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液壓機械手畢業設計——重載機械

添加時間:2020/05/25 來源:未知 作者:論文定制
近年來,在全球工業領域中的重型工件搬運、裝配以及重型裝備的維護作業等方面,重載機械臂呈現出越發重要的作用,為我國的航空工程,礦山冶金設備領域等提供了重要的技術支持以及關鍵的生產安全技術保障.
以下為本篇論文正文:

  摘要

  秉持著完成由中國制造向中國智造轉變的愿望,越來越多的工程機械的要求不僅僅停留在簡單的完成規定動作,而是需要突破重載條件下液壓機械臂穩定夾持、液壓關鍵單元、功率匹配等關鍵技術,從而實現高精度控制的目的.論文以7自由度的重載機械臂為研究對象,針對其機械結構部分與液壓驅動部分進行分析研究,機械部分是液壓控制的前提,因此首先對機械部分進行分析后設計相關液壓系統,并依據機械臂技術要求對液壓系統進行優化.具體研究內容如下:

  (1)對機械臂的實際工況進行分析,明確機械臂結構類型.在運動學分析上,運用D-H坐標法對機械臂結構與連桿參數進行分析,構建機械臂運動學方程,利用Matlab進行運動學仿真得到機械臂末端的運動軌跡曲線,速度曲線以及位移曲線等從而驗證運動學方程建立的正確性.在動力學分析上,通過ADAMS軟件進行動力學分析得到各關節轉矩與功率曲線圖,為后續液壓系統設計的參數選取提供參考.

  (2)研究液壓系統基本回路的特點并根據對機械臂液壓系統的技術要求,參考類似機械臂液壓系統原理,設計符合液壓重載機械臂工作要求的液壓系統,并深入分析研究負載敏感技術原理,采用以負載的反饋壓力控制變量泵的輸出流量,使其隨負載變化而變化的負載敏感泵控式系統,并分析其動態特性,建立數學模型,得到系統的傳遞函數框圖和開環傳遞函數.

  (3)采用AMESim對液壓系統進行仿真,針對不同的技術要求使用不同的仿真模型進行仿真.通過建立位置反饋控制模型,得到輸入信號與實際位移的對比曲線,驗證系統位置反饋控制效果;通過建立負載敏感系統模型,得到負載敏感泵輸出壓力隨負載變化的曲線,驗證負載敏感系統對于整體系統的作用效果.

  (4)運用AMESim軟件中的二維機械庫與液壓庫構建機液耦合系統模型,將機械臂機械部分與液壓驅動部分的仿真聯合在一起,為液壓部分與機械部分整體的耦合仿真提供思路.

  關鍵詞:重載機械臂,液壓系統,AMESim,軟件仿真

  Abstract

  Holding the desire to realize the transformation from made in China to made with wisdom, more and more engineering machinery not only demands to complete the simple prescribed actions, but also requires breaking through the key technologies under the heavy load conditions, such as the stable holding of the hydraulic manipulator and the key hydraulic units, and power matching, etc, thus realizing the high precision control. This paper takes the 7 DOF heavy-duty manipulator as the research object and analyzes the mechanical structure part and the hydraulic drive part. The mechanical part is the premise of hydraulic control. Therefore, the paper firstly analyzes the mechanical part, and then designs the related hydraulic system which is optimized according to the technical requirements of the manipulator. The detailed research contents are as follows:

  (1)Analyze the actual working conditions of the manipulator and define its structure type. In kinematics analysis, D-H coordinate method is used to analyze the structure and connecting rod parameters of the manipulator so as to construct the kinematics equation of the manipulator. The kinematics simulation based on Matlab is carried out to obtain the moving-track curve, the velocity curve and displacement curve of the end of the manipulator, which are used to validate the correctness of the kinematics equation. In dynamic analysis, each joint torque and power curve are obtained by dynamic analysis with ADAMS software, which provides a reference for the parameter selection of the subsequent hydraulic system design.

