（机械设计及理论专业论文）棉包堆垛机运动仿真及设备研究.pdf

山东理丁人学颂i 学 t 论义摘霞 摘要 棉包堆垛机是本文首次提出的一种新型的棉包堆垛与搬运设备。首先分析了当前棉 包堆垛设备存在的问题，论证了研制新型棉包堆垛设备的必要性，由此展开了对棉包堆 垛设备的深入研究。 应用串联机器人的结构理论，对直角坐标机器人结构、柱面坐标机器人结构、球面 坐标机器人结构和关节坐标机器人结构进行了深入分析，最终确定关节型机器人结构作 为棉包堆垛机的设计方案。 建立了棉包堆垛机的数学模型，应用c + + 语言和u g 绘图软件直观输出了夹具的 作业空间，并将堆垛机的理论计算作业空间与实际目标空间即棉包垛所占空间进行比较， 由此快速地确定出了棉包堆垛机的基本结构参数。 对大小臂驱动液压缸铰接点的位置进行了优化设计，使液压缸具有较小的举升力、 合理的工作行程、平稳的液压波动、紧凑的结构等。由此确定了大小臂液压缸的基本结 构参数。 本文还对棉包堆垛机的轨迹控制算法作了详细的推导，为实现系统的自动控制打下 了基础。 本文的核心部分是棉包堆垛机的运动仿真及设备研究。应用u g 建立了夹具与整机 的部件模型并装配到一起，按照给定的运动进行了虚拟仿真，输出了相关部件的位移、 速度及加速度，再现了棉包堆垛机的作业过程。在作整机运动仿真的过程中，作者提出 了一种基于u g 运动分析确定机构驱动函数的方法，并通过测量与误差分析，验证了该 仿真方法的可行性。 关键词：堆垛设备，控制算法，驱动函数，运动仿真 a b s t r a c t n e w s t o w a g ee q u i p m e n to fc o t t o nb u n d l ew a sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h ec u r r e n t p r o b l e m so fs t o w a g ee q u i p m e n to fc o t t o nb u n d l ew e r ea n a l y z e da n dn e c e s s i t yo fd e v e l o p i n g s t o w a g ee q u i p m e n to fc o t t o nb u n d l ew a sd e m o n s t r a t e d ，a n dt h e ne q u i p m e n tr e s e a r c ho nc o t t o n b u n d l ew a sc a r r i e do u t a p p l i e ds t r u c t u r a lt h e o r i e so f s e r i e sc o n n e c t e dr o b o gf o u rk i n d so f s e r i e sc o r m e c t e dr o b o t s w e r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h ej o i n tc o o r d i n a t es e r i e sc o n n e c t e dr o b o t sw e r ed e t e r m i n e da st h e d e s i g ns c h e m e t h em a t h e m a t i cm o d e l i n go fc l a m pw a sf o u n d e d ，a n dt h e nd e t e r m i n e dt h ew o r k s p a c eo f c l a m pi nt e r mo f c + + a n du g t h eb a s i cs t m e m r a lp a r a m e t e r so f s t o w a g ee q u i p m a n to f c o t t o n b u n d l ew e r ed e t e r m i n e da tt h er e s u l tf r o mw o r k s p a c eo fc l a m pc o m p a r e dw i t ht h el o o mw h i c h t h es t o w a g ew a so c c u p i e d t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n so f t h ep o s i t i o no f h y d r a u l i cc y l i n d e