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1、動態(tài)優(yōu)化的一種新型高速,高精度的三自由度機械手
彭蘭(蘭朋)②,魯南立,孫立寧,丁傾永
(機械電子工程學院,哈爾濱理工學院,哈爾濱 150001,中國)
(Robotics In stitute 。Harbin In stitute of Tech no logy , Harbi n 150001 , P。R。
Chi na)
摘要
介紹了一種動態(tài)優(yōu)化三自由度高速、高精度相結合,直接驅動臂平面并聯(lián)機構和線 性驅動器,它可以提高其剛度進行了動力學分析軟件 ADAM仿真模擬環(huán)境中,進行仿真 模擬實驗?設計調查是由參數(shù)分析工具完成處理的,分析了設計變量的近似的敏感性, 包括影響參數(shù)的每道
2、光束截面和相對位置的線性驅動器上的性能 ?在適當?shù)姆绞较?,?
型可以獲得一個輕量級動態(tài)優(yōu)化和小變形的參數(shù)。 一個平面并聯(lián)機構不同截面是用來改 進機械手的?結果發(fā)生明顯的改進后的系統(tǒng)動力學仿真分析和另一個未精制一個幾乎是 幾乎相等?但剛度的改進的質量大大降低,說明這種方法更為有效的。
關鍵詞: 機械手、ADAMS、 優(yōu)化、動力學仿真
1
0簡介
并聯(lián)結構機械手(PKM是一個很有前途的機器操作和裝配的電子裝置, 因為他們有
一些明顯的優(yōu)勢,例如:串行機械手的高負荷承載能力,良好的動態(tài)性能和精確定位的 優(yōu)點等.一種新型復合3 — DO臂的優(yōu)點和串行機械手,也是并聯(lián)機構為研究對象, 三
3、自
由度并聯(lián)機器人是少自由度并聯(lián)機器人的重要類型。三自由度并聯(lián)機器人由于結構簡單,控制相對 容易,價格便宜等優(yōu)點,具有很好的應用前景。但由于它們比六自由度并聯(lián)機器人更復雜的運動特 性,增加了這類機構型綜合的難度,因此對三自由度并聯(lián)機器人進行型綜合具有理論意義和實際價 值。本文利用螺旋理論對三自由度并聯(lián)機器人進行型綜合,以總結某些規(guī)律,進一步豐富型綜合理 論,并為新機型的選型提供理論依據(jù), 以下對其進行闡述。
如圖-1所示機械手組成的平面并聯(lián)機構(PPM包括平行四邊形結構和線性驅動器安 裝在PPM兩直接驅動電機c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅動平面并聯(lián)機械 裝置.線型致動器驅動的聲音
4、線圈發(fā)動機.這被認為是理想的驅動短行程的一部分.作為 一個非換直接驅動類,音圈電機可以提供高位置敏感和完美的力量與中風的角色,高精 密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復性。
另一方面,該產(chǎn)品具有較高的剛度比串行機械手,因為它的特點和低封閉環(huán)慣性轉 矩。同時,該系統(tǒng)可以克服了柔性耦合力學彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持,連接軸和 其他零件,包括古典驅動設備,因此該機械手是更容易得到動力學性能好、精度高。
mtchjiiism
圖-1 3自由度的混合結構的機械手
當長度的各個環(huán)節(jié)的平面并聯(lián)機時,構決定于運動學分析和綜合 [4-7],機械優(yōu)化設
計的首要任務,應加大僵硬、降低質量
5、?關于幾個參數(shù)模型?這是它重要和必要的影響, 研究了各參數(shù)對模型表現(xiàn)以進一步優(yōu)化。本文就開展設計研究工具,通過參數(shù)分析亞當 斯,又要適當?shù)姆绞絹慝@得一個輕量級的優(yōu)化和小變形系統(tǒng)。
1仿真模型
ADAMS(Automatic Dyn amic An alysis Of Mecha nical System) 自動機械系統(tǒng)動力學
分析是一個完美的軟件,對機械系統(tǒng)動力學模擬可處理機制包括有剛性和靈活的部分, 仿真模型可以創(chuàng)造出機械手的亞當斯環(huán)境 如圖-2。OXY是全球性的參考幀,并OXY局
部坐標系,兩個直流驅動電機、交流和 02M O1A表示,與線性驅動器CH被視為剛性轉子 轉動慣量電機傳