  (2)Study the characteristics of the basic circuit of the hydraulic system. According to the technical requirements of the hydraulic system of the mechanical arm and referring to the similar principle of the hydraulic system of mechanical arm, the hydraulic system which meets the demands of the work of the hydraulic heavy duty manipulator is designed. The principle of load sensitive technology is deeply analyzed and studied. The output flow of variable pump is controlled by feedback pressure of load, which makes the load sensitive pump control system change with load, and its dynamic characteristic is analyzed, and the mathematical model is established to obtain block diagram of transfer function and open loop transfer function.

  (3)Simulate hydraulic system with AMESim software and use different simulation models for different technical requirements to complete the process. Through establishing the position feedback control model, the contrast curve between the input signal and the actual displacement is obtained, and the effect of the system position feedback control is verified. Through establishing the load sensitive system model, the output pressure curve of the load sensitive pump with the load change is obtained, and the effect of the load sensitive system on the whole system is verified.

  (4)Use the two-dimensional mechanical library and hydraulic storehouse he mechanical-liquid coupling system model in AMESim software to combine the simulation between the mechanical part of the manipulator and the hydraulic driving part, which provides the suggestion for the whole coupling simulation of the hydraulic part and the mechanical part.

  Key words:Heavy-duty manipulator,hydraulic system,AMESim software simulation

  目 錄

  第一章 緒論...............................................................................................................................1

  1.1 研究背景及意義.................................................................................................... 1

  1.1.1 研究背景.....................................................................................................1

  1.1.2 研究意義.....................................................................................................2

  1.2 重載機械臂研究現狀............................................................................................ 3

  1.2.1 國外研究現狀.............................................................................................4

  1.2.2 國內研究現狀.............................................................................................4

  1.3 主要研究內容....................................................................................................... 6

  第二章 重載機械臂結構設計和運動學分析...........................................................................7

  2.1 重載機械臂性能要求............................................................................................ 7

  2.2 重載機械臂工作原理與結構組成........................................................................ 7

  2.2.1 重載機械臂基本工況.................................................................................7

  2.2.2 重載機械臂結構組成.................................................................................8

  2.3 重載機械臂運動學分析與仿真............................................................................ 8

  2.3.1 機械臂坐標系的建立及 D-H 參數.............................................................9

  2.3.2 機械臂運動學方程的建立.......................................................................10

  2.3.3 機械臂運動學建模...................................................................................14

  2.3.4 機械臂運動學仿真...................................................................................15

  2.4 重載機械臂動力學仿真...................................................................................... 18

  2.4.1 軟件介紹...................................................................................................18

  2.4.2 模型建立與仿真.......................................................................................18

  2.5 本章小結.............................................................................................................. 22

  第三章 重載機械臂液壓系統設計與系統性能分析.............................................................23

  3.1 重載機械臂液壓系統原理的設計...................................................................... 23

  3.1.1 液壓系統技術要求...................................................................................24

  3.1.2 液壓系統原理分析...................................................................................24

  3.1.3 液壓回路組成與分析...............................................................................24

  3.1.4 液壓系統設計...........................................................................................30

  3.2 液壓系統數學模型的建立與分析...................................................................... 30

  3.2.1 負載敏感泵控工作原理...........................................................................31

  3.2.2 負載敏感泵的動態特性分析...................................................................33

  3.2.3 負載敏感系統部分液壓元件選型...........................................................37

  3.3 本章小結.............................................................................................................. 38

  第四章 基于 AMESim 的液壓系統仿真與分析.......................................................................39

  4.1 系統仿真介紹...................................................................................................... 39

  4.2 重載機械臂液壓系統模型建立......................................................................... 39

  4.2.1 液壓原理圖的優化..................................................................................39

  4.2.2 液壓系統模型搭建..................................................................................41

  4.3 液壓伺服系統位置控制仿真............................................................................. 41

  4.4 負載敏感系統主要元件建模............................................................................. 43

  4.4.1 負載敏感閥模型建立...............................................................................44

  4.4.2 恒壓閥模型建立......................................................................................45

  4.4.3 變量泵機構模型建立..............................................................................46

  4.4.4 壓力補償閥模型建立..............................................................................47

  4.5 負載敏感系統整體 AMESim 建模仿真............................................................... 47

  4.6 機液耦合系統仿真............................................................................................. 49

  4.7 本章小結............................................................................................................. 51

  第五章 總結與展望.................................................................................................................53

  5.1 工作總結............................................................................................................. 53