r so f t w oa m i sw e r ec a r r i e d o u tt om a k et h es y s t e mh a v el e s s e rl i f tf o r c e , l o g i c a lw o r kj e a n e r y , s m o o t hn u c t l i a l i o no f h y d r a u l i cp r e s sa n dc o m p a c t e ds t r u c t u r e a sar e s u l l , t h eb a s i cs t m e t u r a lp a r a n a e t e r so f h y d m u l i cc y l i n d e r sw e r ed e t e r m i n e d 1 1 1 ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i co fs t o w a g ee q u i p m e n to fc o t t o nb u n d l ew a si n f e r r e da n d e d u c e d ，w h i c hh a db u i l tt h ef o u n d a t i o no f a u t o m a t i z a t i o no f t h es y s t e m 而ec o l ep a r t so ft h i sp a p e ra 陀r e s e a r c ho nt h ee q u i p m e n ta n dk i n e m a t i cs i m u l a t i n g 乃始 p a r t sm o d e l i n go fc l a m pa n dt h ew h o l em a c h i n ew e r ef o u n d e da n da s s e m b l e d ，a n dt h e n k i n e m a t i cs i m u l a t i n gw e r ec a r r i e do u ta n dt h ee u l v e so f d i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n w e r eo u t p u t d u r i n gt h es i m u l a t i n go ft h ew h o l em a c h i n e , am e t h o do fd e t e r m i n i n gm o t i o n d r i v i n gf u n c t i o no f m e c h a n i s mb a s e do nk i n e m a t i c a la n a l y s e so f u gw a sp u tf o r w a r da n dt h e n t h ef e a s i b i l i t i e so f t h em e t h o dw e r ev a l i d a t e db yr e s u l t so f s i m u l a t i n ga n da n a l y s i so f e r r o r k c y w o r d s ：s t o w a g ee q u i p m e n t ，c o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c ，d r i v i n gf u n c t i o n , k i n e m a t i c s i m u l a t i o n l l 勘误： l 5 页倒数第九行，原文为：c + 十包含了整个c ，是c 的超集，所有在c + + 巾能编碍的程序，在c 中也能编写f 15 , 1 6 1 。更正为：c + + 包含了整个c ，是c 的超集， 所有在c 中能编写的程序，在c + + 中也能编写1 “。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：了芰、目复时间：归1 年3 月p 阳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：娃、叼媳帆伽拜；月卿 导师签名：f 乏 咕矗) 时间：如夕年j 月占只 第一章绪论 1 1 本文的研究背景及意义 1 i 1 研究的重要意义 棉花是关系国计民生的战略物资，也是仅次于粮食的第二大农作物。