郭 凱,張 靜*,寇子明,郭宏偉,夏 峰,單天松

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院,山西 太原 030024;2.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030024;3.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室,山西 太原 030024;4.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150006;5.青島海德馬克智能裝備有限公司,山東 青島 266111)

0 引 言

在超大型軸類零件軋制生產(chǎn)過程中,楔橫軋機的上料多由人工完成,存在危險性高、工作任務(wù)繁重、自動化程度低的問題,嚴重影響了超大型軸類零件的軋制效率[1,2]。

作為一種多學科融合的高新技術(shù)設(shè)備,重載上料機器人可有效解決以上問題,且隨著科技進步和市場發(fā)展需要,其已成為不可或缺的自動化重載上料工具[3,4]。因此,研究者們以楔橫軋領(lǐng)域應用為背景,面向超大型軸類零件等重型構(gòu)件的自動化轉(zhuǎn)運需求,立足于機器人工作空間、抓取靈活性以及穩(wěn)定性的提升,以機器人本體構(gòu)型設(shè)計為牽引,開展了對重載上料機器人的研制工作[5,6]。

舒陽[7]設(shè)計的重載碼垛機器人與CHU A M等人[8]設(shè)計的鍛件轉(zhuǎn)運機器人均采用混聯(lián)式機構(gòu),具有體積小、重量輕、關(guān)節(jié)數(shù)量少等特點;但機器人所受傾覆力矩大、結(jié)構(gòu)強度較低、穩(wěn)定性較差。李閣強等人[9]基于平行四連桿機構(gòu)設(shè)計的全液壓重載鍛造轉(zhuǎn)運機器人,與李躍等人[10]采用緩沖裝置與鉸鏈式四連桿機構(gòu)相結(jié)合設(shè)計的碼垛重載機器人,均有轉(zhuǎn)運速度快、定位精度高、承載能力大等優(yōu)點;然而兩者夾持物料時存在偏載嚴重、本體占用空間大、運動空間較小的問題,不適用于工作空間受限的區(qū)域。武廣平[11]研制的四平行四連桿式重載轉(zhuǎn)運機器人,與魏雅君等人[12]設(shè)計的結(jié)合響應面法和拓撲法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的MP-MD110型重載碼垛機器人具有輕量化、高剛度、高負載、控制簡單的特點;但兩者的末端執(zhí)行器均存在動作不靈活的缺陷,不便于其位置的調(diào)整。徐振邦等人[13]基于改進型蒙特卡洛法,精確求解了九自由度超冗余串聯(lián)機械臂的工作空間。賈磊等人[14]采用ADAMS對重載碼垛機器人進行了動力學仿真,得到了其設(shè)計參數(shù)。

針對以上重載上料機器人存在的問題及優(yōu)勢,為匹配智能化超大型軸類楔橫軋設(shè)備,筆者提出一種新型楔橫軋上料機器人。

首先,筆者基于六連桿機構(gòu)和四連桿機構(gòu)進行機器人本體機構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)機身升降、大臂擺動等動作;同時,進行夾鉗的夾取和回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計。結(jié)合大尺寸軸類零件的轉(zhuǎn)運需求,依次建立機器人各組件的三維模型,并通過D-H法建立機器人連桿坐標系,對機器人進行正逆運動學分析,基于MATLAB求解得到其工作空間;利用ADAMS對機器人虛擬樣機進行動力學分析,得到其所有驅(qū)動部件的受力和力矩變化曲線,以及關(guān)鍵桿件上各鉸接點的受力變化曲線,并分析其各曲線的變化原因。

1 機器人設(shè)計原理

1.1 機器人整體機構(gòu)設(shè)計

上料機器人整體機構(gòu)主要由基于六連桿機構(gòu)ADEFC的升降機構(gòu)與基于四連桿機構(gòu)GHIJ的大臂擺動組件串聯(lián)構(gòu)成。

機器人整體機構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 機器人機構(gòu)簡圖

圖1中,夾鉗在升降機構(gòu)與大臂擺動組件的作用下實現(xiàn)大范圍平動,同時繞J點轉(zhuǎn)動。

1.2 升降機構(gòu)設(shè)計原理

在機器人轉(zhuǎn)運物料時,為了滿足其豎直升降的要求,以及機身在轉(zhuǎn)運過程中保持穩(wěn)定姿態(tài)的要求,筆者基于六連桿機構(gòu)設(shè)計了升降機構(gòu)。

