码垛机械手机电液联合仿真研究

国内钢铁行业中，传统的机电液系统的设计及研发是将机械、液压和控制等子系统分别提交给各自专业的工程师采用各自专业的软件独立设计、分析调试，随后加工样机并进行测试，调试过程中出现问题时，则需分别单独返回各自的模型中去分析，重新改进设计并进行分析调试，然后再加工样机进行测试改进，如此反复直至完成产品。[1]这种传统的设计方法对于各专业之外的系统部分均假设某种特定的系统特性，如对于机械动力学仿真而言需假设动作过程中的运动状态或者受力状态，不能真实反映控制系统的特性。这样不能有效提高最终产品的性能，且耗费大量的物料和时间，在当前钢铁行业去产能、调结构、促升级的大形势下，传统设计流程无疑会给企业带来较大的负担，不利于健康发展。

近年来已有学者开始研究基于多学科融合的系统分析方法[2-6]，通过ADAMS、MATLAB/Simulink等分析软件的联合仿真，对多学科系统进行反复模拟测试和调试，直到系统达到设计性能指标，再进行实际物理系统的制造和调试。这种方法可有效缩短产品的开发周期，提高设计效率，为实际物理样机的设计、制造和调试提供可靠的数据参考。

型材码垛机是型材生产车间的重要设备，其布置在小型材车间后部成品工序尾端，用于定尺型材码垛，以合乎国家标准或客户的钢材包装规格要求，按照一定的模式堆码成垛向客户交付产品，以实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。国内型材码垛机的设计与研发一直延续了冶金行业传统机电液系统“互提资料”的设计方法，即工艺专业提出设计需求，机械专业负责机械设计并提交液压资料、电气资料、土建资料等，各专业独立设计。由于冶金行业对于设备可靠性、安全性的特殊要求，这种“互提资料”的设计方导致各专业设计时安全系数严重富余，型钢码垛机成本较高；而且动作干涉隐患不能及时发现，导致设计—试制—重设计—再试制的长周期开发，效率低下、成本高昂。

本文针对型材车间的码垛机械手，采用三维建模软件Inventor、机械系统动力学通用分析软件ADAMS及MATLAB/ Simulink建立其机电液联合仿真模型，实现电气控制、机械、液压多学科联合仿真研究。仿真结果表明，该方法能够有效的分析码垛机械手动态特性，为型材码垛机械手的设计开发提供理论参考。

1 码垛机械手系统分析模型

1.1 码垛机结构

型材码垛机械手主要用于码垛6 m至12 m定尺中小型钢，如工字钢、角钢、槽钢、H型钢等(不包括T型导轨等特殊要求型钢)，码垛捆型符合规范或市场要求。其主要由架体、机械臂及其驱动机构、前端小臂、前端杆系、翻转电磁铁及其驱动机构、平衡气缸以及检修平台等组成，如图1所示。

图1 型材码垛机结构示意图

图1中，机械臂、主驱动液压缸及主传动系统组成曲柄滑块、曲柄摇杆合成机构，主驱动液压缸驱动通过合成机构驱动机械臂做前后摆动运动；前端小臂、前端杆系构成双四连杆机构，保证前端小臂在机械臂摆动过程中保持固定姿态不变；翻转电磁铁驱动机构由曲柄滑块机构、三级齿轮传动组成，能够在翻转液压缸的驱动下完成电磁铁正反向翻转，保证特殊钢种正反交叉码垛需求。由于翻转电磁铁为固定位置的翻转动作，故其不作为本研究主要关注对象，文中主要研究对象为具位置、速度控制要求的机械臂系统。

1.2 码垛机械手运动仿真验证模型

ADAMS是专业的机械系统动力学分析软件，已在汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用，ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等[7-9]。但ADAMS很难精确建立复杂的三维实体模型，因此文中选择采用CAD建模软件Inventor建立上述码垛机械手三维实体模型，然后通过ParaSolid中间格式文件导入ADMAS建立码垛机械手运动仿真模型。在ADAMS中，对导入的每个零部件进行编辑，定义其材料、质量、转动惯量等相关属性，使仿真模型与实际物理样机具有极为相近的物理特性，以较好地模拟实际系统。

此外，对码垛机械手进行运动学及动力学仿真，还需为导入部件定义约束及驱动。运动副及驱动定义如下：架体与地面之间定义固定副，机械臂与架体之间定义铰接副，主驱动液压缸两侧接头连接均采用铰接副，液压缸与活塞杆之间定义移动副，主传动系统各连接处均采用铰接副；前端小臂、前端杆系、旋转电磁铁之间以及齿轮与齿轮箱之间均采用铰接副，齿轮传动定义齿轮副，翻转液压缸及平衡气缸的运动副定义与主驱动液压缸类似。建立的码垛机械手运动仿真模型如图2。

