孫銳，薛勃，王鑫，楊春梅，宋文龍

人造板上下料機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)分析及仿真

孫銳，薛勃，王鑫，楊春梅，宋文龍

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150006）

實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)線上的自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)，全面系統(tǒng)地了解人造板上下料機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性，探究該機(jī)械手各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動(dòng)力大小及變化規(guī)律。建立人造板上下料的三維結(jié)構(gòu)模型，制定機(jī)械手一周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)流程，通過拉格朗日方程法對機(jī)械手進(jìn)行建模，通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件（Adams）仿真出機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性并驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。得到了機(jī)械手各關(guān)節(jié)（角）速度、（角）加速度、力與力矩變化曲線，（角）速度變化平緩無突變，（角）加速度、力與力矩曲線在6～9 s時(shí)變化劇烈，仿真曲線與動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)基本擬合。動(dòng)力學(xué)模型建立正確，后續(xù)應(yīng)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)或通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程更加平穩(wěn)。

人造板上下料機(jī)械手；靜力學(xué)分析；拉格朗日方程法；動(dòng)力學(xué)分析；Adams仿真

由于人們對高檔家具要求的不斷提高以及全球森林面積的不斷縮減，實(shí)木在家具行業(yè)的使用量不斷減少，取而代之的是綜合利用率比較高的人造板[1]。受此影響，人造板的下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展極其迅速，人造板的搬運(yùn)、上下料等工作已經(jīng)成為各廠家不可避免的問題，采用人工會(huì)造成生產(chǎn)效率低下、加劇成本等弊端，同時(shí)此機(jī)械手也可廣泛應(yīng)用于包裝行業(yè)作為碼垛或搬運(yùn)機(jī)械手，故設(shè)計(jì)、分析此機(jī)械手尤為重要。研究機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)是研究其驅(qū)動(dòng)與控制的基礎(chǔ)[2]，目前，國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了很多研究，陳亞梅為了分析碼垛機(jī)器人臀部變形對其運(yùn)動(dòng)精度的影響，以ABB的IRB760型機(jī)器人為分析對象分別進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)仿真和剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，準(zhǔn)確的分析了碼垛機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài) [3]；程思遠(yuǎn)等基于機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)建立動(dòng)力學(xué)模型，并對各關(guān)節(jié)的力矩進(jìn)行詳細(xì)分析，通過對比關(guān)節(jié)角度信息，驗(yàn)證結(jié)果的正確性，為后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型提供了參考[4]。程亞兵等對所設(shè)計(jì)的雙相正時(shí)套筒鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，選取部分動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與單相系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果表明該雙相正時(shí)套筒鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)性能優(yōu)于單相正時(shí)系統(tǒng)。磨損失效研究為進(jìn)一步分析正時(shí)套筒鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命提供了一定的科學(xué)依據(jù)[5]。Zhu[6]為了探究2自由度變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模及仿真，最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所建立的動(dòng)力學(xué)模型能很好的反映所提出的變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。劉澤新等提出了一種用于森林防火的基于橢圓定理的可變形履帶平臺，為了充分了解履帶平臺的越障性能，對履帶平臺典型障礙進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)理論值結(jié)合林區(qū)實(shí)際情況計(jì)算，用Adams建立仿真平臺，對攀爬高地及跨越溝壑的狀態(tài)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證表明了履帶平臺可翻越的障礙尺寸[7]。

綜合上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前大多研究都是針對于常見的關(guān)節(jié)類機(jī)械手，沒有針對板材上下料機(jī)械手的分析研究。文中采用拉格朗日方程法建立人造板機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型，得到機(jī)械手各關(guān)節(jié)所受力與力矩表達(dá)式，之后對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性曲線，與動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行對比，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為繼續(xù)優(yōu)化機(jī)械手結(jié)構(gòu)和提升控制品質(zhì)的后續(xù)研究工作提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息[8]。

1 人造板上下料機(jī)械手靜力學(xué)計(jì)算分析

1.1 機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)

人造板上下料機(jī)械手由橫梁部分、水平移動(dòng)部分、菱形升降部分、旋轉(zhuǎn)部分、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分5部分構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)水平移動(dòng)、升降、旋轉(zhuǎn)以及末端吸盤部分的轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮5個(gè)自由度。整個(gè)機(jī)械手固裝于橫梁下，機(jī)械三維模型見圖1。