筆者將圖1中D、E兩點的轉(zhuǎn)動副合并為連接滑桿、主動桿及升降連桿的復合鉸鏈,可得升降機構(gòu)原理簡圖,如圖2所示。

圖2 升降機構(gòu)原理簡圖1—導桿;2—滑桿;3—主動桿;4—升降連桿;5—擺桿;6—機架

圖2中,該六連桿機構(gòu)由兩個四連桿機構(gòu)串聯(lián)組成:導桿、滑桿、主動桿及機架構(gòu)成一個四連桿機構(gòu);導桿與滑桿通過移動副連接組成一個直線驅(qū)動單元,可使主動桿繞機架轉(zhuǎn)動。主動桿、升降連桿、擺桿及機架構(gòu)成一個平行四邊形連桿機構(gòu)。主動桿繞機架轉(zhuǎn)動,利用平行四邊形對邊保持平行的性質(zhì),驅(qū)動升降連桿始終做與機架保持平行的升降運動,不僅拓展了機器人的升降空間,而且達到了升降平穩(wěn)的目標。

1.3 大臂擺動組件設(shè)計原理

在轉(zhuǎn)運軸類零件時,為了實現(xiàn)機器人左右位置變化及二次升降,筆者基于四連桿機構(gòu)設(shè)計了大臂擺動組件,其原理簡圖如圖3所示。

圖3 大臂擺動組件原理簡圖1—擺臂底座;2—支撐套;3—支撐桿;4—大臂連桿

圖3中,該四連桿機構(gòu)由擺臂底座、支撐套、支撐桿及大臂連桿組成。其中,支撐套底部與大臂連桿底部分別鉸接于擺臂底座的不同位置。支撐桿與支撐套間的相對移動構(gòu)成了一個直線驅(qū)動單元,驅(qū)動大臂連桿繞擺臂底座擺動,實現(xiàn)物料的左右轉(zhuǎn)移。

同時,筆者利用四連桿機構(gòu)放大驅(qū)動單元行程,實現(xiàn)了機器人二次升降,進一步拓展了機器人的工作空間。

1.4 夾鉗設(shè)計原理

為使機器人能實現(xiàn)靈活抓取,筆者設(shè)計了一種可翻轉(zhuǎn)的自動夾鉗。該夾鉗由鉗頭部分和翻鉗部分組成。其中,翻鉗部分是一個回轉(zhuǎn)裝置,將鉗頭部分固定安裝于翻鉗部分,構(gòu)成一個可翻轉(zhuǎn)自動夾鉗,相較于傳統(tǒng)夾鉗具有很高的靈活性。

該處利用拉緊機構(gòu)實現(xiàn)鉗頭部分的抓取動作,其工作原理簡圖如圖4所示。

圖4 鉗頭部分工作原理簡圖1—拉桿;2—拉塊;3—拉板;4—鉗頭體;5—鉗臂

由圖4可知:拉桿一頭連接驅(qū)動部件,另一頭與拉塊固定連接,做往復直線運動。拉塊又分別與上下對稱的兩拉板鉸接,兩拉板分別與上下對稱的兩鉗臂鉸接,兩鉗臂另一端又鉸接于鉗頭體上。

當拉桿在驅(qū)動力的作用下向左運動時,通過拉塊及拉板帶動上下鉗臂分別繞著固定支點做順(逆)時針轉(zhuǎn)動,完成夾鉗閉合抓取動作。反之,則完成夾鉗張開放置動作。

1.5 機器人機構(gòu)自由度計算

根據(jù)平面機構(gòu)自由度計算公式[15],筆者求解圖1中機器人機構(gòu)自由度:

F=3×(N-1)-2PL

(1)

式中:F—機構(gòu)自由度;N—機構(gòu)構(gòu)件總數(shù),N=9;PL—機構(gòu)低副總數(shù),PL=11。

由式(1)可得機器人機構(gòu)自由度為:F=2。

圖1是四自由度機器人去除末端夾鉗翻轉(zhuǎn)與夾取兩個自由度后所得,因此,由自由度計算結(jié)果可知其設(shè)計滿足機器人動作要求。

2 機器人結(jié)構(gòu)

楔橫軋上料機器人需轉(zhuǎn)運的軸類零件直徑約為250 mm,質(zhì)量為800 kg。筆者據(jù)此對機器人的具體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

2.1 升降組件結(jié)構(gòu)