棉花是涉及农 业和纺织工业两大产业的商品，是全国1 亿多棉农收入的主要来源，是纺织工业的主要 原料，也是广大人民的生活必需品，棉纱及棉布还是出口创汇的重要商品。棉花还可以 用来制造轮胎等的帘线、火药以及作为医药用棉等。因此，棉花的生产、流通、加工和 消费，与人民群众的生活和广大棉农的利益息息相关，对国民经济的发展也有着重要影 响【1 1 。 2 0 0 3 年全国棉花总产量为4 9 6 万吨，到2 0 0 4 年全国棉花总产量创历史新高，达6 3 2 万吨，到2 0 0 5 年全国棉花总产量虽然有所下降，但也保持在较高的水平上，产量为5 7 0 万吨1 2 】。棉花从生长成熟到纺成棉纱要经过一个复杂的运输过程和加工过程。提高棉花 的运输效率，对于降低全过程的棉花加工成本有重要的经济意义。 l 1 2 棉包堆垛机的研制意义 棉花的加工工艺过程包括的主要工序有籽棉预处理、轧花、剥绒、下脚料清理回收、 打包等p 4 j 。皮棉不能散放，必须经打包机打成符合国家标准的棉包。国家标准皮棉包装 有三种包型：2 2 7 k g 包( 士1 0 k g ) 、2 0 0 k g 包( + l o k g ) 、8 5 k g 包( - , - s k g ) ，分别为i 型包、i i 型包、i 型包。目前我国棉包绝大部分为8 5 k g 的i i i 型包，而国外则以2 2 7 k g 的i 型包( 4 8 0 磅) 居多垆j 。入世后，为了与国际棉花市场接轨，i 型包将成为今后皮 棉包装的发展方向。就我国现阶段而言，n 型包很少使用，i 型包和i i i 型包使用较多。 虽然i i i 型包是根据人工可搬运的最大限度来设计的，但是单靠人工搬运这些棉包既不利 于运输效率的提高，又会浪费大量的人力、物力，而且搬运工人的安全也得不到保障。 因此研制一种高效的棉包堆垛机，对于减轻人的体力劳动，提高搬运效率，降低棉花的 总加工成本有重要的现实意义。 1 2 同类产品的分析 1 2 1 可替代设备的分析 随着中国叉车行业的发展，一些专用的叉车属具也大量涌现。像卡斯卡特( 厦门) 叉车属具有限公司生产的叉车属具就多达数十个系列1 6 1 ，其中通用夹具类的软包夹、平 山东理下人学硕i 。学位论文第一章绪论 抱夹、烟叶箱央和多用刚臂央均可以用来实现棉包的搬运与堆垛。目前一些棉花物流公 司也在应用其中的一些装置来代替人工堆垛。两种可代用进行棉包堆垛的设备平抱夹和 纸箱央，分别如图l l ，l 一2 所示。 图1 1 平抱夹图1 2 纸箱夹 但应用这类夹具进行棉包堆垛存在以下缺点： 1 这类夹具一般只能实现棉包的平动。 2 带旋转器的叉车属具也只能实现绕叉车行驶方向的转动。 3 作业高度比较低，一般不超过4 m ，不能满足6 8 m 的堆垛要求。 4 只能实现规则放置的棉包的搬运与堆垛。 5 无法实现棉包的准确定位。 所以这类夹具只能在特定的条件下替代人工搬运，不能作为棉包的专用堆垛设备。 另外，一些抓举设备也可以用来进行棉包的堆垛，如图l 一3 所示的金属专用抓举器和 图1 4 所示的集装箱抓举器。 图l 一3 金属专用抓举器图l 一4 集装箱专用抓举器 山东理t 人学坝i j 位论文第一章绪论 这些专用抓举设备是根据特定的抓举对象而设计出来的，如果用来装载棉包，必须 对其夹具及机架进行改造，而且这类抓举设备的成本比较高，改造费用也比较高，不适 用于棉包的堆垛。 1 2 2 简易棉包堆垛机的分析 现在市场上使用较多的棉包堆垛设备多为一种简易的起重机，如图1 5 所示。 1 行走装置 2 人臂旋转电机及卷筒3 重物提升电机及卷筒4 配重5 钢丝绳6 旋转电机 7 大臂8 ，j 、臂9 钩子1 0 支撑腿 图l 一5 简易起重机简图 这种简易的起重机多为非自走式，靠拖车或人工拖到工作地点，然后放下四个支撑 腿进行固定。支撑腿的作用有两点：( 1 ) 作业时承受整车及重物的重量：( 2 ) 可以防止 作业时车的倾翻。该装置中有3 个驱动电机，分别为驱动大臂旋转电机2 、重物提升电 机3 和驱动机架旋转的电机6 。整个装置使用钢丝绳作为传力的介质。 作业时，重物的前后运动主要由驱动大臂旋转的电机2 来控制。电机转动，牵动钢 丝绳拉动大臂绕旋转轴向前向后旋转，带动重物l ； 后移动或上下移动。重物的上下运动 主要由重物提升电机3 来控制。重物的旋转运动主要由驱动旋转的电机6 来控制。由于 重物在运动过程中为平动，3 个驱动可以使重物到达作业空间的任何一个角落，满足装 载的要求。但使用这种装置进行棉包的堆垛存在以下几个问题： 1 该简易装载机使用时需要牵引车或人工来拖动，增加了人力与物力。 2 使用钩子挂装棉包，挂钩与脱钩均不能自动完成，需要人来协助，增加了人力。 