橫梁部分如圖1a所示，由2個(gè)相互平行的H型鋼構(gòu)成。水平移動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分如圖1b所示，采用齒輪齒條傳動(dòng)方式以及電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械手整體的水平移動(dòng)。升降驅(qū)動(dòng)部分如圖1c所示，升降部分置于水平移動(dòng)部分下方通過上臂連接板與軌道連接板相連，采用鏈傳動(dòng)方式以及電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)方式。旋轉(zhuǎn)部分如圖1a所示，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)使得末端吸盤抓取部分（轉(zhuǎn)動(dòng)部分、伸縮部分、吸盤組件）整體實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分如圖1d所示，置于旋轉(zhuǎn)部分下方，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式以及齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮部分采用電缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線伸縮，吸盤組件固裝于轉(zhuǎn)動(dòng)臂和伸縮臂上，利用轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮裝置可以靈活控制吸盤間距實(shí)現(xiàn)對于不同尺寸板材的抓取問題。

1.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程分析

文中以全自動(dòng)直線封邊機(jī)上料過程為例分析機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程，其中封邊機(jī)最大加工長度為 3 000 mm，最大加工厚度為40 mm，進(jìn)給速率為 1 600 mm/min，考慮到機(jī)械手末端吸盤位置，機(jī)械手吸取板材尺寸范圍為450～2 500 mm。人造板要完成四面封邊，完成一面封邊后，機(jī)械手末端旋轉(zhuǎn)以達(dá)到工藝要求，人造板上下料要求傳送平穩(wěn)，能夠精確的送到進(jìn)料臺上，生產(chǎn)效率高不低于封邊機(jī)的生產(chǎn)節(jié)拍。

選取人造板標(biāo)準(zhǔn)尺寸2 440 mm×1 220 mm× 18 mm展開以下分析，人造板質(zhì)量為50 kg，以下分析計(jì)算均以此尺寸人造板為準(zhǔn)。機(jī)械手上料運(yùn)動(dòng)過程時(shí)間為15 s，具體運(yùn)動(dòng)流程見圖2。

1.3 機(jī)械手靜力學(xué)計(jì)算分析

對機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得升降部分驅(qū)動(dòng)力和力矩隨著機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況，為動(dòng)力學(xué)分析提供給前提條件。通過求解靜力學(xué)平衡方程，解出升降關(guān)節(jié)、、處所受支反力以及驅(qū)動(dòng)力矩關(guān)系式，機(jī)械手受力分析見圖3。

對機(jī)械手局部和整體分別列出靜力學(xué)平衡方程，機(jī)械手連桿整體靜力學(xué)平衡方程如下。

對連桿列靜力學(xué)平衡方程求解，求解過程如下。

圖2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程

圖3 機(jī)械手受力分析圖

式中：為機(jī)械手升降臂的長度，其中4個(gè)臂長度近似相同，文中為方便計(jì)算認(rèn)為4個(gè)臂長度一致，為機(jī)械手升降上臂與水平面所成夾角，為機(jī)械手升降臂自重，178.75 N，為重力加速度，9.8 N/kg，在文中靜力學(xué)計(jì)算過程中由于轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分及旋轉(zhuǎn)部分所受力和力矩較小，故不予進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，將此部分簡化為一個(gè)豎直向下的力0，其中0包括機(jī)械手旋轉(zhuǎn)部分、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分自重與人造板重力之和，01 873.5 N。

聯(lián)立式（1）—（6），得到、、關(guān)節(jié)的支反力以及驅(qū)動(dòng)力矩的表達(dá)式：

在Matlab中輸入和驅(qū)動(dòng)力矩M的方程，自變量為機(jī)械手升降部分上臂與水平面所成夾角α，α范圍為5°～85°，用plot命令分別繪制出如圖4所示的、M隨α變化的曲線。

