火车车轮抓取搬运机械手电机选型及动力学仿真.pdf

:./.火车车轮抓取搬运机械手电机选型及动力学仿真尚 钱王全先胡秀勇乔中一(.安徽工业大学 机械工程学院安徽 马鞍山 .特种重载机器人安徽省重点实验室安徽 马鞍山)摘 要:根据高速重载的特点提出了一种火车车轮抓取搬运机械手设计分析方案并对其整个车架纵移运行(纵移 轴)、垂直方向的运动(升降 轴)进行电机选型 采用 .软件对其进行三维建模然后导入到 软件中对纵移机构和升降机构进行动力学仿真测量出了驱动扭矩 仿真结果表明考虑运行惯性情况下所需扭矩小于所选电机的最大扭矩电机选型合适关键词:搬运机械手电机选型动力学扭矩校核中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):()().:引 言火车车轮是高铁系统中的重要组成部件其质量直接影响到铁路的安全运行 目前我国成品车轮检测线上车轮传送采用辊道运输和翻钢机相配合的方式这种方式不可避免地会对车轮产品表面产生划伤和擦伤严重影响产品表面质量 而且该方式的自动化程度低、事故率高而采用抓取搬运机械手替代原辊道传送工艺不仅可以很好地解决以上问题还可以实现车轮在各工位之间的智能传送和多工位的协同检测 此方法中选择合适的电机型号至关重要 该机械手所抓取的车轮最大质量为 最大运行速度./具有重载高速的特点 而通过常用的力学经验公式计算来选择电机型号会不够准确 故笔者以该机器手纵移 轴、升降 轴为研究对象对其进行电机选型通过 .中三维建模和 动力学仿真测量出其驱动扭矩 得到其变化规律图验证理论计算值是否符合工作要求为保证电机安全运行提供依据 机械手主要结构及工艺流程火车车轮抓取搬运机械手结构示意图如图 所示车轮抓取搬运机械手纵移 轴(整个车架横移)、升降 轴(垂直方向)的移动均是由伺服电机带动三合一减速机运动并驱动小齿轮沿着固定齿条啮合均是负载状态(最大车轮在手掌中)轴车架安装在桁架导轨上它由伺服电机驱动齿轮齿条机构啮合并将电机的转动转化成车架车轮在桁架导轨上的纵向运动实现车轮沿着检测线的交接线运行 轴升降柱竖直与车架相连接它由伺服电机驱动齿轮齿条机构啮合可满足一定范围内不同物料的交接高度图 火车车轮抓取搬运机械手结构示意图 机械手工艺流程开始前首先机械手纵移电机驱研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:尚 钱()男安徽阜阳人硕士研究生研究方向:机械/与信息集成动大车车架从初始位置到达检测工位上方此时夹紧臂处于张开状态 然后机械手工艺流程开始顺序为:火车车轮放置在检测工位上升降电机驱动齿轮齿条机构带动升降机构下降至车轮中位抓取车轮夹持力达到预设大小时完毕竖直提升车轮至初始高位时停止翻转车轮至所需角度停止纵移至下一检测工位上方停止竖直放下车轮到检测工位上机械手复位提升至设定高位 电机选型计算该抓取搬运机械手要求高运行速度、高响应速度所以选择低惯量型伺服电机额定转速 /.纵移 轴电机选型计算已知:纵移 轴运动负载质量 为 (其中机械结构质量 工件质量 )滚轮导向齿轮齿条传动行程为 要求运行时间 根据工艺要求确定纵移机构主要技术参数如表 所列表 纵移机构主要技术参数技术参数值技术参数值负载/减速时间/.齿轮模数运动距离/.齿轮齿数最大运行速度/(/).加速时间/.启动加速度/(/).匀速时间/.止动加速度/(/).齿轮设计最高转速计算为:/()减速比计算为:/.()三合一减速机型号为枫信 减速比 最大承受扭矩为 匀速时驱动力计算为:匀 ()式中:为滚动摩擦系数取.齿轮齿条传动效率 减速机传动效率匀速时电机扭矩计算为:匀匀/齿减.