某自動裝填機械手設計與仿真研究

王偉偉，王屹華，趙濤，江騰耀，邱照原，楊蘊萌

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

大口徑火炮作為當今世界各國軍隊裝備數(shù)量最多的武器系統(tǒng)之一,具有殺傷力大、射程遠、機動靈活等特點,因此被世界各國競相研制和發(fā)展。在瞬息萬變的現(xiàn)代戰(zhàn)場上,作為一種重要的武器系統(tǒng)之一,大口徑火炮需要在盡可能短的時間內(nèi)發(fā)射盡量多的彈丸,由此對敵方實施猛烈的打擊。為了提高大口徑火炮的彈藥裝填速度,世界主要發(fā)達國家都非常重視彈藥自動裝填系統(tǒng)的研制工作[1-2]。

供輸彈系統(tǒng)是一種機、電、液一體化的機電系統(tǒng),是火炮的重要組成部分之一,一般置于火炮的炮塔底部或尾部,主要作用是減輕裝填手的工作負擔,按所需的彈種將彈丸從彈倉中取出并裝填入膛。隨著我軍裝備與在研的火炮裝備技術(shù)水平、結(jié)構(gòu)復雜程度的提高,火炮供輸彈系統(tǒng)也在朝著系統(tǒng)化、復雜化和自動化的方向發(fā)展[3]。

彈藥自動裝填機械手作為供輸彈系統(tǒng)的重要部件,在火炮的射速、可裝填角度等方面有著較大影響,機械手能否快速可靠地完成從彈倉中抓取彈丸、并準確地放入彈協(xié)調(diào)或輸彈機中,直接影響火炮的射速、自動化程度等技術(shù)指標和性能[4]。隨著裝備的研制和相關項目的進行,對自行火炮裝填機械手的研究也在不斷完善,文獻[4]利用D-H參數(shù)方法建立機械手的運動學模型,并對特殊關節(jié)的角速度、角位移進行了研究;文獻[5]對某自動裝填機械手結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,以減少零件材料的使用,提高機械手的工作性能;文獻[6]介紹一種抓彈器結(jié)構(gòu),包括機械臂底座、機械臂、抓彈手,以上都對裝填機械手進行了研究。

筆者將基于某大口徑自行火炮設計一種新型的裝填機械手,并采用D-H參數(shù)等方法建立運動學方程,在RecurDyn軟件環(huán)境中建立仿真模型,以此分析所設計裝填機械手的合理性。

1 設計要求

彈藥自動裝填技術(shù)是現(xiàn)代大口徑火炮的關鍵技術(shù)之一,可極大地影響火炮的戰(zhàn)略機動性和戰(zhàn)術(shù)機動性,其中彈藥自動裝填機械手在彈藥自動裝填系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位。裝填機械手作為彈藥自動裝填系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),該機構(gòu)設計的合理性與控制的可靠性直接影響彈藥自動裝填系統(tǒng)的性能,故對火炮的整體性能有極大的影響。自動裝填機械手要實現(xiàn)的功能包括將彈丸從彈倉中取出,并準確、可靠、快速地放入彈協(xié)調(diào)或輸彈機中。

在本研究中,彈丸的抓取與釋放由二指抱爪實現(xiàn),彈丸位置的改變由機械臂實現(xiàn),如圖1所示,裝填機械手主要由二指抱爪和機械臂構(gòu)成,故二指抱爪與機械臂的性能將直接影響裝填機械手的整體性能。

1.1 二指抱爪

二指抱爪作為直接與彈丸相接觸的構(gòu)件,對裝填機械手整體性能起著極為重要的作用,故對二指抱爪提出如下設計要求：

1)二指抱爪與機械臂的連接：二指抱爪可搭載在機械臂上,且與機械臂實現(xiàn)穩(wěn)定牢靠地連接,實現(xiàn)二指抱爪搭載在機械臂上后,需保證裝彈部位不與機械臂發(fā)生干涉,不影響裝填動作的完成。

