基于刚体理论的机械臂起升式管柱移运自动化系统建模与仿真

基于刚体理论的机械臂起升式管柱移运自动化系统建模与仿真

管柱的自动配送技术在国外开始开发。20世纪90年代以后，自动钻柱数据服务的设备从特定钻头的设计转变为精细设计。目前，国外的管道自动化系统已经形成多个系列，具有不同类型和用途的设备，主要分为五种类型：动态猫道运动、平行链机构运动、大臂旋转运动、垂直管柱和井架机械运动。1管柱移运系统组成如图1所示,新型不压井作业装置系统主要由井架、底座、不压井井口装备,减震装置、机械臂、机械手、扶正装置等几部分组成,可分为井架、底盘、机械臂起升这3大模块.本文主要研究第3模块管柱移运大臂起升系统2截面形状的分析机械臂总长12m,工作时机械手分别抓取管柱的1m和4m位置处.机械臂属于悬臂梁结构,在反复起下作业中主要承载弯曲应力,因此,机械臂的设计关键在其截面设计,必须承受足够大的弯矩,及减轻整个机械臂的重量,另需考虑加工的繁复性及加工的成本.从弯曲强度的角度分析,臂的受力是与抗弯截面系数W成正比的,W越大越有利,而W又与截面高度的平方成正比,因此,截面面积应分布在距中性轴较远处,另材料的多少和自重的大小均与截面面积A成正比,面积越小越轻巧,越经济.因而可以用比值W/A来衡量截面形状,比值较大,则截面形状就较为经济合理.几种常用截面的比值W/A已列入表1中.表1中d为截面直径;h为弯曲方向的截面高度.从1表中可得,槽钢或工字钢比矩形截面经济合理,矩形截面比圆形截面经济合理.针对本文的机械臂,槽钢前后不对称,工作时,将使前后两液压缸受力不均,给系统带来稳定性的隐患;工字型截面经济合理且前后对称,但作为机械臂截面,存在如下问题:(1)附属装置的安装问题.机械臂为液压驱动,臂身要安有一系列液压管线,工字钢基本为空心,液压管线的固定存在问题;臂身的中部及端部设计有定位帽、旋转轴和液压缸耳等附属零件,这些附属机件又基本上位于臂身前后的中心,此位置设计、加工和安装都存在问题.(2)加工工艺问题.机械臂采用了变截面等强度设计,从工艺角度,工字钢难以实现变截面的设计方案.(3)重量较大.型钢的截面几何尺寸均为标准化的,同样外形,其截面面积及重量比设计值要大出很多.综合分析,臂截面确定为矩形截面,壁厚10mm.进行截面尺寸优化设计、强度和刚度分析校核后,最终,臂截面尺寸如图3所示.整个机械臂在活塞连接绞耳处,受最大集中力,且水平位置受到的最大拉应力,所以为保证安全,在活塞支撑点处,机械臂采用了局部增大截面的方式3多刚机械动力学模型3.1建立加速度方程机械臂起升过程的机构简图如图4所示.设液压缸与活塞的相对速度为c,活塞行程为(ct+l式中:l根据ADAMS软件建模理论,令约化的一组广义坐标为p=(θ,xΦ(p)对时间求导得到速度方程求解得到点2摆动的角速度w,点2在x,y方向上的运动速度为vΦ(p)对时间求二次导数得到加速度方程3.2机械臂驱动力的确定将液压缸的重量忽略,机械臂、管柱与两个机械手视为整体,总质量设为m设图5所示臂的广义坐标矢量q=[x约束方程为式中:l虚位移的条件:对约束方程逐次求导,得到速度和加速度方程:将其定义为常数γ根据微分-代数混合运动方程,得到如下运动方程:式中:M为质量矩阵;λ为拉格朗日乘子.即得拉格朗日乘子为:得B点的运动副反作用力F″式中:C为常数变换矩阵,D为平面旋转矩阵.得机械臂所需的驱动力矩K为式中:S′重心矩阵;B为转换矩阵因而,液压缸驱动作用力FF′将各参数值代入公式,计算此时液缸支撑力F4机械臂受力及角加速度随数学模型计算状态的情况,其结果如下对于以上建立的动力学方程,应用ADAMS软件,以大臂液压缸起升驱动速度为100mm·s从曲线分析图中可见,驱动力、系统耗能变化趋势与数学方程的计算是一致的,由于要克服较大的惯性力和臂自身重力,在起升的初始位置,液压缸驱动力和耗能达到最大,随之逐步减小,最大驱动力达到230000N,与数学模型的计算值接近.由于起升活塞与机械臂存在一定的夹角,液压缸线性速度匀速的前提下,臂的角速度体现为先减后增的趋势,因此角加速度由负转正,各曲线变化规律均符合数学模型计算结果及实际起升特性5系统模型建立的仿真综合以上,利用ADAMS多刚体系统的建模理论,推导出了机械臂旋转起升过程的位移、速度和加速度运动方程,并进行了逆向动力学分析,得到了系统拉格朗日乘子和机械臂起升的运动副支