丝杠驱动轻质型码垛机器人运动仿真与分析

杨前明　薛芳喜　王建伟

（山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

丝杠驱动轻质型码垛机器人运动仿真与分析

杨前明薛芳喜王建伟

（山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

针对棉纺车间前纺工序棉筒搬运与更换作业问题，本文提出了一种基于电伺服丝杠驱动的轻质型搬运机器人设计方案；根据棉纺车间棉桶更换作业工艺要求，运用SolidWorks软件建立了轻质型机器人与AGV组成的实体模型。在对4轴机器人驱动系统分析与计算的基础上，对各轴电机与减速机进行选型设计。利用ADAMS仿真工具，将机器人模型在ADAMS中按照实际作业工艺要求进行仿真模拟，验证了机器人与AGV构成的组合机器人设计方案可行性。为该类型机器人后续设计和研究提供了理论依据。

轻质型机器人AGVSolidWorksADAMS运动仿真

引言

棉纺车间棉筒更换目前仍采用人工搬运更换作业，随着工业生产自动化与数字智能生产的技术要求［1］，纺织行业传统的手工操作方式迫切需要机械人替代。由于受车间环境与纺织行业的限制，本文研究设计了一种电伺服丝杠驱动的轻质型码垛机器人，与AGV导引车构成了一种复合式码垛作业机器人（Composite palletizing robot，CPR），运用SolidWorks软件建立其实体模型，利用ADAMS仿真工具，按照实际作业工艺要求，进行运动学模拟仿真［2］。

1 CPR结构组成及实现运动

1.1 CPR设计要求及功能

图1所示为电伺服丝杠驱动轻质型4轴码垛机器人结构示意图，它主要由机械手支架、前臂、后臂、平衡杆及平衡架组成。CPR是一个标准的4轴码垛机器人，由于作业时的负载轻、臂展相对较长以及与AGV结合时要求较轻的质量，设计的技术关键是在保证足够好的强度刚度前提下具有良好的轻质、作业灵活与较小的驱动功率。

图1 CPR结构示意图

1.2 CPR结构参数与伺服驱动

（1）结构参数。CPR轴码垛机器人设计负载40kg、臂展1800mm，几何验算，拟定前臂长度1200mm、后臂长度1140mm。考虑到码垛机器人与AGV组合作业，从设计上首选铝合金轻质材料，在满足强度刚度要求的前提下，减轻机器人本体重量。

（2）电伺服驱动。CPR机器人的J1、J2、J3、J4四轴驱动如图2所示。

图2 CPR机器人4轴驱动结构示意图

图2（a）表示J1轴驱动结构示意图，选用伺服电机加减速机实现机身本体的旋转。图2（b）表示J4轴驱动结构示意图，选用伺服电机加减速机实现手腕的转动。J2、J3轴均采用伺服电机加丝杠驱动方式，实现前臂、后臂摆动，如图2（c）、图2（d）所示。

1.3 CPR驱动设计

CPR机器人驱动采用电伺服驱动，选用铝合金材质，初步估算前臂质量约为60kg，后臂质量约为70kg，各轴驱动功率计算如下。

（1）J4轴（手腕）。负载惯量：J1=mD2/8。J1-棉筒的转动惯量，kgm2；m-棉筒质量，kg；D-棉筒直径，m。

抓手组件惯量：I1=MR2/2。M-抓手及连接件质量，kg；R-抓手及连接件质心到旋转中心距离，m。

设第 4轴驱动电机转速 n=3000r/min，腕部轴转速 n∂=30r/min、加速度ε∂=2πrad/s2、转动惯性矩T=Iε∂、电机功率P=Tn/9550。