2)二指抱爪的開合狀態(tài)：二指抱爪在張開之后,彈丸可與抱爪順利脫離,在彈丸與抱爪的脫離過程中彈丸不會與抱爪和機械臂發(fā)生干涉;在二指抱爪合住之后,彈丸可穩(wěn)定牢靠地被二指抱爪抓住且實現(xiàn)抱爪的鎖定,在控制機械臂移動已抱彈的二指抱爪過程中,彈丸不會脫離二指抱爪且不會發(fā)生較大的晃動。

1.2 機械臂

1)負載要求：機械臂自身負載要小,驅(qū)動電機的安裝要盡可能不增加機械臂的負載,本研究將電機安裝在機械臂基座上;機械臂可托起較大負載的重物,在機械臂完全探出,處于極限狀態(tài)之下,亦可穩(wěn)定準確地實現(xiàn)將彈丸移動到某個位置。

2)搭載二指抱爪：機械臂需牢靠地搭載二指抱爪,由機械臂實現(xiàn)二指抱爪位置的改變,在控制機械臂運動的過程中,不可影響二指抱爪的開合,即在控制機械臂改變二指抱爪位置的過程之中,不可影響二指抱爪與彈丸的抓取與釋放。

3)運動范圍：機械臂的運動范圍較大,可實現(xiàn)在空間中運動,且在特定的運動范圍內(nèi)或運動位置處,二指抱爪亦可穩(wěn)定準確地實現(xiàn)對彈丸的抓取與釋放操作。

2 整體結(jié)構(gòu)設計及動作流程

機械臂由若干連桿組成,可實現(xiàn)將二指抱爪移動到特定的位置。二指抱爪由左右抱爪、滑塊、連桿、自鎖裝置等組成,可實現(xiàn)穩(wěn)定地抓取和釋放彈丸,并在抓取彈丸之后實現(xiàn)二指抱爪的鎖定以及通過解鎖抱爪實現(xiàn)彈丸的釋放。

2.1 機械手動作流程

機械臂控制二指抱爪向彈丸方向運動,其中抱爪基座上彈丸接觸面設計為與彈丸圓柱面相配合的圓弧形狀[7],如圖2所示。二指抱爪在抓取彈丸的過程中,自彈丸表面與滑塊相接觸,直至二指抱爪完全抱住彈丸,抱爪狀態(tài)由開轉(zhuǎn)為合,其過程如圖2(b)到圖2(c)。在此過程中,自鎖裝置上滑塊沿x軸正向運動,如圖3所示,其上卡槽逐漸運動到鎖卡正上方,其過程如圖3(a)到圖3(b),鎖卡在卡槽處于其正上方后沿y軸正方向運動,直至二者完全重合,自鎖裝置實現(xiàn)鎖定,其過程如圖3(b)到圖3(c)。

在二指抱爪抱取彈丸之后,若要實現(xiàn)二指抱爪與彈丸相脫離,控制電磁鐵上電,鎖卡在電磁鐵磁力的作用下沿y軸負方向進行運動,直至鎖卡與卡槽完全脫離,其過程如圖3(c)到圖3(b)所示;機械臂控制二指抱爪沿遠離彈丸方向運動,二指抱爪逐漸打開直至彈丸與滑塊不再相接觸,在此過程中滑塊上卡槽沿x軸負方向進行運動,其過程如圖3(b)到圖3(a)所示,至此自鎖裝置實現(xiàn)解鎖,抱爪的狀態(tài)由合轉(zhuǎn)為開,其過程如圖2(c)到圖2(b)所示。

2.2 機械臂參數(shù)分析

機械臂由若干連桿通過旋轉(zhuǎn)副連接組成,其運動關系實質(zhì)上由3個平行四邊形和1個三角形構(gòu)成,如圖4所示。

圖4若干點對應機械臂上相關旋轉(zhuǎn)副的旋轉(zhuǎn)軸,包括平行四邊形：ACC1A1、AA2B2B、ADD1A1,三角形：△ABC(其中A1點、C1點固定,點D、點A、點A2在一個剛體連桿上)。由平行四邊形的相應關系可知：A1C1∥AC、AB∥A2B2,故有φ1=φ2、β1=β2,由于A1點、C1點固定,故角度φ1、β1為定值,進而β2為定值,由于機械臂在A2、B2旋轉(zhuǎn)軸處搭載二指抱爪,故二指抱爪基座相較于機械臂基座的姿態(tài)始終不變。