2 人造板上下料機(jī)械手動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

對人造板上下料機(jī)械手建模并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，主要是研究上臂與下臂及轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮裝置的運(yùn)行狀況及力與力矩之間的關(guān)系。機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)的研究通常為2種，一種是通過機(jī)械臂的軌跡運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算各關(guān)節(jié)需要輸出的力或力矩；另一種是已知機(jī)械臂每一關(guān)節(jié)輸出的力或力矩通過計(jì)算得出機(jī)械臂的末端力或力矩[9]。文中采用第一種方法。

2.1 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程求解

對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析主要有牛頓–歐拉法和拉格朗日法兩種分析理論[10]，牛頓–歐拉法主要利用遞推方法推算出各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)所受的力和力矩[11]，主要用于解決多連桿系統(tǒng)問題，文中的模型由4部分組成，運(yùn)動(dòng)方式比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的牛頓–歐拉方法建立整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程比較困難，拉格朗日法基于系統(tǒng)能量的概念，通過系統(tǒng)的動(dòng)能和勢能的關(guān)系來求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，只需要知道各部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[12]，因此將采用拉格朗日方程法建立整個(gè)上下料機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型[13]。利用拉格朗日方程法進(jìn)行人造板機(jī)械手系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，首先應(yīng)確定系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)，然后列出系統(tǒng)的動(dòng)能、勢能和廣義力的表達(dá)式，帶入動(dòng)力學(xué)問題普遍方程（7），即可獲得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，然后對其變量和時(shí)間求微分[14]。

首先，分析上下料機(jī)械手的如圖5所示動(dòng)力學(xué)簡化模型。假設(shè)機(jī)械手的上、下臂、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮臂為均質(zhì)桿，各桿件的重心在桿件的中心處，并假設(shè)旋轉(zhuǎn)部分、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分重心在各部分中心處。

如圖5所示，假設(shè)水平移動(dòng)拖板上面為勢能零點(diǎn)記為表面，拖板重心距表面距離為1，上臂管重心距表面距離為2，下臂管重心距表面距離為3，旋轉(zhuǎn)部分重心距表面距離為4，轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分重心距表面距離為0，拖板水平移動(dòng)位移為0，上臂管和下臂管長度均為1，轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮臂初始長度為2，轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分可伸縮長度為3，上臂管繞關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)變量為1，轉(zhuǎn)動(dòng)臂繞關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)變量為3，旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)變量為4，旋轉(zhuǎn)部分長為，寬為，轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分近似直徑為1。

文中選用基于能量平衡的拉格朗日法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。

2.1.1 系統(tǒng)動(dòng)能的確定

水平移動(dòng)拖板的動(dòng)能為：

式中：為拖板部分質(zhì)量；為速度；為拖板位移；為拖板速度。

上臂管的動(dòng)能為：

下臂管的動(dòng)能為：

旋轉(zhuǎn)部分的動(dòng)能為：

轉(zhuǎn)動(dòng)部分動(dòng)能為：

伸縮部分動(dòng)能為：

式中：5為伸縮臂質(zhì)量；3為伸縮臂可伸出的長

2.1.2 系統(tǒng)勢能的確定

以拖板表面為零勢能面，水平移動(dòng)拖板的勢能為：

式中：為重力加速度；1為拖板重心距表面距離。

上臂管的勢能為：

下臂管的勢能為：

旋轉(zhuǎn)部分的勢能為：

轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分的勢能為：

2.2 機(jī)械手廣義力與廣義力矩的求解

聯(lián)立式（7）—（19）可得到各部分廣義力與力矩：

水平移動(dòng)拖板直線運(yùn)動(dòng)所收到的力：

升降臂轉(zhuǎn)動(dòng)所受到的力矩：

旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)所受的力矩：

轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)所受力矩：

伸縮部分所受的力：

由此，得到人造板上下料機(jī)械手工作時(shí)所需力與力矩的動(dòng)力學(xué)方程。

3 人造板上下料機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 仿真模型參數(shù)與驅(qū)動(dòng)函數(shù)的確定

為了驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的正確性及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性，利用 Adams 進(jìn)行人造板上下料機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，其仿真流程如圖2所示。設(shè)置仿真初始參數(shù)，按照機(jī)械手各部分實(shí)際材料在Adams中設(shè)置材料；機(jī)械手三維模型非常復(fù)雜，總體包含數(shù)百個(gè)零件，如果直接將模型導(dǎo)入Adams中計(jì)算，將極大的增加仿真模型建立的工作量，故先對三維模型進(jìn)行簡化后導(dǎo)入Adams中[15]，簡化后的模型見圖6。

