锻造机械手设计、建模及ADAMS仿真

沈北梁 林鹏雄 刘国庆 王宇

摘 要：文章结合对自动化工业锻造流水线的应用对象，选定了机械手所要实现的功能。首先，对该锻造机械手具体结构进行了建模、虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。然后，把简化的模型导入到ADAMS进行后续的约束和驱动添加，从而获得机械手臂的虚拟样机。并通过运动仿真模拟了机械手臂关节的运动曲线，结果表明所建立模型正确性与合理性。

关键词：锻造机械手；建模；虚拟装配；ADAMS仿真

机械手（机器人）是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备[1]。机器人的诞生能够显著提高生产率以及改善工作环境等。因此对机械手的研究具有重大的意义。国内外许多学者已对机械手建模、优化设计、控制、运动学及动力学仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，张明辉等人[2]对并联机械手动力学仿真进行了研究并通过运动学和动力学仿真模型，为进一步对机械手的设计与分析奠定了基础。文献[3]针对五自由度机械手，通过UG建立实体仿真模型，然后将模型导入ADAMS中建立了虚拟样机，并且进行了动力学仿真，分析了末端机械手速度对各关节力矩、角速度和角加速度的影响，这对提高机械手的设计性能及机械手的控制分析等打下了基础。总体来说，对机器人相关的研究方面取得了一些进展，但对机械手（机器人）的研究还有待进一步深入下去。文章的研究正是基于某企业锻造流水线对机械手的功能需求而进行开展的，首先对装配机械手的总体功能进行了分析。然后对各个部分进行了三维建模及虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。最后，运用ADAMS进行仿真分析，结果表明所建立模型正确性与合理性，为下一步研究机械手的智能控制提供了设计参数。

1 应用背景及功能分析

根據某锻造企业的需求，锻造时，锻件按特定的位置放在锻造炉中进行加热；锻造炉门通过PLC控制其开放和关闭状态。当机械手臂靠近炉门时，通过PLC控制其打开，待机械手臂抓取锻件取出后，炉门被再次被控制而关闭。取出后的锻件被机械手臂夹取而放在锻台固定位置后进行锻造的第一个冲压工序。同样的道理对炉中的锻件逐一进行工序一的加工过程；待工序一完成后，再次通过PLC对机械手臂进行控制使其进行抓取以满足工序一过程后进行的工序二的模具要求，直至锻件被加工完成。

2 装配机械手的三维建模

锻造机械手的结构设计要考虑到传动件的定位、零件之间的空间位置等等，同时还要考虑到装配和加工工艺的可行性。基于以上的功能要求等，对各个部分结构设计及建模分别如图1-图5所示。最终建立锻造机械的三维装配模型如图6所示。

图1 底座 图2 转动轴 图3 转向台

图4 转动臂 图5 传动轴 图6 锻造机械手

另外，对关键零部件进行了校核，包括内部传动直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、圆柱蜗杆传动的齿面接触疲劳强度、蜗轮齿根弯曲疲劳强度、蜗杆的刚度等都满足强度或刚度的要求。

3 基于ADAMS的锻造机械手的仿真

利用UG软件强大的建模功能对所设计的锻造机械手进行三维实体建模，然后通过UG和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导人ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化情况，以验证设计的合理性。

在保证锻造机械实现功能的前提下，首先对其三维实体模型进行了简化，如图7所示。

注：1、工件输入带；2、锻造台1；3、机械手；4、锻造台2；5、工件输出带

图7 基于UG软件的机械手简化三维模型

然后，将三维模型导入到ADAMS中，添加相应的运动副约束和驱动约束，如图8所示。

图8 ADAMS环境下的锻造机械手仿真模型

最后得出各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化曲线分别如图9，图10和图11所示。

通过观察各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化曲线可以看出，各关节的角位移、角加速度、角加速度平稳，验证了所设计的五自由度送料机械手的合理性。

4 结束语

结合对自动化工业锻造流水线的应用对象，选定了机械手所要实现的功能。首先，对该锻造机械手具体结构进行了建模、虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。然后利用ADAMS软件对机械手模型进行运动学仿真，并生成各角位移、角速度、角加速度的变化曲线，通过观察各曲线，验证了机械手的合理性。为下一步机械手的智能控制提供了一定的参考。

参考文献

[1]黄金风.MSRS和ODE环境下POWERCUBE模块化机械手的仿真研究[D].大连：大连交通大学，2010.

[2]张明辉，禚宝海.Diamond并联机械手动力学仿真的Simulink实现[J].山东科技大学学报：自然科学版，2010，29（1）：90-94.

[3]刘淑英，张明路，韩慧伶.五自由度机械手动力学分析与仿真[J].河北工业大学学报，2009，38（2）：32-36.

[4]Menon C，Vertechy R，Markot MC， Parenti-Castelli V. Geometrical optimiza-tion of parallel mechanisms based on natural frequency evaluation： application to a spherical mechanism for future space applications. IEEE Transactions on Robotics， 2009，25（1）：12-24.

[5]Muller A， Hufnagel T. Model-based control of redundantly actuated parallel manipulators in redundant coordinates. Robotics and Autonomous Systems， 2012，60（1）：563-71.

[6]R.A. Srivatsan， S. Bandyopadhyay， A. Ghosal， Analysis of the degrees-of-freedom of spatial parallel manipulators in regular and singular configurations， mechanism and machine theory，2013，69：127-141.

作者简介：沈北梁，男，安徽工程大学本科生。