工業機械手振動模擬測試平臺的搭建

張佳福，王延超，楊光賀，沙 碩

（1.中車山東風電有限公司，山東 濟南 250104；2.北京理工大學，北京 100081）

0 引言

機械手是近代自動控制領域出現的一項新技術[1]，已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分，是一種能部分模擬人的手臂動作[2]，按預定的程序軌跡及其它要求，實現抓取搬運工件或操做工具的自動化裝置[3]。機械手是最早出現的工業機器人[4]，也是最早出現的現代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全[5]，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[6]。

隨著5G技術和物聯網技術的發展，機械手的應用前景更加廣泛[7]。工業領域和家用機器人將作為一種高科技自動化設備，采用遠程控制技術來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人工智能和機器的優點，是人的智能、信息化、物聯網、5G等技術綜合體現，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景[8-11]。

而為了能夠更好的研究設計機械手系統的穩定性和控制可靠性，搭建模擬現場作業的環境，檢測機械手的控制信號則是必要的途徑。基于適應場地，保障被測機械手的安全以及模擬不同振動頻率的角度考慮，如何設計搭建重工業機械手模擬測試平臺就顯得尤為重要。

1 測試平臺的設計構思

為了模擬設備的振動環境，需設計出一種可模擬各種振動環境的測試平臺[12]。所模擬的測試內容主要是在不同的振動頻率環境下，測試機械手的抓握能力以及機械手系統通過控制機械手搬動設備的能力。那么我們為保證測試過程的安全性[13-14]，結合試驗現場的現有條件，設想了一套安全可靠的測試實驗平臺，見圖1。

圖1 測試平臺原型

本模擬測試系統平臺具備可移動能力，在不干擾實驗辦公的前提下，可以隨時進行相關測試。當不需要測試時，可將平臺移動到適當位置。那么機械手可以在平臺下A、B承臺間來回搬動振動器。振動器則可以懸掛在移動平臺下，保證振動器在任何情況下不會掉落。振動器通過相關的控制旋鈕可以實時調節振動頻率，同時在振動器整體設計上方便機械手操作模擬使用，并在合適位置設置急停按鈕，避免設備影響到機械手裝置的安全性。

2 振動模擬測試平臺的搭建

本測試平臺主要包括振動模擬器、移動平臺、承臺以及相關的電源線纜等。

2.1 振動模擬器的設計

本方案是建立在機械手來操作振動模擬器。振動模擬器外部殼體采用了鋁制結構殼體，這樣既保證了設備強度也減輕了設備的總體重量，見圖2。

圖2 振動模擬器模型

在機械手正常手抓握常用把手41，通過開關按鈕5控制振動模擬器的啟停。通過吊鉤2與移動平臺柔性連接，可以保證振動模擬器的振動狀態不被干擾，同時可以防止振動模擬器意外墜落。如此在模擬測試時保證了機械手裝置的安全。另外振動模擬器操作面板布置考慮到人機工程學，使得在遇到緊急情況時，可以盡快的通過急停按鈕6停止設備運行。振動模擬器相關參數見表1。

表1 振動模擬器參數

為了準確的測試機械手在不同振動頻率下的機械手的控制信號的輸出狀態，在振動模擬器的操作面板上設置頻率調節旋鈕3，以調節振動模擬器的振動頻率。在組裝完成振動模擬器后，考慮到設備內部振動電機傳遞到整個設備的振動頻率有所變動，通過分體式測振儀對其進行了二次標定，確定了振動模擬器的振動頻率等相關參數。由于測振儀的測試項點只包含速度v、加速度a、位移s，振動模擬器的振動頻率可通過公式（1）計算得出。

測振儀在檢測設備振動頻率時，通過探測針頭施加500～1000g的恒定力壓觸在振動模擬器外壁上，可分別得出各個分項數據，見圖3。

圖3 頻率測試方法

通過分體式測振儀測得振動模擬器的振動范圍在0～3000Hz之間，可以通過控制面板上的頻率調節旋鈕在0-10檔之間進行切換，來滿足將來對機械手在不同頻率下的測試，獲取機械手在不同頻率下的機械手的控制信號的變化情況。最終為進一步研究能適應振動環境的新型機械手積累大量研究資料。

2.2 移動平臺結構設計

考慮到機械手在不同工作環境下的適應能力，在振動環境下對機械手的測試過程中為保證機械手系統的安全和使用方便，需要設計一款安全測試的移動平臺。同時在現有的實驗條件下，測試平臺要求具有可移動能力。

具體模擬工況是機械手系統通過機械手抓取振動模擬器，將其在承臺A和承臺B之間進行往復操作。綜合考慮實驗環境以及實際耐受能力等各方面因素，初步設定移動平臺的外形尺寸（長×寬×高）約為2.5m×0.5m×2.1m，見圖4，機械手控制系統在移動平臺之間的可操作空間約為2m。

圖4 移動平臺外形尺寸圖

在移動平臺的底部每個支腿上安裝4個腳輪，可以通過腳輪移動到所需測試場地進行測試，待設備到位后通過腳輪鎖止機構將平臺固定，見圖5。

圖5 平臺腳輪支腿

移動平臺中部通過2根40mm×40mm×2000mm的鋁型材橫梁將其連接形成一個整體，保證平臺結構強度。平臺上部通過C型鋁型材固定連接構成平臺的吊裝橫梁。在C型鋁橫梁內部設計安裝導向滑輪，使其能夠在C型鋁橫梁內部往復滑動，見圖6。

