基于仿真和實(shí)驗(yàn)分析的管道施工機(jī)械手若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的日益加快，各種市政管道施工工程在不斷增加。而目前我國(guó)的管道施工技術(shù)還停留在人機(jī)混合作業(yè)的狀態(tài)下，在施工中起重機(jī)和挖掘機(jī)經(jīng)常用來(lái)配合工人進(jìn)行管道吊裝和對(duì)接工作。由于管道埋設(shè)比較深，極易出現(xiàn)溝槽的塌方，每年因此造成的人員傷亡事故時(shí)有發(fā)生。因此，如何減少管道施工的傷亡事故，提高管道施工的效率，使管道施工與現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合是目前管道施工行業(yè)急需解決的問(wèn)題。
　　本文研究的管道施工機(jī)械手是用于城市建設(shè)中大型地下管

2、網(wǎng)施工的現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備，它的應(yīng)用在提高管道施工效率的同時(shí)會(huì)大大提高地下管道施工的安全性。本文主要針對(duì)管道施工機(jī)械手的機(jī)械原理、基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的管道施工機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)分析，機(jī)械手的光電定位技術(shù)和機(jī)械手的控制策略等方面進(jìn)行了研究。論文重點(diǎn)研究工作、創(chuàng)新及其特色如下:
　　1、管道施工機(jī)械手的機(jī)械原理研究
　　根據(jù)我國(guó)市政建設(shè)中地下管道鋪設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)狀況，本文研究設(shè)計(jì)了帶有自鎖功能的管道施工機(jī)械手。該機(jī)械手以挖掘機(jī)為載體，具

3、有4個(gè)自由度，由回轉(zhuǎn)連接機(jī)構(gòu)、十字導(dǎo)軌和叉式提升機(jī)構(gòu)等組成，借助于挖掘機(jī)，該機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)管道在空間范圍內(nèi)的姿態(tài)調(diào)整。叉式提升機(jī)構(gòu)能利用管道的重力自動(dòng)鎖緊管道，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與管道的固定。管道放下后，利用彈簧使叉手自動(dòng)復(fù)位。為了防止管道被壓潰，對(duì)自鎖卡手作用在管道上的卡緊力進(jìn)行了分析，得出了計(jì)算卡緊力的公式和影響卡緊力大小的參數(shù)，為保證機(jī)械手的正常工作提供基本的依據(jù)。利用D-H方法建立了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，為機(jī)械手的控制策略研究奠定

4、基礎(chǔ)。
　　2、管道施工機(jī)械手虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)分析
　　為了能夠準(zhǔn)確模擬機(jī)械手的工作過(guò)程，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)，聯(lián)合采用Solidworks、Ansys、Adams軟件建立機(jī)械手的虛擬樣機(jī)。虛擬樣機(jī)建模過(guò)程中主要采用了如下方法:考慮到機(jī)械手在工作過(guò)程中部分構(gòu)件的形變對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，虛擬樣機(jī)采用剛-柔耦合建模方式，并對(duì)柔性構(gòu)件的應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行了分析;為了避免冗余約束的產(chǎn)生，使模型中導(dǎo)輪與導(dǎo)軌之間

5、的作用力更接近實(shí)際工況，機(jī)械手模型在導(dǎo)輪之間添加了過(guò)渡軸;為了真實(shí)模擬機(jī)械手工作時(shí)摩擦力的狀態(tài)，針對(duì)傳統(tǒng)添加摩擦力的方法不能準(zhǔn)確時(shí)時(shí)跟蹤摩擦力的變化，采用了添加外力等效運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力的方法。利用仿真數(shù)據(jù)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了機(jī)械手虛擬樣機(jī)建模正確，與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)高度相符。
　　3、管道施工機(jī)械手的光電定位技術(shù)研究
　　針對(duì)管道施工機(jī)械手的實(shí)際工作情況，本文研究了不同工況

6、下機(jī)械手在鋪設(shè)管道時(shí)的光電定位技術(shù)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了機(jī)械手的光電定位系統(tǒng)。利用逆坐標(biāo)變換理論分別建立了單靶定位、雙靶定位和三靶定位時(shí)光電定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，該模型為控制系統(tǒng)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)提供了控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)管道的對(duì)接與安裝。對(duì)光電定位系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究;并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了光電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了影響光電定位系統(tǒng)工作能力的因素。通過(guò)對(duì)光電定位系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明該光電定位系統(tǒng)

7、能夠滿足機(jī)械手完成管道鋪設(shè)任務(wù)的要求。
　　4、管道施工機(jī)械手的控制策略研究
　　管道施工機(jī)械手是一個(gè)多輸入、多輸出的非線性、強(qiáng)耦合的機(jī)械系統(tǒng)，且機(jī)械手在鋪設(shè)管道過(guò)程所握持水泥管節(jié)和機(jī)械手自身位姿的時(shí)刻變化對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)影響很大，傳統(tǒng)的跟蹤控制和抗干擾控制已不能滿足機(jī)械手運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和抗干擾性要求。本文在對(duì)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于RBF的10輸入、5輸出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，給出了一種不同于傳統(tǒng)算法的新