郝國凱 劉鵬飛 鄭鵬飛

摘要：機械臂屬于工業(yè)生產(chǎn)線上面進行傳送物料的一個裝置，機械臂作為一種機械系統(tǒng)，把機械、液壓傳動和自動控制集中為一體，機械臂這種受控的機械系統(tǒng)有其動力學(xué)的計算基本原理，ADAMS是一種機械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真軟件，使用這種軟件建立一個機械臂機械和液壓裝置相互耦合、機械和控制之間相互耦合這樣的動力學(xué)模型，獲取機械臂進行工作時的各個參數(shù)隨著時間的變化而變化的規(guī)律，來計算和分析液壓與控制子系統(tǒng)之間的動力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：機械臂；動力學(xué)；設(shè)計；液壓；模型；ADAMS；

引言

隨著機械科技的不斷進步，現(xiàn)代的機械系統(tǒng)越來越向機電液一體化的方向發(fā)展，一個優(yōu)秀的機電液一體化的機械系統(tǒng)，本身一定具備完善的機械性能，還能將控制系統(tǒng)和其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來工作，加強機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的耦合作用，能夠使系統(tǒng)特性產(chǎn)生眾多出人意料的變化，還可能會發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。雖然人們已經(jīng)認識到耦合問題存在，但是因為對這個領(lǐng)域缺乏完整的研究，現(xiàn)在的機械設(shè)計師仍是先進行機械部分的設(shè)計，且設(shè)計中不考慮會對控制系統(tǒng)造成的影響，控制工程師再已經(jīng)機械工程師設(shè)計好的結(jié)構(gòu)設(shè)計控制系統(tǒng)，使用的是簡化過的機械模型，這樣進行設(shè)計，經(jīng)常會產(chǎn)生大的設(shè)計返工。所以，要提升機電液一體化的機械系統(tǒng)性能，降低設(shè)計的成本，縮小開發(fā)周期，要進行結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)之間的并行設(shè)計，利用虛擬樣機的技術(shù)來設(shè)計與模擬系統(tǒng)?，F(xiàn)在已一個工業(yè)生產(chǎn)線上進行傳送物料的一個自動機械臂為例子，使用ADAMS軟件，建立一個集中機械、液壓與數(shù)字控制于一體的數(shù)字化的虛擬樣機，來進行機電液的耦合動力仿真。

1、解機械系統(tǒng)的動力方程

相對受控的機械系統(tǒng)，控制往往能產(chǎn)生驅(qū)動力，這種驅(qū)動力可以看做是一個廣義力的特別項，控制子系統(tǒng)可以產(chǎn)生驅(qū)動力，也將其加入系統(tǒng)內(nèi)的動力學(xué)模型。因為包含了非剛性機械的子系統(tǒng)與剛性控制子系統(tǒng)兩種，在進行動力學(xué)的仿真時，如何選擇合理的數(shù)值積分的方法時一個重要問題，在計算動力學(xué)是，ADANS能夠采取兩種算法，一是給出三個有強大功能的變階和變步的長積分求解程序，這種方法適用于模擬剛性的系統(tǒng)，二是給出ABM的積分求解程序，使用坐標(biāo)分離的算法，解出獨立坐標(biāo)的一個微分方程，這種方法適合模擬一些特征值經(jīng)過突然變化的系統(tǒng)或者高頻系統(tǒng)。

2、計算機液耦合的動力學(xué)

機械臂的虛擬樣機的組成部分有渦輪蝸桿、支臂、液壓缸、電機減速器的驅(qū)動裝置、托料機構(gòu)和氣液蓄能器等等，受控電機使用齒輪來驅(qū)動渦輪蝸桿，再由渦輪蝸桿驅(qū)動支臂圍繞固定軸在七十五度的范圍之內(nèi)轉(zhuǎn)動，通過控制系統(tǒng)進行定位，支臂上面裝了液壓缸的驅(qū)動托料機構(gòu)帶著料圍繞軸轉(zhuǎn)動六十一度角把物料送到指定位置。

