某自动装填机械手设计与仿真研究

王伟伟，王屹华，赵涛，江腾耀，邱照原，杨蕴萌

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

大口径火炮作为当今世界各国军队装备数量最多的武器系统之一,具有杀伤力大、射程远、机动灵活等特点,因此被世界各国竞相研制和发展。在瞬息万变的现代战场上,作为一种重要的武器系统之一,大口径火炮需要在尽可能短的时间内发射尽量多的弹丸,由此对敌方实施猛烈的打击。为了提高大口径火炮的弹药装填速度,世界主要发达国家都非常重视弹药自动装填系统的研制工作[1-2]。

供输弹系统是一种机、电、液一体化的机电系统,是火炮的重要组成部分之一,一般置于火炮的炮塔底部或尾部,主要作用是减轻装填手的工作负担,按所需的弹种将弹丸从弹仓中取出并装填入膛。随着我军装备与在研的火炮装备技术水平、结构复杂程度的提高,火炮供输弹系统也在朝着系统化、复杂化和自动化的方向发展[3]。

弹药自动装填机械手作为供输弹系统的重要部件,在火炮的射速、可装填角度等方面有着较大影响,机械手能否快速可靠地完成从弹仓中抓取弹丸、并准确地放入弹协调或输弹机中,直接影响火炮的射速、自动化程度等技术指标和性能[4]。随着装备的研制和相关项目的进行,对自行火炮装填机械手的研究也在不断完善,文献[4]利用D-H参数方法建立机械手的运动学模型,并对特殊关节的角速度、角位移进行了研究;文献[5]对某自动装填机械手结构进行了优化,以减少零件材料的使用,提高机械手的工作性能;文献[6]介绍一种抓弹器结构,包括机械臂底座、机械臂、抓弹手,以上都对装填机械手进行了研究。

笔者将基于某大口径自行火炮设计一种新型的装填机械手,并采用D-H参数等方法建立运动学方程,在RecurDyn软件环境中建立仿真模型,以此分析所设计装填机械手的合理性。

1 设计要求

弹药自动装填技术是现代大口径火炮的关键技术之一,可极大地影响火炮的战略机动性和战术机动性,其中弹药自动装填机械手在弹药自动装填系统中占据重要的地位。装填机械手作为弹药自动装填系统的执行机构,该机构设计的合理性与控制的可靠性直接影响弹药自动装填系统的性能,故对火炮的整体性能有极大的影响。自动装填机械手要实现的功能包括将弹丸从弹仓中取出,并准确、可靠、快速地放入弹协调或输弹机中。

在本研究中,弹丸的抓取与释放由二指抱爪实现,弹丸位置的改变由机械臂实现,如图1所示,装填机械手主要由二指抱爪和机械臂构成,故二指抱爪与机械臂的性能将直接影响装填机械手的整体性能。

1.1 二指抱爪

二指抱爪作为直接与弹丸相接触的构件,对装填机械手整体性能起着极为重要的作用,故对二指抱爪提出如下设计要求：

1)二指抱爪与机械臂的连接：二指抱爪可搭载在机械臂上,且与机械臂实现稳定牢靠地连接,实现二指抱爪搭载在机械臂上后,需保证装弹部位不与机械臂发生干涉,不影响装填动作的完成。

2)二指抱爪的开合状态：二指抱爪在张开之后,弹丸可与抱爪顺利脱离,在弹丸与抱爪的脱离过程中弹丸不会与抱爪和机械臂发生干涉;在二指抱爪合住之后,弹丸可稳定牢靠地被二指抱爪抓住且实现抱爪的锁定,在控制机械臂移动已抱弹的二指抱爪过程中,弹丸不会脱离二指抱爪且不会发生较大的晃动。

1.2 机械臂

1)负载要求：机械臂自身负载要小,驱动电机的安装要尽可能不增加机械臂的负载,本研究将电机安装在机械臂基座上;机械臂可托起较大负载的重物,在机械臂完全探出,处于极限状态之下,亦可稳定准确地实现将弹丸移动到某个位置。

2)搭载二指抱爪：机械臂需牢靠地搭载二指抱爪,由机械臂实现二指抱爪位置的改变,在控制机械臂运动的过程中,不可影响二指抱爪的开合,即在控制机械臂改变二指抱爪位置的过程之中,不可影响二指抱爪与弹丸的抓取与释放。