图2 型材码垛机械手多体动力学模型

1.3 码垛机械手电气控制及液压系统

为验证模型正确性，在主驱动液压缸、翻转液压缸的移动副上添加运动，定义运动曲线，检查码垛机械手运动模型。

图3 型材码垛机械手主驱动液压原理图

(1)液压系统模型。型材码垛机械手液压驱动系统由液压泵、蓄能器、比例阀及其他辅件组成，其工作原理如图3。比例阀安装在靠近液压缸的架体上，便于机械臂精确控制；蓄能器放置在机械臂近侧，保证液压回路的压力稳定。在ADAMS中，直接调用液压模块，按照图3液压原理构件ADAMS液压仿真模型，并设置各元件参数。

(2)电气控制系统模型。电气控制系统由传感器及其反馈电路、AD/DA转换电路、控制器、信号放大电路等组成，传感器采用绝对值编码器检测机械臂摆动角位移信号，采用激光测距仪校正、检验机械臂到位信号。电气控制系统通过编码器检测当前转角信号θ，与期望转角θ0比较得到误差e，然后通过PD控制器，经功率放大器后输出电液比例阀电流信号i，其工作原理如图4所示，控制器输出电流信号为

i=Kf(Kpe+Kdē)

其中：ē为角位移误差一阶倒数；Kp为比例增益；Kd为微分增益；Kf为功率放大增益。

按照图4所示PD控制回路，在MATLAB/Simulink中构建型材码垛机械手电气控制系统模型，如图5所示，并保证模型能够正常运行。

图4 PD控制回路

图5 MATLAB/Simulink控制系统模型

2 基于MATLAB和ADAMS的码垛机械手联合仿真分析

2.1 联合仿真模型

图6 型材码垛机械手联合仿真模型

型材码垛机械手是机电液一体化系统，因此将上述各独立仿真模型进行整合，构成完整的机电液仿真模型，以真实反映实物样机的各项特性。在ADAMS中取消型材码垛机械手主驱动上的移动运动副，将液压模型中的液压缸与机械动力学模型中的液压缸Marker定义连接；通过ADAMS/Control模块，定义输入输出变量，并导出中间格式文件model.adm、model.cmd以及model.m；在MATLAB中通过adams_sys命令调入封装的型材码垛机械手ADAMS模型，替代Simulink中的线性化数学模型，最终得到完整的型材码垛机械手联合仿真模型，如图6。

2.2 联合仿真结果与分析

一般而言，为分析型材码垛机械手动力学特性，采用理想的匀加速—匀速—匀减速驱动模型此时的模型过于理想化，且不能准确判断系统的动态特性。文中采用PD控制算法，给定同幅值阶跃信号，对上述型材码垛机械手联合仿真模型进行仿真分析，得到际的码垛机械手动态特性如图7。图7中，实线为预期的理想运动曲线，设定运动时间为5 s，前1 s为匀加速运动，1～4 s段为匀速，4～5 s段为匀减速运动；虚线为PD控制器驱动下系统的实际运动曲线，与实验数据更加吻合。，

图7 系统阶跃响应特性

从图7可以看出，理想的匀加速—匀速—匀减速驱动模型得到的系统阶跃响应较为平缓，瞬态加速度较小，动态受力特性较为平整，不会出现明显的波峰或冲击，但其响应过程受到人为影响，与PD控制器驱动下系统的动态响应差距较大，PD控制算法下系统阶跃响应时间仅2.5s，其瞬态加速度相对较大，受力情况也相对恶劣，若采用理想的匀加速—匀速—匀减速驱动模型，仿真得到的受力特性将会严重偏离实际情况，可能会导致设计驱动功率不足、结构刚强度较低。因此，采用ADAMS、MATLAB /Simulink联合建模仿真分析方法，能够更好的模拟实际系统的动态响应情况，提高设计精确性。

3 结 论

本文通过Inventor、ADAMS及MAT LAB/Simulink建立型钢码垛机械手机单学科多体动力学模型和多学科电液联合仿真模型，对比研究理想的匀加速—匀速—匀减速驱动模型、PD控制器驱动模型下型钢码垛机械手的动态特性。仿真结果表明，单学科下理想的匀加速—匀速—匀减速驱动模型过于依赖人为设定，不能真实反映型钢码垛机械手的动态特性；多学科机电液联合仿真分析模型能够较为精确地模拟型钢码垛机械手的动态响应过程，为后续有限元分析、疲劳寿命以及可靠性分析提供依据，大幅度提高型钢码垛机械手系统研制的效率，降低研发成本，提高产品设计的质量。