破拆机器人液压手腕的刚柔耦合分析

李 亮，汪世益，徐必勇



破拆机器人液压手腕的刚柔耦合分析

*李 亮1，汪世益1，徐必勇2

（1.安徽工业大学，安徽，马鞍山 243002；2.安徽惊天液压智控股份有限公司，安徽，马鞍山 243000）

液压手腕是针对破拆机器人多功能需求研发出的一种新型快换装置，其可以根据需要进行摆动和旋转，以适应在不同工况下工作。液压手腕装置和其连接的机械臂在制动时具有很大的制动加速度，从而产生较大的冲击力，此冲击力对液压手腕装置的强度影响较大。本文基于HyperMesh和ADAMS软件建立了某破拆机器人液压手腕刚柔耦合模型，分别分析了不同制动加速度对相对薄弱的上连接架的强度影响。分析结果表明，制动加速度对液压手腕装置的上连接架强度影响最大，此结果为液压手腕装置的设计及改进提供理论依据，并为机械臂和液压手腕装置操作规范的制定提供理论依据。

液压手腕；刚柔耦合；惯性冲击

0 前言

液压手腕是集机、电、液于一体的新型快换装置，安装于机械臂和下接属具之间，用于不同属具间的快速更换，它是快换装置发展过程中的第二代，科技含量高，是机器人技术应用于工程机械的新成果[1-3]。液压手腕的结构原理简图和结构图分别如图1和图2所示。

图1 结构原理简图

图2 液压手腕结构图

液压手腕装置主要由两个结构部分组成，分别为摆动机构和旋转机构。上连接架1、摆动油缸2与箱体3构成摆动机构部分，通过摆动油缸的伸缩实现下接属具的摆动；蜗轮5、蜗杆6传动机构安装在箱体3内部，下连接架8通过螺栓固定在蜗轮5上，从而构成旋转机构部分。其主要功能特点是利用摆动油缸实现下接属具的±40°摆动，通过蜗轮蜗杆传动实现下接属具的±360°旋转，具有两个自由度，此装置可以通过下连接架与破碎锤、挖斗、抓斗、液压剪等不同属具快速更换，不仅实现主机的多功能性，同时大大提高工程机械的作业效率和经济效益。由于液压手腕在工作时需要频繁启制动，工作载荷较大，易产生较大的惯性冲击，而传统产品开发设计往往只进行静强度的校核，从而忽略了惯性冲击对结构强度的影响[4-5]。为了保证液压手腕操作过程中的安全可靠性，减少实验环节，缩短产品开发，本文以惊天液压公司生产的GTR50型液压手腕的整体结构为研究对象，通过刚柔耦合分析技术对其进行动态特性分析，从而得到不同工况和制动加速度下上连接架的应力时间历程曲线，对于液压手腕的性能分析和结构改进有着重要的现实意义。

1 刚柔耦合分析建模

刚柔耦合分析时，把所有构件柔性化处理进行刚柔耦合分析更接近实际情况，但是无疑大大增加了求解所需资源，带来不必要的麻烦，由于液压手腕上连接架在工作过程中受力状态更为恶劣，惯性冲击对其影响更大，所以选取上连接架进行柔性化处理。由于液压手腕下接属具较多，这里选取较为典型且载荷相对较大的抓取工况作为其作业工况。抓斗选取惊天液压公司的28-ST型，抓取最大载荷为500 kg，以此对液压手腕进行刚柔耦合分析。

刚柔耦合分析时，建立柔性体主要有两种方法[6-7]，一种是利用软件自身的ADMAS/Flex模块进行柔性体的创建，该方法存在诸多不足之处，比如所建柔性体网格比较粗糙、计算精度较低、创建过程比较复杂容易出错等；另一种方法是采用模态中性文件法，通过在有限元将构建划分成细小的网格，然后再对其进行模态求解，并保存输出模态中性MNF文件（Modal Neutral File），再读入ADAMS中即可[8-9]。本文选择第二种方法，利用HyperMesh软件中的Radioss模块获取模态中性文件，并导入到ADAMS中建立刚柔耦合模型。主要分析流程如图3所示。

图3 刚柔耦合分析流程图

从图中可以看出，刚柔耦合的分析主要完成两个独立的步骤，一个是建立三维实体模型，然后把各部件通过X_T格式导入到ADAMS中建立多刚体动力学模型，二是把需要柔性化的部件通过IGS格式导入到HyperMesh进行网格划分、赋值材料属性、定义控制卡片等前处理，然后再提交Radioss进行求解中性文件MNF，并把中性文件导入到ADAMS中进行刚柔替换处理，最后通过重新添加柔性体构件的约束，即建立好刚柔耦合虚拟样机模型。

