（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机的智能拆除机器人工作装置设计与研究.pdf

摘要 智能拆除机器人是一种应用广、功能多、结构较为复杂的建设施工机械。随着智能 拆除机市场竞争的不断加剧，其产品的开发效率及其可靠性日益成为最具挑战性的因 素。由于新产品开发周期长、成本高、设计手段落后等原因导致我国传统工程机械行业 缺乏市场竞争力，而日趋成熟的虚拟样机技术为新产品的快速开发，有效提高我国工程 机械类产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。本文将虚拟样机技术引入到 智能拆除机器人的开发设计过程中，并主要做了以下几方面研究： 1 介绍了虚拟样机技术的基本理论，综述了智能拆除机器人在国内外的研究现状和 发展趋势，论述了将虚拟样机技术应用于智能拆除机器人设计的必要性。 2 在分析了智能拆除机器人整机系统组成以及工作装置的设计要求与方法的基础 上，依据虚拟样机技术的基本理论，利用c a t i a 软件对工作装置进行了三维设计。 3 探讨了c a t i a 软件与a d a m s 软件之间的数据传输途径以及应用a d a m s 软件 建立智能拆除机器人工作装置运动学与动力学仿真模型的方法。通过对智能拆除机器人 各工况运动特性分析，建立了特定工况下的运动学和动力学模型，并进行了仿真分析。 本文的研究工作为智能拆除机器人工作装置的设计和研究提供了一种有效的方法。 所得结论对智能拆除机器人物理样机的试制和性能评估具有重要意义，对其它复杂机械 设备的虚拟样机的建立和仿真分析具有一定参考价值。 关键词：虚拟样机，智能拆除机器人，工作装置，仿真分析 a b s t r a c t i n t e l l i g e n td e m o l i t i o nr o b o ti s aw i d e l yu s e d ，v e r s a t i l e ，c o m p l e xs t r u c t u r eo ft h e c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w i t ht h eg r o w i n gc o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t , i ti s i n c r e a s i n g l y b e c o m i n gt h em o s tc h a l l e n g i n gf a c t o ri nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ts p e e da n dr e l i a b i l i t y b e c a u s eo fb a c k w a r d n e s sd e s i g nm e t h o d so fn e wp r o d u c t s ，c h i n e s et r a d i t i o n a lc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yi n d u s t r yi sl a c ko fm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s g r a d u a l l ym a t u r ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yt or e a l i z et h ep r o d u c tf a s td e v e l o p m e n t ，e n h a n c e dt h ed e s i g nl e v e la n dt h em a r k e t c o m p e t i t v e n e s so fo u rc o u n t r yc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c th a sp r o v i d e dt h ep o w e r f u l m e t h o d t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi n t od e m o l i t i o nr o b o td e s i g n a n dd e v e l o p m e n ta r e a ，m a i n l ya s p e c t sa r es t u d i e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , i n t r o d u c e dv i r t u a lp r o t o y p et e c h n o l o g y sb a s i ct h e o r y , r e c a l l e dt h ev i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g ya n dd e m