升降組件是由一組升降機構(gòu)對稱布置于升降部分底座構(gòu)成。并聯(lián)布置的方式可使機器人負載分配均勻合理,提高了其升降的穩(wěn)定性,減少了其對地面的沖擊。

雙油缸的驅(qū)動方式使機器人的承載能力得到了很大提升,其所構(gòu)成的升降組件如圖5所示。

圖5 升降組件三維模型1—連桿支座;2—升降油缸支座;3—升降油缸;4—固定連桿;5—“T”型桿;6—主動桿;7—擺桿;8—升降部分底座

圖5中:由于液壓驅(qū)動易獲得較大的力和力矩,可實現(xiàn)快速且無沖擊的升降[16],因此,此處升降機構(gòu)中的直線驅(qū)動單元由升降油缸代替。機架則是一個由連桿支座、升降油缸支座、固定連桿與“T”型桿組成的三桿機構(gòu)。固定連桿一端與升降油缸支座相連,另一端與“T”型桿相連?！癟”型桿一端與擺桿相連,另一端則是通過連桿支座的銷軸和主動桿連接。主動桿是“L”型桿,其可將升降油缸近似水平的直線往復運動轉(zhuǎn)化為升降連桿的上下運動。

2.2 大臂擺動組件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3,筆者對大臂擺動組件各構(gòu)件進行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計,同樣將直線驅(qū)動單元由擺動油缸代替,得到大臂擺動組件的三維模型,如圖6所示。

圖6 大臂擺動組件三維模型1—升降連桿;2—擺臂底板;3—大臂連桿支座;4—擺動油缸支座;5—擺動油缸;6—大臂連桿

在圖6中,一組并聯(lián)的升降連桿與擺臂底板、大臂連桿支座,以及擺動油缸支座構(gòu)成擺臂底座;升降連桿為筒式結(jié)構(gòu),擺臂底板水平嵌入到升降連桿中,在升降連桿的帶動下,擺臂底板始終平行于地面升降,以保證升降過程的穩(wěn)定性及準確性;擺動油缸以及大臂連桿均與各自支座鉸接,擺動油缸布置在大臂連桿的下方,驅(qū)動大臂連桿繞其支座擺動。

2.3 夾鉗結(jié)構(gòu)

基于圖4的夾鉗設(shè)計原理,筆者研制了機器人末端夾鉗結(jié)構(gòu),如圖7所示。

圖7 夾鉗三維模型1—法蘭板;2—方筒;3—夾緊油缸;4—鉗頭體;5—鉗臂;6—翻鉗部分

在圖7中:鉗頭部分的方筒固定在法蘭板的外表面,方筒左側(cè)固定有夾緊油缸,右側(cè)安裝有鉗頭體,拉桿穿過方筒與夾緊油缸活塞桿連接,隨著活塞桿的往復直線運動,帶動夾鉗夾緊張開;

翻鉗部分的回轉(zhuǎn)功能由內(nèi)置電機與齒輪減速器實現(xiàn);鉗頭部分通過法蘭板與翻鉗部分的回轉(zhuǎn)端面相連,構(gòu)成可翻轉(zhuǎn)的自動夾鉗。

2.4 機器人整體結(jié)構(gòu)

筆者將大臂擺動組件中的升降連桿與升降組件中的對應桿件連接,同時將夾鉗對稱置于大臂連桿頭部兩側(cè),即可得到楔橫軋上料機器人的虛擬樣機模型如圖8所示。

圖8 上料機器人三維模型

圖8中,升降組件實現(xiàn)機身的穩(wěn)定升降,大臂擺動組件實現(xiàn)軸類零件左、右轉(zhuǎn)移以及二次升降,兩者構(gòu)造了符合任務(wù)要求所需的工作空間大、升降穩(wěn)定、高負載的混聯(lián)式機器人主體;搭載可翻轉(zhuǎn)的自動夾鉗,保證了機器人夾取的靈活性,夾鉗采用對稱布置的方式避免了單側(cè)夾取時偏載嚴重的情況,減少了機器人在非受力方向的變形。

3 機器人運動學分析

3.1 D-H坐標系構(gòu)建

標準型D-H參數(shù)法[17,18]通過連桿轉(zhuǎn)角θi、連桿距離di、連桿長度ai和連桿扭角αi等4個獨立參數(shù),確定機器人各桿件參數(shù)及關(guān)節(jié)變量。