HyperMesh输出模态中性文件MNF的详细步骤如下：

（1）对上连接架进行网格划分。

（2）定义材料属性。为了保证HyperMesh与ADAMS之间的单位制一致，重新对上连接架进行属性定义，定义其材料弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.28，密度7.85×106Kg/mm3。

（3）连接点的创建。连接点是指柔性体和刚性体进行连接装配时所用到的节点，它是柔性体导入到ADAMS时唯一被ADAMS识别的节点。连接点在销孔的圆心处创建，以连接点为主节点，销孔内表面节点为从节点建立rbe2刚性单元，并约束连接点六个自由度。

（4）后处理控制卡片的设置。在HyperMesh中创建Load Collector载荷卡片和Control Card控制卡片，其设置见表1。

表1 HyperMesh载荷卡片和控制卡片设置

Table 1 HyperMesh load card and control card Settings

（5）提交Radioss求解，得到MNF文件。

建立好的液压手腕刚柔耦合模型如图4所示。

图4 快捷液压手腕刚柔耦合模型

2 刚柔耦合动力学仿真

液压手腕在进行抓取作业时，需要频繁的摆动和旋转，取三种工况进行仿真分析，工况一为摆动到最高点制动，工况二为摆到最高点返回最低点制动，工况三为旋转制动。在三种分析工况下选取不同制动时间，查看不同制动加速度所产生的惯性冲击对上连接架强度的影响。液压手腕位于破拆机器人末端位置，在机械臂运动时，运行速度较大，制动时会产生很大的惯性冲击，因此在机械臂快速下降制动和旋转制动两种工况下对快捷液压手腕进行刚柔耦合分析。本文所选破拆机器人机械臂为课题小组成员设计的新型机械臂。

2.1 摆到最高点制动仿真

液压手腕摆动到最高点也就是最大角度，分别以1，0.5，0.25和0.1 s不同制动时间进行制动，使用AMDAS系统中提供的step()阶跃函数可以模拟液压缸中活塞杆伸缩的运动[6]，本文活塞杆伸缩速度通过理论计算取为100 mm/s，以此对液压手腕进行刚柔耦合动力学仿真分析，通过后处理可以查看任意节点的应力时间历程曲线，分别取不同制动时间下的高应力节点的应力时间历程曲线如图5所示，其节点所在位置如图6所示。

图5 节点109877不同制动时间下应力时间历程曲线

图6 最大热点应力值所在位置

由图6可以看出最大应力值点在销轴连接位置，此时液压手腕摆动到最高位置，此处所受弯矩为最大。由图5可以看出，在突然制动时应力值会有所减小，这是因为在摆到最高位置的过程中，节点所受为拉应力，突然制动时，由于惯性的作用，导致应力会有一定的减小，然后迅速增大，符合实际情况。制动时间为1 s和0.5 s时，惯性冲击对节点应力值影响不大，应力值分别为123 MPa和123.7 MPa；当制动时间为0.25 s时，最大应力值为126.5 MPa，应力值出现小幅波动并趋于稳定；当制动时间为0.1 s时，应力值先减小到很小又突然增加至最大168.5 MPa，出现较大波动最后趋于稳定。

2.2 摆回到最低点制动仿真

液压手腕摆到最高点又返回最低点进行制动，同样分别以1，0.5，0.25和0.1 s不同制动时间制动，仿真结束后进入后处理模块，不同制动时间下的高应力节点的应力时间历程曲线如图7所示，其节点所在位置如图8所示。

图7 节点109808不同制动时间下应力时间历程曲线

图8 最大热点应力值所在位置

由图8可以看出最大应力值点也在销轴连接位置，同样此时液压手腕摆动到最高位置，此处所受弯矩为最大。由图7可以看出，制动时间为1 s和0.5 s时，惯性冲击对节点应力值影响不大，应力最大值都发生在最高点位置，为124.5 MPa；当制动时间为0.25 s时，最大应力值也发生在最高点位置为124.5 MPa，应力值出现小幅波动并趋于稳定；当制动时间为0.1 s时，惯性冲击对节点应力值影响显著，最大应力值增至160.7 MPa并伴随着波动趋于稳定。

2.3 回转制动仿真

回转制动时，摆动液压缸位移驱动函数修改为0* time，分别选取四个制动时间为0.4，0.2，0.1和0.05 s，由于蜗轮转速为12/min，根据传动比可以算出蜗杆的转速为2736/，查看后处理结果，不同制动时间下的高应力节点的应力时间历程曲线如图9所示，其节点所在位置如图10所示。