3)运动范围：机械臂的运动范围较大,可实现在空间中运动,且在特定的运动范围内或运动位置处,二指抱爪亦可稳定准确地实现对弹丸的抓取与释放操作。

2 整体结构设计及动作流程

机械臂由若干连杆组成,可实现将二指抱爪移动到特定的位置。二指抱爪由左右抱爪、滑块、连杆、自锁装置等组成,可实现稳定地抓取和释放弹丸,并在抓取弹丸之后实现二指抱爪的锁定以及通过解锁抱爪实现弹丸的释放。

2.1 机械手动作流程

机械臂控制二指抱爪向弹丸方向运动,其中抱爪基座上弹丸接触面设计为与弹丸圆柱面相配合的圆弧形状[7],如图2所示。二指抱爪在抓取弹丸的过程中,自弹丸表面与滑块相接触,直至二指抱爪完全抱住弹丸,抱爪状态由开转为合,其过程如图2(b)到图2(c)。在此过程中,自锁装置上滑块沿x轴正向运动,如图3所示,其上卡槽逐渐运动到锁卡正上方,其过程如图3(a)到图3(b),锁卡在卡槽处于其正上方后沿y轴正方向运动,直至二者完全重合,自锁装置实现锁定,其过程如图3(b)到图3(c)。

在二指抱爪抱取弹丸之后,若要实现二指抱爪与弹丸相脱离,控制电磁铁上电,锁卡在电磁铁磁力的作用下沿y轴负方向进行运动,直至锁卡与卡槽完全脱离,其过程如图3(c)到图3(b)所示;机械臂控制二指抱爪沿远离弹丸方向运动,二指抱爪逐渐打开直至弹丸与滑块不再相接触,在此过程中滑块上卡槽沿x轴负方向进行运动,其过程如图3(b)到图3(a)所示,至此自锁装置实现解锁,抱爪的状态由合转为开,其过程如图2(c)到图2(b)所示。

2.2 机械臂参数分析

机械臂由若干连杆通过旋转副连接组成,其运动关系实质上由3个平行四边形和1个三角形构成,如图4所示。

图4若干点对应机械臂上相关旋转副的旋转轴,包括平行四边形：ACC1A1、AA2B2B、ADD1A1,三角形：△ABC(其中A1点、C1点固定,点D、点A、点A2在一个刚体连杆上)。由平行四边形的相应关系可知：A1C1∥AC、AB∥A2B2,故有φ1=φ2、β1=β2,由于A1点、C1点固定,故角度φ1、β1为定值,进而β2为定值,由于机械臂在A2、B2旋转轴处搭载二指抱爪,故二指抱爪基座相较于机械臂基座的姿态始终不变。

2.3 二指抱爪参数分析

二指抱爪作为装填机械手抓取和释放弹丸的直接执行构件,其关键特征尺寸将直接影响装填动作的执行,关键特征参数如图5所示,坐标系建立在抱爪基座上,其原点O与弹丸接触面圆弧中心重合。二指抱爪左右对称,故研究抱爪单侧即可,本文研究左侧抱爪。二指抱爪在开与合的过程中,需满足如下条件：在二指抱爪完全抱住弹丸后,弹丸接触面与弹丸圆柱部表面相重合,此时弹丸圆柱部圆弧中心与坐标系原点O重合,要确保二指抱爪牢靠地抓住弹丸,二指抱爪在合住状态下端点D′在y轴方向上过弹丸圆柱部中心n0距离,如图5(c)示,由此可满足抱爪左、右两个端点间的距离小于弹丸圆柱部直径;若二指抱爪已抱弹,在抱爪张开后,通过控制机械臂移动二指抱爪向远离弹丸方向运动,可实现弹丸与二指抱爪完全脱离,在此过程中需确保弹丸圆柱部不与图5所示端点D发生干涉,故二指抱爪左右两个端点间的距离需大于弹丸圆柱部直径。

结合二指抱爪开合过程及上文所述m0、n0满足条件,确定二指抱爪上其他相关构件的特征尺寸(令长度lAB=lBC=g1、lCD=g2,滑块在开合过程中的移动距离lAA′=h0),二指抱爪上关键参数特征如表1所示。

表1 二指抱爪上关键点坐标

其中m0、n0、m1、n1、h0、l0、r0均为常数,x1、x2、y1、y2、y3、y4均为待确定值。综上,点C坐标分量y3、点D坐标分量y4为未知值,点B(x1,y1)、点B′(x2,y2)作为连杆连接点,其坐标分量可与y3、y4建立一定的映射关系,进而求解y3、y4。在二指抱爪张开的状态下,滑块沿图5(a)中的y轴负方向运动,带动左侧抱爪绕C点转动,直至二指抱爪完全合住,如图5(b),D点运动到D′点位置,B点运动到B′点位置,如图5(c),可确定长度lCD=lC′D′,角度ε1=ε2。