o l i t i o nr o b o ti nt h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d s a n dw i l lb ed i s c u s s e dt h a ti ti sn e e do f u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no ft h e d e m o l i t i o nr o b o t s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fv i r t u a lp r o t o t y p e ，p r o c e e d e dt od e s i g na n d s i m u l a t i o na b o u td e m o l i t i o nr o b o tb a s e do nc a t i as o f t w a r ei nt h ea n a l y s i so ft h ed e m o l i t i o n r o b o ta l lc o m p o n e n t sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dm e t h o d so f e q u i p m e n t t h i r d l y , d i s c u s s e dt h ed a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e l sb e t w e e nc a t i aa n da d a m ss o f t w a r e ， w o r k e do u tt h em e t h o dt oe s t a b l i s hk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e l u s i n g a d a m ss o f t w a r e ，e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c sm o d e li ns y m m e t r i c a ll o a dc o n d i t i o n sb a s e do n a n a l y s i so ft h ed e m o l i t i o nr o b o to p e r a t i o n si nt h ec o m p o u n da c t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， a n dp r o c e s s e dt os i m u l a t i o na n a l y s i s t h ep a p e rg i v e sam e t h o dt od e s i g na n ds t u d yt h ed e m o l i t i o nr o b o t w o r k i n ge q u i p m e n t ， t h ec o n c l u s i o nf r o mt h ep a p e rh a si m p o r t a n ti n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c et ot r i a l p r o d u c ea n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fd e m o l i t i o nr o b o tp r o t o t y p e i ta l s oh a sr e f e r e n c ev a l u ef o ro t h e r c o m p l i c a t e dm a c h i n ee q u i p m e n t si nk i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o na b o u tt h e v i r t u a lp r o t o t y p e k e yw o r d ：v i r t u a lp r o t o t y p e ，i n t e l l i g e n td e m o l i t i o nr o b o t ，e q u i p m e n t ，s i m u l a t i o na n a l y s 长安大学硕士学位论文 1 1 虚拟样机技术概述 第一章绪论 1 1 1 虚拟样机的基本概念 虚拟样机( 简称v p ) 技术又可以称为虚拟模型技术。虚拟技术应当属于计算机辅助 工程的一个分支。 以往设计研发人员要设计一种新的产品，一般都是先对市场的情况进行调研和分 析，之后再讨论和制定出设计方案，再由生产企业加工出物理试验样机，并对物理样机 进行一系列的测试，得到一些可为下一个物理样机的制造提供参考的有用数据，经过好 多次的制造样机，测试样机，再制造样机，再测试样机，最终才可能得到性能和各项指 标都较满意的定型样机。