电缆攀爬机器人的动力学仿真分析

外文翻译题目：基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析原文1：DynamicsSimulationAnalysisonGuidingMechanismforCableClimbingRobot译文1：电缆攀爬机器人的动力学仿真分析原文2：Dynamicstressanalysisofautomaticweaponsbreechmechanism译文2：自动武器锁紧机构的动态应力分析电缆攀爬机器人的动力学仿真分析JieLu,HongzhouLi,XuemeiZhang,XiaofaLaiCollegeofMechanicalEngineeringBeihuaUniversityJilin,ChinaYinshun_9999@163.com摘要:本文介绍了一种使用动态分析软件ADAMS建立一个关于电缆爬墙机器人引导原理的仿真模型的方法。通过这个模型和仿真的手段建立许多因素的影响,包括操作、姿态、角度、支撑刚度、预加载荷、支撑轮子的维度。来得到机器人的身体在工作状态下的抵消补偿。文章中的这种方法能够提供一个基础电缆攀爬机器人的结构优化设计。关键词:电缆攀爬机器人引导原理动态仿真Ⅰ简介电缆机器人通过沿着承载斜拉桥的电缆爬,高电压线分布,桅杆和其他高空电缆,它可以执行如同缺陷检测、污垢清洗、自动绘画等。和手动工作模式相比较,这个由机器人执行的自动工作模式不仅能降低操作成本,而且能保证工作过程的安全。因此,关于电缆攀爬机器的人相关技术和理论研究在已经被全世界许多学院和最近制定的许多成功的作品广泛的看重。通过机器人的驱动模式进行分类，存在通过轮子支撑的电动运行机制，气动蠕动驱动，以及液压驱动等。气动蠕动驱动是其中一种广泛运用的模式，因为它有媒体的优势清洁、锁模力缓冲、负载自适应、和更好的可控制性等优势。本文介绍了一种气动监测和控制机器人电缆绘画。该机器人利用注入的压缩空气作为动力源，以监视和控制功能作为它的工作模式，它可以完成防腐涂料绘画和电缆表面的颜色装饰等工作，电缆的直径在范围在60毫米到200毫米之间，长度在300米以内。由于电缆可能有不同的截面形状，如圆柱形、平行六个棱柱、或螺旋六棱柱，机器人的这种固定和支持引导机制必须有一定的灵活性，即机器人有对直径变化能力的要求。然而，这种灵活性也必须有限制，如果太大，机器人的身体和电缆之间的偏心将会增加，从而会影响画的质量，甚至可能导致机器人被阻塞等等。本文论述了对于机器人身体偏心的影响因素，例如,工作姿态、支承刚度、支撑车轮大小、预加载荷等等，并介绍了一些电缆爬墙机器人设计的指导原则。Ⅱ电缆机器人的操作姿势在机器人工作过程中保持身体和电缆的同心度是很有必要的，否则，工作质量有可能降低。三个引导车轮均匀地分布在圆柱的周围用于保持设计机器人时的同心度。为了适应不同电缆的不同截面形状，三个引导支持轮，尾部是由三个薄气缸驱动，用于夹紧电缆。尽管有电缆形状的影响，外部工作负载有可能会导致机器人身体的偏转和因此带来受力状态的改变。为了方便分析，并且为了计算方便，假设这三个支撑是弹性的(见图1),定义如下：与电缆相关的机器人的身体状态命名为工作姿态；线t-t是通过电缆轴和沿重力方向的线，被作为工作姿态的参考线；位于电缆顶端的并且最靠近t-t线的支持轮命名为轮1；β角是主截面和参考线之间的夹角，被命名为工作姿态角；从轮1开始，其他两个沿逆时针的支持轮分别被命名为轮2和3。根据上述的假设和定义，我们知道机器人的工作姿态取决于工作姿态角，并且这个角应该在关于对称结构的正负60°范围之内。图1机器人的姿态和其被迫所处的状态Ⅲ机器人身体补偿的动态仿真分析电缆机器人在工作状态下的动态特性是非常复杂的(参见图1)。如图1所示，当三个定向轮子的预加载荷相等并且没有其他外部负载作用，机器人身体的几何中心和该电缆的中心是同心的；一旦有外力作用，由于支撑点的弹性特征，机器人的几何中心和电缆中心会产生偏移量，不同的支持轮也会产生一个相对运动并且会导致支持车轮和电缆的接触点改变，然后动态特性也会随着改变。因此，电缆机器人在工作状态下的动态机理模型是一个时变模型。与此同时，在分析过程中也应考虑接触刚度、摩擦特性。因此，简单的模型并不能满足对机器人设计的要求，而且传统的静态分析法很难建立和解决以上这种问题并且计算精度也达不到要求。本文介绍了一种使用ADAMS的新方法，一种动态仿真软件，来建立电缆机器人引导机制和根据实际工作条件仿真获得的机器人身体的不同偏移的动态模型。