关节式棉包堆垛机的研究及仿真
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Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２００９ 关节式棉包堆垛机的研究及仿真 秦鹏’。李娜 （济宁职业技术学院，１．机电系；２擞务处，山东济宁２７２０３７）
摘要：在对关节坐标机器人结构作了深入分析的基础上，确定了关节型机器人结构作为棉包堆垛机的设计方案，建立了棉包堆垛杌的 数学模型，应用ｃ＋＋语言和ＵＧ绘图软件直观输出了夹具的作业空间，确定出了棉包堆垛机的基本结构参数，应用ＵＧ建立了夹具 与整机的部件模型并装配到一起。 关键词：堆垛设备：仿真：ＵＧ；模型
中图分类号ＴＰ２４ 文献标识码Ａ 棉花是仅次于粮食的第二大农作物，是涉及农业和纺织 工业两大产业的商品。２００８年，全国棉花总产量为７５０万ｔ，棉 花从生长成熟到纺成棉纱，要经过一个复杂的运输过程和加 工过程。提高棉花的运输效率，对于降低全过程的棉花加工成 本，有重要的经济意义。 棉花的加工工艺过程的主要工序有：籽棉预处理，轧花， 剥绒，下脚料清理回收，打包等。皮棉不能散放，必须经打包机 打成符合国家标准的棉包。目前我国棉包绝大部分为８５ｋｇ的 Ⅲ型包，虽然Ⅲ型包是根据人工可搬运的最大限度来设计的， 但是单靠人工搬运这些棉包既不利于运输效率的提高，又会 浪费大量的人力、物力，而且搬运工人的安全也得不到保障。 因此，研制一种高效的棉包堆垛机，对于减轻人的体力劳动、 提高搬运效率、降低棉花的总加工成本，有重要的现实意义。 １堆垛方案分析 棉包堆垛机实现的功能，是将运输车或地面上的棉包垛 成一个长×宽Ｘ高约为７．６ｍ Ｘ ３．８ｍ×８ｍ的梯形垛Ｉｌｊ，或从垛 上取下棉包装到运输车上。棉包堆垛实现的是一个空间运动， 为了描述棉包的空间运动，需要选择一个合适的空间坐标系。 空间坐标系的选择主要有４种形式：直角坐标系（笛卡儿坐标 系）、柱面坐标系、球面坐标系和关节坐标系［２１。 不管选择哪种坐标系，都需要确定３个参数。每一个参数 的改变，至少需要一个原动件进行驱动。棉包在空间搬运的实 施机构，至少具有３个自由度。为了降低产品的设计成本，只 考虑三自由度的情况。具有三自由度的、能实现棉包空间搬运 的机构，称之为三自由度串联机器人，也称三自由度单开链机 器人。选择不同的坐标参数，就对应着不同的坐标机器人。在 上述４种坐标系下的机器人，分别为直角坐标机器人、柱面坐 标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人。 关节坐标机器人不含有移动副，两个转动副旋转轴线相 互平行，分别与另一转动副（第一关节与机架之间的连接）垂 收稿日期：２００９－０５—１２ 作者简介：秦鹏（１９７９—），男，硕士研究生，主要从事先进制造技术的研究。 ８６ 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ（２００９）０８—００８６－０２
直，常用运动副结构组成为：ＳＯＣ｛一Ｒ上Ｒ腮一】，结构模型如 图１所示。
图１关节式坐标机器人结构模型 移动副的实现，不仅有柔性结构包括钢丝绳、链条、皮带 外，还有刚性结构，例如齿条和液压缸。柔性结构在本设计中 存在着一定的局限性，它不能实现棉包绕水平方向的旋转，故 柔性连接方案不予采用。刚性结构的移动副，只适用于作业空 间较小的场合，像６～８ ｍ高的棉包达到作业就不适合采用含 有刚性移动副的结构。所以棉包堆垛机的设计应该排除含有 移动副的情况。关节坐标机器人恰好不含移动副，并且可以实 现夹具与机架的刚性连接。参数的改变可通过减速电机或液 压马达来实现；参数和参数的改变可通过电机、液压马达或液 压缸来实现。 关节式坐标机器人在串联机器人领域中得到了广泛的应 用，例如搬运机器人、焊接机器人、喷漆机器人翻等都属于关节 式机器人。关节式棉包堆垛机的结构示意图如２所示。 应用这种结构进行棉包堆垛具有以下优点： （１）结构简单，只需一个旋转台、两个杆件和一个夹具，再 加上合适的驱动元件就可以实现棉包的堆垛。 （２）该装置中不含柔性结构，能够实现棉包的准确定位。 （３）在棉包搬运时，锁紧装置８不起作用，夹具在自身重 力的作用下保持平动。 《装备制造技术）２００９年第８期 １．支撑腿；２．电瓶车；３．配重；４＿，Ｊ、臂；５＿／Ｊ、臂液压缸； ６．大臂；７．大臂液压缸；８．锁紧装置；９．夹具；１０．回转轴承
