道路管道施工辅助机器人设计及控制(3)

　　机车底部的输送土壤装置仿照造纸工业中的螺旋输送机，如图4所示。该结构由装有螺旋叶片的转轴和料槽组成，通过轴承将转轴装在机车底板的轴承座上，转轴由电机驱动。其工作原理是：土料从进料口进入，随着转轴旋转，土料受到来自叶片的法向推力，土料在叶片法向推力的轴向分力作用下，沿着料槽轴向移动[6]。
　　2.3 驱动电机
　　设备需要3个电机，分别用来驱动螺旋装置、切削叶片的转动以及与滚珠丝杠相连的移动板的移动。在机车工作时，这3个电机的相互运动规律较简单，所以采用异步电机作驱动源。初步选取Y系列（IP44）三相异步电机。IP44类电机为封闭自扇冷式鼠轮型三相异步电动机，与其他系列相比有效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、震动小、运动安全可靠等优点，还能防止铁屑或其他杂物侵入电机内部；更重要的一点是，IP44类电机除了具有与Y系列（IP23）相同的用途外，还适用于灰尘多、水土飞溅的场所，如球磨机、碾米机、磨粉机、脱谷机及其他农业机械、食品机械、矿山机械等。
　　2.4 传动连接部分
　　本次设计中，电机与切削叶片之间采用齿轮传动，在起减速作用的同时，减小了电动机承受的挖掘阻力矩，又因为挖掘轴向力由滚珠丝杠承受，所以采用直齿圆柱齿轮。
　　采用滚珠丝杠传动实现移动板与导轨之间的相对移动。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将电动机的旋转运动变为移动板的直线运动，以达到机车工作所需要的运动形式。丝杠的一端与电机相连接，位置是固定的；另一端在移动板上，位置是变化的。故将滚珠丝杠的支撑选择为一端固定一端自由，其固定端采用2个角接触轴承支撑。
　　用轴来支撑回转零件，传递转矩和运动。在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度和刚度，对于高转速轴，有时还取决于它的震动稳定性。设计轴时，在按上述要求进行设计计算或校核计算的基础上，结构还要满足运转维护要求、特殊处理要求等。
　　3 虚拟样机仿真
　　在设计阶段，采用虚拟样机技术可以使生产的产品满足要求，并有效地缩短开发周期，提高开发效率，节省开发费用。本文采用ADAMS软件建立运动和动力学模型，进行虚拟样机仿真。
　　ADAMS具有很强的运动和动力学仿真能力，但它建模的能力相对比较弱，所以本次设计中，用Solidworks对形状复杂的零件进行建模，然后导入ADAMS中，建立简单的模型并添加一定的约束和动力仿真。将上面的零件导入ADAMS中，设定零件材料，找到零件重心，利用ADAMS的建模能力，在这些零件的基础上，建立轴、轴承、轴承座、移动板等模型，再将这些零件装配起来[7]。
　　本管道施工辅助机器人由多个构件组成，且它们之间存在约束关系，即通常所说的运动副或铰链。为了模拟其运动情况，需要在构件间定义运动副的同时，在构件之间和运动副上添加载荷，并在运动副上加以驱动，以使机构可以模拟仿真运动。
　　考虑机车实际工作中各构件的运动关系，将其抽象为各种运动副，并在零件上定义这些约束副，在转动副处添加旋转驱动，建立仿真模型，如图5所示。
　　通过仿真可以看出，机构没有发生运动干涉，所以预先设计的各个零件在机车运动过程中不发生运动学干涉。
　　4 电气部分设计
　　前面已经选择了电机的型号，本节主要介绍控制三相异步电动机的电路，电路拟采用PLC控制。设计中机车需要完成的运动过程如下。
　　（1）闭合开机开关，螺旋排土装置运行。
　　（2）机车由静止开始运动0.3 m后停止。
　　（3）切削叶片开始转动。
　　（4）叶片转动3 s后，滚珠丝杠开始转动移动板向前运动3 min（0.3 m）。
　　（5）移动板快退回到初始位置，这个过程用时10 s。
　　（6）切削叶片停止转动。这是机车工作的第一个循环过程，然后继续重复（2）～（6）的步骤。
　　以上每个运动过程都是电动机的转动引起的，所以通过设计电路控制电动机的转动就能够得到所需的运动。采用软、硬件结合组成控制电路，主/控电路分别如图6、7所示。
　　4.1 主电路图的设计

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