小型机械手摆臂平衡技术研究

一、前言

随着我国经济的持续发展, 核能作为安全、清洁能源在我国能源战略中地位日益突出, 在保证安全的前提下, 我国核电机组按照国家规划合理增加[1]。为提高核燃料利用率, 我国核工业采用核燃料闭式循环路线[2]。伴随反应堆中核燃料燃耗的加深, 核燃料裂变将不能维持核电站发电功率, 这些未燃尽的核燃料称为乏燃料[3]。乏燃料后处理是闭式循环中不可缺少的一个环节。

远距离操作及维修 (Remote Handling and Maintenance) 技术是在核技术及核工业的发展中应运而生的。机械手作为重要的远距离操作和维修工具, 有着不可替代的位置。机械手可以完成起重运输、工艺操作及维修工作。评价机械手性能的一个重要指标就是机械手平衡系统的平衡性, 其作用是尽可能平衡掉机械手因自重产生的阻力矩以及传动系统的摩擦力矩, 使得机械手在正常操作过程中, 操作人员只需克服被操作物产生的负载, 从而感受到的为真实的操作力。平衡效果的好坏直接影响操作的体感, 好的平衡系统能够降低操作人员的操作强度, 提高操作的准确性。机械手的平衡计算是机械手设计的难点, 平衡系统计算需要获取各个手臂的质量、重心位置。因机械手零件外形多为不规则小零件、装配关系复杂, 零部件数量多, 传统方法采用二维设计, 零部件质量, 重心等计算复杂, 装配后, 计算更加困难, 计算时需对零件进行简化处理, 费时费力, 且计算结果不准确。

小型机械手应用于后处理厂、放化实验室、同位素生产等领域的防护工作箱上, 是防护工作箱上的重要设备, 属于关节式主从机械手, 和热室用关节式主从机械手结构大同小异, 同样主要由主动上臂、主动前臂、穿墙管、从动上臂、从动前臂、平衡系统等组成, 最明显的不同点是相比热室用关节机械手, 小型机械手外形尺寸小, 结构更加紧凑, 操作重量轻, 操作更加轻便。紧凑的结构下, 同样具有7个独立自由度, 运动复杂, 小巧的结构尺寸限制其不可采用传统的重力平衡方式, 需使用新型的恒力弹簧平衡系统, 此种平衡方式有待深入开展研究工作。小型机械手结构图如图1所示。

二、运动状态分析及力学模型建立

机械手运动为主从运动形式, 主、从端为镜像结构, 主动端的运动通过传动系统在从动端实现运动的复现。即主动前臂与从动前臂同前同后, 主动上臂与从动上臂同上同下, 从动手臂相对旋转中心O’的力矩通过传动系统传递到旋转中心O, 其力矩大小相等, 方向相反。

小型机械手运动过程中, 主动前臂与从动前臂运动状态为同前同后, 主动前臂相对旋转中心O的重力矩变化趋势与从动前臂相对旋转中心O’的重力矩变化趋势始终相反。因主、从端为镜像结构, 主动前臂与从动前臂质量相似、重心距离各自旋转中心距离相近, 为简化计算, 取从动前臂的重量, 重心距离旋转中心的距离与主动前臂相同, 即主、从动前臂相对旋转中心的重力矩相等, 主从运动时, 主、从动前臂的合力矩不变, 这种简化的误差是可以接受的。因此, 机械手的复杂运动可以简化为主、从动上臂带动主、从动前臂始终竖直状态的上下摆动运动。基于此, 建立小型机械手运动状态力学模型, 小型机械手的运动示意图和力学模型图如图2所示:

三、摆臂平衡特性分析

三维建模较传统的二维设计, 优势明显, 可以直接测量零部件质量、重心参数, 快捷准确。利用三维建模建立小型机械手的三维虚拟机可直接获取各个手臂的质量、重心位置。小型机械手力矩计算需要的参数如表1所示, 该表中参数与2节力学模型图相对应。

(一) 重力矩运动特性分析

机械手在水平空载状态下, 重力矩达到最大值。利用力的平移原理, 将从动前臂、主动前臂的作用效果平移到A、B点;主动端对O点取矩, 从动端对O’点取矩。从动端与主动端为主从运动, 通过交叉的链条传动, 即O’的力矩在O点的作用效果为一个大小与O’点力矩相等, 方向与O’点力矩相反的力矩, 恒力弹簧平衡系统提供相反的平衡力矩。

将所有力和力矩平移到O点进行合成, 小型机械手摆臂平衡条件为:

G:手臂重力对O点合力

N:O点提供的支持力

M:手臂重力对O点合力矩

:各手臂重力对O点分力矩

Mt:弹簧对O点力矩

作用在O点的合力被旋转中心支撑部位平衡, 即;当主动上臂向上摆动一定角度θ时 (规定向上摆动为正方向, 图2只示意出向上摆动) , -≤θ≤, 按照简化算法, 机械手的复杂运动可以简化为主、从动上臂带动主、从动前臂始终竖直状态的上下摆动运动。计算各手臂力矩值:

主动上臂重力对O点分力矩:

主、从动前臂重力对O点分力矩:

从动上臂重力对O点分力矩:

手臂重力对O点合力矩M:

由分析结果可知, 重力矩为标准的余弦函数, 幅值是各手臂重力矩之和。

(二) 弹簧力矩特性分析

将恒力弹簧平衡系统转化为力学模型, 进行受力分析, 如图3所示。以O点位坐标原点, O点坐标为 (0, 0) , A点坐标为 (b, a) , M点坐标为 (R cosθ, R sinθ) , 由三角函数关系可得α、β值, 即可得出γ值, 弹簧对O点力矩Mt=Ft×R×cosγ。

