基于Pro/E和ADAMS的绝缘子带电干冰清洗机器人的运动仿真分析

孙景福，唐术锋，李华雷

（1.内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

随着社会经济的迅速发展，大气中的污染物种类越来越复杂，污染程度也越来越高,污秽的产生对电力系统的安全运行造成了极大的威胁[1]。绝缘子带电干冰清洗作业是保证电力系统能安全、可靠运行的重要环节，其清洗效果直接影响到设备的维修和运行型。因此，本文从绝缘子清洗效果和环保的方向出发，以带电干冰清洗机器人为研究对象，采用Pro/E技术对该机器人进行三维模型样机的建立，结合仿真软件ADAMS综合对其进行运动学仿真分析。

1 绝缘子带电干冰清洗机器人运动学分析

应用机器人运动学求解常用方法D-H法[2]，此方法计算起来比较复杂，为了增强机器人整体刚性，提高控制精度及其稳定性，该机器人采用平行四边形连杆结构，为了便于对并联部分的运动进行分析求解，设置一个固定坐标系XOY，随平行四边形部分绕腰部一起转动[3,4]，如图1所示，为绝缘子带电干冰清洗机器人运动机构简图。

图1 绝缘子带电干冰清洗机器人运动机构简图

1）正求解计算

机械臂部分由开始位置运动图示位置时，大臂l1与X轴的夹角为α，连杆l2与X轴的夹角为β，O点坐标为（0, 0），C点坐标为（X1, Y1），D点坐标（X2,Y2），E点坐标为（X,Y）。

如以上机构简图，RtΔOCG中则C点坐标为：

在RtΔCFD中则D点坐标为：

由式(1)、式(2)可得工具末端E点的坐标为：

把l1=1285mm，l2=230mm，l3=1310mm，l4=375mm带入式(3)可得：

2）逆求解计算

逆求解计算是已知工具末端E点的坐标，然后来得到大臂与X轴的夹角α，连杆与X轴的夹角β，已知E点坐标可得到D点的坐标，即：

如图1所示，在ΔOCD中，

同理可得：

综上式(5)、式(6)和式(7)可得：

把l1=1285mm，l2=230mm，l3=1310mm，l4=375mm带入式(8)可得：

2 基于Pro/E绝缘子带电干冰清洗机器人的三维模型的建立

利用ADAMS进行三维实体建模比较困难，这里借助Pro/E 5.0软件对绝缘子带电干冰清洗机器人各个零件进行三维实体建模，然后再导入到ADAMS中进行仿真分析[5]。

首先借助Pro/E 5.0软件，利用其实体建模模块提供的功能，如拉伸、旋转、阵列、扫描、混合、倒角、螺纹孔等，建立各个零件三维实体模型；并将建立好的各个零件的三维实体模型保存在工作目录[6]。

然后进入装配模式后按设计要求正确装配零部件，并根据连接方式对每个零件进行约束。这里要注意的是基件的装配位置，第一个零件的放置会影响到导入ADAMS后的显示位置。图2所示为绝缘子带电干冰清洗机器人三维模型的截图。

图2 绝缘子带电干冰清洗机器人三维模型

3 运动学仿真

3.1 模型的导入

由于Pro/E中的三维样机模型直接输出的格式并不能在ADAMS中进行直接调用，所以采取在Pro/E中导出x_t格式，再将该模型导入到ADAMS中。打开ADAMS/View界面，然后单击主菜单中的File→Import，单击Import会出现文件导入对话框如图3，并按照图3进行设置，然后单击OK，完成了模型的导入[7]。

图3 文件导入对话框

3.2 设置仿真环境的参数

1）设置工作栅格和单位。

2）按仿真环境中的模型设置正确的重力方向。

3）修改样机模型的每一个零部件的材料属性（整个机器人零部件中，除了底座和部分连杆为硬质铝合金LY12外，其余零部件材料均为MC尼龙66）。

3.3 模型的简化

由于导入的模型比较复杂，会影响仿真结果，因此要对虚拟样机模型进行简化处理，首先删除相对于样机模型没有运动关系，且质量很小的零件，如螺栓、螺母或者垫片等，然后利用布尔和操作将相互之间不存在运动关系，并且材料属性有相同的部件连接在一起，图4为简化后的虚拟样机模型。

图4 简化后的虚拟样机模型

3.4 运动副的建立

设置各个连杆之间的运动关系，完成各运动部件之间的运动副的建立。具体连接关系如表5所示，最终虚拟样机模型如图5所示。

表1 连接关系

图5 虚拟样机模型

3.5 仿真分析

本文中基于机器人的工作情况，工具末端做垂直升降，给工具末端添加移动副，并添加驱动，然后对仿真对话框进行设置End Time=180，Step=400，进行仿真，得到主臂和连杆的角速度曲线如图6和图7所示，并测得工具末端的位移曲线如图8所示，然后通过ADAMS/Post processor生成主臂和连杆的速度样条曲线分别命名为ZB_2和LG_2，返回ADAMS/View界面，把样条曲线添加到主臂和连杆上，即把主臂上的驱动MOTION_ZB修改为1d *CUBSPL(time,0,.robot_20141108.ZB_2,0)，把连杆上的驱动MOTION_LG修改为1d * CUBSPL(time,0,.robot_20141108.LG_2,0）并把工具末端的移动副和驱动进行抑制，再次对虚拟样机进行仿真分析[8,9]。

图6 主臂电机的运动角速度曲线

图7 连杆电机的运动角速度曲线

图8 工具末端运动轨迹图

3.6 仿真结果与分析

运动仿真结束后，利用ADAMS/Post processor模块可以得到连杆在任意时间的关节变量值以及任意点的位移、速度和加速度曲线，图9为工具末端在运动平面内X、Y两个方向上的位移、速度和加速度曲线。

图9 工具末端位移、速度和加速度曲线

4 结束语

本文对绝缘子带电干冰清洗机器人进行了运动学分析，得到了运动学正解和逆解计算，为机器人的运动控制和轨迹规划奠定了基础。本文利用Pro/E技术对零件进行三维建模和装配，然后再将模型导入ADAMS中进行仿真分析，这样既能克服ADAMS软件三维建模能力差的缺点，又能很好地对机器人进行运动学分析，能直观地观察到机器人工具末端的位移、速度和加速度，为以后的清洗过程控制和运动学分析奠定了基础，此技术的成熟可简化产品开发过程，缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量。

[1]王瑜,惠建辉.电力设备带电绝缘清洗技术与实践[J].洗净技术,2003,(2):16-19.

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[4]刘清,韩宝玲,罗庆生,黄麟.S7-200可编程控制器在新型智能码垛机器人中的应用研究[J].制造业自动化,2008,30(7):39-43.

[5]李俄锋,徐学林.基于Pro/EADAMS的林木干果采摘臂的运动仿真分析[J].林业机械与木工设备,2010,38(2):34-36,48.

[6]张云静.Pro/ENGINEER野火5.0中文版从入门到精通[M].北京:电子工业出版社,2010.

[7]刘爱敏,韩衍昭,王丽萍.基于Pro/E和ADAMS的齿轮减速器动力学仿真[J].煤矿机械,2011,(9):47-49

[8]徐东涛,孙志礼.基于ADAMS的平动机构运动轨迹的规划与验证[J].机械与电子,2010,(9):59-62.

[9]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社,2006.