圖6 機(jī)械手簡化模型

圖6中joint21對應(yīng)上述動(dòng)力學(xué)模型中的1，joint3對應(yīng)2，joint10對應(yīng)3，joint16對應(yīng)4，joint11對應(yīng)2。

Adams仿真模型具體參數(shù)：上、下臂長度為983 mm、旋轉(zhuǎn)臺長為225 mm、旋轉(zhuǎn)臺寬為98 mm、轉(zhuǎn)動(dòng)臂長為670 mm、伸縮臂長為700 mm、拖板質(zhì)量為96.6 kg、上下臂質(zhì)量為18.2 kg、旋轉(zhuǎn)臺質(zhì)量為15.7 kg、轉(zhuǎn)動(dòng)臂質(zhì)量為5.7 kg、伸縮臂為5.3 kg。

根據(jù)機(jī)械手實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況添加符合實(shí)際物理規(guī)律的拓?fù)潢P(guān)系，定義各運(yùn)動(dòng)部件間的運(yùn)動(dòng)副，添加相應(yīng)約束后還需在相應(yīng)的約束副上添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和外力。在仿真過程中施加作用于機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分豎直向下的力來模擬人造板的重力，其中=500 N。根據(jù)圖2所示的機(jī)械手一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)流程圖在Adams中設(shè)置機(jī)械手的step驅(qū)動(dòng)函數(shù)，根據(jù)輸入的step函數(shù)繪制一個(gè)周期內(nèi)機(jī)械手各關(guān)節(jié)位移或角位移隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖7。

圖7 一個(gè)周期內(nèi)機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)已經(jīng)定義的變量和參數(shù)對人造板上下料機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真時(shí)間為15 s，仿真步數(shù)為500步。仿真得到如圖8中機(jī)械手工作過程中轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分重心的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖中、、分別表示圖6中轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分重心點(diǎn)各方向坐標(biāo)。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮部分重心運(yùn)動(dòng)軌跡

仿真測量得到移動(dòng)關(guān)節(jié)11、21的速度變化曲線與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3、16、10的角速度變化曲線見圖9。各關(guān)節(jié)的（角）速度曲線過渡平緩，無速度突變的情況。

圖9 機(jī)械手各關(guān)節(jié)（角）速度變化曲線

機(jī)械手各關(guān)節(jié)（角）加速度曲線如圖10所示，其中關(guān)節(jié)21、關(guān)節(jié)11為加速度隨時(shí)間的變化曲線，關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)10、關(guān)節(jié)16為（角）加速度隨時(shí)間的變化曲線。（角）加速度過渡不平緩，存在突變，是由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速度過大引起的，需要調(diào)整機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程及驅(qū)動(dòng)函數(shù)或者對機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來改善。

機(jī)械手各關(guān)節(jié)受力和力矩變化曲線見圖11，動(dòng)力學(xué)模型關(guān)節(jié)力矩曲線是將上述動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入Matlab中，輸入相應(yīng)變量數(shù)據(jù)擬合而成[16]。在動(dòng)力學(xué)建模過程中是將機(jī)械手模型簡化，并且忽略了關(guān)節(jié)處的彈簧阻尼作用，所以理論模型存在一定的誤差。但由曲線可以看出動(dòng)力學(xué)模型與Adams中實(shí)際曲線規(guī)律基本一致，數(shù)據(jù)變化范圍在相似區(qū)間內(nèi)，可以認(rèn)為動(dòng)力學(xué)模型正確。