计算角α:

由余弦定理可得

计算角β:

计算角γ:

由分析结果及力学模型可知, 通过调整参数, 用弹簧力矩来平衡重力矩是可行的。

四、实例分析

本文以防护厚度为100mm的小型主从机械手作为分析案例, 其主要参数如表2:

带入计算公式后, 可得手臂重力对O点合力矩M:

由重力矩随手臂摆动的函数关系, 绘制出重力矩-摆角曲线:

弹簧对O点力矩Mt:

恒力弹簧平衡系统需要达到的理想预期效果为完全平衡, 完全平衡条件为任意位置Mt=M, 这一条件需要使得弹簧力矩变化趋势与重力矩相同, 据分析结果可知, 重力矩在小型机械手手臂水平状态时达到最大值, 这需要恒力弹簧平衡系统提供的弹簧力矩在此状态同时达到最大值, 即 (b+) =R=Lt, 弹簧力矩Mt=Ft×R=M, 可得Ft。

恒力弹簧已经形成标准产品, 查得恒力弹簧标准产品样本, 8kg产品与需求最相近, 此时对应的恒力弹簧直径D为40mm。b=Lt-0.5D。

需要优化的参数只有a, 取符合小型机械手结构尺寸 (200≤a≤350) , 且有代表性理的参数a值200、250、300、350, 得到以下曲线 (见图5) :

由重力矩计算结果和重力矩——摆角曲线图可知, 小型机械手摆臂过程中, 手臂的重力矩和手臂摆角成余弦函数关系, 在手臂水平状态时达到最大值。

由恒力弹簧平衡系统力学模型和计算结果可知, (b+) =R=Lt时, 恒力弹簧提供的弹簧力矩与重力矩变化趋势一致。在一定范围内, 参数a值越大, γ角的突变越小, 恒力弹簧提供的弹簧力矩突变越小。

由弹簧力矩计算结果和弹簧力矩、重力矩——摆角曲线图可知, 恒力弹簧平衡系统提供的弹簧力矩和手臂摆角成余弦函数关系, 在参数a取合理范围时, a值越大, 两曲线的拟合程度越好。

分析两曲线的位置关系可知, 在小型机械手摆臂过程中, 手臂向下摆动时, 弹簧力矩大于重力矩, 手臂自然状态时, 会自动上摆, 当上摆至两曲线交点对应的角度时, 手臂保持平衡;手臂向上摆动越过平衡角度时, 弹簧力矩小于重力矩, 手臂自然状态时, 会自动下摆, 当上摆至两曲线交点对应的角度时, 手臂保持平衡;平衡点位于水平位置偏上的一个小角度处, 符合机械手平衡点的设置要求。

五、结论

本文重点针对小型机械手摆臂平衡技术进行研究, 提供恒力弹簧平衡系统方案, 该系统仅有恒力弹簧和相应的固定结构, 重量轻, 安装空间小, 结构简单、紧凑, 且能基本实现机械手任意位置的平衡, 符合机械手平衡点的设置要求。

应用三维建模建立了机械手的三维虚拟机, 给零件赋予材料属性, 把零件进行装配, 得出各部件的质量、重心位置, 通过改变部件之间的约束, 模拟分析手臂可能的运动状态, 研究手臂重力矩计算的简化方法, 简化方法合理, 误差是可以接受的。

通过对小型机械手摆臂平衡技术进行研究, 并计算分析, 得出运动过程中重力矩随手臂摆动的函数关系, 绘制出重力矩-摆角曲线以及弹簧提供的力矩随手臂摆动的函数关系, 和弹簧力矩-摆角曲线, 研究恒力弹簧的参数和弹簧安装支架的位置参数对曲线的影响, 将两曲线进行对比, 结合机械手的结构尺寸及使用习惯进行参数优化, 得到了该成果对于小型机械手的平衡系统方案选取和系列化的小型机械手平衡系统的设计及改进具有重要指导意义, 有助于为未来的核燃料后处理工程提供优秀的远距离操作工具, 为今后乏燃料后处理工程的设计奠定坚实的技术基础。

摘要：在乏燃料后处理领域, 机械手是科研、生产必不可少的远距离操作工具, 应用于工作箱的小型机械手是工作箱上的重要设备。机械手平衡系统的优劣直接影响操作的体感和使用效果, 为了研究小型机械手的摆臂平衡技术, 本文应用三维建模建立了机械手的三维虚拟机, 分析手臂可能的运动状态, 研究手臂重力矩计算的简化方法, 得出运动过程中重力矩随手臂摆动的函数关系, 绘制出重力矩——摆角曲线;设置恒力弹簧平衡系统对手臂的重力矩进行平衡, 得出弹簧提供的力矩随手臂摆动的函数关系, 绘出弹簧力矩——摆角曲线;研究恒力弹簧平衡系统参数对曲线的影响, 将两曲线进行对比, 结合机械手的结构尺寸及使用习惯进行参数优化。该成果对于小型机械手的平衡系统方案选取和系列化的小型机械手平衡系统的设计及改进具有重要指导意义, 有助于为未来的核燃料后处理工程提供优秀的远距离操作工具, 为今后乏燃料后处理工程的设计奠定坚实的技术基础。

关键词：小型机械手,摆臂平衡,三维虚拟机,恒力弹簧

参考文献

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