2.3 二指抱爪參數(shù)分析

二指抱爪作為裝填機械手抓取和釋放彈丸的直接執(zhí)行構(gòu)件,其關鍵特征尺寸將直接影響裝填動作的執(zhí)行,關鍵特征參數(shù)如圖5所示,坐標系建立在抱爪基座上,其原點O與彈丸接觸面圓弧中心重合。二指抱爪左右對稱,故研究抱爪單側(cè)即可,本文研究左側(cè)抱爪。二指抱爪在開與合的過程中,需滿足如下條件：在二指抱爪完全抱住彈丸后,彈丸接觸面與彈丸圓柱部表面相重合,此時彈丸圓柱部圓弧中心與坐標系原點O重合,要確保二指抱爪牢靠地抓住彈丸,二指抱爪在合住狀態(tài)下端點D′在y軸方向上過彈丸圓柱部中心n0距離,如圖5(c)示,由此可滿足抱爪左、右兩個端點間的距離小于彈丸圓柱部直徑;若二指抱爪已抱彈,在抱爪張開后,通過控制機械臂移動二指抱爪向遠離彈丸方向運動,可實現(xiàn)彈丸與二指抱爪完全脫離,在此過程中需確保彈丸圓柱部不與圖5所示端點D發(fā)生干涉,故二指抱爪左右兩個端點間的距離需大于彈丸圓柱部直徑。

結(jié)合二指抱爪開合過程及上文所述m0、n0滿足條件,確定二指抱爪上其他相關構(gòu)件的特征尺寸(令長度lAB=lBC=g1、lCD=g2,滑塊在開合過程中的移動距離lAA′=h0),二指抱爪上關鍵參數(shù)特征如表1所示。

表1 二指抱爪上關鍵點坐標

其中m0、n0、m1、n1、h0、l0、r0均為常數(shù),x1、x2、y1、y2、y3、y4均為待確定值。綜上,點C坐標分量y3、點D坐標分量y4為未知值,點B(x1,y1)、點B′(x2,y2)作為連桿連接點,其坐標分量可與y3、y4建立一定的映射關系,進而求解y3、y4。在二指抱爪張開的狀態(tài)下,滑塊沿圖5(a)中的y軸負方向運動,帶動左側(cè)抱爪繞C點轉(zhuǎn)動,直至二指抱爪完全合住,如圖5(b),D點運動到D′點位置,B點運動到B′點位置,如圖5(c),可確定長度lCD=lC′D′,角度ε1=ε2。

由lCD=lC′D′可得：

(1)

由lAB=lBC=g1可得：

(2)

由式(2)易確定由y3到x1的映射x1=f1(y3),由y3到y(tǒng)1的映射y1=g1(y3)。

由lA′B′=lB′C′=g1可得：

(3)

由式(3)易確定由y3到x2的映射x2=f2(y3),由y3到y(tǒng)2的映射y2=g2(y3),利用余弦定理,由角度ε1=ε2可得：

(4)

聯(lián)立式(1)、(4),由此便可確定待求未知數(shù)y3、y4,進而確定二指抱爪上相關特征參數(shù)。

3 裝填機械手運動學方程

裝填機械手主要由機械臂與二指抱爪構(gòu)成,故二者的運動關系將直接影響彈丸的抓取與釋放過程,因此對二者運動學的研究尤為重要。

3.1 機械臂

裝填機械手上各剛體坐標系之間的關系如圖6所示,本文所討論的機械臂上包括4個坐標系{O}、{O1}、{O2}、{O3},機械臂的運動副包括3個旋轉(zhuǎn)自由度,旋轉(zhuǎn)自由度如圖6中角度θ1、θ2、θ3。

