喷浆机器人液压驱动器动态特性的研究.pdf

第 2 8 卷第 1 O期 2 0 0 7年 1 O月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i ne r y v 0 1 ． 2 8 N 0 ． 1 O O c t ．20 07 霄 试验 研 究 聊 喷浆机器人液压驱动器动态特性的研究 王晓宁 ，苏学成 。刘纪敏 ，张志献 1 ． 山东科技大学 信电学院，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ；2 ． 山东科技大学 ，山东 泰安 2 7 1 0 0 0 摘要 砌一x型喷浆机器人 的大臂为一闭链机构并用液压油缸进行驱动 ，要建立其动 力 学方程，必须对电磁比例阀控制的液压驱动器动态特性进行分析 ，将 两者结合在一起 ，可得 出整 个 系统的动态方程，使其输入输 出关系确定，为喷浆机器人的仿真 实验及 实际控制提供 了重要依 据。 关键词 喷浆机器人 ；闭链机构 ；液压驱动器；动态特性 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 { 2 0 0 7 1 0 ． 0 0 3 0 ． 0 2 S t u d y o n Dy n a m i c Pr o p e r t i e s o f Hy d r a u l i c Ac t u a t o r o f S h o t c r e t e Ro b o t WA N G X i a o n -Ⅱ l g ， S U X u e c h e n ， L I U J i n n ， Z I I A N G z 一 x ln I 1 ． C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a n d o n g U n i v e r s i ty o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Q i n a 0 2 6 6 5 1 0 ， C h i n a ； 2 ．S h a n d o n g U n i v e r s i ty o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i ’ an 2 7 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e u p p e r a l l n o f t h e s h o t c r e t e r o b o t i s a c l o s e d c h a i n me c h a ni s m．I t i s a c t u a t e d b y t h e h y d r a u l i c act u a t o r ．T h e p r o p e r t i e s o f t h e h y d r a uli c a c t u a t o r ，c o n t r o l l e d wi th e l ect r o ma g n e t i c p rop o r t i o n a l v a l v e，h a v e b e e n an aly z e d．C o mb i n e d wi t h the d y n a mi c e q ua t i o n o f the u pp e r a l T l l ，the d yn a mi c s o f the s y s t e m，i ． e．the i n p u t o u t p u t r e l a t i o n s a r e g i v e n．T h e s e a r e i mp o r t a n t a s p e c t s f o r t h e s i mula t i o n a n d c o n t r o l o f t h e r o b o t ． Ke y wo r d s s h o t c r e t e r o b o t ；c l o s e d c h ain me c h a n i s m ；h y d r a u l i c a c t u a t o r ；d yn a mi c p r o pe r t i e s 0前 言 R P J X型喷浆机器人 主要用于矿山井下巷道 的锚喷支护作业。在工作过程 中， 它 的大臂由液压 油缸驱动并在铅锤面内做俯仰运动， 再配合小臂的 水平摆动和喷枪 的旋转完成喷射混凝土的操作。喷 浆机器人的大臂为一闭合的四连杆机构， 并有 自身 的特点 。另一方面 ， 喷浆机器人用 由电磁比例 阀控 制的液压油缸进行驱动， 因此 ， 必须考虑液压驱动器 的动态特性 ， 并与机器人 的动力学方程相结合， 才能 建立整个系统的动态方程。 1 液压驱动器的动态特性 用液压油缸驱动喷浆机器人大臂的主动杆 1 的 原理如图 1 所示。 力矩 图 1 液压驱动主动杆 1原理图 液压驱动器产生 的推力 F作用 于主动杆 1的 r l r Fs i n a 又由正弦定理和余 弦定理得 l s l B 丽 由式 2 、 式 3 可得 ． 