这种方法不但浪费资源还使新机型的推出需要很长的周期，大 大消弱了企业的市场竞争了。将虚拟样机技术引入到研发、设计过程中，就能避免传统 设计中存在的问题【甜。 1 1 2 虚拟样机技术的特点 在过去一种新产品的开发与设计过程：首先是确定出设计的方案，接着是在实验室 里进行试验样机的试制与可行性论证，再是在生产厂家进行物理样机的制造，最后等最 终机型的各项指标都达到要求后，进行产品的批量生产。这种传统的研发、设计模式存 在着很多的缺点，如浪费大量的人力和物力，开发的周期较长不利于企业的发展，而且 往往在对物理样机进行性能试验时不能达到预期的要求，使产品的质量很难得到很大的 提高。但如果采用虚拟样机技术进行研发、设计就能很大程度上消除传统设计中的不足 和缺点，虚拟样机设计方法的特点可归纳为一下几个方面【5 】： 为新产品的研发提供了崭新模式。利用虚拟样机技术进行产品的开发、设计中不需 要对要开发设计的产品制造出它的实际物理样机模型，在产品的设计方案确定的初期就 能通过所建立的虚拟样机模型，利用虚拟环境就可以很好的模仿真实工作的环境进行方 便又快捷的分析和对比所有的设计方案，从中选出最优的设计方案，并能准确找出影响 产品性能的参数，对其进行分析和优化改进，直到使产品达到最优的工作性能。 基于虚拟样机技术的产品开发设计的一个很大的优越性就是它节约了研发设计费 用，降低了成本，同时能大大的缩减研发设计的周期，很大程度上提高所研发产品的质 第一章绪论 量和性能。虚拟样机设计技术不用制造实际的物理样机，研发设计人员借助虚拟样机技 术，在计算机上建立设计产品的三维虚拟模型并处理存在的问题和缺点，同时在虚拟的 环境下就能对设计的机构进行运动和动力特性的分析，进而通过优化和改进进一步完善 产品的设计方案。 以往传统的研发设计模式中存在着各个研发设计单位间的信息不能完全共享、缺乏 能快捷交流、协作的平台等不足。可利用虚拟设计技术进行产品的设计，就可以通过 i n t e m e t & i n t r a n e t 临时缔结的一种虚拟环境中的虚拟企业，这样就可以使单个企业的资源 必能充分的得到应用。 1 1 3 虚拟样机技术的发展及应用现状 虚拟样机技术作为一项新的产业技术也有4 0 多年了，在其产生之前，机械系统的 运动学和动力学的理论已经基本建立起来，当时的数学方法也得到了前所未有的发展， 并已被系统的提了出来。在市场的驱动下，虚拟样机技术己被变成了一项新的、相对独 立的技术，从而改变了传统设计的模式，对传统的制造产业带来了生机、并对其产生了 深远的影响。 虚拟样机技术在一些较发达国家己经广泛地应用，应用领域从航天航空业、汽车制 造业、工程机械、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学等诸多方面。 由于我国目前还是发展中国家，经济发展相对发达国家还很落后，各项技术与发达 国家还存有很大的差距，在加上发达国家对我国的技术输入的封锁政策等等因素，导致 我国对虚拟样机技术的应用还只是限制在某几个产业中( 如一些国家的重点发展产业如 航天、航空、船舶等) 。但随着我国经济的不断发展，改革开放的进一步深入，各国之 间的协作进一步加强，虚拟样机技术会引入到我国的许多产业，为我国的经济发展服务， 为我国整个工业的进步做出贡献。 1 2 智能拆除机器人的发展动态及关键技术 1 2 1 智能拆除机器人的概况 智能拆除机器人是一种主要适用于建筑拆除、抢险救援、水泥、冶金、核能等行业 的智能机器人，具有无线有线遥控操作、安全可靠、工作效率高、经济实用、使用灵 活等特点。它涉及到机械设计与制造、电子电工技术、计算机原理、网络程序设计、传 感器、自动控制、数字信号处理、优化设计、人工智能、机器人学等多种技术【7 1 。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 国内外现状 拆除机器人自二十世纪七十年代问世以来，发展迅速，应用范围不断扩大。目前在 国外，拆除机器人已经形成了一个新兴的高新技术产业，正在朝着系列化、多功能化方 向发展。目前，国外进行研制和生产拆除机器人的企业和厂家中，最主要的有布鲁克、 托普泰克、f i n m a c 公司等几家。其中瑞典布鲁克公司是这些企业中最早进行多功能拆 除机器人研发、生产的企业，目前，在市面上提供的多功能拆除机器人中其占有很大的 份额。其产品如图1 1 所示。 图1 1b r o k k 公司系列遥控电液式拆除机器人 我国白上世纪末才开始引入拆除机器人产品，因为其大大改善了作业环境和提高了 作业效率，所以立即引起了我国建筑拆除方式的变革。当前，随着计算机技术、控制技 术的突飞猛进，国内在机器人技术的研究领域已取得令人瞩目的成就，在某些方面甚至 达到世界领先的水平，由于一些客观的原因，我国在拆除机器人研究方面却远远落后于 发达国家。 近年来，国内企业在引进国外拆除机器人产品的同时引进其先进的技术，根据我国 工程机械行业目前的实际状况，研发、制造出了具有自主知识产权的国产多功能遥控拆 除机器人，打破了国外企业在这一领域的垄断现状，填补了我国在拆除机器人研发生产 方面的空白。如惊天液压公司生产的g t c 系列多功能遥控拆除机器人，宣化鼎信矿冶 机械有限责任公司生产的d x c c 系列多功能拆除机器人，如图1 2 所示。 