物理和几何参数的描述为了理论分析和仿真计算的方便，机器人引导机制的物理和几何参数定义如下：Ti-机器人身体的内径(mm)L-引导轮宽度(mm)Gj-等效负载β-工作姿态角θ-支撑轮角度-机器人身体的偏移量(mm)Ki(i=1、2、3)支持点的刚度(N/mm)D-电缆直径(mm)RL-引导车轮的曲率半径Ni(i=1、2、3)电缆引导轮的支撑力(N)Fmi(i=1、2、3)引导机械的移动部件的摩擦力(N)Fti(i=1、2、3)弹性支承力(N)Ci(i=1、2、3)集中支持力点B.ADAMS动力学仿真建模模板是用来格式化你的纸和文本风格的。所有的边缘、列宽、行空间、和文本字体都是规定好的；请不要改变它们。你可能会注意特点。例如，头顶边缘的比例在这模板中超过了一般的模板。这个测量和其他测量是故意的，使用规范期待着你的纸作为整个程序的一个部分，而不是作为一个独立的文档。请不要修改任何当前名称。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)是世界上目前最权威的并且是广泛使用的机械系统模拟软件。它的模拟精度和可靠性在同类软件中是最高的。这意味着这个软件，很容易根据刚体系统的动力学原理建立参数模型和执行模拟计算。通过ADAMS软件平台，作者建立了电缆机器人引导机构动力学模型(显示在图2)，作出如下假设：(a)3D实体模型(b)3D线框模型图2仿真模型的建模和支撑原理(1)忽略重力对于模拟计算的作用；(2)等效荷载作用于机器人几何中心，垂直电缆的轴；(3)电缆是刚体，并且固定在地上。(4)三个引导支撑轮的刚度是常数Ki(i=1、2、3)=K；(5)三个引导支撑轮的预加载力相等。 仿真模型是通过ADAMS/VIEW建立的，工具栏中的建模工具被用来建造机器人的身体(圆柱)，电缆(列)，支持体(矩形盒)，引导滑块(列)，约束工具箱用于施加一些对模拟模型的约束，例如，机器人身体的移动部分和引导部分的作用力；固定电缆和大地之间的约束；引导滑块和机器人之间的弹簧力；支撑部分和电缆之间的接触力，以及作用于机器人的常力(一个等效载荷)，各种约束力的不同物理参数设置如下：(1)身体尺寸：Ti=600mm；(2)电缆直径：D=200mm；(3)引导车轮尺寸：L=80mmRL=100mm；(4)等效负载：Gj=1000N；(5)弹簧阻尼系数：=0.2；(6)移动部分属性：动力因素：0.01静力因素:0.02；(7)接触力类型：接触刚度=20000N/mm阻尼系数=10.0穿透深度=0.1mm；(8)表面摩擦：静态摩擦系数=0.6动态摩擦系数=0.5C仿真结果基于作用于机器人身上的相同的等效载荷的假设，以及考虑到不同姿态角、不同的预加载、不同的弹簧刚度、不同支持块维度等的影响。这些参数对机器人的移动的影响在给定模型上进行了动态仿真，仿真结果如图3到图5。预加载=0的曲线(b)预加载=200N的曲线图3仿真曲线的机器人身体的偏移量(当K=50n/mm)(a)预加载=0的曲线(b)预加载=200N的曲线图4仿真曲线的机器人身体的偏移量(当K=100n/mm)(a)支持轮宽度L=120毫米,预加载=0(b)锥底的支持,预加载=200N图5仿真曲线的机器人身体的偏移量在不同支持轮宽度(当K=50n/mm)通过比较这些模拟结果，发现了一些有意义的规则，这些规则对于设计机器人时参数的确定具有重要的指导意义。1)由于机器人身体的对称性，正负姿态角并不会影响身体偏移量(见图3-5)。所以β角在范围0°到60°就足够研究机器人身体的动态特性了。2)当支持滑块的宽度远大于0，如果β=0，机器人身体就会出现最大的偏移值，如果β=60°，机器人的本体就会出现最小的偏移值(见图1、图2和图3(b))。两种不同条件下的偏移值存在很大差别。因此，在设计和实际应用中保证使机器人工作在β=60°是最好的选择。3)当支撑点的弹簧刚度适当增加时机器人身体的偏移值就会减少(见图1和图2(一个),(b))。但是，如果刚度太大，则机器人跨过障碍物的能力就会减小。4)如果支撑部分能加上一个合适的预加载荷则机器人身体的偏移值可以减少(见图1和图2(一个),(b))。但预加载荷的增加受到结构尺寸的限制，并且无限的增长预加载荷也会减少机器人通过障碍物的能力。5)通过增加支撑轮和电缆之间所夹θ角(或增加滑块宽度)，机器人身体的偏移值也会大大减少(请参见图1(a)和图3(a)。因此引导支撑轮的宽度应该尽可能的宽，支持轮的曲面和电缆的表面应尽可能的合适(RL0.5D)，即角θ应该增加。6)如果支撑滑块的末端是圆锥则以上提到的规则是不适用的(见图5(b))。但这种情况在实践中是不可能的。Ⅳ结论通过动态模拟和分析机器人身体的引导机构，姿态角、支持刚度、预加载荷和支持轮的尺寸对于机器人身体偏移的影响被精确的计算。通过仿真得到的曲线有展示了机器人真正的动态性能，和一些结论，对于实际的结构设计进行指导是非常有用的。