6、動的120kg/cm2。大眾的線性驅動器是1.5kg,連接AB德、03F和LJ被 視為柔性體立柱、橫梁GK通用公司和公里,形成一個三角形,也被當作柔性傳動長度 的鏈接是決定提前運動學設計為 AB =QF = 7cm DE=IJ=7cm GK=7cm GM=11.66cm,= 8.338cm。其它維度,這個數(shù)字是 OiA = 0 2M =7cm CB=CD=HJ 2.5cm EF=EG=JK= 3cm
雖然總平面并聯(lián)機構的運動都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常 低于水平僵硬,因為它的角色在垂直懸臂梁的截面尺寸計算每一束平面并聯(lián)機構和相對 位置的線性驅動器是兩個非常僵硬的影響因素的
7、系統(tǒng)。
運動支鏈可分為三類:"主動鏈(由驅動器賦予確定獨立運動的支鏈。 一般是單驅動
器控制一個自由度的運動),從動鏈(不帶驅動器、被迫作確定運動的支鏈。又分為以 下兩種:約束鏈:獨立限制機構自由度的從動鏈。冗余鏈:重復限制機構自由度的從動 鏈)復合鏈(有單驅動器、但限制一個以上的機構自由度的支鏈,實際是主動鏈與約束 鏈的組合)-并聯(lián)機構是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動鏈中的約束鏈除了可 以提高機構剛度和作為測量鏈外,其更主要的作用是用來約束動平臺的某一個或幾個自 由度,以使其實現(xiàn)預期的運動。
圖-2 仿真模型
2仿真模擬結果
在本節(jié)中,平均位移的末端是用來描述動態(tài)剛度
8、,這是在不同的配置在不同的線性 驅動器向前,從最初的位置的目的地,一般的豎向位移的機械手是作為目標來研究豎向 剛度,平均差別的橫坐標、縱坐標點之間有一個剛性數(shù)學模型,模型,作為目標來研究 水平剛度。
并聯(lián)機器人的構型設計即型綜合是并聯(lián)機器人設計的首要環(huán)節(jié),其目的是在給定所 需自由度和運動要求條件下,尋求并聯(lián)機構桿副配置、驅動方式和總體布局等的各種可 能組合。國內(nèi)的許多學者正致力于這方面的研究, 其中比較有代表性的有如下幾種方法: "黃真為代表的約束綜合法;楊廷力等人的結構綜合法;代表的李代數(shù)綜合法。以上各 種方法自成體系,各有特點,都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法,是從限制自 由度的角
9、度出發(fā),增加約束,去除不需要的自由度,因每條主動鏈只有一個驅動裝置, 讓其控制一個自由度,其余自由度通過純約束鏈去除,這樣可以使主、從動運動鏈的作 用分離,運動解耦,有利于控制。具有三自由度的并聯(lián)機床,當采用條主動支鏈作為驅 動時,機構就需要約束另三個自由度,通過選擇無驅動裝置的從動鏈來完成,則整個機 構成為有確定運動的三自由度的并聯(lián)機構。 黃真等提出的約束綜合法對完全對稱的少自 由度并聯(lián)機器人機構進行了型綜合,完全對稱的支鏈結構相同,都屬于復合鏈,每條支鏈除都有一 個單驅動器,控制一個自由度外,還應約束一個以上自由度才能使機構的六個自由度全部受控,使 機構有確定的運動。
2.1截面效應
10、扭轉變形位移的連結將會引起的,所以,扭轉常數(shù)的橫截面,重力是研究裝系統(tǒng)來 研究,采取扭轉剛度的垂直切片Ixx不變的各個環(huán)節(jié)和梁作為設計變量的變化, 從0.1 x
105mrm 與 3.5 x 10 5
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:/ffl -3不斷的效果在垂直變形扭轉
圖-3顯示了平均位移與截面扭轉常數(shù)末端的各個環(huán)節(jié)和梁,根據(jù)它的變化速率的環(huán) 節(jié),是最大的,AB是鏈接,LJ依次分別GI梁
11、和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結果表 明,水平位移之間的差異進行比較,結果表明該模型體育智力 H和剛性模型變化小就改
變了恒定不變的時候扭加載慣性力的線性驅動器,但是水平位移的變化,這意味著在這 種模擬豎向變形的生產(chǎn)水平位移系統(tǒng)機械手。 注意端面線性驅動器的主要原因是水平變
形、線性驅動器機器人是由兩個節(jié)點 C和H .所以,我們計算了不同的Z-coordinate攝 氏度之間,如圖所示,在圖4-扭轉常數(shù)的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和 連接梁,連接O3F梁GK有效果。
因此,應采取AE和連接區(qū)段大扭常數(shù)的免疫力,豎向剛度較大并行扭轉不變的鏈接德也使較少
的均勻性,降低線性驅