  5.2 工作展望............................................................................................................. 53

  參考文獻...................................................................................................................................55

  發表論文和科研情況說明.......................................................................................................59

  致 謝...................................................................................................................................60

  第一章緒論

  1.1研究背景及意義

  1.1.1研究背景

  近年來,在全球工業領域中的重型工件搬運、裝配以及重型裝備的維護作業等方面,重載機械臂呈現出越發重要的作用,為我國的航空工程,礦山冶金設備領域等提供了重要的技術支持以及關鍵的生產安全技術保障.重型機械臂也逐漸成為大負載,高強度的工業生產環境中所不可或缺的核心技術裝備,它能夠提高工業活動中的工作效率,降低風險發生率,在未來的工業發展中會逐漸取代大部分人力勞動[1,9-10].針對現在國內外的重載液壓機械臂的研究狀況,對高性能,高強度,大負載的重型液壓機械臂的研究進展尚未達到一個較高的水平,尤其是針對機電液控制于一體的重型機械臂的研究還處在剛剛開始的部分,相關的研究資料與方法少之又少,考慮到機械臂的剛柔耦合效應,首要的是要對重載機械臂的剛柔耦合動力學模型完成建立,其中機構設計、動力匹配和重載條件下動態穩定夾持、主動安全等關鍵技術尚未取得突破,使得剛柔耦合效應的重載機械臂的研發處于瓶頸期[2].

  在凡事都講求經濟性與高回報率的當今社會,對某項技術的研究往往為利益所驅動,圖1.1為澳大利亞RME公司所給出的對于球磨機更換襯板機械手的科研投入資金占總投入的比例與因該科研成果而獲得的效益占總效益的比例的對比圖,這種高回報率促使了更多的企業開始愿意將資金投入到對新技術的研發和對現有設備的升級改造之中,論文在此大環境下,針對于能提高效率帶來經濟效益的重載機械臂相關技術進行研究.

  1.1.2研究意義

  改革開放至今已有四十年有余,在這四十年期間,我國的工業化文明發展速度顯著加快.在此期間,各種類型的機械臂為工業化的發展奠定扎實的基礎,在各類的生產實踐活動中,需要應用到不同種類的機械器材來代替人類生產活動,從而極大的提高了生產效率[3-4].作為各種機械器材的執行元件,機械臂同時也得了廣泛的應用,在應用的過程中進行不斷得改善和提高,正是由于機械臂的廣泛普及,產品生產的工作精度以及工作效率都得到了質的提高.機械臂是一種在精密復雜的控制程序下,可以模仿人類手臂做多自由度運動的機械器材,在比較復雜,危險的工作環境中可以代替人的活動,這樣不僅可以加快工作進度,還可以降低事故的發生幾率,機械臂尤其適用于帶有重復性性質的工作類型.當前我國的機械臂研究技術可以計算機仿真技術相互聯系起來,用軟件分析可以來驗證機械臂的可行性和合理性.

  重型工業在近些年來飛速成長,所以直接推動著重載機械臂的快速進步.在航天,軍事工業上,重載機械臂起著至關重要的作用,它是在這樣一個生產過程科技化演變的大趨勢中發展起來的新裝置.重載機械臂與一般的輕型機械臂有著本質的區別,重載機械臂具有高精度,多自由度運動等特點,輕型機械臂可以適應于工作環境較好,工作強度較低的工業場所.而重載機械臂需要面對惡劣的工作環境,同時還需要承受大載荷,高強度的工作壓力,所以對于重載機械臂的設計及研究需要在保證完成質量和以提高效率的同時還需要考慮它的強度,剛度分析.又因為重載機械臂承受的載荷大,所以它的及驅動力比一般的輕型機械臂要大得多,故在設計研究時需要綜合對其驅動裝置進行分析[5].而如圖1.2所示的具有多自由度的機器人,具有能在較小的空間完成各種姿態運動的特性.因此對多自由度重載機器人的研究針對于一些狹窄但要求重載的場合十分必要.

  綜上所述,論文針對7自由度重載機械臂的驅動機構與執行機構進行研究對于工業生產的現實情況是十分必要的,論文針對其工作原理工作特性,對其結構進行運動學動力學分析,并初步設計其液壓系統,依靠AMESim進行仿真分析并依照其結果和技術要求對液壓系統進行優化.