该两种拆除机器人均采用了遥控摄像机进行远程监控技术，对被拆除体进行远程监 3 第一章绪论 控，无线遥控操作，特别适合在建筑拆除、抢险救援、水泥、冶金、核能等行业中使用。 它采用小型履带行走系统，具有三段悬臂式工作装置，具有较为小巧的体积，采用新的 材料使其具有较轻的质量，拆除破碎作业效率较高，可选用有线无线两种遥控的方式 等优点。 图1 2 宣化鼎信公司和惊天公司生产的拆除机器人 为了弥补国内空白，缩小同世界发达国家的差距，振兴民族机器人产业，我们必须 瞄准国际先进水平，围绕国内外市场，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发 挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国的拆除机器人产品做大做强【引。 1 2 3 智能拆除机器人的关键技术 作为一种远程操控的大功率作业机器人，破碎拆除机器人具有独特的技术特征，它 集机、电、液、信技术于一体，是机器人技术与工程技术领域的技术集成，其关键技术 主要有以下三个方面【1 1 1 3 l ：拆除作业能力，运动能力，通信能力。 1 破碎拆除作业能力 智能拆除机器人的作业能力是拆除机器人的综合考虑指标。首先，智能拆除机器人 要方便于操作人员的使用，其本身应具有一定的作业功能。可操作方面，由于拆除机器 人的各异性，执行不同的作业，拆除机器人本身必须可控和便于操作控制。 目前的研究主要集中在拆除机构液压配流系统的机理和液压系统柔顺化控制两方 面，采用机器人柔顺控制方法并利用高性能液压元件，使用电一液伺服控制系统，研究 具有智能和柔性拆除能力的拆除机构，使之能够根据不同的工作对象，来自我调节。( 如 破碎锤自动调节冲击能和冲击频率) ，最大限度地提高拆除工作效率的同时，保证拆除 机器人的稳定性、安全性。 4 长安大学硕士学位论文 2 运动能力 由于拆除作业环境的特殊性，工作对象的不确定性，所以对智能拆除机器人的运动 能力要求较高，拆除机器人移动平台十分重要。如在废墟、坎坷和狭小的空间，这就要 求拆除机器人的物理结构必须要小，但又要必须能越过位于其行进路径上的障碍物，可 在这种情况下它的重心又不能过高，因为翻越障碍物时不能失去牵引力；另一方面，由 于拆除机器人作业过程中不可避免地要不断地翻越各种障碍物，这时平台的稳定性和自 调整能力就显得尤为重要，不仅要保证作业能顺利进行，还要尽可能避免由从高处坠下 而将机器人摔碎。 此外，拆除作业环境多存在松软的灰土地面、泥泞路面及坎坷不平的废墟地面等多 种地面地形，拆除机器人就必须具有高度的地面适应性能，在轮式、履带式等移动机构 当中，履带、轮复合的复合移动机构将被广泛采用。 3 通信控制能力 智能拆除机器人的通信主要考虑两个方面：操作人员与拆除机器人之间的通信；机 群作业时多机种机器人之间的通信。各个通信常采用无线的方式。操作人员和拆除机器 人之间的通信主要包括操作人员对拆除机器人的控制和机器人采集信息的有效传输，主 要考虑控制指令的准确性和信号处理的完备性两个方面的因素。 操作人员和拆除机器人之间的通信主要为图像的传递，通过拆除机器人传输的现场 图像，操作人员根据工况，可以控制拆除机器人进一步的作业。存在不足之处往往拆除 现场是在野外、地下等环境，这时就要求通信设备必须具备很好的抗干扰能力。 1 2 4 拆除机器人的发展趋势 1 拆除机器人的研究趋势9 1 在过去国内外的拆除机器人研究机构和制造企业研究方向和目标主要在这三方面： 尽可能提高其发动机的效率、采用新型元件来代替原机械元件实现的功能来达到节约能 源的目的；采用先进的作业工具( 如大功率的破碎锤等) 来使工作装置在作业中获得较 大力矩；拆除机器人的作业工况一般都比较复杂，所以保证其具有好的安全性能就显得 尤为重要。随着经济建设领域的进一步深入和整个社会的进步，对拆除机器人要求已有 了新的标准( 如更加智能化、人性化和异样化) 。 2 机、电、液、信一体化 目前的智能拆除机器人产品可以说是集机、电、液、信于一体的集合体，随着市场 5 第一章绪论 对产品的要求越来越高，智能拆除机器人的发展无凝将朝着更加智能化、更加人性化的 方向发展，这样也就使智能拆除机器人的整机系统更加的复杂，将对计算机技术、控制 技术、液压技术的联合应用提升到一个更高的程度。 3 技术上的不断创新 人无干日好，花无百日红，任何东西都不是一成不变的，对于一个产品来说，也是 一样的道理，产品要具有稳定的市场需求，就得不断的发展与创新，也只有这样产品才 能在变化不定的市场中占有一席之地，才可以不被淘汰。那么对于智能拆除机器人为了 赶上现代化建设中施工作业的要求，自身就需要不断的进行创新来适应市场的需求，如 在工作装置的设计中采用三段式悬臂的设计和液压驱动的伸缩臂的设计就能很好满足 不同的使用客户，在行走系统的设计中采用履带式、轮胎式行走系统或履带式和轮胎式 相结合的移动系统等等，目前研发能够进行深水作业的拆除机器人已成为智能拆除机器 人发展的一个方向。 1 3 本文的主要内容及研究方法 本文将虚拟样机技术引到智能拆除机器人工作装置的前期开发设计中，验证基于虚 拟样机的开发设计不但是可行的而且其具有传统设计模式所无法相比的优越性。