機械式手臂在魚水雷裝艇中的應用研究與設計*

范延洲　朱擁勇

(海軍工程大學　武漢　430033)

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機械式手臂在魚水雷裝艇中的應用研究與設計*

范延洲朱擁勇

(海軍工程大學武漢430033)

摘要對機械式手臂在魚水雷裝艇中的應用進行了研究與設計。對魚水雷裝載機械手臂的功能需求進行了分析,確定了機械臂的結構選型,并對機械手臂的參數進行了計算;對魚水雷裝艇機械手臂進行運動學分析,并對其運動進行仿真,工作范圍仿真結果驗證了設計的合理性;利用三維軟件Solidworks建立了機械臂的零部件模型,并進行了虛擬裝配。

關鍵詞機械式手臂; 運動學; 虛擬設計; 魚水雷裝艇

Application and Design of Mechanical Arm in Tropedo Loading

FAN YanzhouZHU Yongyong

(Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractThe mechanical arm was analyzed and designed in torpedo loading. The functional requirements of the mechanical arm were analyzed, and its parameters were calculated after determining the structure type of the mechanical arm. Then the mechanical arm’s movement was simulated by kinematic analysis in order to verify the rationality of designed working range. At last, the spare part models of the mechanical arm were built and assembled virtually by the Solidworks software.

Key Wordsmechanical arm, kinematics, virtual design, torpedo loading

Class NumberTJ3

1引言

現在各國海軍采用的潛艇魚水雷裝載方式主要有兩種,一是升降口裝雷,二是魚雷發射管裝雷。升降口是人員平時進出潛艇的通道,裝雷的時候在升降口上布設兩條滑軌,直通魚雷艙,使用吊車把魚雷吊在滑軌上,然后使用艦橋上的絞盤把魚雷緩慢溜放到魚雷艙。所謂發射管裝雷,就是把潛艇靠到專門的裝雷碼頭,把一個浮筏固定在潛艇的艇艏,使用吊車把魚雷吊起,在鋼索的引導下從發射管裝填進去。分析用吊車裝載魚水雷的過程可知,魚雷一般幾噸重,僅用一根吊帶吊住其重心并進行移動,其安全系數不能得到保證,若在氣象條件較差或夜間裝載時,安全性可能更受影響;吊車鋼絲繩、吊帶斷裂、脫落或重心滑移等情況發生,可能造成嚴重后果;另外,整個裝載過程動用人員較多,花費時間也較長(約10余分鐘)。因此,有必要對魚雷裝艇的方式方法進行研究,探討設計一種更為安全合理、用時較短、動用人員較少的魚雷裝載模式。本文提出采用機械式手臂進行魚水雷裝載。

機械式手臂是目前在機器人技術領域中最常見的一種自動化機械裝置,在工業制造、醫學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造以及太空探索等領域得到了廣泛應用[1～3]。機械式手臂能夠接受指令,精確地定位到三維(或二維)空間上某一點進行作業,可以減省人工、提高效率,安全性高。

2魚水雷裝艇機械式手臂結構選型設計

2.1機械式手臂的功能需求

針對魚水雷裝艇過程,機械式手臂的功能要求如下:

1) 幾何尺寸要求。工作裝置的幾何參數要滿足工作范圍要求。

2) 運動特性要求。功率需要滿足各種工況下滿負荷工作時各執行機構所需的功率總和。

3) 魚水雷安裝時應具有微動性。應有繞三個軸的轉動、移動等六個自由度。

4) 結構強度要求。結構強度是工作裝置設計的關鍵之一,需要在滿足舉升力的情況下,確保工作裝置的剛度和強度特性。

2.2機械式手臂的結構選型

圖1　開鏈連桿式關節型簡化圖

機械式手臂是魚水雷裝艇的執行部件。設計期望機械臂能夠快速、準確的把末端執行裝置移動到魚雷發射管,并對末端所夾持的魚水雷姿態進行調整,因此機械臂需要具備適當的自由度。手臂六個自由度可以有不同的運動組合,通常可以將其設計成圓柱坐標型、直角坐標型、球坐標型、關節型和平面關節型等型式。關節型結構是機器人領域使用最多的結構形式之一,空間面積體積小,結構緊湊。在相同的體積條件下,關節型機械手臂有更大的工作空間,動作和軌跡也更靈活[4]。魚水雷裝艇機械式手臂擬采用開鏈連桿式關節型機械結構,機械模型簡化如圖1所示。

2.3機械式手臂的結構參數

機械臂臂部的結構參數需根據一定的工作空間要求來確定。利用需要搬運魚水雷的位置可以確定該機械臂的主要結構參數,包括大臂、小臂長度及其極限擺角。

圖2　機械臂位置結構簡圖

圖2所示為機械臂位置機構的三自由度模型,整個模型位于固定參考坐標系OXYZ內,先僅考慮機械臂位于XOZ平面上的工作區域(工作空間主視圖),而機械臂全部的工作空間可以通過將XOZ平面上的工作區域繞Z軸旋轉θ0角度得到。P(x,y,z)點為機械臂末端端點,其所能達到的空間即為機械臂所能達到的工作空間,且P(x,y,z)點的坐標可用關節坐標表示為

x=L1sinθ1+L2cosθ2

(1)

z=L0+L1cosθ1+L2sinθ2

(2)

y=0

(3)

式中,L0為機械臂底座高度,L0為已知值(設定為2m);L1為機械臂大臂長度;L2為小臂長度;θ0為機械臂底座轉角,取X軸為零位,繞Z軸順時針旋轉為負,逆時針旋轉為正;θ1為大臂擺角,豎直方向為零位,大臂位于Z軸左側為正,右側為負;θ2為小臂擺角,取水平方向為零位,上側為正,下側為負;取θ1min、θ1max、θ2min、θ2max分別為大臂與小臂擺角的極小值與極大值。

