（机械设计及理论专业论文）自动化弹库接口技术及碰撞动力特性研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h ei n t e r f a c et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c m a g a z i n ea n dc o l l i s i o nd y n a m i cs t u d y c a n d i d a t e ：l ih o n g f e i s u p e r v i s o r ：p r o f h us h e n g h a i a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：露蟛侈 日期：知，夕年月少日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 函在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：拗矽导师( 签字) ：孩撕帕 日期： 勿胗年乡月少日汐年月少日 现代化海军作战，要求舰炮应具有远射程、高射速、多弹种的识别与 敏捷更换和快速反应的持续打击能力，作为舰炮的重要组成部分，自动化 弹库的技术水平直接决定着舰炮的性能和威力。本文针对自动化弹库中的 关键技术之一接口技术进行原理结构设计、理论分析和仿真研究，这 对于提高我国舰炮的自动化弹库技术水平有着重要的意义。 在机器人技术的基础上，采用机械设计原理及方法，为自动化弹库中 的转运模块和提升模块，设计了一种欠驱动机械手式接口机构，该机构在 完成模块间炮弹交接功能的同时，利用其多自由度的特性，解决了对弹种 更换的兼容性问题。并对机械手爪进行静力学、运动学分析，得到了手爪 夹持力与各关节长度、角度等多参数变化影响关系和手爪抓取炮弹过程的 基本运动规律。 通过在a d a m s 动力学仿真软件中建模、仿真，验证了本次设计的可 行性，得到了在初始设计条件下机械手的运动学及动力学仿真结果。经过 分析发现了设计中需要解决的最大碰撞力( 机械手臂与炮弹) 及手爪关节夹 持力不均衡的问题。应用有限元方法和l s d y n a 软件，对碰撞力最大的机 械手臂和炮弹建模、仿真，得到了不同速度下的碰撞响应曲线，总结出碰 撞过程的基本变化规律。采用在机械手臂驱动液压缸内部设计缓冲装置的 方法，解决了最大碰撞力对炮弹的破坏问题。运用a d a m s 软件中的参数 优化设计方法，优化了机械手爪构形，解决了机械手夹持力不均衡的问题， 完成了合理的欠驱动机械手式自动化弹库接口机构的设计研究。研究成果 不但解决了自动化弹库中的一项关键技术问题，同时对研究碰撞动力学的 问题和多关节多自由度机械手爪夹持力不均衡的问题具有一定的参考价 值。 关键词：接口机构；欠驱动机械手；碰撞仿真；优化设计 f r o mt h e o r e t i c lc o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d y ， w h i c hi ss i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h et e c h n o l o g yo f a u t o m a t i cm a g a z i n eo fn a v a l g u n sf o ro u rc o u n t r y b a s e do nr o b o t i c s ，a nu n d e r a c t u a t e dm a n i p u l a t o ri n t e r f a c em e c h a n i s m w h i c ha c h i e v e st h es h e l l st r a n s f e rb e t w e e nb l o c k s ，a n dr e s o l v et h ec o m p a t i b i l i t y p r o b l e mo fs h e l l sa l t e r a t i o nu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m h a sb e e nd e s i g n e dw i t ht h em e c h a n i c a ld e s i g np r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o rt h e a u t o m a t i cm a g a z i n e s t a t i c sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i