图２关节式棉包堆垛机
（４）在实现棉包绕水平方向旋转的过程中，锁紧装置８将 夹具锁紧，确保棉包准确翻转。 （５）该装置中不含柔性结构，夹具不需人工协助便可以准 确夹取棉包，便于实现自动化。 （６）不作业时两杆可以放低，便于检修。 （７）设计成可移动式，整车高度较低，便于场地间的调转。 （８）选择合适的控制算法，可实现夹具的水平运动与垂直 运动，便于操作人员控制。 通过以上分析，确定选择关节坐标机器人，作为棉包堆垛 机最终的设计方案。
２棉包堆垛机基本结构参数的确定 确定关节式棉包堆垛机的基本结构参数，其中包括大小 臂的长度、大臂与水平方向的夹角范围及大小臂之间的夹角 范围。 以水平方向为 轴，铅垂方向为Ｙ轴，建立如图３所示的 坐标系。设堆垛
输入不同的结构参数，可以得到不同的夹具作业扫描空 间。反复调整这些参数，可以使扫描空间最大限度地包含半个 棉包垛。由此确定了以下结构参数： 大臂长口＝４．５ｍ； 小臂长ｂ＝５．５ｍ； 大臂旋转角度范围ａ∈【４３。，１２０ｏ】； 大臂与小臂的夹角范围卢∈【３５。，１３０。】。 此外，若取夹具高１．４ｍ，则大臂旋转支点离地高ｈ＝２．３
ｍ，与垛的最小距离为ｚ＝３ ｍ，如表１所示。
表１ 根据扫描空间确定的最优结构参数 ！ 些苎曼旦 苎璺 ！ 型 ４．５ ５．５（４３。，１２０。） （３５。，１３０￣） ２．３ ３
３棉包堆垛机实体仿真
Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ ＮＸ（简称ｕＧ】是当前世界上最先进和紧密集 成的、面向制造行业的ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ高端软件。ＵＧ软件集 成了全面产品工程解决方案，使得用户能够数字化地创建和 获取三维产品定义，可以用来从事概念设计、工业设计、详细 的机械设计以及工程仿真和数字化的制造等领域。 应用ＵＧ建立夹具与整机的部件模型，如图４～图６。然 后按照自下向上的装配方法装配到一起，棉包堆垛机的装配 过程不再赘述。各部件装配后的整机效果如图７所示。
图４大臂结构图 图５小臂结构图
ｌ堞垛机大臂；２．堆垛机小臂 图３堆垛机的数学模型
水平方向的夹角为 ，大臂与小臂之间的夹角为／３，夹具的坐 标为（ ，Ｙ），可得到下列关系式： ＝∞ｏｓ㈥＋ｂｃｏｓ（ａ＋ＪＢ－１８０。） Ｙ＝ａｓｉｎ（ａ）＋ｂｓｉｎ（ｏｔ＋／３－１８０。） 根据建好的数学模型，在ＶＣ＋＋中编程， 输出夹具的位 置点。首先新建一个工程文件，再建一个Ｃ＋＋文件，起名为 “ｃｌａｍｐ”，则生成一个“ｃｌａｍｐ．ｃｐｐ”文件。在此程序中，大小臂的 长度值及角度变化范围，都需要输入，这样便于调整堆垛机的 结构参数，而不必每次都要修改程序。角度分别以步长０．１。递 增，循环输出夹具的位置点坐标（ ，Ｙ， ）。
４结束语 本文针对现有棉包堆垛设备存在的问题进行了分析与研 究，开发设计了新型关节式棉包堆垛机，并运用ＵＧ软件进行 了实体建模，建立了虚拟样机。
参考文献： 【１】铁凝．棉花垛【Ｍ】．北京：人民文学出版社，２００６． ［２】２柳洪义，宋伟刚．机器人技术基础［Ｍ】．北京：冶金工业出版社， ２ｏｏ２． 【３】张云杰，李超，蔺鑫峰．中文版ＵＧＮＸ３机械设计【Ｍ】．北京：中国 林业出版社，２００６． 【４】杨廷力．机器人机构拓扑结构学【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００４．
（下转第１０３页） ８７ 《装备制造技术＞＞２ｏ０９年第８期 必经之路。而电路原理图设计最基本的要求是正确性，其次是 布局合理，最后是在正确性和布局合理的前提下力求美观。 Ｐｒｏｔｅｌ软件绘制的电路图如图４所示，输入端和输出端都分别 连接了两端的连接器。
图４ Ｐｒｏｔｅｌ绘制的电路图 ２．２印刷电路板的设计 印刷电路板设计是电路设计中最重要、最关键的一步。电 路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物 理结构是通过印刷电路板来实现的。Ｐｒｏｔｄ ９９ ＳＥ为设计者提 供了一个完整的电路板设计环境，使电路设计更加方便有效 （如图５）。设计要求： （１）使用双层电路板； （２）电源、地线铜膜线的宽度为２０ ｒａｉｌ；
