油罐清洗机器人自激脉冲装置的动力学仿真

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油罐清洗机器人是石油化工行业机械化清灌的重要而有效的工具，机器人在罐内可以自动移动 ，打散 、清扫或吸出沉积物。清洗装置是油罐清洗机器人的重要作业机构，可以按照环境需要设计成清扫刷机构、铲板机构或者高压喷射机构ll，多数油罐清洗机器人的高压喷射机构采用云台或者机械手臂等方式，所述自激脉冲装置即是机械手臂式喷射机构，由机械手臂带动自激脉冲喷嘴变换位置和角度进行清洗作业。目前国内相似的技术和装置有：发明专利 CN100500308C提供了-种高压水射流在线清洗机器人技术，利用伸缩机械臂、回转机械臂、高压软管及喷头组成了高压水射流装置 ；发明专利 CN102085907A提供了-种船舱清洗机器人，其高压水枪可以在垂直 360。旋转对船舱进行清洗 ；发明专利CN101430176B提供了-种凝汽器智能移动清洗机器人，利用旋转支架带动喷枪旋转进行水射流清洗等 以上设备和技术各具特色，但不足之处主要在于采用高压直流水射流清洗，高压对被清洗物体具有-定的破坏作用且浪费水源，喷嘴的高压反作用力对机械臂选材提出了更高的强度要求。本装置的创新点在于采用自激脉冲低压水射流，大大减小了上述负影响。

2模型的建立2.1虚拟建模根据工作要求设计零部件，在 SolidWos中画出草图，设定草图的某些数值参数(长度、角度等)，即可得到所需参数的几何模型[61。自激脉冲装置的主要零部件有：液压马达、伸缩梁、液压伸缩缸和自激脉冲喷嘴等。对于所用齿轮和轴承等复杂零件的设计，可以使用外部、二次开发或者 SolidWorks自带插件完成，方便快速。

虚拟装配(Virtual Assembly)是产品设计的重要环节 ，是检验机器设计的合理性和可靠性的重要方法，为重新设计零件部件和优化设计方案提供了重要依据，降低了设计成本。SolidWorks通过装配体中配合”的各种命令，将各个零件装配在-起，反映了零件之间的相互约束、相对运动以及位置关系。当要求机构模拟物理运动时需用到高级配合，此时需加-些虚拟辅助装置(线性马达、旋转马达、线性弹簧等)(图略)。

来稿日期：2012～10-14基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目(102-00x903)作者简介：李 悦，(1988-)，男，河南周口人，硕士生，主要研究方向：机械设计、智能机器人；周利坤 ，(1970-)，男，陕西西安人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：油库站建设、机器人设计No.8Aug.2013 机械设计与制造 83以上是自激脉冲喷嘴上下变化角度为0∏和120∏位置的有限元分析图解，从图解可以得出结果数据，如表 1所示。

表 1有限元分析结果Tab.1 Result of FEA最大应力(n/m )最小应力(rgm：)最大应变(ram)最小应变(ram)从表 1可知，整个自激脉冲装置在工作过程中的最大应力小于合金钢的许用张力，强度满足要求；从图 1和图2中云图可以看出存在轻微的应力集中现象，但最大应变仪常微小，可以忽略不计。完全不影响装置的正常工作。因此，有限元分析结果表明：整个装置在选材和强度方面满足设计需求，且作业过程中可靠性强。

4 ADAMS仿真分析4.1动力学建模及分析整个自激脉冲装置在进行动力学分析时近似于二连杆机械臂，因此可以建立动力学模型并进行分析 ，如图3所示。

- 图 3动力学分析模型Fig.3 Dynamic Analyzing Model多刚体系统的拉格朗日动力学方程的基本表达式为：軎(詈)-等r式中：q-广义坐标 ；r-广义力。

