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        基于MATLAB在砂芯夾持器系統(tǒng)中的穩(wěn)定性分析

        2022-03-25 22:03:10
        時(shí)代汽車 2022年6期
        關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定性

        林顯新 葉城保

        摘 要:發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件生產(chǎn)過程中,砂芯模型采用工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)配,受機(jī)械振動(dòng),夾持壓力,加減速等外部干擾因素導(dǎo)致砂芯出現(xiàn)裂痕,影響后續(xù)鑄鐵質(zhì)量,本文通過構(gòu)建夾持器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,通過串聯(lián)夾持壓力測量環(huán)節(jié),形成閉環(huán)反饋系統(tǒng),進(jìn)而分析系統(tǒng)的輸出響應(yīng),最終獲得較優(yōu)控制系統(tǒng)。

        關(guān)鍵詞:MATLAB 夾持器 穩(wěn)定性 工業(yè)機(jī)器人

        1 引言

        隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),“機(jī)器換人”已成為未來發(fā)展主攻方向。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)車間鑄造工段的廢氣、粉塵、噪聲和振動(dòng)嚴(yán)重影響著現(xiàn)場生產(chǎn)人員的身心健康,采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行物料搬運(yùn)、組裝有利于提高生產(chǎn)效率[1]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵采用砂芯模型進(jìn)行鐵水澆鑄,砂芯模型的質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。砂芯采用樹脂與三乙胺凝固而成,硬度不高,使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)、裝配等會(huì)出現(xiàn)夾不穩(wěn)或者夾裂等問題。本文以工業(yè)機(jī)器人夾持器系統(tǒng)為研究對(duì)象,分析其輸出響應(yīng)的穩(wěn)定性。

        2 夾持系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

        2.1 搭建夾持系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

        裝配砂芯的工業(yè)機(jī)器人夾持系統(tǒng)采用柔度與硬度對(duì)半的夾持器,夾持器背面采用鋁合金板保證夾持的剛度,夾持器接觸面采用軟性較好的橡膠,保證砂芯的夾持柔度。系統(tǒng)受夾持壓力、機(jī)械振動(dòng)和加減速運(yùn)動(dòng)等因素干擾。根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)因素,構(gòu)建夾持器系統(tǒng),如圖1所示。

        計(jì)算剛度環(huán)節(jié)系數(shù)K受結(jié)構(gòu)壓力與形變相關(guān)(K=P/),砂型重量約為6Kg,夾持面形變約0.5mm,即K為120N/mm,柔度環(huán)節(jié)λ受夾持器長度、接觸面和壓桿系數(shù)影響(λ=μl/i),其中μ為壓桿長度系數(shù)0.7,l為夾持器長度12cm,i為接觸面長度1.5cm,因此λ=5.6,當(dāng)外界干擾信號(hào)為單位脈沖函數(shù)N(t)=δ(t)時(shí),對(duì)函數(shù)Laplace反變換得N(s)=1[1]。

        夾持器中剛度環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為G1(s)。

        式(1)中,T1為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)(T1≥0)。

        夾持器柔度環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G2(s)。

        式(2)中,T2為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T2≥0。

        式(1)、(2)作為一階慣性環(huán)節(jié),當(dāng)T1=T2=1s時(shí),系統(tǒng)前向通道的開環(huán)傳遞函數(shù)為Gk(s)=G1*G2,求出Gk(s)。

        2.2 開環(huán)夾持系統(tǒng)的響應(yīng)

        若系統(tǒng)輸入信號(hào)與干擾信號(hào)均為單位脈沖時(shí),將Gk(s)通過Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析,系統(tǒng)在干擾沖擊作用下,系統(tǒng)響應(yīng)輸出波形如圖2所示。

        由仿真結(jié)果可知,系統(tǒng)在受到外界干擾的情況下,出現(xiàn)振蕩,超調(diào)量為σ=85%,系統(tǒng)受外界干擾沖擊影響較大,而正是由于系統(tǒng)振蕩導(dǎo)致鏤空砂芯受力不均勻而出現(xiàn)裂痕,給后面鑄鐵澆鑄帶來很大的廢品率。因此需要通過增加夾持器壓力檢測反饋環(huán)節(jié),減少干擾導(dǎo)致的振蕩,降低系統(tǒng)超調(diào)量σ。

        3 系統(tǒng)優(yōu)化控制

        3.1 增加壓力測量反饋環(huán)節(jié)

        在原來夾持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加氣壓測量反饋環(huán)節(jié),形成閉環(huán)控制,如圖3所示。

        假設(shè)外界干擾因素為單位脈沖函數(shù)N(t)=δ(t)時(shí),對(duì)應(yīng)函數(shù)Laplace反變換得N(s)=1,測量反饋環(huán)節(jié)為單位負(fù)反饋,H(s)=1,則閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為GB(s)。

        3.2 閉環(huán)夾持系統(tǒng)的響應(yīng)

        根據(jù)鑄造中心工業(yè)機(jī)器人夾持器的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu),考慮機(jī)械振動(dòng)等干擾沖擊因素,在夾持器末端串聯(lián)一個(gè)氣壓檢測環(huán)節(jié),將檢測信號(hào)反饋給工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。在Matlab/Simulink中搭建一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[2-3],如圖4所示。

        運(yùn)行仿真,運(yùn)行完畢后,雙擊示波器“Scope”,查看系統(tǒng)的響應(yīng)輸出,得到如圖5所示的波形。

        由仿真結(jié)果可知,系統(tǒng)只經(jīng)歷過一次振蕩就趨于穩(wěn)定,且輸出較為平緩,輸出響應(yīng)明顯好于開環(huán)系統(tǒng)。

        4 結(jié)論

        通過增加夾持系統(tǒng)的氣壓測量反饋環(huán)節(jié),在夾持器執(zhí)行末端串聯(lián)一個(gè)電子氣壓表,用于檢測夾持氣壓,當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)定氣壓值時(shí),輸出一個(gè)脈沖信號(hào)給機(jī)器人,機(jī)器人通過實(shí)時(shí)檢測該氣壓信號(hào),用于控制氣路的接通與斷開,進(jìn)而較好的控制夾持器夾緊壓力,保證砂芯的不被夾裂或者夾不穩(wěn)等現(xiàn)象出現(xiàn),進(jìn)而保證了后續(xù)鑄鐵的質(zhì)量,為制芯段采用工業(yè)機(jī)器人裝配起到一定參考作用。

        基金項(xiàng)目:2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(2021KY1080):“鑄造中心裝配機(jī)器人柔性夾持器的研究與應(yīng)用”。

        參考文獻(xiàn):

        [1]林顯新,李國進(jìn),周世凱.基于Matlab的制芯機(jī)器人夾持器穩(wěn)定性研究與分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2020,(03):109-113.

        [2]董言敏.工業(yè)機(jī)器人在智能制造中的應(yīng)用分析[J].時(shí)代汽車,2021,No.363(15):14-15.

        [3]于亞平.智能制造與機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究[J].時(shí)代汽車,2020,No.340(16):8-9.

        [4]林顯新,林德智,李璽. 關(guān)于鑄造制芯段工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定性的探討[J]. 中國機(jī)械,2021(14).

        [5]侯曉楠,楊尊熙.談工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車,2018,No.293(02):69-70.

        [6]林顯新. 鑄造制芯段工業(yè)機(jī)器人夾具的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]. 輕工科技,2017(2).

        [7]李小偉.基于MATLAB的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2022(02):233-237.

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