基于ADAMS新型钢管打捆机械手的优化设计
- 格式：pdf
- 大小：803.08 KB
- 文档页数：5
•设计计算！基于ADAMS新型钢管打捆机械手的优化设计李震#’2，柴晓艳#，2(1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点研究实验室，天津300384;2.机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学），天津300384)摘要：新型钢管打捆机械手的应用保证了生产作业的安全性，并将废旧钢管裁剪成条状钢带用以钢管包的打捆，节约了成本，但初步设计后的打捆机械手运行时间较长，实际生产中打捆效率较差，针对上述问题，本文通过在ADAMS软件中建立的新型钢管打捆机械手模型，对其打捆时间进行优化。
首先对机械手模型各关节变量进行参数化，其次建立左右两侧机械臂同步运动关系以及各关节转角函数，并对其驱动函数以及优化所需的运行时间函数进行数学建模，然后利用ADAMS中的设计计算模块对机械手优化参数进行敏感度分析并确定其取值范围，最终完成对新型钢管打捆机械手的优化设计。
关键词：钢管打捆机械手；参数化设计变量；数学建模中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：1001 -196X(2019)01 -0061 -05Optimization desi|+n of a new type of steel tube bindingmanipulator based on ADAMSLI Zhen1，2，CHAI Xiao-yan1，2(1. Tianjin K ey Laboratory of tlie Design and I ntelligent Control of tlie Advanced Mechatronical System，Tianjin University of Technology，Tianjin300384, China； 2.National Demonstration Center for ExperimentalMechanical and Electrical Engineering Education，Tianjin University o f Technology，Tianjin300384，ChAbstract:The application of the new steel tube binding manipulator ensures the the scrap steel t ube is cut into strip steel strip to be used for bundling steel tube.Although it saves the cost，yetit operates is longer and poor efficiency.I n order to solve the problems of tlie initially designed binding manipulator，this paper optimizes the binding time of a new steel tube binding manipulator model based on Adams software.Firstly，the model joint v ariables are parameterized.Secondly，the synchronous motion relation of the leftand right sides manipulator and the joints rotation function are establislied，and the driving function and the running time function r equired for optimization are modeled matliematically.Then the sensitivity of optimization parameters is analyzed t o determine the value range by the design and calculation module of ADAMS.Finally，thenew steel tube binding manipulator is optimal designed.Keywords:steel tube binding manipulator；parameterized design variables；mathematical modeling收稿日期：2018 -06 -22;修订日期：2018 -08 -30项目基金：2017年天津市“一带一路”国家科技合作示范项目 (S17YG7009)作者简介：李震（1993 -)，男，天津理工大学硕士研究生，研 究方向为机械装备设计。
0前言钢管生产线上的打捆设备对一个钢管包打捆 完毕后，需要立即转入下一个钢管包的打捆动 作，对机械手改进设计的关键是优化打捆时间。
