鄧小林，梁儀瑜，沈柱林

（梧州學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，廣西梧州 543002）

并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

鄧小林，梁儀瑜，沈柱林

（梧州學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，廣西梧州 543002）

在闡述當(dāng)前機(jī)械手設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)所設(shè)計(jì)的三自由度并聯(lián)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了確定，對(duì)三自由度關(guān)聯(lián)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)械手的工作要求，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃和優(yōu)化。利用Pro/Engineer的Pro/Mechanism模塊的仿真功能對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，最后利用Pro/Engineer的Pro/Mechanica模塊對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)分析，取得了滿意的效果。

并聯(lián)機(jī)械手；三自由度；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

0 引言

按照機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行分類(lèi)，可分為串聯(lián)機(jī)械手和并聯(lián)機(jī)械手兩種類(lèi)型，其中傳統(tǒng)的機(jī)械手主要由固定基座、繪制腰部、主動(dòng)大臂、從動(dòng)小臂、碗部關(guān)節(jié)以及抓舉手部等幾個(gè)部分構(gòu)成，各個(gè)結(jié)構(gòu)之間以串聯(lián)方式聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械手，稱之為串聯(lián)機(jī)械手。而并聯(lián)機(jī)械手通常是由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)以及用來(lái)聯(lián)接的多個(gè)支關(guān)節(jié)所構(gòu)成，其中支關(guān)節(jié)由一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器可以是一個(gè)或多個(gè)［1-2］。并聯(lián)機(jī)械手相對(duì)于串聯(lián)機(jī)械手具有剛度大、精度高、承載能力強(qiáng)、誤差積累小等一系列優(yōu)點(diǎn)［3-4］。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)械手的相關(guān)研究很多，如；針對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，鄧娜［5］等人以專(zhuān)用深孔鏜床的上下料機(jī)械手為對(duì)象，研究了以PLC編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各種動(dòng)作的自動(dòng)化過(guò)程，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件，曾文萱［6］等人則針對(duì)磨齒機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)。針對(duì)數(shù)控機(jī)床刀庫(kù)的可靠性研究以及故障篩選和診斷方面，葛甜［7］等人以車(chē)銑復(fù)合加工中心的盤(pán)式刀庫(kù)及機(jī)械手為研究對(duì)象，對(duì)盤(pán)式刀庫(kù)及機(jī)械手可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，提出了一種可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法，金淵源［8］等人針對(duì)鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手常見(jiàn)故障模式與失效機(jī)理的分析，提出了一種基于環(huán)境應(yīng)力篩選的早期故障試驗(yàn)方法，李加明［9］等人則針對(duì)鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手的可靠性問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了一種針對(duì)鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手的可靠性試驗(yàn)裝置。李小霞［10］和崔龍飛［11］等人針對(duì)機(jī)械手軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真方面進(jìn)行了研究。史步海［12］和熊毅［13］等人，則針對(duì)整個(gè)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品。針對(duì)并聯(lián)機(jī)械手方面，梅江平［14］和張善青［15］等人分別針對(duì)并聯(lián)機(jī)械手的位置控制以及軌跡規(guī)劃和數(shù)值仿真分析進(jìn)行了相關(guān)研究。本論文主要研究一種三自由度并聯(lián)機(jī)械手，對(duì)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用Pro/Engineer進(jìn)行數(shù)字化三維設(shè)計(jì)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真以及靜力學(xué)和模態(tài)分析。

1 技術(shù)參數(shù)確定

本機(jī)械手設(shè)計(jì)的搬運(yùn)對(duì)象為直徑40～85mm、厚度為10mm、重量約為150～250g的圓柱型產(chǎn)品。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)表

2 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)械手主要由進(jìn)給機(jī)構(gòu)、主力臂、連接支架、從動(dòng)臂、執(zhí)行末端以及手爪幾個(gè)部分組成。進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手沿進(jìn)給螺旋桿的直線運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)臂和從動(dòng)臂通過(guò)連接支架進(jìn)行鏈接。兩個(gè)主動(dòng)臂由安裝在機(jī)座上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在執(zhí)行末端平臺(tái)上，安裝有一個(gè)用來(lái)夾持工件的手爪，手爪由安裝在執(zhí)行末端平臺(tái)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)機(jī)械手的總體三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖

3 軌跡規(guī)劃

3.1 機(jī)械手軌跡初步規(guī)劃

根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手工作原理，其主要工作過(guò)程由抓取物體、上升、水平移動(dòng)到工作位置、下降、釋放物體、然后再上升、空載水平移動(dòng)返回、再下降到初始位置這幾個(gè)工作過(guò)程不斷循環(huán)所構(gòu)成。根據(jù)其工作過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行初步軌跡規(guī)劃，規(guī)劃的初步軌跡如圖2所示。

圖2 機(jī)械手路徑初始規(guī)劃圖

3.2 機(jī)械手軌跡優(yōu)化

軌跡優(yōu)化的目的是為了減少機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)以及噪音等，通過(guò)優(yōu)化使得機(jī)械手能在滿足最大加速度和速度的同時(shí)，使其時(shí)間最短、效率最高，并且盡可能保證機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中的速度和加速度變化連續(xù)，避免其突變所造成振動(dòng)和對(duì)設(shè)備的損壞。