对于-个单独的刚性连杆，设转角 0是广义坐标，有：1 .2K÷坩，PmgLcsin0由式 dtfl盟l普 以得到：lOmgLcosO-r根据自激脉冲装置的动力学模型。设 、 是广义坐标，n、是广义力。两个杆的动能和势能分别为：杆 l：K。 1 m qT口cl-tcO。，P。m c sin口杆2： m： T 1 。f》：)，P2m2g[1I sin0Icsin(0I02)式中： c.- 杆 1质心 Ct( c。，Yc.)的速度向量；c2-杆 2质心 C2(x ，Yq)的速度向量。

c2dx。. 1山 I亟 Ildx 1山 lfJ(fl cosO。)aEd (t-sin )d、l·c。 fc2C08(0102))軎(flsin )fc sin( 02)拉格朗日算子是：LK。 -P2代入軎(等)- OLr导出相应的式子，最后整理成：M(O)OC(0. ) ( )其中，Mc8 ( )，c ， (芝)MI-.m。fc2，cm：(f12fc22l，lqc。s02)tM。：m ( z，f2cos )，cl l2M2m2 ，cCl-m l。lqsi胡2( 2 l ：)C2m2fI lqsin0：0lml ccos0lmzg[1lcosOllc cos(01o2)g2m2 Gcos(01 )4.2 ADAMS仿真ADAMS软件是 目前世界上最具权威、使用范围最广的机械系统动力学分析软件，其强大的分析功能以及与多种 CAD软件的数据交换功能使其在多种领域得到广泛应用。利用ADAMS软件，可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统模型。该模型既可以是在 ADAMS中直接建造的几何模型，也可以是从其他CAD软件中导出来的几何模型。本仿真中采用 SolidWorks建立的自激脉冲装置的装配体模型，将其保存为 Parasolid格式 ，然后导入ADAMS中脚。在ADAMS中编辑材料、添加约束、添加运动和载荷机械设计与制造NO.8Aug.2013等。最后进行计算和后处理以及修改优化。

在 ADAMSNiew中建立的自激脉冲装置的动力学模型，如图 4所示。

图4动力学仿真模型Fig.4 Dynamic Simulation Model在 ADAMS/PostProcessor中对该模型进行计算和后处理，可以得到伸缩梁之间的角度随时间变化的曲线图，同时可以得到自激脉冲喷嘴的位移、速度和加速度随时间变化的曲线图，如图 5所尔。通过埘各种数据的仿真分析，可以得到初步的结果，并与预想进行比较，以便检查和优化改进设计中存在的不足。

J三 、、 、 、 (a)伸缩梁之间角度# - - ， J - ～ ， ， / / ， J/ r ， 二 。 ，- ， - - - 1 0 1 0 2 0 3 0 40 5 ) 60 70 80 90 10(b)喷嘴位移曲线1毫 HIHM vd ～ mtRBNi 、 ～/ 、.。

/ 。、，/ ， 、/ 、/ 、 // ～～ ， - (c)喷嘴线速度曲线 -- x maM.A cxI ： 而·。

-I ～ I x c zI --，-- - ： H ， -- / 、/ /， 、 、 /. / 。

(d)喷嘴线加速度曲线图5后处理曲线图Fig.5 Post-Processor Result Graph从以上后处理的曲线图可知，伸缩粱之间的角度以及自激脉冲喷嘴的位移和线速度随时间不断变化，曲线连续而平滑，没有突变。仿真结果表明：自激脉冲装置在作业过程中稳定转动、伸缩梁逐渐伸展，整体运行平稳，符合设计技术要求，稳定性强。

5结论通过 SolidWorks和 ADAMS联合建立了油罐清洗机器人自激脉冲装置模型，进行了有限元分析和运动学、动力学仿真分析，并获得了其结构、运动学和动力学特性。分析结果表明，基于SolidWorks和 ADAMS建立的虚拟样机模型具有较高的精度，装置可以按照设计要求进行工作，且可靠性、稳定性强。经过j维可视化仿真处理，可模拟现实环境下的实验分析，为研究提供了理想的平台，提高了工作效率，降低了开发成本 ，为物理样机的设计提供了可靠的依据。