3.1.1D-H參數(shù)建立

機械臂可看作由一系列連桿通過關節(jié)串聯(lián)而成的運動鏈,其上連桿均可用D-H參數(shù)ai-1、αi-1、di、θi進行描述,其中ai-1指沿著xi-1方向,zi-1和zi間距離;αi-1指以xi-1方向看,zi-1和zi間夾角;di指沿著zi方向,xi-1和xi間距離;θi指以zi方向看,xi-1和xi間夾角。分析本機械臂結(jié)構(gòu),可知共包含3個關節(jié),按照D-H參數(shù)法建立各個附體坐標系,其中慣性參考坐標系{O}固定在機械臂基座;坐標系{O1}固定在大臂,大臂可繞坐標系{O1}上z1軸(關節(jié)1)轉(zhuǎn)動;坐標系{O2}固定在小臂,小臂可繞坐標系{O2}上z2軸(關節(jié)2)轉(zhuǎn)動;坐標系{O3}固定在二指抱爪基座上,二指抱爪基座可繞坐標系{O3}上z3軸(關節(jié)3)轉(zhuǎn)動。由上所述建立本機械臂的連桿參數(shù)[8],如表2所示。

表2 機械臂D-H參數(shù)表

3.1.2 運動學方程

相鄰連桿之間的齊次變換矩陣[9]為

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 二指抱爪

3.2.1 運動參數(shù)設定

二指抱爪通過滑塊移動,帶動左右抱爪轉(zhuǎn)動,由此實現(xiàn)二指抱爪的開合,故二指抱爪的運動參數(shù)主要包括二指抱爪的連桿參數(shù)、滑塊的移動距離以及二指抱爪在開合兩種狀態(tài)下左右抱爪端點相較于彈丸圓柱部圓心的相應參數(shù)(相應參數(shù)均與圖5(c)示標注一致),如表3所示。

表3 二指抱爪參數(shù)設定

3.2.2 運動學方程

依據(jù)筆者所述的概念設計方案,建立二指抱爪的參數(shù)化模型,如圖7所示,坐標系原點為O點(抱爪基座上彈丸接觸面圓弧中心),AB代表連桿,B、C、D為左抱爪上3個特征點[10],通過此3個特征點便可唯一確定抱爪的位姿。

依照圖7,二指抱爪的運動學方程組[11]可表示為

(9)

式中,i、j分別代表x、y軸方向上的單位向量(1,0)、(0,1)。

4 仿真驗證

RecurDyn作為一種多體動力學仿真軟件,適合于求解較為復雜的多體系統(tǒng)動力學問題[12]。本研究將使用RecurDyn軟件對自動裝填機械手進行運動學分析,將所建立的機械臂和二指抱爪三維模型導入RecurDyn軟件中,通過對裝填機械手進行運動學分析,以此驗證模型設計的合理性,為后續(xù)的裝填機械手制作提供重要依據(jù)。

4.1 模型建立

根據(jù)前文所述詳細要求,通過三維建模軟件建立二指抱爪及機械臂三維模型,由此構(gòu)成裝填機械手模型,并將機械手模型導入RecurDyn軟件,并對模型施加相應的約束及載荷,如圖8所示。依據(jù)上文的分析,在RecurDyn軟件環(huán)境中,二指抱爪需施加的約束主要包括平動副和旋轉(zhuǎn)副,需施加的載荷主要包括彈簧力,且二指抱爪與彈丸之間需施加實體接觸,如圖8(a);機械臂需施加的約束主要包括旋轉(zhuǎn)副,且機械臂亦是通過旋轉(zhuǎn)副搭載二指抱爪,如圖8(b)。

4.2 運動仿真

4.2.1 二指抱爪運動仿真

二指抱爪要實現(xiàn)的功能包括彈丸的抓取與釋放,本文從運動學的角度出發(fā),對抱爪的開合過程進行研究。如圖9所示,其中坐標系{O}建立在抱爪基座上,原點O與彈丸接觸面圓弧中心重合,坐標系{O1}建立在彈丸圓柱部某截面中心上。如圖9(a),抱爪處于張開狀態(tài)時,設定左側(cè)抱爪端點在x軸方向距彈丸中心距離m0=90 mm,可知m0大于彈丸的半徑;如圖9(c),抱爪合住時,設定左側(cè)抱爪端點在y軸方向上據(jù)彈丸中心距離n0=43 mm,以此約束彈丸在x、y軸方向上的移動自由度。