由于D-H法不能直接用于混聯(lián)機構(gòu),且機器人機構(gòu)中存在移動副,以及多個四連桿機構(gòu),為方便建立D-H坐標系,筆者將圖1機器人整體機構(gòu)簡化為只含轉(zhuǎn)動副的串聯(lián)機器人機構(gòu),并將其運動形式簡化為單連桿繞定軸轉(zhuǎn)動。

筆者以BE為連桿1、EG為連桿2、GJ為連桿3,以B點為初始坐標系原點,分別在4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)B、E、G、J處建立坐標系。

最后得到的標注有D-H坐標系的機構(gòu)簡圖,如圖9所示。

圖9 上料機器人機構(gòu)簡化圖

根據(jù)圖9列出相應的D-H參數(shù)表,如表1所示。

表1 上料機器人D-H參數(shù)

表1中,θ1、θ3、θ4是主動變量,θ2是相關(guān)變量,且θ1+θ2=71.6°。

3.2 機器人正運動學分析

機器人正運動學分析為:已知各桿件結(jié)構(gòu)參數(shù)以及關(guān)節(jié)變量,求解末端夾鉗在操作空間中的位置與姿態(tài)。

相鄰坐標系間的位姿變換矩陣可表示為:

(2)

式中:i—連桿。

當i=0時,表示基坐標系。

筆者將D-H參數(shù)表中的參數(shù)分別代入式(2)中,可得到所有相鄰坐標系間的齊次坐標變換矩陣:

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3～6)中:si—sinθi的縮寫;ci—cosθi的縮寫;下同。

將以上矩陣依次相乘,可得到機器人末端夾鉗相對于基坐標系的位姿變換矩陣:

(7)

式中:sijk—sin(θi+θj+θk)的縮寫;cijk—cos(θi+θj+θk)的縮寫(下同)。

在基坐標系下,末端夾鉗的位置矢量與方向矢量所組成的4×4矩陣如下:

(8)

由式(7，8)相等,可得正運動求解結(jié)果為:

3.3 機器人逆運動學分析

(1)求解關(guān)節(jié)角度θ1。

(9)

式(9)兩邊展開,并化簡,令兩側(cè)矩陣(1,3)和(2,3)位置的元素相等,可求得:

θ1=arctan2(ay,ax)或θ1=arctan2(-ax,ay)

(10)

(2)求解關(guān)節(jié)角度θ2。

由于設(shè)計時已知θ1+θ2=71.6°,所以有:

θ2=71.6°-θ1

(11)

(3)求解關(guān)節(jié)角度θ3。

θ3=arctan2(k2,k1)

(12)

其中:

k1=(pxc12+pys12-a2-a1c2)/a3
k2=(pyc12-pxs12+a1s2)/a3。

(4)求解關(guān)節(jié)角度θ4。

θ4=arctan2(nyc123-nxs123,nxc123+nys123)

(13)

由上述推導可知,機器人的運動學逆解具有多重性,這是由于表達式的不唯一性和求解反三角函數(shù)方程式造成的。在選取各關(guān)節(jié)角度時,首先依據(jù)關(guān)節(jié)角度變化區(qū)間確定θ1的值并以此為參考,然后將所得結(jié)果代入到各角度的代數(shù)表達式,依次求出θ2、θ3和θ4的值,檢查所得角度值是否在設(shè)定的區(qū)間內(nèi),以避免各連桿在運動時發(fā)生干涉且保證運動連續(xù)性,最后獲得一組最優(yōu)解。

3.4 機器人工作空間分析

機器人的工作空間范圍可有效表征其運動特性,用來驗證機器人軌跡規(guī)劃的正確性,對機器人輔助優(yōu)化有著重要意義[20,21]。

筆者首先依據(jù)圖9中D-H坐標系及表1中D-H參數(shù),在Robotics Toolbox中建立機器人在初始位置時的運動仿真模型,然后對其做工作空間分析。

機器人在初始位置時的運動仿真模型如圖10所示。

圖10 基于MATLAB機器人運動模型

基于蒙特卡洛法,利用MATLAB中的Rand函數(shù),筆者同時從4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)變量的范圍內(nèi)隨機取值,將得到的4個隨機值代入到正運動學求解所得的末端夾鉗位姿表達式中,即可確定一個工作點位。

利用for函數(shù)循環(huán)106次,可得到末端夾鉗在操作空間中的106個工作點位(這些點在操作空間的分布集合表示了末端夾鉗的工作空間),利用plot函數(shù)表示這106個點組成的工作空間云圖,如圖11所示。