本课题 以g t 液压公司生产的多功能拆除机器人工作装置机构为参考，分析工作装置的设计要 求及其几何参数的设定，并在此基础上建立工作装置的虚拟样机模型，对拆除机器人工 作装置进行运动学、动力学仿真分析。 1 概述虚拟样机技术的基本概念、具有的特点及其发展的现状和目前在工程领域的 应用情况；分析智能拆除机器人的发展动态及关键技术。 2 在工况分析的基础上，对智能拆除机器人工作装置的设计要求进行归纳总结，使 之形成一套描述设计要求的规范。 3 分析计算智能拆除机器人工作装置的运动参数、几何参数，并在此基础上利用 c a t i a 软件绘制智能拆除机器人工作装置的三维实体模型。 4 阐述多体动力学仿真软件a d a m s 建模仿真的基本流程，并基于a d a m s 对智能 拆除机器人工作装置进行运动学、动力学仿真分析。 6 长安大学硕士学位论文 第二章智能拆除机器人工作装置的设计要求 智能拆除机器人整机系统中最主要的就是工作装置，工作装置是智能拆除机器人进 行施工作业的具体执行机构是直接决定工作性能的施工工具。不同的作业环境，不同的 施工目的，应该选用不同的施工工具，也就是说智能拆除机器人的施工工具分为许多种， 其中最主要的有液压破碎锤装置、液压破碎钳装置、夹斗装置、液压剪装置等【1 0 1 。液压 破碎锤装置是智能拆除机器人的主要工作装置，也是施工中运用最广泛的工作装置。本 文主要以具有破碎锤的智能拆除机器人工作装置作为虚拟样机技术实现的研究对象，参 考型机是g t c - 4 5 型多功能拆除机器人，如图2 1 所示。 - ：奠- ，ji 一 。一， i| 。 。 | - ，主、 。j ，：董，? i 暑擎蕊奠? ：i i i j i li；| 。：| j j | i 。一一1 1 謦? ：i 孥1i 。2 。_ ；董j 。 一一。j 。、 图2 1g t c 4 5 型多功能拆除机器人 2 1 工作装置的结构及工况分析 2 1 1 智能拆除机器人的组成 图2 2 拆除机器人结构图 1 拆除工具2 遥控摄像、远程监视系统3 工作机构4 液压支腿5 强制冷却系统6 行走机构7 回转 机构8 照明系统9 机架l o 液压系统1 1 动力系统1 2 电气控制系统1 3 无线遥控系统a 三臂 b 转锤油缸c 二臂d 三臂油缸e 二臂油缸f 大臂g 大臂油缸 7 第二章智能拆除机器人工作装置的设计要求 智能拆除机器人由下列基本组成部分构成p 1 ：工作装置、回转机构、动力装置、传 动机构、行走装置和辅助设备等。常用的全回转式( 转角大于3 6 0 度) 智能拆除机器人， 其动力装置、传动机构、回转机构等都可装在回转的平台上，简称为上部转台。因而常 又把这类机械概括成由工作装置、上部转台和行走装置这三大部分组成。 本文所研究的智能拆除机器人的工作装置为悬臂三段式连杆机构，其中各部件( 大 臂、二臂、三臂及施工工具) 的运动都是通过液压缸的驱动( 伸缩) 来实现。其工作装 置的组成主要由大臂、大臂液压缸、二臂、二臂液压缸、三臂、三臂液压缸、液压破碎 锤、转锤液压缸、摇杆、连杆和销轴等部件组成( 如上图2 2 所示) 。主要的运动功能包 括以下几个动作：大臂、二臂的升降、三臂的收放、转台的回转、整机的行走以及其它 的辅助动作，如图2 3 所示。 智能拆除机器人的一般作业流程： ( 1 ) 整机移动到合适的作业位置； ( 2 ) 转台回转，使工作装置处于破 碎拆除位置； ( 3 ) 调整大臂、二臂、三臂位置， 使液压破碎锤至破碎作业面； ( 4 ) 进行拆除破碎作业； ( 5 ) 调整大臂、二臂、三臂位置， 使液压破碎锤离开破碎作业面；图2 3 拆除机器人工作装置运动动作 ( 6 ) 回转工作装置至新的工作位置。1 转台回转2 大臂升降3 二臂升降4 三臂收放 5 液压破碎锤转动6 整机行走 智能拆除机器人进行破碎作业时，首先是将智能拆除机器人整机移动到作业区域， 然后放下四个液压支腿，接着启动控制回转机构的液压马达，使上部回转平台进行转动， 从而带动整个工作装置转到需要进行破碎作业的工作点，此刻通过操作系统操纵大臂、 二臂及三臂的各个液压缸，一般是固定大臂到某一确定的位置之后，再操作二臂和三臂 液压缸使二臂、三臂联合动作下降到使液压破碎锤刚刚好接触到需要进行破碎拆除的作 业面，紧接着就可以通过控制系统操纵转锤液压缸并配合三臂的转动，就可在需要进行 破碎作业的工作面上进行破碎拆除作业。当破碎拆除作业完成后，首先使转锤液压缸和 三臂的驱动液压缸停动并锁定，让其保持静止不动，这时再通过控制系统操纵二臂的驱 8 长安大学硕士学位论文 动液压缸，使液压破碎锤锤体离开破碎拆除作业面一定距离( 液压破碎锤与作业面分 离) ，之后可通过控制系统驱动大臂驱动液压缸，使大臂举升，从而带动其它各个部件 移动到距破碎拆除工作面较为安全的位置，此时就可以再次启动控制转台回转的马达， 使整个智能拆除机器人工作装置转到新的破碎作业区域或移动整机到新的作业地点，之 后再重复上面的步骤进行下一个工作循环。 从上面的分析可以得出，智能拆除机器人的工作装置的平面运动其实就是通过大臂 驱动液压缸、二臂驱动液压缸、三臂驱动液压缸和转锤液压缸的驱动( 伸长或缩短) 来 实现的；智能拆除机器人的工作装置只是在一个平面上的运动，往往不能满足破碎拆除 作业的需求，所以在工作装置能够实现有限的平面运动的基础上，在加上转台的转动， 就能将液压破碎锤的运动从有限的平面运动扩展到有限的空间运动，这样就大大的扩展 了智能拆除机器人的破碎拆除作业范围。