sh a v eb e e nd o n et oa c q u i r e t h er e l a t i o n s h i po fa l t e r a b l em u l t i p a r a m e t e r ss u c ha st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eg r i p p e rj o i n tc l a m p i n gf o r c ea n dt h el e n g t ha n da n g l eo fj o i n t s ，a n dt h eb a s i c l a wo fm o t i o nd u r i n gt h ep r o c e s st h a tm a n i p u l a t o rg r a s ps h e l l s b ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gi nt h ea d a m sd y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ， t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nh a sb e e nv e r i f i e d ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ei n i t i a ld e s i g n o ft h em a n i p u l a t o r t h r o u g ha n a l y z i n gr e s u l t s ，t h em a x i m u mi m p a c tf o r c e ( b e t w e e n m e c h a n i c a la ima n ds h e l l s ) a n dt h ei m b a l a n c eo fg r i p p e rj o i n t c l a m p i n gf o r c eh a v e b e e nf o u n da n dn e e dt or e s o l v e w i t hf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dl s d y n as o f t w a r e ，t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fm e c h a n i c a l a r m sw i t hg r e a t e s tf o r c eo nc o l l i s i o na n ds h e l l sh a v e b e e nd o n e ，d i f f e r e n ts p e e d s 哈尔滨j r 稗人学硕十学位论文 r e s p o n s ec u r v e su n d e rc o l l i s i o nh a v eb e e no b t a i n e d ，t h eb a s i cl a w sd u r i n gt h e c o l l i s i o n p r o c e s s h a sb e e ns u m m a r i z e d t h ed e s t r u c t i o no i ls h e l l st h a t e n g e n d e r e db yt h em a x i m u mi m p a c tf o r c eh a sb e e na v o i db ys e t t l i n gi n t e r i o r b u f f e rd e v i c ei nh y d r a u l i cc y l i n d e rd r i v e nm e c h a n i c a la n n t h em e c h a n i c a l g r i p p e rc o n f i g u r a t i o n sh a v eb e e no p t i m i z e da n dt h e i m b a l a n c ep r o b l e mo f g r i p p i n gf o r c e sh a sb e e ns o l v e dw i t hp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o di n l a d a m ss o f t w a r e ，ac o m p a t i b l ei n t e r f a c em