾等作戰(zhàn)任務(wù)。我國現(xiàn)役艦載火箭發(fā)射裝置大量采用箱式設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置的隱身性、提高發(fā)射裝置排布密度具有較大的優(yōu)勢(shì)。由于受到結(jié)構(gòu)布局、技術(shù)手段的限制，部分箱式發(fā)射裝置采用人工裝填的方式，由揚(yáng)彈系將武器從彈倉輸送至甲板，再由人工裝入發(fā)射管中。完成一輪發(fā)射后無法快速進(jìn)行下一輪的發(fā)射工作，嚴(yán)重影響了武器效能的發(fā)揮，安全性也無法保障?；谏鲜鲈?，急需研制一套針對(duì)箱式發(fā)射裝置的自動(dòng)裝填系統(tǒng)，采用主從隨動(dòng)遙操作控制，由裝填機(jī)器人將武器裝入發(fā)射裝置中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝填，取代人工裝填徹底消除人員在艦面操作的安全隱患，提高裝填效率。

1 研究方案

通過對(duì)中大口徑的火炮彈藥進(jìn)行自動(dòng)裝填研究[2]，針對(duì)箱式火箭發(fā)射裝置，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，更適用于采用機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式。

發(fā)射裝置裝填機(jī)器人工作原理是采用主從隨動(dòng)遙操作方式，操作者在甲板下遠(yuǎn)程遙操作甲板上的裝填機(jī)械手進(jìn)行彈體自動(dòng)裝填。

完成1次裝填調(diào)試后，主從隨動(dòng)遙操作控制器記憶裝填機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)后續(xù)裝填過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)裝填。裝填機(jī)器人裝填過程如圖1所示。

圖1 裝填機(jī)器人工作過程示意圖Fig.1 Working process diagram of loading robot

非裝填時(shí)，裝填機(jī)器人折疊縮放至甲板以下，不對(duì)發(fā)射裝置運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生影響。裝填機(jī)器人內(nèi)部裝有觸覺開關(guān)以檢測(cè)其抓彈信號(hào)，這是機(jī)器人工作安全的保證。

裝填機(jī)器人上配有視覺攝像頭[3]，監(jiān)控機(jī)器人工作狀態(tài)，一旦工作出現(xiàn)異常可人工干預(yù)。

發(fā)射裝置裝填機(jī)器人系統(tǒng)主要的特點(diǎn)有：1）采用主從隨動(dòng)示教方式控制，操作簡便易掌握；2）彈體在豎直面內(nèi)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)以便調(diào)整其姿態(tài)；3）采用安全皮膚技術(shù)，如果因操作不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)械手碰及物體時(shí)將自動(dòng)停止，保證機(jī)器人工作的安全；4）抓彈手指采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并采用安全壓力控制，避免抓彈時(shí)壓力過大而損壞彈體[4]。

出于對(duì)裝填機(jī)器人的剛度和強(qiáng)度的考慮，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其裝填示意圖如圖3所示：裝填機(jī)械手首先進(jìn)入姿態(tài)（a），裝填導(dǎo)軌與揚(yáng)彈通道對(duì)齊，提彈機(jī)構(gòu)處于最后端位置，將載荷夾緊；在姿態(tài)（b）時(shí)，由提彈機(jī)構(gòu)將載荷往上提??；裝填機(jī)械手通過姿態(tài)（c）和（d）調(diào)整，將裝填軌道與裝置的發(fā)射管對(duì)齊；最后在姿態(tài)（e），將載荷推入發(fā)射管內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)裝填功能。

圖3 機(jī)械臂裝填過程Fig.3 Loading process of manipulator

2 仿真分析

為確定裝填機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)合理性，采用ANSYS和ADMAS軟件進(jìn)行仿真研究[5-6]。ANSYS Workbench[7]軟件是美國 ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Creo、UG、CATIA、Solidworks、AutoCAD等。該軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件。ANSYS Workbench主要包括 3個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

ADAMS/View提供了一個(gè)直接面向用戶的基本操作對(duì)話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，其中包括樣機(jī)的建模和各種建模工具、樣機(jī)模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動(dòng)連接、虛擬樣機(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其他應(yīng)用程序的接口等。ADAMS/View采用了Windows風(fēng)格的操作界面和各種操作習(xí)慣，使得程序操作界面非常友好。

ADAMS/Solver是求解機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)問題的程序。完成樣機(jī)分析的準(zhǔn)備工作以后，ADAMS/View程序可以自動(dòng)地調(diào)用 ADAMS/Solver模塊，求解樣機(jī)模型的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)問題，完成仿真分析以后再自動(dòng)地返回ADAMS/View操作界面。

ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊 ADAMS/PostProcessor來完成。ADAMS/PostProcessor模塊具有相當(dāng)強(qiáng)的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線以外，ADAMS/PostProcessor還可以對(duì)仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)曲線，并同仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以進(jìn)行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。

機(jī)械臂的仿真分析為靜力結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分別在ANSYS Workbench和ADMAS軟件下完成[8]。

仿真研究在載重為130 kg時(shí)，分析機(jī)械臂的應(yīng)力和變形情況。在各個(gè)關(guān)節(jié)的輸入移動(dòng)速度已知的情況下，求解得到機(jī)械臂導(dǎo)軌端的速度。機(jī)械臂簡化模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。仿真設(shè)定機(jī)械臂主要零部件的材料性能如表1所示。

表1 機(jī)械臂主要零部件材料性能表Table 1 Material performance of main parts of manipulator

通過仿真，解得到機(jī)械臂的應(yīng)變和變形圖如圖4-5所示，機(jī)械臂的最大應(yīng)變?yōu)?.25e-6 mm，位于上臂與下臂的連接處；機(jī)械臂的最大變形為0.023 mm，位于導(dǎo)軌前后端面。該應(yīng)變和變形處于合理范圍內(nèi)，滿足要求。

圖4 ANSYS仿真應(yīng)變圖Fig.4 ANSYS simulated strain diagram

圖5 ANSYS仿真變形圖Fig.5 ANSYS simulated deformation diagram

對(duì)機(jī)械臂采用ADMAS仿真分析，設(shè)定推桿1的速度為0.02 m/s，方向沿著推桿縮回；設(shè)定推桿2速度為0.03 m/s，方向沿著推桿縮回；設(shè)定推桿3的速度為0.04 m/s，方向沿著推桿縮回。求解得到導(dǎo)軌左端零件質(zhì)心X、Y、Z方向的位移曲線和運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖6-7所示。

圖6 機(jī)械臂左端零件質(zhì)心的位移Fig.6 Displacement of mass center of left end part of manipulator

圖7 機(jī)械臂左端零件質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度Fig.7 Velocity of mass center of left end part of manipulator

通過 ADMAS求解可以得到機(jī)械臂零件的任意位置的位移和運(yùn)動(dòng)速度，確定機(jī)械臂各部位質(zhì)心運(yùn)動(dòng)情況。通過仿真確定了機(jī)械臂左端零件質(zhì)心的位移和速度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)箱式發(fā)射裝置采用箱式結(jié)構(gòu)時(shí)裝填方式原始、效率底下、安全無法保障的缺點(diǎn)，提出了一種機(jī)械臂裝填方案，采用 ANSYS、ADMAS進(jìn)行仿真分析研究，確定了該機(jī)械臂裝填方案的可行性。機(jī)器人自動(dòng)裝填技術(shù)的研究對(duì)于提升箱式發(fā)射裝置的作戰(zhàn)效能、拓展箱式發(fā)射裝置應(yīng)用范圍具有較大的意義[9]。