()经分析启动加速时电机驱动力最大计算为:加匀 ()加速时电机扭矩计算为:加加/齿减.()从西门子伺服电机样本中查得 纵移 轴应选额定功率为 的西门子 伺服电机其额定扭矩./最大扭矩./满足要求并留有余量.升降 轴电机选型计算已知:升降 轴运动负载质量 为 双直线导轨导向齿轮齿条传动 行程为.要求运行时间 电机主要克服重力使 轴上下运动为简化计算将摩擦力忽略不计升降机构主要技术参数如表 所列表 升降机构主要技术参数技术参数值技术参数值负载/减速时间/.齿轮模数运动距离/.齿轮齿数最大运行速度/(/).加速时间/.启动加速度/(/).匀速时间/.止动加速度/(/).齿轮设计最高转速计算为:/()减速比计算为:/.()三合一减速机型号为枫信 减速比 最大承受扭矩为 匀速时电机驱动力计算为:匀.()匀速时电机扭矩计算为:匀匀/齿减.()经分析下降减速时电机驱动力最大计算为:下减 ()下降减速时电机扭矩计算为:下减下减/齿减.()从西门子伺服电机样本中查得升降 轴应选额定功率为 的西门子 伺服电机其额定扭矩./最大扭矩 /满足要求并留有余量 基于 的动力学仿真.仿真要求和目标机械手纵向 轴、升降 轴在运行过程中负载较大对其进行电机选型时采用力学经验公式计算不能全面把握电机输出扭矩的变化情况 因此考虑使用 仿真技术手段对所选电机扭矩进行校核以检验所选电机型号的合理性确保电机安全平稳运行.仿真过程分析机械手纵移与升降过程由伺服电机驱动运动模机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验式均为梯形运动模式存在加速、匀速和减速过程 仿真驱动函数建立过程如下()机械手纵移过程根据表 的技术参数驱动函数确定用 函数 对输出齿轮施加角加速度 函数将其角加速度近似设定为固定值据此可得到搬运机械手纵移过程的驱动函数:(.)(.)(.)(.)()机械手升降过程根据表 的技术参数可得到搬运机械手升降过程的驱动函数:(.)(.)(.)(.).设置物理属性并添加约束及驱动在将模型导入 前首先把对结构分析无关的部件删除、简化 主要进行的操作有:导轨与支座、齿条与滑轨、电机与减速机“布尔加”操作等删除基座、螺钉螺母、钣金件等 然后将简化后的部件单独保存为 格式为了更好地模拟实际情况需要对模型的质量属性进行新的定义 首先利用 .计算部件的体积如图 所示为 轴方向部件体积的测量 已知该部件质量 体积.可计算其密度为:./同理测得大车部件体积如图 所示 已知该部件质量 体积.可计算其密度为 ./将计算得到的各部件密度输入 中图 .测量 轴图 .测量大车部方向部件体积件体积此机械手需要定义的运动副有:车轮与大车车架之间的转动副 轴升降系统与滑块之间沿 轴方向的移动副齿轮与齿条间的齿轮副桁架与大地之间的固定副 对机械手施加约束后得到的模型如图 所示根据要校核的电机情况在对应位置添加驱动如图 所示图 设置物理属性并添加 图 驱动设置约束之后的模型.仿真计算将驱动函数写入 后进行仿真计算可以得到、两个方向驱动扭矩的变化图像 减速机输出扭矩分别如图、所示 这两个驱动扭矩都是减速机的输出扭矩因为是根据电机功率选择减速机的输入功率的故只要在减速机的额定扭矩之内电机的选择都是满足需求的图 轴方向减速机扭矩变化图像图 轴方向减速机扭矩变化图像 由图 可知 轴方向加速阶段减速机输出扭矩最大约为 所选减速机的额定扭矩为 减速机的安全系数大于 轴方向传动比为 对应的电机输出扭矩要大于 西门子 伺服电机最大扭矩为.所选电机满足实际要求由图 可知升降 轴方向的下降减速阶段输出扭矩最大约为 所选减速机的额定扭矩为 减速机的安全系数大于.