由lCD=lC′D′可得：

(1)

由lAB=lBC=g1可得：

(2)

由式(2)易确定由y3到x1的映射x1=f1(y3),由y3到y1的映射y1=g1(y3)。

由lA′B′=lB′C′=g1可得：

(3)

由式(3)易确定由y3到x2的映射x2=f2(y3),由y3到y2的映射y2=g2(y3),利用余弦定理,由角度ε1=ε2可得：

(4)

联立式(1)、(4),由此便可确定待求未知数y3、y4,进而确定二指抱爪上相关特征参数。

3 装填机械手运动学方程

装填机械手主要由机械臂与二指抱爪构成,故二者的运动关系将直接影响弹丸的抓取与释放过程,因此对二者运动学的研究尤为重要。

3.1 机械臂

装填机械手上各刚体坐标系之间的关系如图6所示,本文所讨论的机械臂上包括4个坐标系{O}、{O1}、{O2}、{O3},机械臂的运动副包括3个旋转自由度,旋转自由度如图6中角度θ1、θ2、θ3。

3.1.1D-H参数建立

机械臂可看作由一系列连杆通过关节串联而成的运动链,其上连杆均可用D-H参数ai-1、αi-1、di、θi进行描述,其中ai-1指沿着xi-1方向,zi-1和zi间距离;αi-1指以xi-1方向看,zi-1和zi间夹角;di指沿着zi方向,xi-1和xi间距离;θi指以zi方向看,xi-1和xi间夹角。分析本机械臂结构,可知共包含3个关节,按照D-H参数法建立各个附体坐标系,其中惯性参考坐标系{O}固定在机械臂基座;坐标系{O1}固定在大臂,大臂可绕坐标系{O1}上z1轴(关节1)转动;坐标系{O2}固定在小臂,小臂可绕坐标系{O2}上z2轴(关节2)转动;坐标系{O3}固定在二指抱爪基座上,二指抱爪基座可绕坐标系{O3}上z3轴(关节3)转动。由上所述建立本机械臂的连杆参数[8],如表2所示。

表2 机械臂D-H参数表

3.1.2 运动学方程

相邻连杆之间的齐次变换矩阵[9]为

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 二指抱爪

3.2.1 运动参数设定

二指抱爪通过滑块移动,带动左右抱爪转动,由此实现二指抱爪的开合,故二指抱爪的运动参数主要包括二指抱爪的连杆参数、滑块的移动距离以及二指抱爪在开合两种状态下左右抱爪端点相较于弹丸圆柱部圆心的相应参数(相应参数均与图5(c)示标注一致),如表3所示。

表3 二指抱爪参数设定

3.2.2 运动学方程

依据笔者所述的概念设计方案,建立二指抱爪的参数化模型,如图7所示,坐标系原点为O点(抱爪基座上弹丸接触面圆弧中心),AB代表连杆,B、C、D为左抱爪上3个特征点[10],通过此3个特征点便可唯一确定抱爪的位姿。

依照图7,二指抱爪的运动学方程组[11]可表示为

(9)

式中,i、j分别代表x、y轴方向上的单位向量(1,0)、(0,1)。

4 仿真验证

RecurDyn作为一种多体动力学仿真软件,适合于求解较为复杂的多体系统动力学问题[12]。本研究将使用RecurDyn软件对自动装填机械手进行运动学分析,将所建立的机械臂和二指抱爪三维模型导入RecurDyn软件中,通过对装填机械手进行运动学分析,以此验证模型设计的合理性,为后续的装填机械手制作提供重要依据。

4.1 模型建立

根据前文所述详细要求,通过三维建模软件建立二指抱爪及机械臂三维模型,由此构成装填机械手模型,并将机械手模型导入RecurDyn软件,并对模型施加相应的约束及载荷,如图8所示。依据上文的分析,在RecurDyn软件环境中,二指抱爪需施加的约束主要包括平动副和旋转副,需施加的载荷主要包括弹簧力,且二指抱爪与弹丸之间需施加实体接触,如图8(a);机械臂需施加的约束主要包括旋转副,且机械臂亦是通过旋转副搭载二指抱爪,如图8(b)。