有关参数计算结果为 J1=5.29kgm2、I1=2.5kgm2、T=48. 9Nm、P=0.19kw。所以J4轴总的惯量I=J1+I1=7.79 kgm2。

图3前臂受力示意图

（2）J3轴（前臂）。图3所示为前臂受力简化示意图，图中标注了有关几何尺寸与质量，θ1是丝杠作用力方向与垂直线夹角。根据力平衡原理，有力矩平衡方程：

l为负载到铰链的距离，当 θ1=90°时，前臂负载Fa=2521.4N。

取滚珠丝杠惯性矩 7.99 kgcm2、直径 40mm、螺距I=5mm、η1进给丝杠的正效率，取0.8。

所以，T=Jε=M*［Δs/20π］2ε；M为前臂丝杠的轴向负载，kg；为螺距，mm；ε为前臂轴的角加速度，rad/s2。

电机驱动功率：P=T·n/9550，有关参数计算为Ta=2.51 N·m、J=1.599kgm2、T=4.477N·m，电机功率：P=0.56kw。

（3）J2轴（后臂）。图4为后臂简化示意图，铰接中心左右划分为m12、m22两部分质量，θ2为后臂与水平方向的夹角，有关标注参如图4所示。

图4后臂受力示意图

根据力平衡原理有力矩平衡方程

当θ2=70°时，前臂负载 Fb=13926.99N，后臂丝杠扭矩：，η2为进给丝杠的正效率，取0.8。

所以T=Jε=M*［Δs/20π］2ε，M为后臂丝杠轴向负载，kg；Δs为丝杠螺距，mm；经计算，Tb=13.86N·m、J=3kg·m2，电机功率：P=0.91kw。

（4）J1轴（机身）。机器人前臂、后臂质量分别为M1、M2，R1、R2分别为质心到旋转中心距离，r为负载到旋转中心的距离。

设机身旋转加速度，最大臂取1800 mm时，机身转动惯量：

总的转矩J=J1+J2，启动转矩T=Jε，有关计算值为J1=13.1kg·m2、J2=64.8kg·m2、T=218N·m。

通过对4轴的计算，电机及减速机选型参见表1。

表1驱动轴电机减速机选型

2 ADAMS建模

ADAMS仿真分析软件为机器人的研究提供了一种便捷的方法，虽然ADAMS软件有比较强的仿真运算能力，但是它对于三维实体建模却比较薄弱［4］。因此首先运用SolidWorks软件建立机器人三维具体模型，再将其导入ADAMS中，利用ADAMS/View模块进行仿真分析。

2.1 ADAMS模型

利用SolidWorks软件对搬运机器人建立三维模型，通过接口模块将模型导入ADAMS软件，并利用软件中Solver模块对搬运机器人进行运动过程仿真分析［5］。运用SolidWorks软件建立的机器人模型导入ADAMS环境后的具体模型如图5所示。

图5 ADAMS环境中的机器人模型

2.2创建约束及驱动

CPR机器人约束主要有固定副、移动副与转动副［6］。它由两个串联的平行四边形组成，各关节之间的连接均为铰链连接。前臂、后臂均采用电伺服丝杠驱动，丝杠与螺母之间的连接约束为移动副，机身与手腕均由电伺服加减速机驱动实现旋转运动。表2表示CPR码垛机器人各运动副及相应的构件间的约束。

表2 ADAMS中定义的约束关系

（1）添加约束 在ADAMS中定义了机器人模型的上述约束后，同时添加平衡架和平衡杆1140的共线约束、机械手支架和电机2的共线约束、电机1与小臂支架2的共线约束、平衡架与小臂支架2的共线约束。

（2）ADAMS验证 添加了有关约束后，在ADAMS中验证机器人模型满足自由度的要求，结果表明不存在过约束问题，说明整个系统约束添加正确。

（3）添加驱动 模型约束添加正确后，对机器人添加驱动［7］，表3表示具体驱动关节及运动类型。

表3 ADAMS中定义的驱动

3仿真分析

3.1仿真依据

位移和速度是表征机器人运动特性的指标，对末端执行器的位移和速度进行分析有重要意义［8］。当给定机器人驱动后，其末端达到一定的位姿，进而可以查看仿真结果。在ADAMS软件中定义的运动副可以是与时间有关的位移、速度和加速度等函数关系［9］。通过运动仿真结果，分别对机器人的末端执行器三个方向位移、速度以及加速度进行分析［10］。