随着作业工况越来越复杂，环境越来越恶劣， 以及以人为本的管理理念，就迫使智能拆除机器人的工作装置的结构系统和运动的驱动 方式朝着更加舒适、人性化的方向发展。 2 1 2 智能拆除机器人的工况分析 智能拆除机器人的作业环境一般都较为恶劣，再加上智能拆除机器人在进行作业过 程中往往存在着许多不确定的因素，如高点作业中突然滑落、地下深沟作业中遇到坍塌、 通讯中断的突发情况，这就决定了智能拆除机器人的作业工况十分复杂，根据实际工况 现可以概括为以下4 个较为经常的工况： 1 智能拆除机器人进行破碎作业的工况 智能拆除机器人在进行破碎拆除作业时它的过程为：首先是启动驱动回转机构的液 压马达，使转台在液压马达的驱动下转动，让整个工作装置能到达需要进行破碎拆除的 作业地点的上方或下方位置，接着通过控制系统操作二臂的驱动液压缸，使二臂在液压 缸的驱动下下降或上升，带动液压破碎锤到达需要进行破碎拆除作业的作业面，随后再 通过控制系统操作三臂的驱动液压缸及液压破碎锤的转动驱动液压缸，在需要进行破碎 拆除的作业点进行破碎拆除作业。等破碎拆除作业工作完成后，先将液压破碎锤工作系 统停止，然后，将液压锤转锤驱动液压缸和三臂驱动液压缸锁定( 保持不动) ，并在同 时通过控制系统操作二臂驱动液压缸，使其上升或下降，带动三臂和液压破碎锤离开作 业的工作面，此时如果下一个需要作业的工作点就在附近的话，就可以通过控制系统启 动转台回转液压马达，使整个智能拆除机器人工作装置到达另一个作业点进行破碎拆除 9 第二章智能拆除机器人工作装置的设计要求 工作。智能拆除机器人在整个作业过程各个驱动液压缸可以是逐个单独驱动来实现，也 可是几个驱动液压缸联合驱动来实现，这就要看具体的作业对象由操纵者来决定。 2 智能拆除机器人工作装置的举升和回转工况 智能拆除机器人在进行破碎拆除作业时一般为了安全和整机的稳定，机身的四个液 压支腿都是伸出的。当智能拆除机器人在一个指定的作业点的破碎工作完成之后，就需 要将整个工作装置移动到附近另一个作业地点，这时就需要驱动二臂驱动液压缸使二臂 在液压缸的作用下上升，同时也就带动了液压破碎锤和三臂的抬升，使其整个工作装置 离工作面的距离足以安全后，然后再启动转台回转马达，在回转马达的驱动下转台进行 回转，通过控制系统控制回转马达，使其转过合适的角度，在到达新的作业工作点之后， 再对前面各驱动液压缸进行相反的操作，最终将液压破碎锤放到新的需要进行破碎拆除 作业的工作点。 3 智能拆除机器人的整机进行近距离或远距离移动的工况 智能拆除机器人的用途为进行破碎拆除，一般工作的位置和地点相对要比较集中， 同时，在进行设计智能拆除机器人的过程中主要是追求其的破碎拆除作业能力，所以智 能拆除机器人的工作装置是智能拆除机器人设计的重中之重。而对智能拆除机器人的行 走、移动装置要求较低，因为在实际作业中智能拆除机器人很少进行长距离的移动，多 是在很小的范围进行行走，来转移整机的作业位置，当需要对履带式智能拆除机器人进 行较远的距离移动时，一般不会采用智能拆除机器人自身的行走移动装置，而是通过一 些大型的运输车辆或其它运输工具来实现整机的转移。 4 智能拆除机器人进行姿态、位置调整的工况 智能拆除机器人除了满足其在进行破碎拆除作业时的性能要求外，还应该满足智能 拆除机器人具有稳定的停放姿态，在智能拆除机器人需要进行远距离移动时，需借助于 大型的运输工具，这时就要求和保证智能拆除机器人具有可实现采用运输工具进行运输 的合理尺寸与稳定的整机姿态，还有一些特殊的情况，如当智能拆除机器人发生故障时， 就要对其进行检查与维修，这就要求智能拆除机器人具有特殊的方便检查与维修的姿 态，同时，为了保障安全整机不论为何种姿态都应该具有很好的稳定性能，也就是说智 能拆除机器人工作装置和其它功能运动部件的制动与锁定要求是绝对安全和可靠的。另 外智能拆除机器人整机与地面之间的接触还应该最大可能的满足接地比压的要求。 1 0 长安大学硕上学位论文 2 2 工作装置的设计原则 不论什么产品在设计时都应该有一些设计的准则和标准，只有这样所设计的产品才 具有一定的通用性和可持续改进与完善的条件，就机械产品来说在开发、研制的过程中 首先要进行的工作为设计方案的确定，只有制定出好的、合理的、可行的正确设计方案， 产品的后续设计、研发工作才能顺利的进行，也才能保证机械产品的开发、设计最终能 够成功。本文研制、开发的智能拆除机器人工作装置同样也不例外，在对其设计时应遵 循一定的设计原则，这样才能在设计之初对智能拆除机器人工作装置产品的质量、工作 的性能、以及整个研发、设计过程的周期和将来能够产生的经济效益有一个先前的预测 和判断1 1 2 1 。本文在进行三段悬臂式智能拆除机器人工作装置研发设计时，参考了目前国 内外现有的拆除机器人工作装置的机构原理和工作性能要求，并对工作装置的设计要求 与所遵循的原则进行了归纳总结1 1 3 1 ： 智能拆除机器人工作装置的设计首先应有合理的结构尺寸，要保证工作装置的破碎 拆除作业范围能达到事先的设计要求范围，同时，任何一种新产品在设计之初都应该充 分考虑其的应用性能，只有具有比同类产品更优秀的实用性能和超前的先进性能，才能 在后期产品进入市场后具有较强的竞争力。