圖11 工作空間三維圖

工作空間云圖在xoy平面上的投影如圖12所示。

圖12 xoy平面投影

圖12中:由于機器人運動模型中的4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,且垂直于xoy平面,所以機器人僅在xoy平面內(nèi)運動,而在xoz平面的工作空間云圖投影為一條直線,因此,xoy平面內(nèi)投影即為機器人的工作空間;

工作空間云圖在xoy平面內(nèi)的投影呈帶狀,末端夾鉗水平方向的移動范圍是-889 mm～1 172 mm,豎直方向移動范圍是1 548 mm～2 551 mm,構(gòu)造出了較大的工作空間,符合上料機器人轉(zhuǎn)運軸類零件工作的要求。

4 機器人動力學分析

4.1 動力學仿真模型的建立

對機器人進行動力學分析時,為防止出現(xiàn)冗余約束的問題,筆者將圖8中機器人三維模型進行簡化,然后再將其導入ADAMS中,并依據(jù)圖1對所導入模型進行標注。

所得到的上料機器人動力學模型如圖13所示。

圖13 上料機器人動力學模型

在圖13中,機器人布置在楔橫軋機與取料臺之間,呈待夾取狀態(tài)。當軸類零件經(jīng)托輥傳送至夾鉗所能觸及的位置時,夾鉗夾取。夾取完成后,升降組件將擺臂底座抬升至高位,擺動油缸活塞桿伸長到中位,使大臂連桿擺動一定角度,翻鉗部分翻轉(zhuǎn)使得夾鉗平行于地面,此時機器人整體呈擺動預備狀態(tài);

然后,擺動油缸活塞桿伸長到最大長度,使大臂連桿擺動至左極限位,同時,翻鉗部分繼續(xù)翻轉(zhuǎn),使得夾鉗反向平行于地面;

最后,擺臂底座降至低位,完成機器人上料的動作過程。

機器人的工作范圍主要由各驅(qū)動部件行程所決定,其中翻鉗部分旋轉(zhuǎn)角度范圍是0°～125°。

各驅(qū)動油缸行程參數(shù)如表2所示。

表2 各驅(qū)動油缸行程參數(shù)/mm

4.2 上料過程動力學仿真分析

筆者在ADAMS中,定義了機器人動力學模型的材料屬性,適當添加了約束及運動副;由軸類零件尺寸參數(shù)及其材料屬性,可得末端夾鉗所受外載荷;利用STEP階躍函數(shù),分別對各驅(qū)動油缸的伸縮行程以及翻鉗部分旋轉(zhuǎn)角度進行控制;仿真時間設(shè)為10 s,仿真步數(shù)為200。

各驅(qū)動部件的階躍函數(shù)如表3所示。

表3 各驅(qū)動部件階躍函數(shù)

因為機器人承載較大,所以筆者只分析其帶載轉(zhuǎn)運工況。已知機器人的上料過程,以及完成其各項基本參數(shù)的設(shè)置,分析其各驅(qū)動部件與關(guān)鍵桿件上各鉸接點的受力和力矩變化情況。

在上料過程中,各驅(qū)動油缸所受壓力變化曲線如圖14所示。

圖14 各驅(qū)動油缸受力變化曲線圖

在上料過程中,翻鉗部分翻轉(zhuǎn)力矩變化曲線如圖15所示。

圖15 翻鉗部分力矩變化曲線圖

由圖14和圖15可得:

在0～2 s時,機器人呈待夾取狀態(tài),各連桿僅受自重影響,升降油缸和擺動油缸的壓力基本保持不變,夾緊油缸壓力與翻鉗部分翻轉(zhuǎn)力矩均為0;

在2 s時,夾鉗完成軸類零件的夾取,同時升降油缸驅(qū)動機器人上升;此時,由于軸類零件重力及升降油缸啟動影響,在各油缸及翻鉗部分上產(chǎn)生了力和力矩的突變;其中,擺動油缸的瞬間壓力最大值可達240 kN左右;

在2 s～4 s內(nèi),各驅(qū)動部件驅(qū)動力和力矩平穩(wěn),升降油缸繼續(xù)驅(qū)動機器人穩(wěn)步上升;

在4 s時,擺動油缸與翻鉗部分開始動作,分別驅(qū)動大臂連桿與夾鉗繞各自旋轉(zhuǎn)中心逆時針轉(zhuǎn)動,各驅(qū)動力和力矩在啟動時產(chǎn)生了微小的波動;