圖3　工作空間主視圖邊界

如圖3所示,該機械臂工作空間主視圖邊界由四條曲線組成,其中P1P2為θ2=θ2max時,θ1由θ1max到θ1min變化時得到的曲線;P2P3為當θ1=θ1min時,θ2由θ2max到θ2min變化時得到的曲線;P3P4為當θ2=θ2min時,θ1由θ1min到θ1max變化時得到的曲線;P4P1為當θ1=θ1max時,θ2由θ2min到θ2max變化時得到的曲線。其中P1、P2、P3點的坐標值均滿足式(1)和式(2)。P1(x1,z1)、P2(x2,z2)和P3(x3,z3)三點的坐標值應根據具體搬運魚水雷實際位置坐標參數確定,以機械臂底座為坐標系原點,各點坐標值可取為P1(x1,z1)=(4,1)、P2(x2,z2)=(6,3)、P3(x3,z3)=(8,-4)。根據式(1)、式(2)可求得機械臂結構參數:θ1min=0.02°、θ1max=44.98°、θ2min=-47.82°、θ2max=-26.58°、L1=2.83m、L2=6.27m。

3機械式手臂運動學分析及仿真

3.1機械式手臂運動學分析

本文設計的機械式手臂由一系列連桿串聯而成,可以簡化為開式連桿運動鏈,一端固定在基座上,另一端安裝末端執行器來完成魚水雷裝艇作業。驅動器驅動各關節運動帶動連桿運動,從完成魚水雷裝填工作。

機械臂運動學,主要是對與位置、速度和加速度有關的變量進行求解,常用幾何法和D-H坐標法,對魚水雷裝艇機械臂來說,其自由度較多,選用D-H坐標法來進行運動學分析[5]。建立機械手臂連桿坐標系如圖4所示。

圖4　機械手臂連桿坐標系簡圖

從坐標系i-1到坐標系i之間的變換稱之為坐標系變換。給出連桿間的坐標齊次變換矩陣[6]:

對機械臂末端相對于固定坐標的變換,可表示為

T60=T1T2T3T4T5T6

機械臂各連桿參數如表1所示。

表1　機械臂各連桿參數

由變換公式[7]和上表可知各關節的位姿矩陣T1、T2、T3、T4、T5、T6。將各個連桿變換矩陣相乘,可得機械手臂末端相對于固定坐標系的變換矩陣T60。此時,若已知各關節轉角便可求出手部末端在基坐標系中的位置。

3.2運動軌跡仿真結果

機械手臂工作范圍尺寸是較為重要的一個參數,在某種程度上反映了機械手臂的工作性能。工作范圍的極限可以用包絡曲線來表示,包絡曲線反應的是液壓缸極限狀態下手臂末端所能達到的極限位置。根據建立的機械手臂數學模型,利用Matlab仿真得到工作范圍的結果如圖5所示。

從仿真結果可以看到,機械臂的工作范圍包含P1(x1,z1)=(4,1)、P2(x2,z2)=(6,3)、P3(x3,z3)=(8,-4)三個點,說明機械臂工作范圍尺寸符合實際魚水雷裝艇搬運過程要求。

圖5　工作范圍仿真結果

4機械式手臂虛擬設計及裝配

在Solidworks中建立魚水雷裝載機械臂三維模型時對一些不影響分析效果的結構進行簡化,省略部分不需分析的零件,如螺釘、油管等。建模時遵循從下到上的設計原則,先確定各部件鉸點位置,再畫出各板輪廓線進行拉伸面,從而得到各板實體,最后組合各類板得到各部件實體結構[8]。

魚水雷裝載機械手臂的三維模型主要包括大臂機構、小臂機構、姿態調整機構和夾持機構等。針對機械手臂不同零件的結構特征,采用不同的造型手段來生成零件實體。常用的建立模型的順序為先進行基本特征建模,之后在基本特征基礎上生成構造特征,最后再對特征進行特殊的加工,主要零件的三維模型如圖6～圖8所示。

圖6　大臂機構三維模型

圖7　小臂機構三維模型

圖8　手部機構三維模型

虛擬裝配是指在計算機上建立魚水雷裝載機械手臂的裝配模型,即將不同的零件組裝成一個整體的過程[9～10]。首先確定哪些零部件需要裝配,然后根據零部件的安裝位置及特性確定裝配順序,及零部件間的裝配約束關系,最后實現虛擬裝配過程。

魚水雷裝載機械是由行走裝置、回轉裝置、工作裝置等組成的較復雜系統,本文所設計的是工作裝置部分,也就是機械手臂部分。通過裝配過程可及時發現零件的設計缺陷和相互之間的裝配干涉。運用Solidworks裝配設計平臺下提供的零件約束類型,對所設計的零件實體進行組裝得到裝配體模型,裝配完成的魚水雷裝載機械手臂整體模型如圖9所示。

圖9　機械手臂裝配模型圖

5結語

在分析魚水雷實際裝艇操作過程特點的基礎上,對魚水雷裝載機械手臂的功能需求進行分析,確定了機械臂的結構選型;建立了魚水雷裝艇機械臂的運動學模型,進行運動學分析,并用Matlab對其運動進行仿真,工作范圍仿真結果驗證了設計的合理性;建立了機械式手臂的零部件模型,并進行了虛擬裝配,以便下一步在ADAMAS環境中對其進行仿真分析,進一步完善相關設計工作。

參 考 文 獻

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中圖分類號TJ3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.041

作者簡介:范延洲,男,工程師,研究方向:機械動力學。朱擁勇,男,博士,講師,研究方向:機械動力學。

*收稿日期:2015年8月7日,修回日期:2015年9月26日