圖6 C型鋁橫梁和導向滑輪

在導向滑輪上安裝吊裝吊環，通過尼龍繩索連接吊環和振動模擬器，如此機械手控制系統通過機械手操作振動模擬器在承臺間往復運動時，可以保證振動模擬器意外掉落時而不會損壞機械手的控制系統。

而當振動模擬器掉落時，是通過移動平臺上部C型鋁橫梁內的吊環保護的。由此振動模擬器向下掉落產生的力全部傳遞到橫梁上。為保證移動平臺不因此產生傾覆現象，設計上部C型鋁橫梁由立柱外探長度L1小于移動平臺支腿外探長度L2。這樣保證了移動平臺的重心始終位于腳輪之間，見圖7。

圖7 防傾覆設計

2.3 振動模擬測試系統構成

本振動模擬測試系統構成包括移動平臺、振動模擬器、2個承臺以及相關的附屬電器零部件組成。振動模擬器通過安全繩索連接在移動平臺上部C型鋁橫梁中部的吊環上，從而保證其在承臺A、B之間往復自由移動而不跌落，最終可使機械手安全操作振動模擬器，見圖8。

圖8 模擬測試系統構成

3 移動平臺結構強度分析

由于移動平臺是整個測試系統的安全保證，要求其具有一定的結構強度[15]。當機械手在測試過程中出現緊急情況時，不致發生危險，則要求移動平臺在最不利工況下，平臺橫梁不會斷裂失效。因此，在移動平臺初步設計完成后，需要對其進行應力分析。而有限元法作為一種結構分析的數值計算方法，目前在各行各業的結構設計中發揮了越來越重要的作用。本文通過SolidWorks軟件有限元模塊對移動平臺進行受力分析[16]。

3.1 移動平臺受力工況分析

根據移動平臺結構設計分析可知，其極端工況主要是當振動模擬器移動到移動平臺中部時跌落，此時移動平臺受到的負載最大。

振動模擬器設計完成后，其總的重量M為4.3kg，其重力為G：

根據實驗條件和人體人機工程學分析，假定殘疾人在操作振動模擬器時，振動模擬器不慎掉落，其最大跌落高度h為0.5m。根據公式（3）和（4）可知振動模擬器在跌落最低點時的速度v為3.16m/s。

假設繩索的抵消沖擊力的時間為0.1s，根據公式（5），沖擊力F約為135N。

通過以上計算可知，移動平臺受到向下的最大力F約為135N。

3.2 鋁型材材料選擇

移動平臺的整個框架結構采用的是鋁型材，選用牌號為鋁6063-T5，其性能參數見表2。如此便于輕量化設計，同時減少了大量的機加工作業環節，大大節約了成本和研發周期。

表2 鋁型材材料的性能參數

3.3 網格劃分、施加載荷和約束

網格劃分是有限元分析前處理中的重要工作，Solid-Works Simulation先進的網格處理功能可對復雜的幾何模型進行高質量的網格處理[17]。

通過SolidWorks軟件對移動平臺建模后，將建立模型的材料設置為鋁6063-T5，根據移動平臺使用的工作環境，其最不利工況為在振動模擬器移動至平臺中部時發生跌落。由上節計算可知最大沖力約為135N。

為了便于網格劃分，必須對移動平臺做必要的簡化處理。因此忽略不重要區域的小孔、圓角及小尺寸結構；對主要部件受力影響不大的部分可以省略；模型簡化中認為螺栓鏈接等同于母材強度，按整體結構簡化建模。移動平臺網格劃分及載荷和約束示意如圖9。

圖9 模型網格劃分、載荷及約束

3.4 模型加載及靜力學分析

經過網格劃分及載荷和約束設置后，對移動平臺簡化模型進行加載運行分析。分別得出了移動平臺簡化模型的各項受力分析結果，見圖10～12。

如圖10所示，當機械手操作振動模擬器出現極端情況時，即設備跌落，向移動平臺施加最大力所產生的最大應力為36.31MPa。其遠低于移動平臺的屈服力145MPa。且通過SolidWorks有限元分析可知，該最大應力點為C型鋁橫梁的兩端連接處。

圖10 模型靜態應力分析結果

如圖11所示，可以看出此時移動平臺最大變形位移點位于移動平臺的上部C型鋁橫梁中部位置，最大變形量為13.64mm。

圖11 模型靜態位移分析結果

如圖12所示，移動平臺最大應變為，通過查閱機械設計手冊及其相關文檔可知，移動平臺結構設計滿足相關測試實驗的要求。從而為實驗平臺安全測試提供了可靠的理論保障。

圖12 模型靜態應變分析結果

3.5 移動平臺制造及實驗驗證

通過SolidWorks有限元分析模塊對移動平臺進行有效分析，理論通過了移動平臺結構設計。根據設計，加工生產移動平臺、振動模擬器，最終成功搭建振動環境下的模擬測試系統平臺，見圖13。

圖13 模擬測試系統平臺

在最不利工況下進行了自由跌落實驗，驗證了理論分析結果，滿足機械手進行各種振動環境下的測試實驗。

4 結論

本文搭建了一款能夠模擬振動環境的實驗測試系統平臺，主要包括振動模擬器的設計和移動平臺設計。該系統平臺能夠提供不同振動頻率的振動環境，同時能夠為測試提供安全保障。對所設計移動平臺進行了有限元分析，并實驗驗證了其可靠性、安全性。

在該系統平臺搭建完成后，將通過機械手操作不同振動頻率下的振動模擬器，檢測機械手的控制信號的變化及機械手穩定性，為下一步設計工業機械手設計積累大量的原始數據資料。