機械臂與其動力學特性

郝國凱 劉鵬飛 鄭鵬飛

摘要：機械臂屬于工業生產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，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有其動力學的計算基本原理，ADAMS是一種機械系統的動力學仿真軟件，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模型，獲取機械臂進行工作時的各個參數隨著時間的變化而變化的規律，來計算和分析液壓與控制子系統之間的動力學特性。

關鍵詞：機械臂；動力學；設計；液壓；模型；ADAMS；

引言

隨著機械科技的不斷進步，現代的機械系統越來越向機電液一體化的方向發展，一個優秀的機電液一體化的機械系統，本身一定具備完善的機械性能，還能將控制系統和其他系統協調起來工作，加強機械系統和控制系統之間的耦合作用，能夠使系統特性產生眾多出人意料的變化，還可能會發生不穩定的現象。雖然人們已經認識到耦合問題存在，但是因為對這個領域缺乏完整的研究，現在的機械設計師仍是先進行機械部分的設計，且設計中不考慮會對控制系統造成的影響，控制工程師再已經機械工程師設計好的結構設計控制系統，使用的是簡化過的機械模型，這樣進行設計，經常會產生大的設計返工。所以，要提升機電液一體化的機械系統性能，降低設計的成本，縮小開發周期，要進行結構和控制系統之間的并行設計，利用虛擬樣機的技術來設計與模擬系統。現在已一個工業生產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、液壓與數字控制于一體的數字化的虛擬樣機，來進行機電液的耦合動力仿真。

1、解機械系統的動力方程

相對受控的機械系統，控制往往能產生驅動力，這種驅動力可以看做是一個廣義力的特別項，控制子系統可以產生驅動力，也將其加入系統內的動力學模型。因為包含了非剛性機械的子系統與剛性控制子系統兩種，在進行動力學的仿真時，如何選擇合理的數值積分的方法時一個重要問題，在計算動力學是，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，二是給出ABM的積分求解程序，使用坐標分離的算法，解出獨立坐標的一個微分方程，這種方法適合模擬一些特征值經過突然變化的系統或者高頻系統。

2、計算機液耦合的動力學

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

托料機構圍繞軸轉動的慣量是2.964kg°m3，物料圍繞軸轉動的慣量是11.2129kg°m3。環境溫度設定為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腔最初的壓力值設定是0.57Mpa，B腔最初的壓力值設定是0.1Mpa，使用兩個單向的閥來實現液壓鎖的功能，兩個安全閥來設定液壓缸工作的壓力。

3、控制系統進行的交互式仿真

控制機械臂轉角的過程為：直流電機輸入電壓信號，輸出軸要輸出扭矩，經過變扭矩的作用，經過齒輪副來帶動蝸桿圍繞渦輪轉動，來帶動支臂圍繞轉軸轉到所需要的位置，平衡器是一個氣液蓄能器，它可以使支臂平穩的轉動，根據上面機械定位的特點，在設計控制原理的方案是，使用經典的控制理論的閉路反饋，為此要定義兩個反饋變量，一個是使用轉軸的編碼盤測試出來的支臂轉角，第二個第使用測速發電機測量出的電機輸出軸轉動速度。ADAMS planl和MATILAB控制系統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回路，然后在MATLAB內輸入控制原理圖就能夠控制機械臂的轉角。要實現機構和控制之間的交互式仿真，需要在ADAMS view中定義三個狀態變量，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軸的轉角與電機轉速?？刂品抡娣治龈膭恿W模型，仿真參數是：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，位置環參數為：P=1400，速度環參數是P=6?？梢詮姆抡娼Y果中得知，過渡時間大約是0.8秒，滿足設計的要求，在0.8秒后的位置跟蹤，誤差應該控制在0.02rad之間。使用MATLAB這個控制系統軟件來對其的控制系統來仿真，同時把動畫的模式設置成交互式，這樣就能通過ADANS/view來動態的顯示被跟蹤的仿真結果，支臂到達平衡時候的轉角是22.7°。

4、結語

機械臂作為生產過程中傳送的重要紐帶，在各生產加工中起著非常重要的作用，鑒于當前動力學手段還存在著局限性，我國的機械臂設計和理論實踐研究還存在一些不足，所以，我們要在現有的機械臂研究中總結經驗，進行不斷的完善和創新，同時，可以借鑒國外的相關技術，將其技術與我國的生產技術相互結合，相信在今后，這一領域的研究會得到更加顯著的效果。

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