  1.2重載機械臂研究現狀

  自六七十年前國內外就展開了對機械臂的理論研究及工程應用.20世紀60到70年代,工業生產中出現了可以按照設定程序完成重復性動作的點焊機器人,1962年美國AMF公司生產出"VERSTRAN"(中譯為"萬能搬運",如圖1.3所示),Unimation推出的工業機器人"PUMA"(如圖1.4所示)同樣作為商業化的工業機器人,在全球范圍內被廣泛使用,促使全球范圍內的對機器人與機器人研究的熱情高漲[6].現如今,現代化的工業生產實踐中經常會遇到大型負載,需要機械臂在附帶重載的工況下作業;隨著重載機械臂的應用范圍逐漸拓寬,在生產實踐時要求重載機械臂高速完成焊接、移動、堆碼、裝配等動作,國內外研究學者對各種工程重載機械臂的研究也在逐步推進.未來,伴隨科學理論研究程度的深入和工程應用設備性能的全面提升,工程領域的相關研究將同機器人學、信息與通訊技術、人工智能和CAD技術等相關專業學科和技術相結合,將使得工程機械向著更高科技化的趨勢前進.


  1.2.1國外研究現狀

  國外的工程機械研究起步相對較早,其中設備的設計和開發研究過程大致分為以下三個部分:首先,結合計算機仿真軟件,對工程機械結構進行有限元分析,對機構進行運動學和動力學仿真,或者對材料構件進行疲勞壽命計算;然后通過軟件分析和算法優化計算,得出所設計機構的各項最優參數;最后根據仿真分析獲得的相關結果,設計和制造實物樣機.下面自四個方面介紹國外工程機械研究的重點:

  (1)對于運動學相關方面的研究早在上個世紀80年代和90年代,就有學者通過分析機械臂的位置、速度、加速度等動態參數,對機械臂的空間軌跡進行優化及預測;之后,在21世紀初期,研究學者開始結合動力學模型,利用具體的工程機械設備,使針對機械臂的理論計算分析更接近實際的工程應用場景.綜上所述,國外工程機械臂的研究較多的還是軌跡規劃得問題[7-11].

  (2)對于智能控制方法相關方面的研究國外研究學者利用角度、方向、激光、視覺等先進傳感器設備,結合信號分析技術和智能控制算法,對機械臂空間軌跡進行動態路徑規劃的研究,使得機械臂在工程作業中,能夠實時監測自身的位置和姿態,并反饋設備當前的各項動態數據,自適應調整其行為軌跡;與此同時,通過傳感器感知自身的工作狀態和周圍的工作環境,結合故障診斷分析和自動避障算法,實現了機械臂設備的故障預警、障礙躲避等自動控制功能[12-15].

  (3)對于強度壽命相關方面的研究國外研究學者結合工程結構力學和材料力學的內容和分析軟件,對工程機械裝置的機構強度壽命分析進行了很多研究,其中有限元法應用的較為廣泛.學者在科研過程中采用有限元分析法,結合計算機輔助設計軟件,得到了工程機械設備的最優工作結構和尺寸,并且還可以通過分析得到機械結構的應力集中區域等危險工作狀態,如此一來就增加了設備的安全性與可靠性[16-17].

  (4)對于液壓控制系統設計相關方面的研究國外研究學者著眼于工業生產設備的工作可靠性、安全性、高效節能性等方面,通過研究壓力控制系統和負載敏感系統,來提高壓力利用效率,并以此節約能源消耗[17-20].

  1.2.2國內研究現狀

  國內的工程機械研究相對于國外起步較晚,但因為基礎工業的需求,重型機械臂的研究主要指在能夠安全可靠完成指定動作即可,圖1.5為國內自主研發生產的重載機械臂的工作狀態模擬圖.