山东挫t 人学硕l j 学位论文第一章绪论 3 用钩子挂装棉包时，容易挂断捆绑棉包的铁丝，出现“炸包”现象。棉包是在 2 吨的压力下用铁丝进行捆绑的，所以当铁丝被挂断时，部分皮棉会在高压下 弹出，引起“炸包”。 4 由于钢丝绳属于柔性介质，棉包在运动过程中容易摆动，要实现棉包的准确定 位需要人柬协助，这样又增加了人力。 5 无安全保护措施。钢丝绳拉断后，重物和大臂会落下，易造成事故。 6 工作效率低。由j ：陔装置一次只能吊装一个棉包，3 5 人1 2 小时最多只能装 载1 0 0 吨的棉包。 1 3 本论文的主要研究内容 在总结前人工作的基础上，本论文针对现有棉包堆垛设备存在的问题进行了分析与 研究，开发具有自主知识产权的新型棉包堆垛机。研究内容如下： 1 应用串联机器人结构理论，确定棉包堆垛机的结构方案： 2 建立数学模型，应用c + + 编程语言和u g 绘图软件，通过理论计算作业空间 与实际作业空l - 日j 进行比较，初步确定棉包堆垛机的基本结构参数： 3 实现特定运动轨迹控制算法的研究，为系统的自动控制打下了基础： 4 驱动液压缸位冒优化与基本参数的确定； 5 棉包堆垛机设备研究与运动仿真，运用u g 的c a d 模块与运动分析模块进行 实体建模与运动仿真，为样机制造打下基础。 山东理t 人学坷! 卜芋位论文第一串堆垛方集分析 第二章堆垛方案分析 在进行机构创新设计时，一般都采用机构类型与综合的方法进行方案生成1 7 , 8 1 。应用 这种方法优点是分析全面，任何一种类型都不会遗漏；缺点是选取不同的杆件数综合出 的机构类型较多，逐一分析工作量较大。本章将采用串联机器人结构理论进行棉包堆垛 方案综合，以便快速生成棉包的堆垛方案。 2 1 串联机构结构的组成及其符号表示 众所周知，机构是由构件通过运动副连接而成的约束系统，运动副约束构件之间的 若干相对运动自由度。自由度的类型众多，但常用的基本类型主要有6 种 9 1 ，如表2 1 所示。 表2 1 常用运动副类型 运动副名称符号简图自由度 转动副 r l 虹1 卜b i 移动副 p - 仁塞卜 l 螺旋副 h l 圆柱副 c 汐 2 万向节 u 荻飞 2 球面副 s 芦 3 由于多自由度的运动副可以表示成单自由度的合成( 例如：一个圆柱副可以表示成 一个旋转副+ 一个移动副；一个力向节可以表示成两个旋转轴线相互垂直的旋转副：一 个球副可以表示成三个旋转轴线交于一点的旋转副) ，所以只考虑单自由度运动副的情 况。对于p 副( 移动副) 、r 副( 转动副) 与h 副( 螺旋副) 构成的串联机构，称之为 单开链( s o c ) 。 山东理t 人学碳i 一学位论卫 第- 二章堆垛方案分析 为此约定： 1 同一构件上两运动副轴线为任意方位配嚣，两者之问用“一”表示； 2 同一构件上两运动副轴线重合，两者之例用“”表示： 3 同一构件上两运动副轴线平行，两者之间用“”表示； 4 同一构件上两运动副轴线交于一点，两者之自j 用“n ”表示： 5 若干个p 副平行于同一平面，用“z 1 7 ( 一p p 一p 一) ”表示； 6 同一构件上两运动副轴线垂直。两者之间用“上”表示。 h 副( 螺旋副) 移动路线长、工作效率低，在本棉包堆垛机中不适用，予以排除。 多自由度的运动副可以转化为几种单自由度的p 副( 移动副) 或r 副( 转动副) 相加的形 式，所以不单独考虑，因此只考虑单自由度的情况。对于一个3 自由度的串联机器人来说 应具有3 个运动副，应用排列组合并根据上述约定可以得到四种运动副结构组成： a ) 3 个移动副，常用结构组成为：s o c 一p 上p 上p 一 ； b ) 2 个移动副和1 个转动副，常用结构组成为：s o c 一r p 上p 一，： c ) 1 个移动副和2 个转动副，常用结构组成为：s o c - - r a _ r 上p 一 ： d ) 3 个转动副，常用结构组成为：s o c 一r 上r r 一 。 棉包堆垛机实现的功能是将运输车或地面上的棉包垛成一个长宽高约为 7 6 m x 3 8 m 8 m 的梯形垛1 1 m ，或从垛上取下棉包装到运输车上。棉包堆垛实现的是一个 空蚓运动，为了描述棉包的空例运动，需要选择一个合适的空间坐标系。空间坐标系的 选择主要有四种形式：直角坐标系( 笛卡儿坐标系) 、柱面坐标系、球面坐标系和关节坐 标系。 表2 2 坐标系的选择与运动副结构组成的关系 2 2 堆垛方案分析 不管选择哪种坐标系都需要确定3 个参数。每一个参数的改变至少需要一个原动件 进行驱动。棉包在空间搬运的实施机构至少具有3 个自由度，为了降低产品的设计成本， 只考虑3 自由度的情况。具有3 自由度的、能实现棉包空间搬运的机构称之为3 自由度串联 机器人，也称3 自由度单开链机器人。选择不同的坐标参数就对应着不同的坐标机器人。 