基于Pro/E和ADAMS的絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真分析

孫景福，唐術(shù)鋒，李華雷

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大氣中的污染物種類越來(lái)越復(fù)雜，污染程度也越來(lái)越高,污穢的產(chǎn)生對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了極大的威脅[1]。絕緣子帶電干冰清洗作業(yè)是保證電力系統(tǒng)能安全、可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，其清洗效果直接影響到設(shè)備的維修和運(yùn)行型。因此，本文從絕緣子清洗效果和環(huán)保的方向出發(fā)，以帶電干冰清洗機(jī)器人為研究對(duì)象，采用Pro/E技術(shù)對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行三維模型樣機(jī)的建立，結(jié)合仿真軟件ADAMS綜合對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

1 絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

應(yīng)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解常用方法D-H法[2]，此方法計(jì)算起來(lái)比較復(fù)雜，為了增強(qiáng)機(jī)器人整體剛性，提高控制精度及其穩(wěn)定性，該機(jī)器人采用平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，為了便于對(duì)并聯(lián)部分的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析求解，設(shè)置一個(gè)固定坐標(biāo)系XOY，隨平行四邊形部分繞腰部一起轉(zhuǎn)動(dòng)[3,4]，如圖1所示，為絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1）正求解計(jì)算

機(jī)械臂部分由開始位置運(yùn)動(dòng)圖示位置時(shí)，大臂l1與X軸的夾角為α，連桿l2與X軸的夾角為β，O點(diǎn)坐標(biāo)為（0, 0），C點(diǎn)坐標(biāo)為（X1, Y1），D點(diǎn)坐標(biāo)（X2,Y2），E點(diǎn)坐標(biāo)為（X,Y）。

如以上機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，RtΔOCG中則C點(diǎn)坐標(biāo)為：

在RtΔCFD中則D點(diǎn)坐標(biāo)為：

由式(1)、式(2)可得工具末端E點(diǎn)的坐標(biāo)為：

把l1=1285mm，l2=230mm，l3=1310mm，l4=375mm帶入式(3)可得：

2）逆求解計(jì)算

逆求解計(jì)算是已知工具末端E點(diǎn)的坐標(biāo)，然后來(lái)得到大臂與X軸的夾角α，連桿與X軸的夾角β，已知E點(diǎn)坐標(biāo)可得到D點(diǎn)的坐標(biāo)，即：

如圖1所示，在ΔOCD中，

同理可得：

綜上式(5)、式(6)和式(7)可得：

把l1=1285mm，l2=230mm，l3=1310mm，l4=375mm帶入式(8)可得：

2 基于Pro/E絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人的三維模型的建立

利用ADAMS進(jìn)行三維實(shí)體建模比較困難，這里借助Pro/E 5.0軟件對(duì)絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人各個(gè)零件進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后再導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真分析[5]。

首先借助Pro/E 5.0軟件，利用其實(shí)體建模模塊提供的功能，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列、掃描、混合、倒角、螺紋孔等，建立各個(gè)零件三維實(shí)體模型；并將建立好的各個(gè)零件的三維實(shí)體模型保存在工作目錄[6]。

然后進(jìn)入裝配模式后按設(shè)計(jì)要求正確裝配零部件，并根據(jù)連接方式對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行約束。這里要注意的是基件的裝配位置，第一個(gè)零件的放置會(huì)影響到導(dǎo)入ADAMS后的顯示位置。圖2所示為絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人三維模型的截圖。

圖2 絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人三維模型

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 模型的導(dǎo)入

由于Pro/E中的三維樣機(jī)模型直接輸出的格式并不能在ADAMS中進(jìn)行直接調(diào)用，所以采取在Pro/E中導(dǎo)出x_t格式，再將該模型導(dǎo)入到ADAMS中。打開ADAMS/View界面，然后單擊主菜單中的File→Import，單擊Import會(huì)出現(xiàn)文件導(dǎo)入對(duì)話框如圖3，并按照?qǐng)D3進(jìn)行設(shè)置，然后單擊OK，完成了模型的導(dǎo)入[7]。

圖3 文件導(dǎo)入對(duì)話框

3.2 設(shè)置仿真環(huán)境的參數(shù)

1）設(shè)置工作柵格和單位。

2）按仿真環(huán)境中的模型設(shè)置正確的重力方向。

3）修改樣機(jī)模型的每一個(gè)零部件的材料屬性（整個(gè)機(jī)器人零部件中，除了底座和部分連桿為硬質(zhì)鋁合金LY12外，其余零部件材料均為MC尼龍66）。

3.3 模型的簡(jiǎn)化

由于導(dǎo)入的模型比較復(fù)雜，會(huì)影響仿真結(jié)果，因此要對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，首先刪除相對(duì)于樣機(jī)模型沒(méi)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系，且質(zhì)量很小的零件，如螺栓、螺母或者墊片等，然后利用布爾和操作將相互之間不存在運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并且材料屬性有相同的部件連接在一起，圖4為簡(jiǎn)化后的虛擬樣機(jī)模型。

圖4 簡(jiǎn)化后的虛擬樣機(jī)模型

3.4 運(yùn)動(dòng)副的建立

設(shè)置各個(gè)連桿之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，完成各運(yùn)動(dòng)部件之間的運(yùn)動(dòng)副的建立。具體連接關(guān)系如表5所示，最終虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

表1 連接關(guān)系

圖5 虛擬樣機(jī)模型

3.5 仿真分析

本文中基于機(jī)器人的工作情況，工具末端做垂直升降，給工具末端添加移動(dòng)副，并添加驅(qū)動(dòng)，然后對(duì)仿真對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置End Time=180，Step=400，進(jìn)行仿真，得到主臂和連桿的角速度曲線如圖6和圖7所示，并測(cè)得工具末端的位移曲線如圖8所示，然后通過(guò)ADAMS/Post processor生成主臂和連桿的速度樣條曲線分別命名為ZB_2和LG_2，返回ADAMS/View界面，把樣條曲線添加到主臂和連桿上，即把主臂上的驅(qū)動(dòng)MOTION_ZB修改為1d *CUBSPL(time,0,.robot_20141108.ZB_2,0)，把連桿上的驅(qū)動(dòng)MOTION_LG修改為1d * CUBSPL(time,0,.robot_20141108.LG_2,0）并把工具末端的移動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行抑制，再次對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析[8,9]。

圖6 主臂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)角速度曲線

圖7 連桿電機(jī)的運(yùn)動(dòng)角速度曲線

圖8 工具末端運(yùn)動(dòng)軌跡圖

3.6 仿真結(jié)果與分析

運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束后，利用ADAMS/Post processor模塊可以得到連桿在任意時(shí)間的關(guān)節(jié)變量值以及任意點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線，圖9為工具末端在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)X、Y兩個(gè)方向上的位移、速度和加速度曲線。

圖9 工具末端位移、速度和加速度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解計(jì)算，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。本文利用Pro/E技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行三維建模和裝配，然后再將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析，這樣既能克服ADAMS軟件三維建模能力差的缺點(diǎn)，又能很好地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，能直觀地觀察到機(jī)器人工具末端的位移、速度和加速度，為以后的清洗過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)，此技術(shù)的成熟可簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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