托料機構(gòu)圍繞軸轉(zhuǎn)動的慣量是2.964kg°m3，物料圍繞軸轉(zhuǎn)動的慣量是11.2129kg°m3。環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，液壓油的密度是850㎏/m3，液壓管長六米，液壓泵的排量是10.31ml/s，液壓泵輸入軸轉(zhuǎn)動速度是1720r/min，換向閥的切換時間是5ms，閥的開啟壓力是0.20Mpa，壓力缸的最小長度是0.3m，機械效率是0.94。A腔最初的壓力值設(shè)定是0.57Mpa，B腔最初的壓力值設(shè)定是0.1Mpa，使用兩個單向的閥來實現(xiàn)液壓鎖的功能，兩個安全閥來設(shè)定液壓缸工作的壓力。

3、控制系統(tǒng)進行的交互式仿真

控制機械臂轉(zhuǎn)角的過程為：直流電機輸入電壓信號，輸出軸要輸出扭矩，經(jīng)過變扭矩的作用，經(jīng)過齒輪副來帶動蝸桿圍繞渦輪轉(zhuǎn)動，來帶動支臂圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到所需要的位置，平衡器是一個氣液蓄能器，它可以使支臂平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動，根據(jù)上面機械定位的特點，在設(shè)計控制原理的方案是，使用經(jīng)典的控制理論的閉路反饋，為此要定義兩個反饋變量，一個是使用轉(zhuǎn)軸的編碼盤測試出來的支臂轉(zhuǎn)角，第二個第使用測速發(fā)電機測量出的電機輸出軸轉(zhuǎn)動速度。ADAMS planl和MATILAB控制系統(tǒng)這些仿真軟件都有很好的接口，先要在虛擬的樣機模型中把要控制好的輸入輸出變量定義好，ADAMS輸出的變量是MATLAB輸入的變量，這樣就可以形成變量之間的閉環(huán)回路，然后在MATLAB內(nèi)輸入控制原理圖就能夠控制機械臂的轉(zhuǎn)角。要實現(xiàn)機構(gòu)和控制之間的交互式仿真，需要在ADAMS view中定義三個狀態(tài)變量，這三個變量為：輸入變量是電機的輸入扭矩、輸出變量是支臂圍繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角與電機轉(zhuǎn)速。控制仿真分析改動力學(xué)模型，仿真參數(shù)是：單位的階躍信號是0.4，求解剛性方程是15秒，仿真時間是2秒，位置環(huán)參數(shù)為：P=1400，速度環(huán)參數(shù)是P=6?？梢詮姆抡娼Y(jié)果中得知，過渡時間大約是0.8秒，滿足設(shè)計的要求，在0.8秒后的位置跟蹤，誤差應(yīng)該控制在0.02rad之間。使用MATLAB這個控制系統(tǒng)軟件來對其的控制系統(tǒng)來仿真，同時把動畫的模式設(shè)置成交互式，這樣就能通過ADANS/view來動態(tài)的顯示被跟蹤的仿真結(jié)果，支臂到達平衡時候的轉(zhuǎn)角是22.7°。

4、結(jié)語

機械臂作為生產(chǎn)過程中傳送的重要紐帶，在各生產(chǎn)加工中起著非常重要的作用，鑒于當(dāng)前動力學(xué)手段還存在著局限性，我國的機械臂設(shè)計和理論實踐研究還存在一些不足，所以，我們要在現(xiàn)有的機械臂研究中總結(jié)經(jīng)驗，進行不斷的完善和創(chuàng)新，同時，可以借鑒國外的相關(guān)技術(shù)，將其技術(shù)與我國的生產(chǎn)技術(shù)相互結(jié)合，相信在今后，這一領(lǐng)域的研究會得到更加顯著的效果。

參考文獻：

[1]郭振鋒，金國光，暢博彥，王艷.剛-柔性機械臂動力學(xué)建模及其動力學(xué)特性研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，32（01）：70-74.

[2]谷勇霞，張玉玲，趙杰亮，閻紹澤.柔性機械臂動力學(xué)建模理論與實驗研究進展[J].中國機械工程，2016，27（12）：1694-1703.

[3]趙杰亮，谷勇霞，閻紹澤，吳嘉寧.諧波傳動對柔性機械臂動力學(xué)特性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，53（04）：482-486.

[4]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術(shù)入門與提高.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[5]苗明，屈福政等.門座起重機平衡滑輪補償法變幅系統(tǒng)的優(yōu)化.大連理工大學(xué)學(xué)報，1995（6）：853-857.

[6]周平，李海波，梁立孚.剛彈耦合動力學(xué)初值問題擬變分原理及其應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2017，43（07）：1321-1329.