1 s i n 0 1 2 3 4 将式 4 代人式 1 得 F J O 5 ／ z z 一 2 z ，z C os 0 其中 6 设 A 为活塞 的有效面积 ， P为 油缸腔 内的压 差 ， 则式 5 可重新表示为 r ． ， 0 7 根据通过阀口的紊流平方根律， 并忽略热交换 等 ， 可以写出流过阀口的流量 Q K ／ p 一s ig n P 8 K C d nd q p 式中 滑阀的位移； 一 3 0 维普资讯 第 2 8 卷第 1 0期 喷浆机器人液压驱动器动态特性的研究王晓宁 ， 等 V o 1 ． 2 8 N o ． 1 0 阀口流量系数 ； d 滑阀直径 ； p 油液密度 ； p s 供油压力 ； p 油腔内的压差 。 另一方面， 设液压缸内活塞的位移为 Y ， 则有关 系式 Q 9 式 中 ， 泄漏系数 ； 液压油的总体积； 油液的容积模数 。 由式 8 、 式 9 得 1 0 由式 7 和式 1 0 可得 W 0 rN 0 R 0 k o x 1 1 其中 吣 - 1 Ⅳ ‘， ， k 。 M K v A ， J O ／ p , -s i g n x p。 而 电磁 比例换向阀的输人输 出关系为 i 1 2 式中 电磁阀的位移增益 ； 线圈电流 。 将式 1 2 代人式 1 1 得 W 0 rN 0 R 0 1 3 其 中 k o 。又由喷浆机器人结构 的几何关系 可知 02 n 一0 0 0 1 1 4 式中 已知常量 ； 连杆 1 与水平 轴间的夹角。 将式 1 4 代人式 1 3 得 0 1 r／ 7, 0 1 r 0 1 5 其中 0 ， 、 ／ 7, 0 ， 和 r 0 可分别 由将式 1 4 代人 上述 W 0 、 N 0 和 R 整理后得出。 驱 动 器 的动 态特 性 已由式 1 5 确定 ， 它 直接 描 述 了控 制 输 人 电 流 i 与 作 用 力 矩 r之 间的关 系 。 2 总动态方程 将喷浆机器人大臂的动力学方程和液压驱动器 的动态特性式 1 5 结合在一起 ， 即可求出总的动态 方程 M 0 1 0 1B 0 1 ， 1 1 D 0 1 ， 1 1 H 0 ， 1 K 0 1 i 1 6 其中， B 0 1 ， 0 1 0 1 0 1 0 1 C 0 ， ， ， D 0 ， ， C 0 ， ， ， 0 ， C 0 ， ， ， 一 n o 1 ， H O 1 ， 0 1 e 0 1 户 0 1 0 1 G 0 0 1 F 0 1 K 0 1 一r 0 1 K q 。 3 结 语 对液压驱动器 的动态特性进行了分析 ， 得出了 电磁比例阀的控制电流 i 与液压驱动力矩 r的关系 式 ， 并 与喷浆机器人大臂的动力学方程相结合得 出 了整个系统的动态方程 ， 该方程直接描述 了控制 电 流 i 输人 与喷浆机器人主动杆 1 角位移 0 输出 的关系 ， 为整个系统的仿真实验 和实际控制提供 了 依据 。 参考文献 [ 1 ] 樊炳辉， 逢振旭， 苏学成， 等． 一种机器人大臂结构的优化设计 [ J ] ． 机器人 ， 1 9 9 5 ， 1 7 6 3 2 53 3 1 ． [ 2 ] 王晓宁 ， 苏学成 ， 樊炳辉 ． 用 约束条件进 行解耦 的喷浆机 器人大 臂动力学方程 [ J ] ． 煤 矿机械 ，2 ．O O 7 ， 2 8 4 5 1 5 3 ． [ 3 ] 李云江 ， 樊炳 辉 ， 荣学文 ． 喷浆机器 人手臂结 构设计 [ J ] ．冶金矿 山设计与建设 ， 1 9 9 9 ， 3 1 5 3 0 3 2 ． [ 4 ] 陆一心， 顾建， 凌智勇． 液压与气动技术[ M ] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 4． [ 5 ] Wi l f r i d P e r mq u e t t i ， J e a n P ． B a r b o t ，S h d i n g Mo d e C o n t r o l i n E n g i n e e r i n g f M] ． M a r e e l D e k k e r ． I n c ． 2 O O 2 ． 作者简介 王晓 宁 1 9 6 3一 ， 山东潍坊 人 ， 副教 授 ， 在 读博 士 ， 1 9 8 5 年本科毕业 于南开大学物理系 ， 主要研究 方 向为 检测技术及 机 器人控制， 曾获山东省科技进步一等奖， 已发表论著近2 o 篇， 电话 0 5 3 2 8 6 0 5 7 9 7 0 ， 电子信箱 w a n g x n i n g 1 6 3 ． c o rn． 收稿 日期 2 13 0 7 ． 0 5 ． 3 0 鲍 店 选 煤 厂 煤 泥 水 处 理 设 备 管 理 有 经 验 兖州矿业 集团 公司鲍店煤矿选煤厂的生产能力已经达到设计的3 0 0万 t ， 洗水浓度始终控制在 8 0 L以下。 管理特点 ①忆4 m细煤泥浓缩机溢流连续出清水。控制入料量和入料浓度超过时用循环水或压滤机的滤液水、 事故池 的溢流水去稀释。②实现压滤机工作效果最佳。由原来 1 台入料泵对 3台压滤机改为对 2台， 保证人料压力； 滤布定期冲洗 与更换 ， 保证其透水效果， 减少单循环时问。③加强沉降机管理， 保证粗煤泥的充分回收。0 ． 5 ～1 m m的粗煤泥完全靠沉降机 回收， 如何最大限度地发挥沉降机作用是搞好粗煤泥回收的关键。一是形成定期冲洗制度 ， 减少细煤泥对筛网的堵塞； 二是 通过现场试验， 保证既不切保险销又能处理量最大 ， 将电流设在一定范围； 三是加强维护 ， 保证 5台设备全部完好。④杜绝捞 坑跑粗。在跳汰机溢流堰到精煤分级筛之问增设了弧形筛泄水 ， 捞坑增加了稳流罩， 对跳汰机的用水量作了上限规定， 解决 了捞坑跑粗问题。 李剑峰供稿 一 3】 一 维普资讯