e c h a n i s mu t i l i z i n gu n d e r a c t u a t e d r o b o t - t y p em e c h a n i c a lm a n i p u l a t o rf o ra u t o m a t i cm a g a z i n eh a sb e e nc o m p l e t e t h er e s e a r c hn o to n l ys o l v e dak e yt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cm a g a z i n e ，b u ta l s o h a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u eo ft h es t u d yo fc o l l i s i o nd y n a m i c sa n dt h e i m b a l a n c ep r o b l e mo fm u l t i - j o i n tm a n i p u l a t o rc l a m p i n gf o r c e k e y w o r d s ：i n t e r f a c em e c h a n i s m ；u n d e r - a c t u a t e dm a n i p u l a t o r ；o l l i s i o n s i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 第4 章 绪 仑1 自动化弹库的研究背景及意义1 自动化弹库国内外发展现状2 1 2 1 国外发展现状2 1 2 2国内发展现状4 自动化弹库的关键技术5 本论文研究的主要工作6 自动化弹库接口机构设计及力学理论研究8 自动化弹库模块化总体方案布局8 自动化弹库接口技术简述1 0 2 2 1自动化弹库接口的分类及要求1 0 2 2 2自动化弹库接口的结构形式及功能。1 0 机械手式接口机构设计及运动学和静力学分析1 3 2 3 1 机械手式接口机构方案设计1 4 2 3 2 机械手式接口机构运动学分析1 9 2 3 3 机械手式接口机构静力学分析2 3 2 3 4 机械手手爪部件a n s y s 静力仿真分析2 7 本章小结2 9 基于a d a m s 技术的动力特性及兼容性研究。3 0 运动学及动力学仿真分析3 0 3 1 1 建立仿真模型3 0 3 1 2 运动学仿真分析3 2 3 1 3 动力学仿真分析3 7 a d a m s 环境下机械手对炮弹兼容性研究。3 9 本章小结4 2 弹库接口机构碰撞有限元数值模拟4 3 4 2 模型的建立及关键问题的解决4 6 4 2 1 有限元建模4 6 4 2 2 载荷、约束及计算时间设置5 1 4 3 不同碰撞速度下炮弹动力特性分析5 1 4 3 1 机械手臂碰撞力分析5 1 4 3 2 最大应力及变形分析：5 3 4 3 3系统各能量曲线分析。5 5 4 3 4 炮弹最大应力节点的位移曲线5 6 4 3 5 炮弹最大应力节点的速度曲线5 7 4 4 本章小结。5 9 第5 章机械手式弹库接口机构优化设计6 0 5 1 机械手缓冲装置设计。6 0 5 1 1 缓冲减震装置6 0 5 1 2 液压缸缓冲设计6 1 5 2 优化后机械手动力特性仿真分析。6 3 5 2 。1 优化后三种速度碰撞力曲线分析6 3 5 - 2 2 被撞炮弹应力云图分析6 5 5 2 3 炮弹最大应力点位移曲线分析6 6 5 3 机械手手爪构形优化设计6 7 5 4 本章小结7 2 结论。7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 9 致谢8 0 的国际局势的影响下，要求中国军队在高科技战争条件下，必须能够更好地 完成保卫国家和人民的至高使命。然而对比中国与先进发达国家的海军力量， 相对实力还有很大空间有待于增强。现代化大、中口径舰炮，要求更多的功 能性、更强的战斗力和更持久的作战能力1 。作为影响舰炮整体作战能力的 弹库供弹系统，传统的供弹方式无法满足快速、自动化的要求，没有快速的 供弹方式，战斗力的提高便成为一句空话。尤其是大、中口径舰炮，炮弹的 重量大，一般为5 0 6 0 k g ，如果还依赖于人工操作，就无法保证战斗力的持久， 也就无法和国外先进国家相抗衡，更别说打赢现代化战争。战争的残酷性要 求参战者灵活应变，针对于不同的战斗情况作出不同的应对方案，快速反应 近战用什么弹种，远战又用什么弹种。现代化武器的速度，不允许有一点松 弛，两军交战，敌方已由近渐远时，我方正在等待更换弹种，而敌方更换的 第一发炮弹已经朝我方飞来，后果不堪设想。