本文针对打捆机械手的工作效率，提出了一种在 ADAMS中进行时间优化的方法，在满足运动学 约束的前提下，以打捆机械手完成任务所需时间 为优化目标，在D-H法运动学建模的基础上，经过选择设计变量、确定优化参数取值范围等，最终完成对打捆机械手运行时间的优化。
1打捆机械手的工作原理新型钢管打捆机械手如图1所示，根据对钢 管包打捆任务的要求，新型打捆机械手完成对钢 带抓取并对钢管包进行打捆夹紧。
打捆机械臂和 末端机械手的整个运动分为“定位”、“夹紧”、“打捆”、“复位”四个过程。
首先，在初始位置 时根据不同钢管包型的钢带长度，调节三个机械 臂的位置使得两侧末端机械手恰好处于钢带的首 末两端，即“定位”过程；其次，末端两机械手 在气缸的作用下，通过自身增力机构获得夹紧钢 带所需的夹紧力，将钢带牢牢夹紧，保证在运动 过程中钢带不会脱离机械手；然后，三个机械臂 在各自关节电机的作用下，完成各自需要转过的 角度，到达机构运动的末位置，使得钢带两端重 叠在一起，再进行焊接作业，完成“打捆”动作; 最后，在完成对钢带的焊接工作后，气缸活塞杆 收缩，带动末端夹紧机械手缓慢松开钢带，机械 手完成“复位”。
打捆机械手完成了四个工作行 程，实现了对钢管包的打捆[1、2]。
图1新型打捆设备三维仿真模型2打捆机械手参数化建模在优化设计之前对打捆机械手各关节进行参 数化建模，通过各参数化点在优化过程中的不断 变化，找到最适宜优化目标的各参数化点。
对打 捆机械手的相关铰链点进行参数化后得到了相应 的设计变量，如图2所示。
由于左右两侧是对称结构，本文仅对右侧机械臂的参数化点进行分 析，#点是为了确定机械臂最适宜的基座位置而设置的参数化点，对）点的横、纵坐标进行参 数化后得到设计变量）-、）；#点直接决定了 基杆与中间连杆的长度，对C点的横、纵坐标 进行参数化后得到设计变量+、+;N点的横 纵坐标分别与末端执行杆长度和钢带长度有关，钢带的长度不可更改，因此仅将N点纵坐标进 行参数化，得到F%。
左侧机械臂的关节变量应 跟随右侧关节变量同步运动，左右两侧机械臂关 节铰链点参数化过程相同，不再赘述[%]。
在对打捆机械手进行优化之前需要为两侧的 机械臂参数化点建立函数关系，来保证打捆运动 过程中两侧机械臂能够在所给范围内对称变化。
分析两侧机械臂参数化点的坐标关系可得：E=-E=+B=)X XB7二N3基于D-H法的关节运动函数的 确定由运动学反解可知，打捆机械手的杆长和角 度与末端位姿有着直接关系，因此在设计变量变 化的同时，需要将杆长和各转角都建立函数关 系，来完成每次迭代优化时的完整打捆动作。
3.参数化各关节转动角度由分析可知，需要对机械手的各关节编制驱 动函数，建立各关节转角与参数化铰链点之间的 关系，使得在改变参数化铰链点的位置后各关节 转角也随之改变，完成由初始位置到达最终指定 位置的打捆动作。
因为左右两侧关节角转过的角度相同，因此只编制右侧机械臂的关节角度函 数，即需要计算出三个关节的转角％ $%2$ %。
初、末位置的位姿矩阵分别表示为"n-A-=-"P3=ny A y C P=P y -nc A--P c-"n-A-=-"P3=ny A y C!P=P y -nc A--P c-⑵⑶在求解过程中，需要引入两个中间变量9、9分别为(J-+ (J=9,(P- ~-3nx)2 + (Py ny)2+^1⑷(P-_-3n J c12+(Py_-3ny)s12==2,(P- __3n-)2 + (Py __3ny)2 ++2 _;2 ⑶=2= 22其中，<1 = sin#，<2 = sin(#1 + #2)，<23 = sin(# + #2 + #3); 〇 = cos#，c12 = cos(# + #)，〇23 _ C O S(# + #2 + #)。
各杆长度由图2几何关系表示为^1 =(( +_))2+( Cy_)y)2)〇5⑷F2 = ((879.5 -C J2 + (N y-C y)2)05 (7)L3=-E y(8)经计算可得各关节在初始位置时的关节角为9#1 = arctan+ Ny# = arctanS 槡（P- +N n-)2 + (Py +N n y)2 -=1=2n(P- + N n-)2 + (Py+ N ny)2 - =2nPy+E y n y=1#=arctan=2± (P- +N n-)2 + (Py +N ny)2 -=1P- + N n-■arctan---_- arctan士 槡(P- +N n-)2 + (Py +N ny)2 -=2Py+ N^(9)(10)(11)末位置关节角#、#、#与初始位置关节角 #、#、#的求法基本相同。
由初末两位置各关 节角度可以得到各关节经过由初始位置到打捆运 动完成的关节转角％、％、％分别为%=#-#%2 = # _ #2%3 —# 一#3.2参数化各关节驱动函数完成了各关节转角函数的设计后，根据优化 过程中关节铰链点不断变化的要求，为打捆机械 手各关节Motion驱动函数添加参数化后的M驱 动函数。
即O(/ : /，/，/) (19) 式中，/为控制变量，/、/、/均为表达式[4]。
即「/(/ <0)7=/(/=0)(20)./(/ >0)由M函数的各参数含义可知，/应设置为时间，控制关节由初始位置到最终完成打捆运动 的总时间，/、/、/分别为运行过程速度、运 行结束时瞬时速度、打捆完成后速度。
在设置各 关节的M驱动函数进行仿真时，应以恒定的平 均速度来驱动关节运动，这里设置为实际生产中 常用的20°/s。