在上述四种6 蝰标系下的机器人分别为直角半标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器 皇! 圣矍：，垒：丝：! 兰些呈耋，一，。：，。，一，! ，。：，：篁；耋丝堡窑童坌丝， 人和关节型机器入。下面就分别对四种串联机器人机构进行分析，探求最适合棉包搬运 的机器人机构类型。 2 2 1 直角坐标机器人机构分析 直角坐标机器人机构中不含转动副，3 个移动副分别沿着坐标系的3 个轴线方向，运 动副常用结构组成为：s o c 一p 上p 上p 一 ，三维模型如图2 一l 所示。 图2 1 直角坐标机器人机构模型 应用直角坐标机器人机构进行棉包堆垛的特点有： 1 空间结构尺寸较大由其运动方式决定了这种机器人需要有较大的结构尺寸， 适用于作业空i 硼较小的场合和某些对运动轨迹有特殊要求( 例如，只能沿坐标 轴方向运动) 的场合。 2 结构刚度大，工作可靠，能实现搬运对象的准确定位。 3 控制简单。单杆控制可以实现沿坐标轴方向的平动，对操作人员的技术水平要 求不高。组合控制可以实现某特定的轨迹，但需要一定的控制算法。复杂轨 迹的控制也较为麻烦。 4 虽然单杆控制比较简单，但搬运对象在空自j 运动的路线较长，工作效率比较低。 直角坐标机器人机构有着控制简单的优点，但由于棉包垛排列较为紧密，留下的堆 垛作业空间有限，故棉包堆垛不宜选用此种结构。直角坐标机器人结构被排除。 7 2 2 2 柱面坐标机器人机构分析 柱面坐标机器人机构中含有2 个移动副和1 个转动副，运动副常用结构组成为： s o ( 2 一i 泖上p 一 ，两个移动副相互垂直，三维模型如图2 2 所示。 图2 2 柱面坐标机器人机构模型 1 支撑腿2 电瓶午3 支架4 配匹5 旋转驱动电机6 链驱动电机7 提升电机8 夹具 图2 3 塔吊式棉包堆垛机 s 山东删r 人学坝| j 肇位论文 第于雄埙方豢，圻 移动副可以通过钢丝绳、链条、皮带、齿条和液压缸等形式束实现。由于作业空间 的限制，皮带、齿条和液压缸三种形式暂不予考虑。如果选用钢丝绳作为传递运动的介 质，则塔吊就是柱面坐标机器人在实际应用中的典型例子。参考塔吊的结构【l “，提出了 一种自走式塔吊棉包堆垛方案，结构示意图如图2 3 所示。 通过分析，对央具在水平方向上的运动做了一些改进，应用链传动代替了塔吊原来 的钢丝绳传动，使得整个结构更简单。上平台在旋转电机5 的驱动下可绕固定在电平车上 的支架3 旋转，实现角度口的改变；利用链传动局部区域的直线位移1 实现了参数r 的改 变；铅垂方向参数z 的改变则通过连在链条上的提升电机7 加一动滑轮来实现。夹具与旋 转平台之间采用了柔性连接。 应用这种机构进行棉包堆垛，可行之处有： 1 设计成自走式，可以方便选择合适的位置进行棉包堆垛。 2 采用了链传动，低速运转平稳可靠，并且利用的链传动的局部直线位移实现了 央具的水平方向上的运动。 3 提升电机与旋转平台之间采用了滚轮结构，减小了摩擦损失，降低了链驱动的 功率。 4 利用央具与旋转平台之丑j 的柔性连接，在人工的协助下可以方便央取地面上任 意角度放置的棉包。 应用这种结构进行棉包堆垛也存在着一定的局限： 1 机架太高，超过l o m ，设备场地调转不方便。 2 夹具与动平台之问采用了柔性连接，必须在人力的协助下夹具彳能实现准确定 位，自动化程度不高。 3 柔性连接的结构不能实现棉包绕水平方向的9 0 0 旋转。 通过以上分析，该方案存在一定的局限性，予以排除。 2 2 3 球面坐标机器人机构分析 球面坐标机器人机构中含有两个旋转副和一个移动副，常用运动副结构组成为： s o c 一r 上r 上p 一 ，三维模型如图2 4 所示。 根据球面坐标机器人机构模型，在塔吊式棉包堆垛机的基础上稍加改动，便得到了 游梁式棉包堆垛机，如图2 - - 5 所示。参数r 的改变仍然利用链传动局部直线位移l 来实现； 参数口值的改变通过连在游梁7 与支架3 之臼j 的液压缸5 的伸缩来实现；参数目的改变由固 定在支架3 上的旋转驱动电# c j l 4 来实现。央具与滑块之间用固定长度的钢丝绳连接( 设计 长度为l m 左右) 。 9 图2 4 球面坐标机器人机构模型 支撑腿2 ，【乜瓶乍3 支架4 旋转驱动l 也机5 游梁液压缸6 配重7 游梁8 磁驱动电机 9 链齿轮1 0 滑块 li 夹具 图2 - - 5 游梁式棉包堆垛机 游梁式棉包堆垛机是在塔吊式棉包堆垛机基础上的改进。它不仅具有塔吊式棉包堆 垛机的优点，而且还改进了一些不足之处。例如，非工作状念时游梁可以放下，既便于 检修。又减小了整机的高度( 6 m h - ：右) 便于调转场地。