4.2 运动仿真

4.2.1 二指抱爪运动仿真

二指抱爪要实现的功能包括弹丸的抓取与释放,本文从运动学的角度出发,对抱爪的开合过程进行研究。如图9所示,其中坐标系{O}建立在抱爪基座上,原点O与弹丸接触面圆弧中心重合,坐标系{O1}建立在弹丸圆柱部某截面中心上。如图9(a),抱爪处于张开状态时,设定左侧抱爪端点在x轴方向距弹丸中心距离m0=90 mm,可知m0大于弹丸的半径;如图9(c),抱爪合住时,设定左侧抱爪端点在y轴方向上据弹丸中心距离n0=43 mm,以此约束弹丸在x、y轴方向上的移动自由度。

分析可知,在抱爪处于张开状态时,弹丸在y轴方向上的移动自由度不受约束,二指抱爪沿y轴负方向进行运动,便可实现二指抱爪与弹丸相脱离。在二指抱爪进行抱弹的过程中,滑块与弹丸保持接触,共同沿y轴负方向运动直至抱爪处于合住状态,二指抱爪由此实现成功抱弹。

令抱爪端点距弹丸中心距离为j0,弹丸圆柱部半径为r0,如图9(b)所示。分析可知,抱爪端点距弹丸表面最近点在抱爪端点与弹丸中心的连线上,且抱爪端点距该点距离dmin=j0-r0,dmin的变化如图10所示,图示相应关系建立在图9所示坐标系{O1}上。可知,在二指抱爪开与合的状态转换过程中,dmin始终大于等于0,因此抱爪端点在二指抱爪开合过程中不会与弹丸相干涉。

左侧抱爪在开、合过程中的变化如图9所示,端点坐标对应值如图11所示,图示相应关系建立在图9所示坐标系{O}上。从图11可知,在二指抱爪张开时,左侧抱爪端点在x轴方向上对应的值为-90 mm,与表3所设置的参数m0=90 mm相对应;在二指抱爪合住后,左侧抱爪端点在y轴方向上对应的值为43 mm,与表3所设置的参数n0=43 mm相对应。经分析可知,二指抱爪在抓取与释放弹丸的过程之中,不会与弹丸相干涉,可证明二指抱爪设计的合理性。

4.2.2 机械臂运动仿真

装填机械手要完成装填动作的执行,需设计一些特殊的运动规则：

1)初始条件与运动要求：如图12所示,大臂与x轴夹角为80°,小臂与x1轴夹角为150°,坐标系的建立与图6中的相关参数保持一致。

2)运动方式及求解类型：控制二指抱爪沿x轴方向运动400 mm,沿y轴方向运动200 mm,为实现装填动作的快速完成,二者同时进行,其运动轨迹如图12所示。

具体的仿真操作如下：在RecurDyn仿真环境中,沿方向(2,1)建立平动副,其中机械臂基座作为固定件,抱爪基座作为运动件,添加位移驱动函数,以此实现预设动作的执行。通过分析可知,在实现预设动作执行的过程中,关节1与关节2的角速度变化如图13所示。在实际的装填过程中,若已知二指抱爪的初始和结束位置,在机械臂运动过程之中便可求出相应关节的运动参数,此可为装填动作的执行提供重要参考。

笔者现设置的装填动作在平面内进行,若对机械臂基座施加一个旋转自由度,便可实现机械臂在三维空间中进行作业。

5 结束语

弹药自动装填机械手作为装填系统的直接执行机构,主要涉及的功能包括将弹丸从弹仓中取出,通过合理的运动轨迹,将弹丸移动到弹协调或输弹机中,在此过程中包括诸多复杂的动作,诸如弹丸的抓取与释放。笔者就装填机械手要实现的功能设计了二指抱爪和机械臂,二指抱爪可实现弹丸的抓取与释放,且二指抱爪搭载在机械臂上,通过控制机械臂的运动可改变二指抱爪的位置。

二指抱爪与机械臂一起构成装填机械手,笔者通过相关的运动学方程研究装填机械手的装填动作。将设计出的二指抱爪与机械臂导入多体动力学仿真软件RecurDyn中,施加相关的约束及载荷,研究二指抱爪在抓取与释放弹丸过程中的动作,以及机械臂在改变二指抱爪位置过程中的动作。通过RecurDyn对二指抱爪和机械臂进行运动学仿真,由此验证装填机械手设计的合理性,为装填机械手后续的研究与制作提供重要依据。