当我国舰炮的供弹方式还主要 以人工为主时，国外早已实现模块化设计的自动化弹库闭，自动化弹库的模 块化，不但供弹方式完全实现自动化，其维修性、可靠性更实现了快速检测 发现问题，快速更换模块并解决问题的能力。 在此背景下，要提高中国海军的作战能力，必须提高舰炮供弹速度，减 少舰炮更换弹种的时间，保证可靠、快速的维修性。而模块化例设计的自动 化弹库，具有多弹种、高效、高自动化的弹药存储、传送供弹系统，有广阔 的发展空间，是未来舰炮的发展趋势，可以满足2 1 世纪在作战能力等方面 对舰炮的要求。因此，研究具有存储、转运、弹种选择一体化的自动化弹库， 对提高舰炮的自动化程度及作战能力具有重要意义。 哈尔滨t 稗大学硕+ 学何论文 iii 1 2 自动化弹库国内外发展现状 自动化弹库是现代化舰炮的重要组成部分。近年来，国内外许多学者和 研究机构对自动化弹库的研制及应用进行了大量的研究工作。 1 2 1国外发展现状 l 、俄罗斯a k - 1 7 6 型单管7 6 m m 舰炮自动化弹库 该舰炮的供补弹系统，由2 个结构相同、对称布置的弹链平台组成p 1 ， 每个弹链平台各装7 6 发弹药。其弹链平台、推弹器和扬弹机构成了自动化弹 库的三大关键要素。炮弹在拨弹轮的驱动下，以步进的方式运动到弹链平台 的出口处，在推弹器的作用下，炮弹被转运到扬弹机。双路交替的对称式供 弹方式，不但可以减轻单路供弹的压力，而且还可以很好地满足高供弹率的 自动化要求。 2 、意大利o t 0 1 2 7 5 4 m m 舰炮自动化弹库 意大利o t 0 1 2 7 5 4 m m 舰炮的自动化弹库系统中，可根据发射率要求的 变化而自动调节供弹率，一般更换弹种的时间只需6 s ，可以很好地实现快速、 自动化的要求。在弹药的控制和管理上，采用了先进的计算机自动控制系统， 既可以实现三种炮弹之间的自动装填、任意更换，又能实现反向的自动退弹。 其中间弹仓模块由三个不同的供弹弹鼓组成【q ，可以装填三种炮弹。 3 、俄罗斯a k l 3 0 m m 舰炮自动化弹库 图1 1 俄罗斯a k l 3 0 m m 舰炮自动化弹库系统 2 图1 2a g s 的自动化弹库系统 所有弹夹模块分三层摆放在甲板内的自动化弹库中，每个弹夹模块内装 有8 个药筒和8 个弹丸，如图1 3 所示。 图1 3 模块化弹夹与自动化弹库 3 图1 4 使用电梯实现上下移动模块化弹夹 该自动化弹库内没有人工操作，整个供弹过程实现了自动化要求。 1 2 2国内发展现状 目前我国自研的第3 代双l o o m m 舰炮的供弹系统，采用了分段供弹设计 方式，即首先由弹药库向随火炮一起联动的弹鼓进行供弹，然后再由弹鼓向 舰炮供弹，这样随炮的储弹量大，减少了对舰炮空间及吨位的占用。另外， 由弹药库向弹鼓供弹的装置，还能同时承担上甲板与弹药库之间的补卸弹任 务，实现了一机四用。但是，在我国大、中口径舰炮供给炮弹和输送炮弹过 程中，仍普遍采用人手工装卸，劳动强度比较大、供输弹效率比较低、自动 化程度还不是很高。双l o o m m 舰炮虽然经过改进后，可以在发射5 0 发炮弹 之内不需要装弹，但5 0 发弹药之后必须把弹鼓与下扬弹机对接，需经过4 1 0 分钟装弹完毕后，才能够继续射击。正在研制中的单1 3 0 m m 舰炮及7 6 m m 舰炮也存在这种类似的问题，而且双1 3 0 m m 舰炮是纯人工装弹的，自动化程 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 度非常低。 因此，在大、中口径舰炮的供补弹系统中采用自动化弹库，是缩短与发 达国家舰炮武器技术水平差距、提高我国舰炮自动化水平急需解决的问题。 1 3自动化弹库的关键技术 作为一个复杂的综合性自动化系统，自动化弹库能够自动、可靠、准确 并迅速地对炮弹进行转运、存储和选择。其关键技术f 1 的解决对“全自动弹 库技术的研发具有重要的指导意义。自动化弹库的关键技术主要在于模块 化接口技术和兼容技术，自动寻址、自动识别和自动控制系统，监控调度和 计算机管理系统等环节。 1 、模块化接口技术和兼容技术 随着海军技术的不断发展和对作战要求的不断提高，要求自动化弹库的 设计和研制必须缩短周期，从设计开始就要有提高装备的机动性、可靠性、 经济性和维修性等特点，因而模块化设计方式就成为自动化弹库研制的最佳 选择。模块化弹库的设计模式是：选用现有的通用模块为基础，增加部分新 设计的专用模块或专用部件，通过接口模块构成新舰炮。每一个模块都有其 相应的功能，功能模块和功能模块之间通过模块内部的接口结构或设计的专 用接口模块实现交接。因此，模块化设计的自动化弹库中，为了能够实现自 动化弹库的自动、快速地供补弹，必须设计一种与其相对应的接口机构或装 置，使弹库模块间能够顺利、快速地交接炮弹；为了能够实现自动化弹库适 应多弹种、自动换弹的要求，设计的接口机构又必须实现智能化对多弹种的 兼容性。