但央县与游梁之l 日j 仍存在柔性 0 山东理t 人学坝| t 位论文第亭堆垛方案舒听 连接，不能实现棉包绕水平方向的9 0 0 旋转。并且作业时仍需要人工协助，自动化程度 不高。柔性连接固有的弱点，使作者不得不转向寻求刚性连接方案。该游梁式棉包堆垛 机的方案被排除。 2 2 4 关节坐标机器人机构分析 关节坐标机器人机构中不含有移动副。常用运动副结构组成为：s o c 一r 上r 瓜 一1 ，两个转动副旋转轴线相互平行，分别与另一转动副( 第一关节与机架之间的连接) 垂直，结构模型如图2 6 所示。 图2 6 关节式坐标机器人机构模型 移动副的实现除了上面提到的柔性结构包括钢丝绳、链条、皮带外，还有刚性结构， 例如齿条和液压缸等。柔性结构在本设计中存在着一定的局限性，它不能实现棉包绕水 平方向的9 0 0 旋转，故柔性连接方案不予采用。刚性结构的移动副只适用于作业空问较 小的场合，像6 8 m 高的棉包达到作业就不适合采用含有刚性移动副的结构。所以棉包 堆垛机的设计应该排除含有移动副的情况。关节坐标机器人恰好不含移动副，可以实现 央具与机架的刚性连接。参数0 的改变可通过减速电机或液压马达来实现；参数口和参 数的改变可通过电机、液压马达或液压缸来实现。 关节式坐标机器人机构在串联机器人领域中得到了广泛的应用，例如搬运机器人、 焊接机器人、喷漆机器人【l3 1 等都属于关节式机器人。关节式棉包堆垛机的结构示意图如 2 7 所示。 山东理t 人学硕l 学位论空= 第二章堆垛方案分析 1 ，支撑腿2 电瓶车3 配重4 小臂5 小臂液压缸6 大臂7 大臂液压缸8 锁紧装置 9 夹具1 0 同转轴承 图2 7 关节式棉包堆垛机 应用这种机构进行棉包堆垛具有以下优点： 1 结构简单，只需一个旋转台、两个杆件和一个夹具再加上合适的驱动元件就可 以实现棉包的堆垛。 2 该装置中不含柔性结构，能够实现棉包的准确定位。 3 在棉包搬运时锁紧装置8 不起作用，夹具在自身重力的作用下保持平动。 4 在实现棉包绕水平方向9 0 。旋转的过程中，锁紧装置8 将夹具锁紧，确保棉包准 确翻转。 5 该装置中不含柔性结构，央具不需人工协助便可以准确夹取棉包，便于实现自 动化。 6 不作业时两杆可以放低，便于检修。 7 设计成可移动式，整车高度较低，便于场地问的调转。 8 选择合适的控制算法可实现央具的水平运动与垂直运动，便于操作人员控制。 通过以上分析，将选择关节型机器人作为棉包堆垛机最终的设计方案。 2 3 本章小结 在本章中，作者提出了一种确定机构类型方案的分析方法，应用串联机器人结构理 2 山东理丁j 、学嘶! i 学他论殳第一亭堆垛，j 巢分圻 论，对3 自由度的串联机器人进行分析，选取不同的运动副，排列组合得到4 种机器人 机构方案。分别对每种机器人机构方案的优缺点进行了详细的分析研究，最终确定关节 式机器人机构作为棉包堆垛机的设计方案。 第三章棉包堆垛机基本结构参数的确定 确定了棉包堆垛机的设计方案后，接下来的工作就是确定关节式棉包堆垛机的基本 结构参数，其中包括大小臂的长度、大臂与水平方向的央角范围及大小臂之间的夹角范 嗣等。 本章作者将通过将棉包堆垛机理论计算作业空间与实际棉包垛所占空间进行比较， 快速地确定这些参数。工作流程如图3 1 所示。 丌始 输入初始参数 c + + 编程 输出央具的位置点 制成d a t 文件 导入u g 输出央具 作业扫描空问 3 1 堆垛机数学模型的建立 调整参数 与实际棉包空 间进行比较 保存参数 图3 1 工作流程图 结束 不满意 以水平方向为x 轴，铅垂方向为y 轴，建立如图3 2 所示的坐标系。设堆垛机大 臂的长度为a ，小臂的长度为b ，大臂与水平方向的央角为口，大臂与小臂之间的央角为 ，夹具的坐标为( x ，y ) ，可得到下列关系式： x = a c o s ( o r ) + b c o s ( 盘 + - - 1 8 0 。) ( 3 - - 1 ) y = a s i n ( a ) + b s i n ( a + 一1 8 0 。) ( 3 - - 2 ) 4 x 1 1 堆垛机大臂2 堆垛机小臂 图3 2 堆垛机的数学模型 3 2 利用c + + 编程输出夹具位置点 3 2 1c + + 简介 c + + 是在c 语言的基础上产生的。1 9 7 9 年，a j r i n gs t r o u s t r u p 在位于新泽西州的贝 尔实验室中发明了c + + 。他最初将这种新的语言命名为“带类的c 语言”。1 9 8 3 年，这 种语言的名字被更改为c + + 。c + + 是世界上功能最强大的计算机语言，c + + 是通往 现代面向对象程序设计的途径。对于开发高性能的软件，c + + 是一种卓越的程序设计 语言，同时，在全世界范围内，它也是程序员的首选语言。