3.2仿真结果及分析

根据CPR机器人搬运与更换棉桶作业要求，将ADAMS中定义的驱动添加具体的函数，见表4。

表4 ADAMS中定义的驱动函数

添加驱动后，设定仿真时间为150s，仿真步数为500步，可以得到如下仿真结果。

图6抓手仿真曲线图

（1）X、Y、Z三个方向位移变化规律。图（a）所示为CPR在棉筒搬运过程中X方向的位移变化曲线。由图可知，机器人在0～20s内，手臂在沿轨迹运动过程中，X方向下降，即在此过程中AGV小车前进4000mm。在120～140s时间内，AGV返回到原工作位置。手臂X方向小位移波动为机器人本体的前后伸缩变化。图（b）所示为抓手质心在Y方向位移变化曲线，分析曲线 可以看出，在20～40s内X方向没有变化，前臂俯仰丝杠螺母下降100mm，在60～80s内，前臂俯仰丝杠螺母上升150mm；在20～40s内，后臂伸缩丝杠螺母上升100mm，在50～60s内，后臂伸缩的丝杠螺母下降100mm。图（c）所示为抓手质心Z方向位移变化曲线，分析图（c）可以看出，在20～30s时间内，机身旋转到棉筒指定位置。在60～80s时间内，机身由梳棉机棉筒位置旋转至AGV小车上。90～100s时间内，机身旋转至初始位置。综合图（a）、图（b）、图（c）的位移分析过程显示，CPR在实现棉筒搬运过程中各关节运动协调性良好，从抓手质心位移变化轨迹可以看出，机器人运行比较平稳，可以实现棉筒搬运作业要求。

（2）X、Y、Z三个方向速度变化规律。图（d）是抓手质心XYZ方向速度变化曲线，由图可知：速度变化都比较平稳，无剧烈振动现象。速度在X方向变化最大，说明机器人抓手在沿AGV方向移动的速度变化大。

（3）X、Y、Z三个方向加速度变化规律。图（e）为质心加速度变化曲线图，分析曲线可知：各个关节在搬运过程中运行也比较平稳，说明了该轨迹规划的科学性和合理性以及机器人在搬运棉筒过程中具有较好的稳定性。

由以上的仿真结果可以看出，在驱动保持稳定的条件下，机器人在各个方向运动平稳，验证了机器人结构设计的合理性。由以上图可以说明，所设计机器人没有位移、速度及加速度的波动冲击。仿真结果说明该设计腕部定位方向的准确性，这也为机器人实现对棉筒的准确定位提供了依据。

4结论

以CPR机械人为研究对象，利用SolidWorks建立机械手三维实体模型，导入到ADAMS中对其进行动态仿真。

（1）根据机器人作业技术要求，设计了四自由度码垛机器人，确定了在最大臂展情况下的前臂后臂长度，估算了前后臂机械质量及四路电伺服驱动功率。

（2）运用ADAMS软件对CPR机器人进行仿真模拟，仿真结果表明CPR机器人能够实现棉桶更换搬运作业工艺要求。

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The Motion Simulation and Analysis of Screw Driver Lightweight Palletizing Robot

YANG Qianming，XUE Fangxi，WANG Jianwei
（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

A screw-propelled lightweight palletizing robot has been developed for drawing and replacing work of cotton barrel during pre-spinning process in cotton spinning workshop.According to the technologic requirements of cotton tube replacing work a physical model consisting oflightweightrobotandAGVhas beenestablishedby SolidWorks software.Based on the 4 axis robot drive system analysis andcalculation，selectanddesigntheshaftmotorandreducer. Furthermore an analogue simulation of robot is also conducted under the actual technologic requirements by ADAMS software.The simulation result proves the feasibility of design plan for combined robot consist of robotandAGV，whichalsoprovidesatheoreticalbasisforthe following design and study about this kind of robot in the future.

LightweightRobot；AGV；Solidworks；ADAMS；Motion Simulation

青岛市科技计划项目（QDKJX-201305-066）。