  研究主要以仿真或者軟件聯合仿真為主.常用的軟件有ADAMS、OpenGL、AMESim、MATLAB/Simulink、ANSYS、UG、Pro/E和Solidworks等.國內許多高校及其他研究機構的學者利用計算機仿真軟件,在重載機械臂運動學、動力學和控制系統設計等方面開展了廣泛的研究,并能不斷取得突破性的成果,這使得國內的整體研究水平正在不斷向著發達國家靠攏.可以將針對開發出更智能更環保的機械臂的國內研究分為以下四個方面:

  (1)運動學分析

  在運動學分析方面,國內學者通過不同途徑對機械臂軌跡規劃進行研究.例如采用D-H表示法建立機器臂模型,得到機械臂的運動學正解和逆解,用以得出機械臂工作時空間位置和速度的映射關系;也有通過分析機械臂末端位置的軌跡變化,反求機械臂旋轉關節角度和位移變化關系[21-26].

  (2)運動控制系統設計

  在運動控制方面,國內側重于研究控制系統精度及其本身是否穩定方面.國內學者采用模糊PID方法、補償控制等多種方式算法,研究機械臂系統的軌跡跟蹤策略,也有學者針對重載機械臂系統的抖振解決方案,采用模糊滑膜控制的方法,提升了其穩定特性及精度.在系統仿真的基礎上,研究者結合傳感器感知設備和通訊設備等硬件,實現了機械臂的無線信號傳輸、遠程控制、自適應調參、實時故障報警等功能[27-33].

  (3)液壓控制系統的設計與改進

  在液壓方面,國內研究側重在提升液壓整體結構的合理性及參數優化.國內學者采用仿真軟件AMESim,對各工程應用場景下的液壓控制系統進行仿真實驗,或采用AMESim與Simulink的聯合仿真,應用AMESim構建完整的液壓執行系統,基于Simulink搭建系統控制函數模型以及和AMESim融合的連接函數,最終構造出符合國內加工能力和要求的負載敏感系統,為液壓控制方面的研究和工程上面的應用給出了思路[34-44].

  (4)在液壓負載敏感系統應用的研究方面

  在負載敏感控制方面,國內研究側重于分析系統穩定性,能源利用率,系統動態特性等理論研究.研究者通過研究管路、變量柱塞泵等原件的參數和特性對負載敏感系統的動態特性進行分析;同時結合掘進機等工程機械設備特點對不相同的工作狀態時負載敏感系統的工作特性開展研究,最優化系統設計參數,以提高系統對負載的跟隨性并減少系統波動[45-55].

  1.3主要研究內容

  液壓重載機械臂主要由驅動部分、執行部分、檢測反饋部分、傳動部分等多系統結構組成.論文以重載機械臂的機械執行部分與液壓驅動部分為對象,針對重載機械臂負載大,自由度多等特點,主要從兩大方面進行研究,一是對機械執行部分的運動學動力學的研究,另一方面是對液壓驅動部分的設計仿真研究.具體的研究內容如下:

  (1)重載機械臂的性能要求分析及對其結構部分進行運動學、動力學分析.針對機械執行機構,需要根據不同工作對象的需求,設計出不同的執行方式.因此對于研究對象重載機械臂,了解了其工作狀況下性能要求后,通過MATLAB和ADAMS分別完成運動學動力學的仿真分析.

  (2)重載機械臂液壓驅動系統的技術要求的明確及液壓部分原理的設計.針對重載機械臂的驅動機構,液壓驅動的特點與其他驅動方式相比在工程機械應用領域中優勢突出.分析介紹了液壓基本回路的工作原理與特點,結合機械臂系統的總體方案,確定了其工況條件以及各種性能指標,得到液壓系統的主要設計技術參數,從而初步設計出該液壓系統原理圖.

  (3)重載機械臂液壓系統的控制方法研究.在重載機械臂的控制方法研究中,不同控制目標采用不同控制策略.為提高能源的利用率,液壓系統的輸出需和負載所需相對應.研究分析了負載敏感方法的特點之后,決定采用該方法.使得系統本身能夠接受到負載的變化信號,并轉化為相應的液壓參數的需要,將需求傳遞轉換為敏感閥芯的移動,使得泵的工作狀態發生改變,按照負載所需壓力值、流量值等往系統供給相應的油液.

  (4)液壓驅動系統的仿真分析技術的研究.對于所設計的重載機械臂液壓系統,現有的試驗臺無法達到實驗驗證的目的,所以結合計算機技術,通過仿真軟件對液壓驅動系統完成仿真,來證明之前構造的液壓系統的功能性是否符合要求,分別證明位置反饋控制與負載敏感控制在整體系統中的作用與設想相符.