轴方向传(下转第 页)研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用地面不平和爬坡时的振动和滑移现象使其更加平稳地运行 结 语通过 对 轮底盘在前后、斜行、原地自旋以及爬坡四种工况进行仿真分析 仿真发现平台中心点的角速度以及位置变化存在一些不稳定因素可能会造成平台运动出现微小误差 尤其在原地自旋运动和斜向爬坡过程中误差较为明显自旋过程中围绕车体中心可能出现半径趋近于 的小圆旋转运动这可能引发一定的误差需要及时调整爬坡过程中由于出现偏向角会导致爬坡过程出现滑移现象需要采用弹簧悬挂机构来缓减地面不平和爬坡时产生的振动滑移现象 后续可以通过优化控制算法来进一步实现减震和纠偏提升 轮平台对地面的适应情况参考文献:陈业秋贾 茜张四弟等.轮式全方位移动机器人运动学分析与仿真.现代制造技术与装备():.许鹏郑再象陆秋懿等.基于 四轮全向移动平台运动特性仿真与研究.农业装备与车辆工程():.王凯强.基于麦克纳姆轮全向移动分析与仿真研究.内燃机与配件():.王一治常德功.四轮全方位系统的运动性能分析及结构形式优选.机械工程学报():.贾官帅.基于 轮全方位移动平台的理论和应用研究.杭州:浙江大学.崔孟楠窦志红刘星栋等.轮底盘坡道行驶的运动学研究.应用科技():.谢广庆张伟军袁建军等.基于 轮的全方位运动机构研究.机电一体化():.李增双.基于 平台的链传动建模方法及仿真研究.机械工程师():.(上接第 页)./:.:():.师昌绪陆 达荣科.中国高温合金四十年.北京:中国科学技术出版社.郭建亭.高温合金材料学高温合金材料与工程应用.北京:科学出版社.车顺强景宗梁.熔模精密铸造实践.北京:化学工业出版社.张立同曹腊梅刘国利.近净形熔模精密铸造理论与实践.北京:国防工艺出版社.吕耀辉王凯博刘玉欣等.热处理对等离子弧增材制造 合金组织与性能的影响.金属功能材料():.王 倩吴亚夫吴剑涛等.数值模拟在高温合金精密铸造中的应用.金属功能材料():.何 波周泓江孙长青.镍基高温合金叶片熔模铸造工艺的数值模拟.铸造技术():.叶喜葱苏彦庆郭景杰等.基合金叶片吸铸成形缺陷的数值模拟.稀有金属材料与工程():.():.():.():.(上接第 页)动比为 对应的电机输出扭矩要大于 西门子 伺服电机最大扭矩为 所选电机满足实际要求 结 语对所设计的车轮抓取搬运机械手进行电机选型根据纵移 轴及升降 轴运行要求对各个运动过程时间进行合理分配确定了满足工艺要求的技术参数 首先采用力学经验公式进行了电机选型然后将机械手模型导入 中进行动力学仿真校核运用 函数对其纵移 轴、升降 轴运动进行分段控制并得到了所需驱动扭矩变化曲线 仿真结果验证了由力学经验公式进行电机选型的可靠性但此方法所选电机的性能冗余 最终将力学经验公式与动力学仿真结合起来以进行更加高效、实用以及准确的电机选型这种方法可为同类型机械手的电机选型及优化设计提供参考参考文献:王永利.太原高铁装备制造业及相关产业研究.中共太原市委党校学报():.钟海波.火车轮对压装选配系统的设计与开发.马鞍山:安徽工业大学.成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社.肖艳军冯 华王 昭等.吸音板搬运机械手联合动力学仿真分析与优化.系统仿真学报():.王 珂周骥平.高速板材搬运机械手的动力学仿真研究.机械设计():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验