考慮到本機(jī)械手抓取物體相對(duì)較輕，這里僅考慮速度和加速度突變情況對(duì)機(jī)械手所引起的沖突進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過(guò)分析機(jī)械手軌跡初步規(guī)劃可知，其突變主要出現(xiàn)在直角轉(zhuǎn)角處，這里通過(guò)對(duì)軌跡圓角處倒圓可大幅降低速度和加速度突變情況。首先通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)角處進(jìn)行圓角處理，然后利用Pro/Engineer運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分析其位移、速度、加速度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果，以此為基礎(chǔ)，對(duì)圓角處理過(guò)后的軌跡，進(jìn)行位移、速度、加速度仿真分析，通過(guò)對(duì)比和調(diào)整，得到相對(duì)較好的機(jī)械手路徑規(guī)劃圖。

這里首先采用Pro/Engineer對(duì)主力臂速度、加速度、位置等進(jìn)行仿真分析。根據(jù)軌跡的初步規(guī)劃，確定仿真初始路徑運(yùn)動(dòng)范圍為h600mm×b250mm，初始角θ=0°。定義電動(dòng)機(jī)初始設(shè)計(jì)速度為100deg/sec，設(shè)置時(shí)間為18s完成整個(gè)周期。設(shè)置完成各個(gè)參數(shù)后，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行Pro/Engineer運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到如圖3所示的左、右臂位移、速度、加速度仿真結(jié)果。

圖3 左、右臂優(yōu)化前運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果

通過(guò)分析左、右臂優(yōu)化前運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果可知，速度和加速度突變情況較多，其振動(dòng)和沖擊相對(duì)較大，尤其當(dāng)執(zhí)行末端運(yùn)動(dòng)到B和C處時(shí)，主動(dòng)臂（原動(dòng)件）由于速度與加速度發(fā)生突變，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手本身的沖擊以及噪音，其抓取效率將會(huì)降低。因此，有必要對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化。這里，在機(jī)械手轉(zhuǎn)角處進(jìn)行圓角處理，將如圖4所示的路徑作為機(jī)械手進(jìn)行抓取物件的工作路徑。在升高A-B段，路程為S1，時(shí)間為T(mén)1；水平移動(dòng)為B-C段，路程為S2，時(shí)間為T(mén)2；下降段為C-D高度S3，時(shí)間為T(mén)3。

圖4 優(yōu)化后的機(jī)械手路徑規(guī)劃圖

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的路徑進(jìn)行仿真分析，得到如圖5所示的左、右臂優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于優(yōu)化前，其速度和加速度突變情況已大量減少，其沖擊和振動(dòng)也將在原有基礎(chǔ)上大幅度降低。

圖5 左、右臂優(yōu)化后運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果

4 基于Pro/Mechanism的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真分析

這里利用Pro/Engineer的機(jī)構(gòu)分析模塊來(lái)對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，Pro/Engineer的Pro/Mechanism機(jī)構(gòu)分析模塊是一個(gè)集運(yùn)動(dòng)仿真與機(jī)構(gòu)分析于一體的模塊?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，定義各機(jī)構(gòu)連接副之間的關(guān)系，并設(shè)置好相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，就可以對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真，進(jìn)而得出整體運(yùn)動(dòng)軌跡與相關(guān)零件之間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

這里，根據(jù)設(shè)計(jì)要求定義手爪齒輪副連接，設(shè)置兩個(gè)主動(dòng)臂、手爪電機(jī)以及絲杠電機(jī)參數(shù)。通過(guò)分析，得到如圖6所示的主動(dòng)臂末端在X、Z分量的速度分布圖。

圖6 主動(dòng)臂末端速度圖

通過(guò)運(yùn)行Pro/Engineer的Pro/Mechanism機(jī)構(gòu)分析模塊對(duì)X、Y方向的位移分量測(cè)量分析，得到如7所示的執(zhí)行末端（手爪）位移分析圖。

圖7 執(zhí)行末端（手爪）位移圖

5 基于Pro/Mechanica的機(jī)械手有限元分析

Pro/Mechanica是Pro/ENGINEER軟件的一個(gè)集成模塊，主要用于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析和熱力分析。采用其它的結(jié)構(gòu)分析軟件，由于其建模功能相對(duì)較弱，往往需要將建模功能相對(duì)較好的建模軟件（如Pro/Engineer）建立好的模型通過(guò)IGES或者STEP等格式來(lái)進(jìn)行圖形格式的轉(zhuǎn)換，加上軟件之間的不完全兼容現(xiàn)象的存在，所以在后續(xù)的分析當(dāng)中，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)以能持續(xù)分析［16］。Pro/Mechanica模塊是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元分析模塊，能對(duì)零件和組件進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、預(yù)應(yīng)力分析、接觸以及失穩(wěn)分析，還可以根據(jù)熱力狀態(tài)進(jìn)行靈敏度分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)［16］。通過(guò)Pro/Engineer構(gòu)建的模型，可以直接導(dǎo)入Pro/Mechanica里做結(jié)構(gòu)和熱力分析而無(wú)需兼容的問(wèn)題。