圖10 機(jī)械手各關(guān)節(jié)（角）加速度變化曲線

圖11 機(jī)械手各關(guān)節(jié)受力與力矩變化曲線

通過分析曲線可知，關(guān)節(jié)受力與力矩曲線存在多處突變，多處達(dá)到峰值，尤其在6.2 s機(jī)械手吸取人造板加速上升時(shí)joint3和joint10關(guān)節(jié)受力和力矩突變達(dá)到峰值，應(yīng)適當(dāng)增加加速時(shí)間使機(jī)械手加速平緩，并且joint10旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要避免在機(jī)械手加速上升時(shí)進(jìn)行，同時(shí)也要增加joint10旋轉(zhuǎn)時(shí)間。joint21受力在拖板加速時(shí)有較大突變，可以適當(dāng)降低速度。joint16雖然在6.2 s機(jī)械手吸取板材時(shí)力矩有突變到峰值，但考慮到整體力矩較小，故認(rèn)為其安全。對于joint11和joint16此類較為安全的關(guān)節(jié)應(yīng)適當(dāng)增加其速度以達(dá)到提高效率的目的。對于joint3和joint10后續(xù)也可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)或改變驅(qū)動(dòng)方式來減小驅(qū)動(dòng)力矩消除力矩突變。

4 結(jié)語

1）文中對人造板上下料機(jī)械手進(jìn)行三維建模，說明機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理，以封邊機(jī)的上下料為例闡述機(jī)械手的工藝流程。

2）建立機(jī)械手的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖，對機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)分析，求解靜力學(xué)平衡方程，為動(dòng)力學(xué)仿真提供了條件；建立人造板上下料機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)簡圖，選用拉格朗日法建立機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型，求解機(jī)械手各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)所受到的廣義力和力矩。

3）利用Adams對人造板上下料機(jī)械手按照一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)流程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，按照機(jī)械手實(shí)際工作原理設(shè)置仿真參數(shù)和驅(qū)動(dòng)函數(shù)。得出機(jī)械手吸取部分運(yùn)動(dòng)軌跡，測量各關(guān)節(jié)（角）速度、（角）加速度、受力與力矩的變化曲線。通過對比驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)對于機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

[1] 陳敬敬. 板材封邊機(jī)仿形修邊系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2014: 10-20.

CHEN Jing-jing. Research and Development of the Copying Trimming System of Edge Banding Machine[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2014: 10-20.

[2] 寧會(huì)峰, 鄢志彬, 程榮展, 等. 光伏組件清掃機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模與分析[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2020, 41(12): 138-145.

NING Hui-feng, YAN Zhi-bin, CHENG Rong-zhan, et al. Dynamic Modeling and Analysis of Photovoltaic Component Cleaning Manipulator[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2020, 41(12): 138-145.

[3] 陳亞梅. 基于ADAMS的碼垛機(jī)器人動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏治鯷J]. 包裝工程, 2021, 42(17): 261-265.

CHEN Ya-mei. Rigid-Flexible Coupling Dynamics Analysis of Stacking Robot Based on ADAMS[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(17): 261-265.

[4] 程思遠(yuǎn), 陳廣鋒, 王琳霞, 等. 下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及仿真[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 45(6): 899-905.

CHENG Si-yuan, CHEN Guang-feng, WANG Lin-xia, et al. Dynamics Analysis and Simulation of Lower Limb Rehabilitative Exoskeleton Robot[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2019, 45(6): 899-905.

[5] 程亞兵, 陳璐翔, 葛平玉, 等. 雙相正時(shí)套筒鏈的動(dòng)力學(xué)仿真分析及磨損失效[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2022, 52(4): 781-788.

CHENG Ya-bing, CHEN Lu-xiang, GE Ping-yu, et al. Dynamic Simulation Analysis and Wear Failure of Dual-Phase Timing Bush Chain[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2022, 52(4): 781-788.

[6] XIN Zhu zhen, XIN Zhu Jian, MEI Kang hui, et al. Dynamic Modelling of 2-DOF Luffing Mechanism with Serial Closed Kinematic Chains[J]. Journal of Central South University, 2021, 28(1): 168-178.

[7] 劉澤新, 王希貴, 林文樹. 基于Adams的森林防火機(jī)器人履帶平臺設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 森林工程, 2021, 37(5): 65-74.

LIU Ze-xin, WANG Xi-gui, LIN Wen-shu. Design and Dynamic Simulation of Crawler Platform for Forest Fire Fighting Robot Based on Adams[J]. Forest Engineering, 2021, 37(5): 65-74.

[8] 周會(huì)成, 任正軍. 六軸機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)床與液壓, 2014, 42(9): 1-5.