c + + 不仅是一种流行的程 序设计语言，它还为其他几种程序设计语言及许多现代计算机思想提供了理论基础。c # 和j a v a 这两种重要的语言都来源于c + + 。c + + 的语法、风格以及设计思想在很多方 面都影响着现代程序设计。c + + 包含了整个c ，是c 的超集，所有在c + + 中能编写的 程序，在c 中也能编写i l s f6 i 。 3 2 2 利用c + + 编程输出夹具位置点坐标 根据建好的数学模型( 3 - - 1 ) 式和( 3 2 ) 式，在v c + + 中编程，输出央具的位 置点。首先新建一个工程文件，再建一个c + + 文件，起名为“c l a m p ”，则生成一个 “c l a m p c p p ”文件。编程如下： # i n c l u d e # i n c l u d e # d e f i n e p i 3 1 4 1 6 i n t 丑b ： d o u b l ex ，、，z = = 0 ； i m m , n , p q ； d o u b l ca b ： c o u t a ； c o u t b ； c o u t r r l n ： e o u t p q ； 大臂的长度a - ? 、1 1 ”： 小臂的长度b = ? f l ”： 大臂的角度范围：( m m ) i l ”； 小臂的角度范围：( p ，q ) r i ”； f o r ( a = m + p i 1 8 0 ；a - - - n + p i 1 8 0 ；a = a + o 1 1 f o r ( b = p + p f f l 8 0 ；b = q + p i ，1 8 0 ；b = b + 0 1 1 x = a 4 c o s ( a ) + b + c o s ( a + b - p i ) ； y = a + s i n ( a ) + b + s i n ( a + b - p i ) ； c o u k ( x ( y q ( c x n ； ) ) 在此程序中，大小臂的长度值及角度变化范围都需要输入，这样便于调整堆垛机的 结构参数而不必每次都要修改程序。角度分别以步长0 1 0 递增，循环输出央具的位置点 坐标( x ，y ，z ) 。 3 2 3 程序的输入与输出 在实际应用中，口和口角度的变化由连在大臂与旋转台之间及大臂与小臂之帕j 的液 压缸来控制，因此这两个值的范围在理论上满足：0 口 1 8 0 。，0 1 8 0 。，而在实 际应用要小于这个范围。为了不使液压缸的伸长量过大，或使液压缸因角度太大或太小 而受力过大，一般取：3 0 。 1 7 1 1 5 0 。，3 0 。 1 w o ( 1 0 6 0 ) 所以 的这种线性逼近不满足要求。 根据图5 3 所示小臂液压缸的长度与转角口的函数曲线的形状，选择三次多项式 进行逼近。逼近多项式为：百= a 3 f 1 3 + 口：2 - i - a 。p + a o ，三次逼近多项式需要知道四个 点的坐标值，选取表5 2 所示的4 个值进行计算。4 个点分别为两端点、中点及相对误 差最大值点。 表5 2 选取的四个位置点 应用牛顿插法进行多项式逼近。 表5 - - 3 牛顿均差表 所以百= 1 2 3 + 0 0 0 8 6 1 0 5 ( , 8 3 5 ) + 0 o o o 0 0 5 2 ( p 一3 5 ) ( p 一8 2 5 ) 一 0 0 0 0 0 0 0 4 ( f l - 3 5 ) ( f l - 8 2 5 ) ( 一1 0 6 ) 即：i = - 4 x l o - 7 卢3 + 9 4 6 0 0 x 1 0 - ，卢2 + o 0 0 1 9 声+ 1 0 6 6 1 应用m a t l a b 编程如下： b e t a = 3 5 ：0 5 ：1 3 0 ； l l = s q r t ( 3 0 8 4 1 4 1 8 1 1 7 5 + c o s ( ( b e t a - 5 1 8 8 ) + p f l 8 0 ) ) ； b 1 3 = - 4 + 1 0 - x ( - 7 ) + b 战a 3 + 9 4 6 + 1 0 a ( - 5 ) b e t a 2 + 0 0 0 1 9 + b e t a + 1 0 6 6 1 ； p l o t ( b e t a , 1 1 ，b - ) 鲥d o n ； b o l d o n ； p l o t ( b e t a ，b 1 3 , r ) 绘制出如图5 - - 6 所示的逼近曲线。 c l f p l o t ( b e t a , a b s ( 1 1 - h i 3 ) , b - 啪绘制出如图5 - - 7 所示的绝对误差限曲线。 