 


…………由于本文篇幅較長,部分內容省略,詳細全文見文末附件

  第五章總結與展望

  5.1工作總結

  論文針對重載機械臂機械執行部分與液壓驅動部分,依據實際工況分析、技術要求與機械臂運動學動力學仿真,參考現有類似機械臂設備,設計出合理高效的液壓系統圖,以提高現有機械臂性能.

  論文完成了以下內容:

  (1)首先對實際工況進行研究明確所需自由度以及運動副類型.運用D-H法構建機械臂連桿坐標系,測量各連桿參數,得到機械臂運動學模型,并通過Matlab進行運動學仿真.在此基礎上通過ADAMS軟件進行動力學分析得到了各關節轉矩與功率,為后續液壓系統設計元件選型提供參考.

  (2)根據對機械臂液壓系統的技術要求與原理的了解,結合液壓基本回路的相關知識,設計符合機械臂工作要求的液壓系統,并深入學習負載敏感技術,完成動態特性分析并求得負載敏感系統傳遞函數框圖與開環傳遞函數.

  (3)由于機械臂對于定位的精度要求高,因而對液壓系統進行優化,構建了機械臂液壓缸位置控制模型,并通過AMESim軟件進行仿真,得到通過位置控制的方法能取得較好的位移跟隨特性.

  (4)由于系統的功率損耗多,效率不高,因而為了完成優化,構建了負載敏感系統各元件模型并進行連接設置,并利用AMESim進行仿真,證明了負載敏感原理對系統的作用.

  (5)構建了機液耦合一部分模型,并通過AMESim軟件完成仿真,結果表明液壓系統能夠驅動機械部分完成規定動作,直觀的證明了液壓系統構建的正確性與有效性,并為整體液壓部分與機械部分耦合仿真提供思路.

  5.2工作展望

  論文由于受到時間、硬件設備以及技術條件的限制,只初步的對重載機械臂的機械執行機構與液壓驅動機構進行研究.研究限制在理論分析仿真部分,沒有進行樣機測試實驗.因此,若要使得設計的液壓重載機械臂能夠真正的投入工程生產之中,對未來的工作重點主要是以下幾個方面:

  (1)系統建模與仿真技術隨著計算機技術的迅猛發展,多學科多領域的聯合仿真已經進入了實際應用階段,AMESim提供了多種軟件接口,在進一步研究中,可以利用Solidworks搭建3D模型導入ADAMS中,并對重載機械臂運動副關系完成設置,通過接口與AMESim搭建的模型完成聯合仿真,能夠獲得更為精確的數據圖形,可以用作重載機械臂整體優化依據.

  (2)由于液壓系統復雜程度很高,仿真中涉及的參數較多,仿真過程對計算機硬件要求過高,論文仿真僅針對于部分子系統進行仿真分析.若能將整體系統進行聯動的仿真,所得結果之于工程實際將更具有意義.

  (3)在液壓系統位置控制的仿真中,僅使用位置傳感器反饋控制,未加入如PID、模糊PID、神經網絡等控制算法.若加入控制算法進行優化,控制精度可能更好.

  (4)機械臂機械部分都假設為剛體模型.但實際液壓重載機械臂中存在著如臂桿柔性、關節柔性與基座柔性等多柔性因素,因此在搭建模型時若考慮這些因素從而選擇搭建起剛-柔耦合的有限元動力學模型,得到的結果將更加具有實用的可能.

  致謝

  本論文的工作是在我的導師郭津津教授的悉心指導下完成的,郭津津教授嚴謹的治學態度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響.在此衷心感謝三年來郭津津老師對我的關心和指導.

  郭津津教授悉心指導我們完成了實驗室的科研工作,在學習上和生活上都給予了我很大的關心和幫助,在此向郭津津老師表示衷心的謝意.

  郭津津教授對于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見,在此表示衷心的感謝.

  在實驗室工作及撰寫論文期間,毛龍銳、李震等同學對我論文中的機械臂動力學研究工作給予了熱情幫助,在此向他們表達我的感激之情.
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