12、動器不可以降低水平變形。
Mint OjF 2—ink AB
J—link DE 4—Link U
5—bum 0K 6—bewnGM
7 bam KM
圖-4 在不影響扭不變
如圖-5、6所展示的影響是區(qū)域慣性轉矩的設計變量是區(qū)域剛度和慣性轉矩的各個環(huán) 節(jié)和梁lz,圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉。這個Yxx AB 梁的鏈接,鏈接O3F是Iyy三個主要因素決定了豎向剛度。
圖-6所示 鏈接的AB梁公里,連接03F也是其中的三個主要因素決定的均勻性線性 傳動裝置、不同的分析結果表明,Izz效果好,具有至少兩個垂直和水平剛度,這意味 著這種結構
13、,具有足夠的水平,降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB梁的鏈接,鏈接O3F 公里的好方法,優(yōu)化系統(tǒng)。
QA E19 IP 1.5 2 0 2S
Monkenuvfincnu (I(Awn〕
圖-5 瞬間的慣性效應對垂直位移
fl 0
M omentB of mcrtia (1 (Jr mm*)
I UnkOjF I泌DK 5—beamGK
7—'bcajii ICM
2—Jink AB 4_ ink U &—beam GM
圖-6 轉動慣量不平衡的影響
2.2影響的線性驅動器的相對位置
線性執(zhí)行器的慣性是主要載荷之一,在機械手的運動,不同的相對應的垂直位置
14、產(chǎn) 生不同的變形,圖7顯示了絕對平均的最終效應垂直位移時驅動馬達以恒定的加速度旋 轉,我們可以看到,過低或過高的相對位置會造成比格變形,最好的位置是一對 Z = 24
毫米的地方大概是從中間環(huán)節(jié)連接 03F到AB.
宀 【j Euuuo£a-!ap
7
#
圖-7 影響線性驅動器的相對位置
#
3分析改進的機械手
根據(jù)上述模擬結果,所有改進的機械手的設計,時間如下:鏈接截面 AB DE IJ與30mm
的基礎和高度,10毫米的厚度;鏈接03F和矩形空心梁與 30mm的基礎和高度工型鋼,I0mm法蘭 和6mm網(wǎng);梁競,通用汽車與8mm的堅實基
15、礎和30mm高的矩形。
圖-8 梯形運動姿態(tài)
圖-9中回應的是機械手, 相比之下,圖-10中提高初始的反應, 在其中所有的鏈接和機械手的矩 形截面梁的堅實基礎,用 30毫米,高度的差異是曲線, C和H的曲線積分,二是垂直位移的末端,
改進系統(tǒng)中最大位移 0.7Um最初的0.12Um相比,爭論的振動激勵后仍停留在 O.06Um ± 0.15% s±
O.05Um相比的初始變形改善系統(tǒng)的初始小于前者具有較少的慣性,因為在相同的步伐不斷加快, 保持振動瓣膜差不多一樣,它對這整個系統(tǒng)中來說,仍然改善系統(tǒng)的剛度,幾乎相當于初始制度, 針對大規(guī)模的平面并聯(lián)機構在該系統(tǒng)相比下降了 30%,這樣的
16、初始優(yōu)化是有效的。
8
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Fig. W DyrwmK?導 rmpu】代
圖-9、 圖-10 動態(tài)響應
9
4 結論
本文設計了一種新型三自由度機械手變量的敏感性進行了研究在 ADAMS環(huán)境中,
可以得出以下結論:
1) 機器人具有較大的水平剛度,最終水平位移,效應主要是由機械手垂直變形造成的, 因此,更
17、重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。
2) 參數(shù)Ixx,lyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應,lyy已經(jīng)對垂直剛度的影響最大, Ixx在第二位的是,Ixx具有在垂直剛度的影響最小,他們都較少對水平比垂直剛度剛度。
3) 橫截面的不同環(huán)節(jié)都有不同的影響,連線豎向剛度 AB和德應該使用區(qū)扭轉常數(shù)和 慣性力矩大,如變形、長方形、橫梁 KM ,,線03F應該使用區(qū)段形梁等重大時刻轉動 慣量、橫梁GK,和GM可以使用盡可能的一小部分,從而降低了質量。
4) 最佳的線性驅動器的相對位置可以減少變形,最好的位置是垂直的平行結構。
5) 改進的機械手的動態(tài)分析表明該優(yōu)化設計方法研究的基礎上的效率。
18、
10
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