ZHOU Hui-cheng, REN Zheng-jun. Mechanical Design and Dynamic Analysis of Six-DOF Robot[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2014, 42(9): 1-5.

[9] 高欣, 杜明濤, 吳昊鑫, 等. 考慮在軌運(yùn)動(dòng)可靠性的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩優(yōu)化方法[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2016, 37(7): 784-794.

GAO Xin, DU Ming-tao, WU Hao-xin, et al. A Joint Torque Optimization Method for Space Manipulators Considering the In-Orbit Motion Reliability[J]. Journal of Astronautics, 2016, 37(7): 784-794.

[10] 李傳龍. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的4–DOF混聯(lián)碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究及參數(shù)優(yōu)化[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2012: 23-34.

LI Chuan-long. Research on Kinematics and Dynamics of 4-DOF Hybrid Palletizing Robot Based on Virtual Prototype Technology and Parameter Optimization[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2012: 23-34.

[11] 陶胤強(qiáng). 基于ADAMS的六軸機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真分析[J]. 包裝工程, 2021, 42(17): 266-269.

TAO Yin-qiang. Dynamics Simulation Analysis of Six-Axis Robot Based on ADAMS[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(17): 266-269.

[12] 郗鵬宇. 下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[D]. 天津: 天津理工大學(xué), 2021: 45.

XI Peng-yu. Mechanical Design and Simulation Analysis for a Lower Exoskeleton Robot[D]. Tianjin: Tianjin University of Technology, 2021: 45.

[13] 張建華, 許曉林, 劉璇, 等. 雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人相對動(dòng)力學(xué)建模[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2019, 55(3): 34-42.

ZHANG Jian-hua, XU Xiao-lin, LIU Xuan, et al. Relative Dynamic Modeling of Dual-Arm Coordination Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(3): 34-42.

[14] 王光勇. 輪式移動(dòng)機(jī)械臂的軌跡跟蹤控制方法研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2017: 11—15.

WANG Guang-yong. Research on Wheel Mobile Manipulator Trajectory Tracking Control[D]. Changchun: Jilin University, 2017: 11-15.

[15] 劉超龍. 高速桁架機(jī)器人的力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2017: 14.

LIU Chao-long. Mechanical Analysis and Structural Optimization of High Speed Truss Robot[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017: 14.

[16] 翟敬梅, 康博, 張鐵. 六自由度噴涂機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2012(1): 169-171.

ZHAI Jing-mei, KANG Bo, ZHANG Tie. Dynamics Analysis and Simulation for 6-DOF Spraying Robots[J]. Machinery Design & Manufacture, 2012(1): 169-171.

Dynamic Analysis and Simulation of Loading and Unloading Manipulator for Wood-based Panel

SUN Rui, XUE Bo,WANG Xin,YANG Chun-mei,SONG Wen-long

(Northeast Forestry University, Harbin 150006, China)

The work aims to realize the automatic handling operation of packaging production line, comprehensively and systematically understand the dynamic characteristics of loading and unloading manipulator for wood-based panel, and explore the driving force and variation law of each joint of the manipulator. A three-dimensional structure model for loading and unloading of wood-based panel was established. The motion process of the manipulator in one cycle was formulated. The manipulator was modeled by Lagrange equation method, the dynamic characteristics of the manipulator were simulated by system dynamics simulation software (Adams), and the accuracy of the dynamic model was verified. The change curves of (angular) velocity, (angular) acceleration, force and torque of each joint of the manipulator were obtained. The change of (angular) velocity was gentle without sudden change, and the curve of (angular) acceleration, force and torque changed sharply in 6 s-9 s. The simulation curve basically fitted the dynamic model data. The dynamic model is established correctly, and the subsequent driving or structural optimization should be used to make the whole movement process more stable.

loading and unloading manipulator of wood based panel; static analysis; Lagrange equation method; dynamic analysis; ADAMS simulation.

TH132.4

A

1001-3563(2022)17-0130-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.017

2021–10–13

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GA19A402）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572020DR12）；2021年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)青年教師創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目（41421022）

孫銳（1997—），男，碩士生，主攻木工機(jī)械設(shè)計(jì)。

宋文龍（1973—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R別與智能系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