再就是在进行工作装置设计过程中的一些参 数的设定应和国家制定的标准相符。 智能拆除机器人工作装置的设计中必须要能保证整机在破碎拆除过程中的破碎力 达到实际工况的需求，而且智能拆除机器人在作业过程中破碎力的分布情况也很复杂， 这就要求在满足大小要求的同时还要满足其合理的分布要求。 智能拆除机器人工作装置的设计和其它的机械结构设计一样，首先应保证它的实用 性，然后在此基础上尽可能大程度的追求最优的性能，如在结构设计时，不仅要保证尺 寸合理，采用的布置还要能使各个杆件的受力状态更有利，保证各个部件在自身重量尽 量轻的情况下其刚度和强度都能满足工作的要求。 智能拆除机器人工作装置的设计应充分考虑其的通用性，这将为产品后续的改进和 维修带来很大的便利；另一方面，智能拆除机器人的作业环境相对来说都比较恶劣，存 在许多可变和不确定的因素，所以在设计时还必需考虑到整机的稳定性能和安全性能的 要求。 考虑到智能拆除机器人在实际中必不可少的远距离运输和在非作业时的停放情况， 第二章智能拆除机器人工作装置的设计要求 在进行智能拆除机器人工作装置设计时设计人员就不得不分析其在这两中状态时各部 件的位置及整机的姿态是否合理的问题。 智能拆除机器人工作装置的运动都是靠液压缸的驱动来完成的，本文设计的智能拆 除机器人工作装置机构为三段悬臂式结构，整个运动由大臂、二臂、三臂、及转锤四个 液压缸驱动来实现的，那么液压缸的设计就尤为重要，为了后期零部件的选型方便及零 部件替换和维修更为快捷，所以在设计时就应使其标准化、和系列化。 最后一点就是在设计智能拆除机器人工作装置时应充分考虑到工作装置在实际作 业中的稳定性和安全性要求，同时，结构的安装、拆卸、维修都应该尽可能的方便、快 捷和简单。 ， 2 3 智能拆除机器人工作装置的设计要求 2 3 1 几何尺寸要求 智能拆除机器人工作装置的几何尺寸要求满足一定的作业范围和合适的运输尺寸， 智能拆除机器人作业范围如图2 4 所示，几何尺寸之间要求互不干扰。 图2 4 智能拆除机器人作业范围及允许作业区域 r 为最大作业半径；h l 为晟大作业高度；h 2 为最大作业深度 智能拆除机器人工作装置的几何尺寸要求满足合理的作业分布特性，在整个作业范 1 2 长安大学硕士学位论文 围内都要求实现最佳破碎拆除并不经济，而要求智能拆除机器人在主要作业区内能实现 最佳。主要作业区是指最合理最经常的拆除破碎区域。对智能拆除机器人来说最合理最 经常的作业区域是指正向一3 0 。6 0 。，在这个范围内摄像头视野无阻，作业效率高而又 安全。最经常的作业区域大致为图2 4 所示的扇形部分。作业范围内( 如图2 4 所示) 有 部分区间深入到智能拆除机器人停机点地下，这一范围工作装置虽然可以到达，但可能 引起工作面的崩塌而影响智能拆除机器人的稳定和安全性。所以图2 4 中实线表示工作 允许的作业范围，虚线表示机构可以达到的作业范围。 此外，工作装置的几何尺寸还必须满足停放和行走时的整机稳定性要求。 2 3 2 结构强度要求 智能拆除机器人结构强度是工作装置设计的关键之一，工作装置的结构和所承受的 载荷是十分复杂的。要求满足工作装置各部分的受力的情况下，保证工作装置的强度和 刚度要求。 在设计智能拆除机器人的工作装置时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增加了 构件强度，而且缩短制造周期，降低了成本。要求大臂下支点及大臂油缸支承在平台主 梁的整块钢板上，这不仅增加构件强度而且减少焊接，各个臂要求采取整块下料。在结 构件设计中为求等强度，要求采取局部加强的措施。 2 3 3 工作装置运动与动力特性要求分析 、 1 - 工作装置的大臂机构 考虑到智能拆除机器人的主要作业区域在地面以上，所以要求它有尽可能大的工作 范围，同时考虑到整机的稳定性要求，通常采用三段悬臂的工作装置机构。也就是说在 传统的机构上增加一个大臂，这样既起到保证整机稳定性的要求，又尽可能的增大了智 能拆除机的作业范围。考虑到大臂的强度要求和回转要求，所以一般常选用整体式直臂。 大臂的长度不大于二臂长度的二分之一。 2 工作装置的二臂机构 智能拆除机器人工作装置的二臂其实就相当于挖掘机工作装置的动臂，考虑到工作 中二臂的强度能较好的达到实际需求，所以在一般情况下常常选用二臂为整体式直臂结 构。二臂的长度与三臂的长度的比例可以在一个很大的范围内变化，比如如果设二臂的 长度和三臂的长度为k 。的话，则当k 的具体数值大于2 时，将这种机构设计方案称为 第二章智能拆除机器人工作装置的设计要求 具有长二臂短三臂的方案；则当k 。的具体数值小于1 5 时，将这种机构设计方案称为 具有短二臂长三臂的方案；则当k 的具体数值大于1 5 而小于2 的情况时，将这种机 构设计方案称为中间的方案。 在进行工作装置设计中，二臂驱动液压缸的选择尤为重要，因为二臂机构在智能拆 除机器人工作装置作业过程中主要是对三臂和液压破碎锤起到支撑的作用，所以应当充 分考虑n - - 臂驱动液压缸的驱动力能否达到实际作业要求，检验其驱动液压缸的驱动力 是否达到设计要求的标准为，看液压缸驱动力能否提起带有液压破碎锤的智能拆除机器 人工作装置到达最高和最远的位置进行正常的破碎拆除作业。