5.1 機(jī)械手靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析能分析機(jī)械手在受到固定載荷后各部分的應(yīng)力情況，能為了解機(jī)械手各部分的受力以及后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。在進(jìn)行靜力學(xué)分析前，首先需要定義各部件的材料屬性和單元類(lèi)型，其中主動(dòng)臂、從動(dòng)臂以及其它一些零部件材料主要為合金鋼，通過(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得其楊氏模量E=2×1011Pa，密度Dens=7.85×10-6kg/mm3，泊松比μ=0.27。動(dòng)平臺(tái)的材料為鋁和金，其材料屬性為楊氏模量E=7.1× 1010Pa，密度Dens=2.77×10-6kg/mm3，泊松比μ= 0.33。將建好的機(jī)械手三維數(shù)字化模型，按照實(shí)際情況用運(yùn)動(dòng)副連接好后，導(dǎo)入Pro/Mechanica模塊中，定義其約束面、材料屬性以及初始受力大小等相關(guān)參數(shù)后，對(duì)其進(jìn)行分析求解，得到如圖8所示的機(jī)械手模型靜力學(xué)分析結(jié)果。

圖8 機(jī)械手靜力分析結(jié)果

通過(guò)圖8分析可知，當(dāng)并聯(lián)機(jī)械臂受到垂直與動(dòng)平臺(tái)壓力時(shí)，疲勞效應(yīng)發(fā)生在連接主動(dòng)臂電機(jī)輸出軸以及主動(dòng)臂與從動(dòng)臂連接處，即圖中紅色加亮部分為易發(fā)生疲勞破壞處。

5.2 機(jī)械手模態(tài)分析

模態(tài)分析是為了分析機(jī)械手的固有頻率，以使設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠盡可能避開(kāi)這些頻率，以免引起機(jī)械手共振所造成的振動(dòng)和噪音。這里利用Pro/Mechanica的模態(tài)分析功能對(duì)從動(dòng)臂桿直徑φ13、φ15、φ17分別進(jìn)行前4階的模態(tài)分析。得到的分析結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 從動(dòng)臂直徑φ13分析結(jié)果圖

圖10 從動(dòng)臂直徑φ15分析結(jié)果圖

圖11 從動(dòng)臂直徑φ17分析結(jié)果圖

將分析結(jié)果進(jìn)行整理，得到表2所示的從動(dòng)桿不同直徑（φ13、φ15、φ17）的前四階固有頻率表。

通過(guò)表2與上述模態(tài)分析可知，從動(dòng)臂截面直徑參數(shù)是并聯(lián)機(jī)械臂整體動(dòng)態(tài)性能關(guān)鍵因素，從動(dòng)臂的直徑越大其頻率一階頻率越低。直徑φ17相對(duì)于直徑φ13和直徑φ15的頻率較低，而在其他階次下，相差不大。這里，為了綜合考慮機(jī)械手的整體質(zhì)量以及提高其整體機(jī)械性能，選擇從動(dòng)臂截面直徑φ15mm為本機(jī)械手設(shè)計(jì)尺寸。

6 結(jié)論

并聯(lián)機(jī)械手相對(duì)串聯(lián)機(jī)械手在一些工作空間相對(duì)有限而對(duì)精度和剛度以及速度要求較高的領(lǐng)域，具有較大的優(yōu)勢(shì)。本論文在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究了一個(gè)用來(lái)抓取圓柱體物體的并聯(lián)機(jī)械手，利用Pro/Engineer的Pro/Mechanism模塊和Pro/Mechanica模塊，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、靜力學(xué)和模態(tài)分析進(jìn)行了研究，得到了滿意的結(jié)果。

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［16］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京；清華大學(xué)出版社，2011.

（編輯 李秀敏）

Structural Design and Research of Parallel Manipulator

DENG Xiao-lin，LIANG Yi-yu，SHEN Zhu-lin
（School of Mechanical&Material Engineering，Wuzhou University，Wuzhou Guangxi543002，China）

；Based on the explanations of the current manipulator design，the technical parameters of the designed three-DOF parallel manipulator are determined，and the overall structure of three-DOF parallel manipulator is designed.According to operation requirements of the manipulator，the trajectory of the manipulator is planned and optimized.Utilize the simulation function of Pro/Mechanism in Pro/Engineer to carry out motion simulation analysis of the manipulator.Finally apply Pro/Mechanica module in Pro/Engineer to make static and modal analysis of the manipulator，which achieves satisfactory results.

；parallel manipulator；three-DOF；static analysis；modal analysis

TH122；TG659

A

1001-2265（2015）05-0017-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.005

2014-08-28；

2014-10-05

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014 jjBA60066）；廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2013YB226）；梧州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2014A05003）；梧州學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目（2013B004、2012B006、2012B008）

鄧小林（1984—），男，湖南永州人，梧州學(xué)院講師，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，（E-mail）dengxiaolin3@163.com。