这个实验证明了这些规则对于指导机器人的实际设计是重要的。参考文献：[1]ZhangJia-hui,LuTian-sheng,WangJun-gong,WangDian-chen.Studyon 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1997(3):16~19自动武器锁紧机构的动态应力分析XianqingYangSchoolofMechanicsandPowerEngineeringHenanPolytechnicUniversityJiaozuo,China.ZhihongJiaSchoolofMechanicsandPowerEngineer-ingHenanPolytechnicUniversityJiaozuo,Chinajzh_zjq@m.YueminZhangSchoolofMechanicsandPowerEngineeringHenanPolytechnicUniversityJiaozuo,China摘要：这篇文章研究分析了自动武器的主要元素(锁紧机构)的动态应力的影响。通过使用LS-DYNA获得当受到影响时的应力大小和分布状态。确定锁紧机构的刚度。本文所获得的结果对于锁紧机构的设计具有非常重要的作用。关键词：动态应力自动武器锁紧机构Ⅰ简介在自动武器中，许多元素之间通过碰撞产生作用，在这个过程中很容易被巨大的瞬时速度所破坏。作为一个动力学问题，这种力量在理论和实践中都是相当复杂的。很难以解决自动武器元素的复杂形状的问题。在过去结果不能满足静强度理论的要求。此外，以前的设计是包括三个步骤的循环模式——设计图纸、制造和射击实验。这个循环理论不能直接有效的实践和指导长期的生产。锁紧机构的强度是否满足要求是确定自动武器使用安全的最重要的条件之一。如图1所示，自动武器锁紧机构由两部分组成：枪闩头和枪管；当枪闩头把子弹推入弹道并在枪管之中旋转时，他们有三个齿相互啮合。锁紧机构工作应力分析就是在枪膛应力曲线已知的情况下研究枪闩头和枪管的动态应力分布，并且判断其是否能够安全工作。图1锁紧机构Ⅱ在和分析由于火药爆炸产生的高压气体使子弹在枪管里高速向前运动。高压通过阀芯底部、枪闩头、以及枪管操作的三齿后膛表面。按照经典内弹道理论，自动武器内弹道理论方程如下：其中：—炸药爆炸的相对质量；Z—炸药爆炸的相对厚度；—形状系数；—炸弹质量系数；θ=，为绝热系数；—炸药的装载密度；—炸药密度；—炸药体积系数；图2给出了基于弹道学的经典理论的自动武器的枪膛压力曲线。图2枪膛压力曲线Ⅲ锁紧机构的有限元模型锁紧机构结构应力分析一下几项特点。(1)枪管中的燃烧室压力很高，是枪闩头压力最高的并且变化很快。从30MPa上升到最高压力只需要332，之后又急剧下降。(2)大量动态载荷在摸头和枪管之间的锁紧表面通过(他们可以滑动但却无法穿透的接口)。设计师将充分考虑到接触的影响和压力波的传播，因为这是一种高压、高速度影响和非线性动力学问题。所以使用可以显示动态应力的有限元程序ANSYS/LS-DYNA采用数值模拟方法研究动态应力。枪闩头和枪管的驻退索接触表面将后膛和闭锁连系起来。在ANSYS/LS-DYNA智能划分网格后我们使用双线性表面接近螺旋面，网格的数量比较少、模头和枪管之间的驻退索表面的相对旋转表面在任何地方都能牢牢地接触。为了保持驻退索和接触，通过使用一些表面(每个平均齿厚垂直X轴)代替螺旋曲面来简化模型，并且减少计算误差。通过ANSYS/LS-DYNA中的164号实体单元分析枪管和枪闩头，164号实体单元为8节点六面体。采用一重积分和沙漏控制算法。通过自由划分的方法将枪闩头和枪管分成13301和9498个单元。图3给出了枪闩头和枪管的网格。图3.枪闩头和枪管的网格划分枪闩头可以沿着X轴自由移动，考虑到阀芯的压力沿着X轴释放，相同接触表面(模头与枪管之间的表面)的每个节点沿X轴移动相同距离。模头的、Y、Z轴的约束减少了，枪膛固定在枪管的尾部，因此其中所有节点在所有方向都受到约束。最大的压力出现在332，随后就减少。相同结构的压力也是同样变化方式。最大值和最大应力的位置是锁紧机构强度分析的最重要的研究，这单元应力计算的是500时结构应力的变化。Ⅳ计算结果分析如图4所示，枪闩第295节点的第四强度等效应力的时变过程曲线，第四强度随时间变化，在320时压力达到最大值742.8MPa，随后降低。除了压力在322时达到最大值其他基本变化趋势相似，最大的压力小于弹性范围内的屈服极限(1400MPa)。结果表明枪闩头应力的变化类似于枪管应力变化。如图5所示，在320时达到最大应力682MPa。最大的压力小于弹性范围内的屈服极限(1260MPa)。总的来说，结果和边界条件与事实相