计算验证时，为了方便可 选三个典型的极限作业位置：如看其能否在作业范围内的最大深处进行正常作业；能否 在作业范围内的最大工作远处进行正常作业；能否在作业范围内的最大工作高处进行正 常作业。二臂液压缸应具备足够的闭锁能力，从而保证三臂和液压破碎锤的破碎力能够 得到最大化的发挥。 3 工作装置的三臂机构 智能拆除机器人工作装置在进行破碎拆除作业时，三臂主要起到将液压破碎锤拉近 的作用，因此对智能拆除机器人工作装置的作业性能有着很大影响。通过结构分析可以 得出：当三臂的长度相对较长时，智能拆除机器人工作装置的作业范围也较广，但是此 时液压破碎锤的整体提升能力将会变小，相反，当三臂的长度越长时，工作装置的作业 范围相对会变小，但液压缸的整体提升能力将大大加强，所以，根据不同设计要求选择 不同的设计方案。 智能拆除机器人工作装置三臂驱动液压缸铰点位置的设置、运动行程及力臂比大小 的设置应充分考虑到下面几方面的因素： ( 1 ) 智能拆除机器人工作装置在进行破碎拆除作业时，往往伴随着拨离动作，对作 业对象进行分离。这就要求在拨离作业时，驱动液压缸的驱动力能产生足够大的切向力。 ( 2 ) 设计中要求三臂驱动液压缸能够有很好自锁能力，这是保障液压破碎锤在进行 破碎作业时液压破碎锤的破碎力能够尽可能的的充分发挥的必需条件。同时，三臂驱动 液压缸的自锁能力的好否对智能拆除机器人整机的稳定性也有很大的影响。 ( 3 ) 在设计三臂机构时要充分保证三臂的相对摆角范围能满足设计要求。对于智能 拆除机器人工作装置，一般要求三臂的相对摆角范围大致为1 0 0 。1 2 0 。，在可以满足工 作范围的前提下，三臂的摆角应尽可能的小一些。 1 4 长安大学硕士学位论文 4 液压破碎锤连杆机构 液压破碎锤机构通常采用六连杆机构。液压破碎锤在作业时的转角大概为9 0 。 1 0 0 4 。当转锤驱动液压缸回缩到极限位置时，液压破碎锤的钎杆能够到达在三臂的延长 线的位置上，在个别特殊的作业工况下，如智能拆除机器人在进行深沟及垂直侧壁的破 碎拆除作业时，通常液压破碎锤连杆机构采用较大仰角的机构。 5 液压破碎锤切向阻力分析 本节对两种拆除拨离方式下，液压破碎锤切向阻力进行分析。 ( 1 ) 三臂液压缸驱动拆除拨离方式 此工况下工作装置的拆除拨离动作由三臂驱动液压缸单独驱动来实现。如下图2 5 所示，依据力矩平衡的原理对其拨离过程进行受力分析： 对k 点取矩、三臂油缸的理论拆除拨离力尼可表示为： f g 警 p t ， 式中： f s 三臂液压缸的工作推力5 7 1 ，单位：k n l u = 一两铰点l 、k 之间的距离，单位：m m 三铰点k 与钎杆尖v 之间的距离，单位：m m 图2 5 三臂液压缸驱动拆除拨离示意图 ( 2 ) 转锤液压缸驱动拆除拨离方式 此工况下工作装置拆除拨离动作由转锤驱动液压缸单独驱动液压破碎锤来实现。如 1 5 第二章智能拆除机器人工作装置的设计要求 f 图2 6 所不，依据力矩平衡的原理对其拨离过程进行受力分析： 分别对0 点和p 点分别取矩，破碎锤的拆除拨离力昂可表示为： 昂= 专警 p 2 ， 式中： 兄一转锤油缸的工作压力5 7 1 ，单位：k n l 铰点0 到两铰点n 、q 之间的距离，单位：m m k 铰点q 到两铰点连线o p 之间的距离，单位：m m 铰点0 、n 之间的距离，单位：m m 三p 矿一铰点p 与钎杆尖v 之间的距离，单位：m m 图2 6 转锤液压缸驱动拆除拨离示意图 2 3 4 最大破碎冲击应力和各构件的重力 1 液压破碎锤冲击力 液压破碎锤有很多种型号，每种液压破碎锤都有各自的特点，为了方便研究，我们 以惊天液压公司的g t 5 0 液压破碎锤为例，分析它的性能，如表2 1 给出的是g t 系列液压 破碎锤的技术参数。 1 6 长安大学硕士学位论文 上升瞬间所承受的最大冲击应力为：巧= 忍+ 层+ + c ( 2 - 3 ) 其中：工作载荷最= 蚱g + 昂；回油阻力最= 互4 d 2 昂 摩擦阻力f ，= f p 7 r ( d b d k o + d b a k a ) x 1 0 6 厂一摩擦系数；6 d ，一活塞及活塞杆密封圈宽度；，颤一活塞及活塞杆修正系数 初步设计时，可用液压缸效率7 i 。代替回油阻力和摩擦阻力。 惯性力：e ：一g a v这里取经验公式：c ：o 5 m 尸g” g a t 。1 。 液压破碎锤要保证能正常工作，其在回程过程中系统压力需要确定，液压锤在回程 过程中必须克服外负载力做功： 丘4 7 7 l m v g 一昂 0 ( 2 - 4 ) 表2 1 安徽惊天液压公司液压锤技术参数 型号 u n i g t i of i t 2 0g t 3 0g t 4 0f i t 5 0g t 6 0g t 7 0f i t 7 5g t 8 0g t 9 0g t l 0 0g t l 3 0 g t l 5 0g t l 6 0g t l 9 0f i t 2 0 钎啦 m m 4 55 37 07 58 51 0 01 2 01 2 51 3 51 4 01 4 01 5 01 5 51 5 51 6 01 7 5 钎随 k g 69 1 9 2 43 25 78 99 81 3 11 4 21 4 01 6 41 8 31 9 72 0 0 2 6 3 整 静音1 9 5 2 6 03 9 0 4 8 06 4 89 1 71 3 5