接口的可靠性决定着供弹系统的可靠性，炮弹能否在模块与模块间 的接口中，顺利、快速转运决定了自动化弹库的整体性能，因此，研究自动 化弹库接口技术对自动化弹库的研制工作具有重要意义。 2 、自动寻址、自动识别和自动控制系统 自动化弹库的自动寻址就是自动寻找存放提取炮弹的位置嗍。接收到管 5 哈尔滨i j 程人学硕十学位论文 理系统的存取指令和存取位元址后，转运装置即向指定弹位的方向运行，运 行中传感器不断检测位置信息，计算判断是否到位。 自动识别是指在没有人工干预的情况下对炮弹转运过程中弹种和弹位的 识别确定。炮弹信息可以通过声、光、磁、电子等多种介质获取，在关键模 块上配备自动识别装置，从而实现在整个转运过程中对炮弹的信息跟踪。 自动控制系统现多采用模块化控制方式，交流电机无级调速，既能实现 高速运行，又能平衡进行停车对位，并采取一系列自检和联锁保护措施，对 机械及电器故障能进行判断、报警和向主机系统传递故障信息。 3 、监控调度和计算机管理系统 监控调度系统根据主机系统的作业命令，按照运行时间最短、作业的合 理配合等原则对作业的先后顺序进行优化组合排列，并将优化后的作业命令 发送给各控制系统，对作业进程、作业信息及运行设备进行实时监控。 计算机系统是自动化弹库的指挥中心，它指挥着弹库中各设备的运行， 处理整个弹库活动中的主要数据。对弹库所有入、出库活动进行最佳登录和 控制，并对数据进行统计分析，以便能使决策者及早发现问题并采取措施。 1 4 本论文研究的主要工作 自动化弹库接口技术的研究是在舰炮模块化设计的基础上进行的，可以 实现舰体与炮体的顺利结合。接口技术的研究是提高舰炮的作战性能、提高 舰炮的可靠性、推动舰炮更新换代和降低研制费用的重要手段和方法。本文 针对模块间的接口模块，主要进行以下几项研究工作： ( 1 ) 接e l 机构设计。参考国内及国外现有的机械手的设计情况，利用机器 人设计理论及方法，设计一种欠驱动抓弹机械手机构，以完成模块问炮弹的 交接，并在完成对一种炮弹的抓取基础上，解决弹种更换过程中的兼容性问 题。 ( 2 ) h o h m s 仿真验证。对所设计的欠驱动抓弹机械手机构进行静力学、 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 运动学分析，从理论上得出机械手央持力公式及夹持过程运动规律，并利用 a d a m s 软件对所设计的机械手机构建模、仿真，验证机构设计的可行性， 得到机械手运动过程中的相关数值，找到设计中存在的需要解决的碰撞问题 等，为进一步分析提供参考依据。 ( 3 ) 碰撞仿真分析。对碰撞问题，利用解决接触和碰撞问题的有限元理论 和方法，基于a n s y s l s d y n a 软件，建立有限元模型，并进行不同速度下 的碰撞仿真，对仿真结果进行比较分析，得出碰撞规律及动力响应特性。 ( 4 ) 优化设计。利用增加阻尼或缓冲的方法，对碰撞中应力最大或变形最 大处进行优化设计，并再次进行仿真校验，得出合理的机构；利用a d a m s 软件的参数优化设计功能，对所设计的机械手构形进行优化设计，最终得到 最优机构。 本论文各章节组织结构如图1 5 所示。 阐明本文研究的现状、内容及意义 ( 第一章) i 弋7 自动化弹库接口机构设计及理论研究 ( 第二章) 之乡 a d a m s 仿真验证并发现存在的问题 ( 第三章) 弋夕 l s d y n a 仿真接口机构碰撞问题 ( 第四章) 之多 优化设计并解决问题 ( 第五章) 图1 5 论文各章节结构框图 7， 哈尔滨一l ：稃大学硕+ 学位论文 第2 章自动化弹库接口机构设计及力学理论研究 自动化弹库的接口技术是在整体自动化弹库的研究基础上进行的，因此 先介绍一下本实验室正在研制的自动化弹库总体方案。 2 1自动化弹库模块化总体方案布局 自动化弹库模块化例设计中，要求在舰炮总体设计尺寸的要求范围内， 设计各功能模块，模块与模块之间通过自带的接口装置或设计独立的接口机 构进行顺利结合，从而形成能够快速转运炮弹并具有高战斗力的舰炮整体。 根据方案要求，本实验室在研的自动化弹库的供弹模块总体方案布局如 图2 0 l 所示，包括存储模块、转运模块、提升模块及模块间的接口模块。 模块 图2 0 l自动化弹库供弹模块总体方案布局图 炮弹的转运过程如下：炮弹从存储模块通过接口装置被输送到中间转运 模块；中间转运模块把炮弹转运到与提升模块对应的位置处停止定位，然后 8 图2 2 供弹模块组成框图 根据所设计的要求不同，存储模块可以是弹夹式、弹鼓式或弹链式等， 对炮弹进行存储；转运模块可以是弹链式、动力小车式或智能机器人等，完 成炮弹在两个模块间的转运；提升模块可以是链条式或齿轮齿条式等，完成 炮弹在两层供弹平台间的提升动作；控制模块一般是各种计算机或电子控制 设备，对炮弹的转运过程进行控制监控，完成对物体和信息的交接控制。 本文主要设计中间转运模块与提升模块间的接口模块，并对所设计的接 口模块进行分析和优化，得到合理机构。 