分析可知,在抱爪處于張開狀態(tài)時,彈丸在y軸方向上的移動自由度不受約束,二指抱爪沿y軸負方向進行運動,便可實現(xiàn)二指抱爪與彈丸相脫離。在二指抱爪進行抱彈的過程中,滑塊與彈丸保持接觸,共同沿y軸負方向運動直至抱爪處于合住狀態(tài),二指抱爪由此實現(xiàn)成功抱彈。

令抱爪端點距彈丸中心距離為j0,彈丸圓柱部半徑為r0,如圖9(b)所示。分析可知,抱爪端點距彈丸表面最近點在抱爪端點與彈丸中心的連線上,且抱爪端點距該點距離dmin=j0-r0,dmin的變化如圖10所示,圖示相應關系建立在圖9所示坐標系{O1}上。可知,在二指抱爪開與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中,dmin始終大于等于0,因此抱爪端點在二指抱爪開合過程中不會與彈丸相干涉。

左側(cè)抱爪在開、合過程中的變化如圖9所示,端點坐標對應值如圖11所示,圖示相應關系建立在圖9所示坐標系{O}上。從圖11可知,在二指抱爪張開時,左側(cè)抱爪端點在x軸方向上對應的值為-90 mm,與表3所設置的參數(shù)m0=90 mm相對應;在二指抱爪合住后,左側(cè)抱爪端點在y軸方向上對應的值為43 mm,與表3所設置的參數(shù)n0=43 mm相對應。經(jīng)分析可知,二指抱爪在抓取與釋放彈丸的過程之中,不會與彈丸相干涉,可證明二指抱爪設計的合理性。

4.2.2 機械臂運動仿真

裝填機械手要完成裝填動作的執(zhí)行,需設計一些特殊的運動規(guī)則：

1)初始條件與運動要求：如圖12所示,大臂與x軸夾角為80°,小臂與x1軸夾角為150°,坐標系的建立與圖6中的相關參數(shù)保持一致。

2)運動方式及求解類型：控制二指抱爪沿x軸方向運動400 mm,沿y軸方向運動200 mm,為實現(xiàn)裝填動作的快速完成,二者同時進行,其運動軌跡如圖12所示。

具體的仿真操作如下：在RecurDyn仿真環(huán)境中,沿方向(2,1)建立平動副,其中機械臂基座作為固定件,抱爪基座作為運動件,添加位移驅(qū)動函數(shù),以此實現(xiàn)預設動作的執(zhí)行。通過分析可知,在實現(xiàn)預設動作執(zhí)行的過程中,關節(jié)1與關節(jié)2的角速度變化如圖13所示。在實際的裝填過程中,若已知二指抱爪的初始和結(jié)束位置,在機械臂運動過程之中便可求出相應關節(jié)的運動參數(shù),此可為裝填動作的執(zhí)行提供重要參考。

筆者現(xiàn)設置的裝填動作在平面內(nèi)進行,若對機械臂基座施加一個旋轉(zhuǎn)自由度,便可實現(xiàn)機械臂在三維空間中進行作業(yè)。

5 結(jié)束語

彈藥自動裝填機械手作為裝填系統(tǒng)的直接執(zhí)行機構(gòu),主要涉及的功能包括將彈丸從彈倉中取出,通過合理的運動軌跡,將彈丸移動到彈協(xié)調(diào)或輸彈機中,在此過程中包括諸多復雜的動作,諸如彈丸的抓取與釋放。筆者就裝填機械手要實現(xiàn)的功能設計了二指抱爪和機械臂,二指抱爪可實現(xiàn)彈丸的抓取與釋放,且二指抱爪搭載在機械臂上,通過控制機械臂的運動可改變二指抱爪的位置。

二指抱爪與機械臂一起構(gòu)成裝填機械手,筆者通過相關的運動學方程研究裝填機械手的裝填動作。將設計出的二指抱爪與機械臂導入多體動力學仿真軟件RecurDyn中,施加相關的約束及載荷,研究二指抱爪在抓取與釋放彈丸過程中的動作,以及機械臂在改變二指抱爪位置過程中的動作。通過RecurDyn對二指抱爪和機械臂進行運動學仿真,由此驗證裝填機械手設計的合理性,為裝填機械手后續(xù)的研究與制作提供重要依據(jù)。