在4 s～6 s內(nèi),隨著翻鉗部分的逆時針轉(zhuǎn)動,軸類零件質(zhì)心與翻鉗部分回轉(zhuǎn)中心的水平距離逐漸增加,因此翻轉(zhuǎn)力矩逐漸增加;而大臂連桿繞其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動則使其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心的水平距離愈來愈小,從而使擺動油缸驅(qū)動力逐漸減小;

在6 s時,機器人呈擺動預備狀態(tài),機身保持最高位狀態(tài)不變,大臂連桿與夾鉗繼續(xù)繞各自旋轉(zhuǎn)中心逆時針轉(zhuǎn)動;

在7.1 s左右,大臂連桿垂直于地面,夾緊油缸軸線與大臂連桿共線,此時擺動油缸驅(qū)動力與翻鉗部分翻轉(zhuǎn)力矩近似回落到0,轉(zhuǎn)過此位后會迅速回升,并在8 s左右分別達到100 kN、4.7 MN·mm,此時大臂連桿處于左極限位,夾鉗反向平行于地面;

在8 s～10 s,升降油缸收縮,機器人降至最低位完成放料。

由圖14曲線可知:擺動油缸與夾緊油缸受力均在機器人夾緊軸料抬升的瞬間發(fā)生明顯振蕩,但迅速恢復平穩(wěn);升降油缸受力曲線波動較小,驗證了所設(shè)計升降組件能夠保證機器人運行平穩(wěn)。

大臂連桿上各鉸接點的受力變化曲線,如圖16所示。

圖16 大臂連桿各鉸接點受力變化曲線圖

由圖16可知:各點受力變化趨勢與擺動油缸壓力變化相似,其中,鉸接點H和鉸接點I的受力變化曲線幾乎重合。在0～2 s的空載期內(nèi),各受力曲線平穩(wěn);在6 s～8 s內(nèi),大臂連桿與翻鉗部分同時完成了繞各自回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn),形成了近似左右對稱的受力變化曲線。

鉸接點G是大臂連桿的回轉(zhuǎn)中心,其受力峰值可達180 kN左右,因此,筆者在該處有針對性地使用了大直徑連接銷,并增加了連接板的厚度,驗證了所設(shè)計大臂連桿結(jié)構(gòu)的合理性。

大臂連桿上擺桿兩端鉸接點受力變化曲線,如圖17所示。

圖17 擺桿各鉸接點受力變化曲線圖

在圖17中,擺桿兩端鉸接點受力變化曲線幾乎重合。

由圖17與圖16相比可知:相較于大臂連桿各鉸接點,兩鉸接點的受力更大,因此,筆者在前述結(jié)構(gòu)設(shè)計時,針對性地增加了擺桿兩端鉸接處圓形鋼板的直徑,提高了擺桿的連接強度。

該結(jié)果驗證了擺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

5 結(jié)束語

為了解決超大型軸類零件楔橫軋制生產(chǎn)中自動化程度低的問題,筆者設(shè)計了一種新型楔橫軋上料機器人。

筆者依據(jù)機構(gòu)運動原理簡圖,完成了機器人三維虛擬樣機設(shè)計,并由標準型D-H參數(shù)法推導了機器人正逆運動學結(jié)果,建立了機器人的運動仿真模型,求解出了機器人的工作空間;利用ADAMS對機器人帶載轉(zhuǎn)運過程做了動力學仿真分析。

研究結(jié)論如下:

(1)機器人分別利用六連桿機構(gòu)和四連桿機構(gòu)實現(xiàn)了機身的升降運動與大臂連桿擺動,具有工作空間大、穩(wěn)定性高等顯著特點;利用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和拉緊機構(gòu)設(shè)計的可翻轉(zhuǎn)自動夾鉗,保證了機器人抓取的靈活性;

(2)機器人末端夾鉗的水平移動范圍為-889 mm～1 172 mm,縱向移動范圍為1 548 mm～2 551 mm,驗證了機器人工作空間大這一運動特性;

(3)動力學仿真分析得到機器人各驅(qū)動部件受力和力矩變化曲線圖,及關(guān)鍵桿件上各鉸接點受力變化曲線圖。通過分析曲線變化規(guī)律與原因,驗證了機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與工作穩(wěn)定性。研究成果為重載上料機器人的設(shè)計提供了模型參考。

在后續(xù)的工作中,筆者將從上料機器人所處高溫軋制的實際工作環(huán)境出發(fā),在溫度載荷下,完成對機器人各關(guān)鍵部件的應力應變分析。