图9 节点98896不同制动时间下应力时间历程曲线

图10 最大热点应力值所在位置

由图10可以看出最大应力值点位于上连接架一焊接位置，此位置为角点位置，易产生应力集中。由图9可以看出，制动时间为0.4 s和0.2 s时，惯性冲击对节点应力值影响不大，应力最大值从11.5 MPa分别增至20.6 MPa和26.2 MPa；当制动时间为0.1 s时，最大应力值增至37.8 MPa，应力值出现小幅波动并趋于稳定；当制动时间为0.05 s时，惯性冲击对节点应力值影响显著，最大应力值增至62.6 MPa并伴随着波动趋于稳定。

2.4 机械臂制动仿真

液压手腕位于破拆机器人末端位置，由于机械臂较长，当快速制动时，会产生巨大的惯性冲击，所以考虑机械臂制动对液压手腕上连接架强度的影响，可分为机械臂下降制动和机械臂回转制动。机械臂下降制动时，大臂油缸以100 mm/s运动，当重物下降到水平位置时，快速制动，仿真工况重物运动轨迹如图11所示；机械臂回转制动时，重物处于水平，重物距离回转中心最远，回转平台以最大回转速度24°/s制动，仿真工况重物运动轨迹如图12所示。

图11 机械臂快速下降制动轨迹图图

图12 机械臂回转制动轨迹图

通过后处理查看，两种机械臂制动工况下，不同制动时间下的高应力节点的应力时间历程曲线如图13和图14所示，其节点所对应位置如图15所示。

图13 节点37518不同制动时间下应力时间历程曲线

图14 节点49835不同制动时间下应力时间历程曲线

图15 最大热点应力值所在位置

由图15可以看出下降制动的最大应力值点位于上连接架一焊接位置，制动瞬时，此处所受弯矩最大，又为角点位移，易产生应力集中；回转制动时，制动瞬时，此处所受弯矩为最大。由图13和图14 可以看出，随着制动时间的减小，惯性冲击对节点应力值的影响快速增加，当机械臂下降制动时间为0.05 s，机械臂回转制动时间为0.2 s时，最大应力值增至最大，分别为517.8 MPa和547.8 MPa。并伴随着波动趋于稳定，此时大大超出材料屈服极限345 MPa，应避免此种情况的发生。

3 总结

采用HyperMesh和ADAMS软件对破拆机器人液压手腕进行刚柔耦合仿真分析，仿真结果表明：

（1）在制动过程中，柔性上连接架存在惯性冲击，制动时间越短，惯性冲击越大，应力幅值波动也越大。

（2）液压手腕自身快速制动时，上连接架应力值最大为168.5MPa，满足材料的强度要求。

（3）机械臂进行快速制动时，上连接架的应力值最大达到547.8MPa，超过了材料的屈服极限，这是因为机械臂较长，突然制动对液压手腕惯性冲击影响巨大，应尽量避免此种情况的发生。

通过对液压手腕的刚柔耦合分析，可以为其结构的设计改进提供理论依据，并为液压手腕和机械臂操作规范的制定提供理论依据，也为解决同类共性问题提供一定的参考价值。

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Rigid-flexible coupling analysis on hydraulic wrist of demolition robot

*LI Liang1, WANG Shi-yi1, XU Bi-yong2

(1.Anhui University of Technology, Maanshan, Anhui 243002, China;2.Giant Intelligent Equipment Co.Ltd, Maanshan, Anhui 243041,China)

Hydraulic wrist is a new type of quick change device which is based on the demand of the demolition robot.It can swing and rotate according to the demand.Because of the great acceleration of the hydraulic wrist and the mechanical arm, the impact force is larger, which has a great influence on the strength of the wrist device.In this paper, based on HyperMesh and ADAMS software, the rigid flexible coupling model of a robot is established, and the influence of different braking time on the strength of the upper connecting frame is analyzed.The results show that the different braking acceleration has a great influence on the strength of the upper connecting frame, which provides a theoretical basis not only for the design and improvement of the hydraulic wrist, but also for the operation of the mechanical arm and the hydraulic wrist.

hydraulic wrist; rigid-flexible coupling; inertial impact

TP242

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.06.011

2017-04-23；

2018-10-12

国家科技支撑计划项目（2015BAK06B02）

*李 亮(1991-)，男，安徽亳州人，硕士生，主要从液压手腕的设计与仿真研究(E-mail:805994805@qq.com);

汪世益(1963-)，男，安徽桐城人，教授，博士，主要从事数控技术及先进制造技术，电液比例伺服控制技术，工程机械液压传动与控制研究(E-mail:195788924@qq.com);

徐必勇(1977-)，男，安徽滁州人，研究员，硕士，主要从事工程机器人的研发(E-mail:xubiyong@163.com).

1674-8085(2018)06-0061-06