三次逼近函数曲线 2 1 2 1 9 名1 8 趟1 7 业 餐1 6 藿” 可1 4 1 3 柏7 0 9 01 0 01 1 01 2 01 3 0 小臂转角b ( 。) 图5 - 6f 的三次多项式逼近 3 5 通过图5 - - 6 可以看出，三次多项式逼近曲线几乎跟精确曲线重合，说明三次多项式 已经非常接近精确曲线。 令m 删( a b s ( 1 i b i l ) ) ，可求出m a ) 【( 1 ，。一百| ) 的最大值：0 0 0 5 9 ，如图5 - - 7 所示。 换。 e v 瑙 必 盆 耳 出 疑 鲤 图5 - - 7 三次多项式逼近的绝对误差限曲线 此时对应的b e t a 值为5 2 。，则三次多项式逼近的最大相对误差为： ：0 一0 0 5 9 0 0 0 4 3 q l 2 ，3 , 4 567 ，8 9 】； v l = 【o ，1 7 0 6 4 ，4 0 9 3 7 ，6 5 6 6 4 ，8 6 8 4 5 ，9 7 3 5 0 ，9 1 1 6 8 ，6 4 8 2 2 ，1 7 7 5 8 ： v 2 = 【0 ，3 7 3 0 2 ，7 5 6 4 4 ，9 5 5 2 5 ，1 0 0 0 5 ，9 3 3 7 5 ，7 7 1 9 9 ，5 1 0 6 1 ，1 3 5 7 3 1 ； p l = p o l y f i t ( t ，v l ，8 ) p 2 = p 0 1 y f i t ( t , v 2 ，8 ) 回车后便求出： p 1 2 0 0 0 0 3 ，- 0 0 t 2 8 ，o 2 3 2 2 ，- 2 2 9 5 4 ，1 3 3 5 5 1 ，- 4 7 1 5 7 4 ，1 0 0 6 2 9 4 ，一9 6 9 6 9 3 ，3 2 2 1 8 0 ； p 2 = o 0 0 0 3 ，- 0 0 1 3 0 ，0 2 5 8 2 ，- 2 8 9 5 4 ，1 9 8 9 3 4 ，一8 4 ，4 6 6 9 ，2 0 4 5 3 7 1 - 2 0 8 3 7 5 7 ，7 1 0 6 2 0 1 ； 因此便得出了系统还原后的施加到大小臂液压缸上的驱动函数： a ( t ) 气s t e p ( t i m e ，l ，o , 1 0 0 1 ，l 卜s t e p ( t i m e ，9 ，0 ，9 0 0 1 ，- 1 ) ) 4 p o l y ( t i m e ，1 ，3 2 2 1 8 0 ， - 9 6 9 6 9 3 ，1 0 0 6 2 9 4 0 7 1 5 7 4 ，1 3 3 5 5 1 , - 2 2 9 5 4 ，0 2 3 2 2 _ 0 。0 1 2 8 ，0 0 0 0 3 ) ： ( ，) = ( s t e p ( t i m e ，l ，0 ，1 0 0 1 ，i ) + s t e p ( t i m e ，9 ，0 ，9 0 0 1 ，1 ) ) + p o l y ( t i m e ，1 ，7 1 0 6 2 0 ， - 2 0 8 3 7 5 7 ，2 0 4 5 3 7 1 ，- 8 4 4 6 6 9 ，1 9 8 9 3 4 ，一2 8 9 5 4 ，o 2 5 8 2 ，一o o l3 0 ，o 0 0 0 3 ) ； 将系统还原，大小臂的液压缸作为原动件，央具作为从动件。在夹具与小臂的连接处 做一标记点a 0 0 1 。此标记点的位移和速度既是夹具的位移和速度。分别在运动副j 0 4 0 和 j 0 7 0 上面( 即大小臂液压缸) 施加速度驱动函数z ( r ) 和五( f ) ，或直接使用上砸生成的 a f u 图表文件进行驱动。例如小臂液压缸选择x i a o b i d i s p l a c e m e n t a f u 图标文件进行位移 驱动，大臂液压缸选择d a b i _ v e l o e i t y a f u 图标文件进行速度驱动。测得夹具的水平位移曲 线、垂直位移曲线( 单位：m m ) 如图6 2 0 所示。 5 5 当圣矍三叁兰堡! ：圣堡篁塞，。：!。，篓奎耋堡堡堡垒丝兰重! 竖：! 垄塑堡塞 夹具的位移曲线 9 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 仿真步数 图6 2 0 夹具的位移曲线 测得夹具的速度( 单位：n u n s ) 、加速度曲线( m m s 2 ) 如图6 2 1 所示。 夹具的速度、加速度曲线 8 0 0 o o o 7 0 0 o o o 6 0 0 o o o 5 0 0 o o o 4 0 0 o o o 3 0 0 o o o 2 0