（３）一般布线的宽度为１０ ｍｉｌ。 ３结束语 图５ 印刷电路板 随着电子技术的飞速发展，ＥＤＡ技术在电路设计中发挥 的作用已越来越重要，该技术能为设计者提供快捷方便的电 子设计手段，使设计者能准确地设计出满意的电路原理图和 印刷电路顿。
参考文献： 【１】及力．Ｐｒｏｔｅｌ ９９ ＳＥ原理图与ＰＣＢ设计教程【Ｍｌ北京：电子工业 出版社，２００４． 【２］熊伟，侯传教．Ｍｕｈｉｓｉｍ ７电路设计及仿真应用【Ｍ】．北京：清华 大学出版社，２００６．
ＥＤＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＸＵＥ Ｙｉｎｇ－ｃｈｕｎ （Ｓｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１５１０４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＥＤＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｐｌａｙｅｄ ａ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ａｎａｌｏｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ＰＣＢ ｐｌａｔｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｓｉｍ；ｐｒｏｔｅ］；ａｎａｌｏｇ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｄｅｓｉｇｎ ＰＣＢ ｐｌａｔｅ
（上接第８７页） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｏｉｎｔ ＣｏＲｏｎ Ｂｕｎｄｌｅ Ｓｔｏｗａｇｅ ＱＩＮＰｅｎｇ ，ＬＩＮａ２ （１．Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，２．Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｃｔｉｏｎ，Ｊｉｎｉｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎｉｎｇ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２７２０３７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐ１ｉｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｈｅ０ｒｉｅｓ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｅｒｉｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｒｏｂｏｔｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｏｆｃｌａｍｐ ｗａｓ ｆｏｕｎｄｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ ｏｆｃｌａｍｐ ｉｎ ｔｅｒｍ ｏｆ Ｃ＋＋ａｎｄ ＵＧ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｏｗａｇｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｂｕｎｄｌｅ ｗｅｒｃ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｃｌａｍｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｅｒｃ ｆｏｕｎｄｅｄ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｏｗａｇｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ