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 2 2自动化弹库接口技术简述 本小节提出自动化弹库接口的分类及设计要求，列举几种自动化弹库接 口结构形式以说明接口技术在自动化弹库中的功能及重要性。 2 2 1自动化弹库接口的分类及要求 1 、分类 舰炮各功能模块间的接口可分为直接式接口和间接式接口两类。直接式 接口是指舰炮各功能模块本身带有的接口装置，能够直接进行连接并传递功 能。间接式接口是指舰炮两个功能模块问通过设计专用的接口模块进行连接， 这种接口模块使相连接的两个功能模块之间能够互相匹配，可以对信息和参 数进行处理。 2 、供弹系统模块的接口应满足如下要求： ( 1 ) 以最短的距离、最简捷的动作完成炮弹的转运，保证工作速度； ( 2 ) 能够实现炮弹快速、可靠地从一个模块交接到另一个模块，并能够自 动兼容不同的炮弹尺寸； ( 3 ) 接口中的炮弹数量尽量少，以减小运动部分的质量，减小惯性冲击； ( 4 ) 产生较小的冲击力，实现炮弹平稳、顺利、安全的交接。 2 2 2自动化弹库接口的结构形式及功能 接口结构在自动化弹库中具有重要作用，模块化设计的自动化弹库的各 功能模块之间，只有通过接口结构的连接，才能组成整体舰炮，形成战斗力。 本小节将简要介绍几种接口装置，说明其功能及重要性。 1 、存储模块与提升模块间接口装置一 如图2 3 所示，为某自动化弹库系统多存储模块接1 3 布局方案原理图， 图中设计同轴双臂协调转运机器人( 接口装置) 完成储存模块与提升模块间炮 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i i i i i i i i 一 弹的转运。弹库系统每个存储模块可以存储不同的炮弹，炮弹出库时通过存 储模块动力装置作用被推到接口部位，此时同轴双臂协调转运机器人的一只 手臂在接口部位抓紧炮弹，因为没有设计专门的外部接口装置，所以要求同 轴双臂协调转运机器人的手爪，在伸缩的同时能对炮弹进行夹紧定位。 出入库接口1 7 存储模块接口迂 。 x 、 、j 一 ? ， 彳x 接口 存储模块接口4 模块接d 1 模块接口2 图2 3自动化弹库系统多存储模块接口布局方案原理图 机器人双臂共同安装在一根旋转轴上，上下布置。双臂及推弹手都有独 立的驱动电机控制，因此可以同时独立地完成动作，双臂可以独立对两个接 口的炮弹进行抓取，有效地节省空间位置，减少交接时间，推弹手与抓弹手 爪设置了联运机构，抓弹手爪在推弹手联动及复位弹簧的作用下实现对炮弹 的抓紧及松开，推弹手在独立电机的控制下，将炮弹送到指定位置，完成存 储模块与提升模块间的转运功能。 2 、存储模块与提升模块间接口装置二 某自动化弹库中存储模块与提升模块间接口装置设计为智能转运机器 人，如图2 4 所示。智能转运机器人的手爪安装在机体可控移动小车上，小 车可以在导轨上移动，手爪上有联动解锁机构，机体上装有推弹手臂，当炮 弹进入手爪后，手爪在机构锁紧作用下抓紧炮弹，行走机构转运到指定位置 1 行走机构；2 电机；3 手爪；4 减速分流器；5 解锁机构； 6 推弹机构；7 机械手；8 链条；9 电磁离合器；1 0 推弹臂 图2 4 智能转运机器人原理示意图 3 、存储模块与中间转运模块间接口装置 某储存模块与中间转运模块之间炮弹的交接靠单独设计的推弹器接口模 块完成，推弹器模块如图2 5 所示。 图2 5 推弹器模块原理示意图 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 当炮弹在转弹盘的作用下转运到弹链出口处时，推弹器在凸轮连杆机构 的急动作用下，实现推出动作的快速性，将炮弹推送到中间转运智能转运机 器人的手爪中，完成存储模块与中间转运模块间炮弹的顺利交接。 以上，对自动化弹库系统的部分接口结构、布局和机构原理进行了简要 分析说明，可以发现，弹库接口的设计都必须满足炮弹在弹库内各模块之间 安全、平稳、快速交接转运的要求。因此作为自动化弹库系统关键技术之一， 对接口技术进行研究就显得尤为重要。 2 3 机械手式接口机构设计及运动学和静力学分析 由上节介绍可以知道，自动化弹库的模块化设计过程中，为了实现炮弹 在两个不同功能的模块间顺利、可靠地转运，只靠模块自身所设计的接口结 构是不够的，大多情况下要针对于不同的模块间不同的功能和结构设计一种 外部接口机构，本节将选择一种自动化程度高的机构来设计接口机构。 ( a ) 两外部电机型s a r a h 手( b ) 两内置电机型s a r a h 手 图2 6s a r a h 手爪 1 3 哈尔滨t 释大学硕十学何论文 在自动化的要求下，具有可控性强、操作性好、安全可靠性高，并且技 术已相对成熟的机械手机构川被广泛采用。加拿大m dr o b o t i c s 公司与 l a v a l 大学合作研制的两款欠驱动机器人手爪s a r a h 如图2 6 所示。 欠驱动机器人h ”手爪具有驱动少于自由度数目的特点，由于手爪具有冗 余自由度，因此在机械手爪对物体进行抓取时，在机构和预先设定的阻力扭 簧的作用下，可以实现手爪关节按照一定顺序包络式抓取，能够很好地适应 被抓取物体的形状。 由于机械手具有自动化的特点和广阔的发展前景，并且本文不但要解决 转运模块和提升模块间炮弹的交接问题，而且还要解决接口机构对弹种的兼 容性问题，所以选择并设计一种欠驱动式机械手机构，并对其基本特性进行 分析。 2 3 1 机械手式接口机构方案设计 1 、机械手技术参数 ( 1 ) 自由度 机械手在进行作业时，具有多余自由度的机械手就叫做冗余自由度机械 手( 欠驱动机械手) n 2 1 ，利用欠驱动式机械手可以增加机械手的灵活性，改善动 力性能，但是由于机构中具有多余的自由度，也增加了运动轨迹多变性的控 制难度问题，所以必须为机构设计合理的自由度，增加运动的可控性。本文 将选择具有3 个自由度的欠驱动机械手进行设计，解决多弹种兼容问题。 ( 2 ) 速度 由于驱动器输出功率的限制n 习，机械手的运动速度不可能完全按照设计 的平均速度运行，速度由零开始要达到理想的计算速度，需要一个加速的过 程，到达位置时，又需要一个减速的过程。由于机械手由静止状态加速，如 果加速度很大，虽然能满足速度的要求，但是对机械手各部件来说，都是一 个考验，很容易造成构件的破坏，如果加速度不大，势必速度提高的就比较 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i i 一 慢，在规定的时l 日j 内完不成所设计的动作；反之亦然，以平均速度运行到行 程末期进行减速时，如果加速度比较小，速度减少得就慢，物体碰撞时速度 大，对所接触的物体破坏就比较大，如果加速度大，虽然速度减少地很快， 对构件的材质要求就比较高，所以机械手的运动速度，是机械手设计的重要 参数之一。本文将采用液压驱动方式，利用其在高速范围内的无级调速功能 对速度进行有效控制。 ( 3 ) 承载能力 承载能力是指机械手在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量 1 1 4 。承载能力反应机械手的主要指标，机械手的设计目的就是对某个物件进 行抓取，抓取过程中，不只是物件的质量，包括机械手爪等自身的质量都要 考虑到承载能力里去，而且，承载能力不光要考虑质量，因为机械手在工作 范围内的任何位姿都要求对抓取物的可靠抓紧，因此在机械手抓取物体进行 转运时在各位形的位移、速度、加速度等影响因素都必须考虑进去，所以承 载能力对机械手的设计来说非常重要。本文将在机械手抓取炮弹转运的仿真 过程中对其承载能力进行校核。 2 、机械手结构设计 ( 1 ) 机构选型 在本文中，转运模块和提升模块间炮弹的转运是从一个位置运行到另一 个位置，仅作平面运动即可，所以只需要机械手完成的动作为。相对于复杂 的机械手来说，这里所要求的机械手相对简单，运动空间完全可以在单一平 面内，所以只需要选择圆柱坐标型机械手作为设计机构，初步确定结构如下 图2 7 所示嗍。 图2 7 机械手机构简图 1 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 如图2 7 所示，机械手旋转臂可以在底座上旋转运动，机械手臂可以在 旋转臂上伸出和收回运动，机械手爪在机械手臂上对炮弹进行抓取和放置。 ( 2 ) 手臂部件设计 手臂部件是机械手的主要执行部件，手臂的运动带动机械手爪作空间运 动。因为手臂关节只需要伸出和收回动作，而液压传动具有快速、稳定、无 级调速等优点，所以本设计中机械手臂设计为液压缸，动力完全靠液压缸来 传递，实现伸出和收回功能，有利于保证手臂运动的灵活性和定位的准确性。 机械手臂在工作及未工作时间内一般都需要精确定位，因此液压缸应增设限 位器、传感器和缓冲器等装置，以满足设计要求。 ( 3 ) 末端执行器设计 末端执行器即为机械手爪，针对于不同的工作要求，一般要设计不同的 手爪以满足对工件的抓取，随着机器人技术的成熟发展，已经有多种机械手 爪方案可供选择n q ，而本文要求的手爪又有其特殊性，主要要解决对不同型 号不同尺寸的炮弹的自适应抓取，炮弹为圆柱体，又要求更换弹种，一般的 夹持器虽然可以满足对炮弹的夹持，但是很难满足对尺寸的自适应，所以设 计一种欠驱动机械手爪结构n7 。，原理如图2 8 所示，其左侧为在驱动力e 作 用下机械手爪张开时和碰撞初始状态，设计的抓弹机械手爪原始设计尺寸， 与炮弹接触的三个关节的连杆长度，按照运动动能最小的原则及对炮弹包络 抓取的几何尺寸要划1 喇，指根到指尖方向杆长依次减小，分别是8 5 m m 、 7 5 m m 和6 0 m m ，其中关节2 和关节3 的四连杆机构在满足四连杆机构运动 的基本尺寸之下，本着空问最小的原则，分别设计曲柄的尺寸为3 0 m m ，摇 杆是曲柄的2 倍为6 0 m m 。 如图2 8 所示，其右侧为在驱动力e 作用下抓弹机械手对炮弹夹持状态 及所受的支反力。该抓弹机械手爪由三个活动关节组成，第二和第三关节是 四连杆机构，中间由三角板连接，第一关节为三角板结构，各关节之间为铰 接副连接，如图所示标出了6 个转角，将在下一章的特性研究中研究这6 个 转角的角位移。驱动力e 作用在滑块上，滑块沿手臂方向直线移动，与滑块 】6 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 铰接的连杆推动三个关节依次运动。该系统每侧手爪有3 个自由度，却只需 要一个驱动力，其特点是能够实现规定范围内的各种物体的形状自适应，从 而实现多弹种炮弹尺寸自适应，解决供弹系统对炮弹弹种更换的兼容性问题。 6 图2 8 欠驱动抓弹机械手原理图 按照设计的原理图，在p r 0 e 中建立欠驱动抓弹机械手结构图，如图2 9 所示，为了能够直观地了解欠驱动机械手机构，从多视角对机械手进行观察， 图中( a ) 和( b ) 为机械手结构的正面和反面的轴测图，( c ) 、( d ) 、( e ) 分别为机械 手结构的主视图、侧视图和俯视图。 该机构工作过程为：第三关节的内角点铰接在抓弹机械手手臂上，可以 绕着手臂在一定范围内转动。当手爪驱动油缸给驱动杆一个竖直向上的力时， 与驱动杆相连的连杆驱动关节3 的四连杆机构转动一定角度，进而推动与之 相连的关节2 和关节1 运动，当关节3 与炮弹接触后关节2 继续运动直到与 炮弹接触，最后关节1 也与炮弹接触，实现对炮弹的抓取和夹持。为了实现 按要求的抓取步骤，在关节与关节之间加入一定的弹簧阻尼，从而避免关节 的无序运动。 1 7 哈尔滨f ：稗大学硕十学何论文 ( b ) 反面 旷锡 il 髫髫 。燃 ( c ) 主视图( d ) 侧视图 ：舞 ( e ) 俯视图 图2 9 欠驱动抓弹机械手结构图 1 8 啦b 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 3 、驱动方式的选择 考虑到本文设计的机械手的应用环境，本欠驱动机械手采用液压源作为 驱动源。液压驱动系统以油液的压力来驱动执行机构，输出力大、驱动平稳、 速度反应快，高速实现简单，能在大范围内实现无级调速。 根据应用需要，本文选择活塞式液压缸作为机械手臂和手爪驱动杆的驱 动机构，活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，安装方式又可 以是活塞杆固定和缸筒固定，根据工作需要，选择单杆式、缸筒固定的液压 缸。单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同 的速度和输出力。液压缸差动连接时，当差动有杆腔出油又回到进油腔时， 进油量增大，使活塞杆的移动速度又加快，对于增速很有用，所以本文将 选用差动连接方式的液压缸。通过比较选型并代入上式计算可得：机械手臂 液压缸最大移动速度为0 5 m s ，手爪驱动杆液压缸最大推力为1 0 k n 。 2 3 2 机械手式接口机构运动学分析 欠驱动机械手的每个手指都是由两套四连杆机构降2 8 1 构成的，因此要分析 机械手爪的运动规律，先分析一下四连杆机构的运动规律，图2 1 0 所示为一 个四连杆机构。 y 1 凸 l u ( 、 _ 謦、i 1d 状一 a l 、_ ，一v x 图2 1 0 四连杆机构原理图 1 9 哈尔滨t 程人学硕+ 学位论文 各杆件所构成的向量封闭方程为厅+ 6 = 云+ 孑，写成分量形式为： 消去见得： 式中：4 驴一a r c t a n ( 2 1 ) ( d c c o s 0 3 一口c o s q ) 2 + ( a s i n 0 1 一c s i n 0 3 ) 2 - - b 2 ( 2 2 ) 州一洒筠蔫岩 d - - d c o s 0 1 a s i n 0 1 由式2 3 整理后可得到两杆的角速度关系： 喀一器粼反 ( a ) 关节3 接触 2 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 名o 吩驴 篡 咄包 c 吼 6 6 + 一 q b 瞄口 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 ( b ) 关节2 接触 ( c ) 关节1 接触 图2 1 1 关节接触炮弹原理图 2 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 由凹连杆机械的运动分析，我们司以得刽活动的各个杆件之例的角速度 规律，依托于此，分析一下两套四连杆组