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桥式起重机小车运行机构设计 1 译 文 摘 要 本文提出了自动机械卫星（ 机械手协调运动的规划设计。基于微重力环境下 动特性的分析，两个机械手分为主机械手和从机械手。接着介绍了双机械手 调运动的四种模式：稳定功能、平衡功能、调整功能和协作运转。还介绍了双机械手的运动规划算法。最后，给出了微重力环境下， 获目标实验模型的四种协调运动的计算机仿真结果。仿真试验显示本文所提出的运动模型和规划算法是非常有效的。 关键词 ： 自动机械卫星、运动规划、双机械手协调运动、构位空间、微重力环境 0 介绍 随着空间技术的发展，诸 如构造和修理人造卫星和航天飞机等的 航天员舱外活动 越来越多。但是， 航天员舱外活动 非常危险并且费用昂贵，因此使用空间机器人来代替宇航员的需要变得日益急迫。这种机器人可以在太空中自由飞行，因此命名为自由飞行空间机器人。自动机械卫星就是自由飞行空间机器人的非常重要的一类，它由人造卫星和安装在人造卫星上的机械手组成。 空间机器人需要多机械手来在微重力环境下进行复杂的操作，双机械 桥式起重机小车运行机构设计 2 手 多机械手系统中重要的一员，并且双机械手的研究是多机械手研究的基础。为了增加机械手的功能并降低它们之间的意外干扰，应该研究机械手的 协调运动。多机械手的协调运动包括协调任务、协调动作和协调控制。尽管在 1， 2中提出了有关多机械手 动力学和协调控制，但是多机械手 调运动规划的相关研究还是非常有限。 一般机器人的运动规划问题是在给定环境和任务下，寻找无碰撞自动运动路径和轨道。运动规划有多种方法，例如构位空间方法、人工位场方法和拓扑方法。由于 空间微重力环境中缺乏固定基础，空间机械手的运动将扰乱其基础人造卫星的位置和姿态，并改变 械手的工作空间。直接采取带有固定基础的地面机器人的运动规划方法 ，以及规划路径和轨道是非常危险的 ，对 可能是错误的。因此，对微重力环境下 1 微重力环境下 运动特性 这里讨论的 人造卫星主体和 械手组成。假设没有外力和外部扭力施加在该系统上，并且 械手的每一处接点都是由扭力控制器控制的旋转接点。整个系统的能量守恒。 如果第 系统可以被看作是由 链接（ N n1+ +成的多链接自由飞行（飘浮）系统。研究人造卫星的姿态时，要在卫星主体上建立协调系统。如果 和 分别是 们分别为 3 量。卫星姿态的极小改变 可以表示为机械手极小运动 的函数 桥式起重机小车运行机构设计 3 G( ) (1) 此处， G 是一个 3 N 的扰动灵敏度矩阵。 定义为瞬时扰动。 果的变化量 使卫星姿态的变化量为 ，在公式（ 1）的数值积分将给出一个新的公式： F( , ) (2) 公式（ 2）表达的方程由一个不能显式表达的数值积分得到。这需要对G 重复进行数值积分的大量的计算。 2 双机械手 面模型及其 为了研究 主控制技术，首先建立一个 面试验台，通过空气轴承来模拟微重力环境。 验模型可以在试验台中自由地飞行。该试验模型 。 如图 图 机械手 桥式起重机小车运行机构设计 4 假设机械手有 它们的角度为 i， i=1， 2， ,N。当机械手的基础固定时，矢量 =（ 1， 2 , N）组成机械手的 于微重 力环境下的 要其他一些参数来决定 相对位置，例如 ，人造卫星姿态角矢量。用 =( 1, 2)和 =( 1, 2)和表示两个机械手的接点角矢量。这里 =( , )， 型的相对位置由 ( , 1, 2, 1, 2)来确定，其中 1, 2, 1, 2 的值可以相互独立。任何接点的运动都会影响 的值： =F( , , , )。 其中， F 为公式（ 2）定义的函数。（或）的变化会影响卫星的姿态以及卫星姿态矢量 的变化，从而导致机械手位置的变化。尽管干扰使控制问题变得复杂 ，但是依然有可能利用动态干扰来简化航天任务。例如，通过机械手的运动，可以将卫星姿态和另一个机械手的位置变动到需要的相对方位上。 由于高维和复杂的动态控制问题， 文提出了 C 空间量子化方法，即将每个接点角 下公式（ 4）所示： (i, j) i （ i” i ） j/（ 1） i 1,2,3,4. j 0， 1， ， 1 i i , i” (4) 因此，机械手的角矢量（ 1， 2， 3， 4）量化为 义这些点为参考节点（ 并记 1, 其中， 正整数， i=1,2,3,4。对 也进行同样的过程。所有的 桥式起重机小车运行机构设计 5 定义 8 种 验模型的标准运动。对每个具有 8 种标准运动的 以建立一个标准基。在标准基中，基左边为向量（ 一种标准运动，基右边为 的值。则成了一个运动标准基，它刻划了 这个规划中，我们可以从标准基中获得 的值而无须进行大量计算。因此，这种方法可以支持运动规划运行得更快。 3 机械手协调方案 两个机械手可以平等地工作来实现相同的目标，如共同抓住目标；或不平等地工作，如一个机械手完成需要的操作，另一个在某些方面协助第一个完成操作。为了分析双机械手协调模式，我们提出了相对概念：主机械手和从机械手。 定义 主机械手（ 完成主操作任务的机械手叫做主机械手。 从机械手（ 帮助主机械手完成主操作任务的机械手叫做从机 械手。 的影响包括维持卫星稳定或相对稳定，以及使卫星主体变换到需要的姿态或位置。前一个降低 一个通过制造干扰，使主体变换到需要的姿态。 通过上述分析，我们定义四种 机械手协调运动模式。 稳定功能： 桥式起重机小车运行机构设计 6 平衡功能： 调整功能： 修正 协作运转：两个机械手同时地平等地进 行空间操作。 对于 验模型，四种协调运作模式通常更形象地表示为： 和 分别表示 表示主体姿态矢量。 稳定功能： 0， 0，规划运动路径 。 平衡功能：运动路径 给定，保持 不变或在某一特定范围内变动，规划运动路径 。 调整功能：运动路径 给定， 的初始值 划运动路径 。 协作运转：操作任务给定，规划运动路径和。 4 协调运动规划算法 首先，给定协调运动模式的一般算法。然后，讨论每种协调运动模式下的特殊问题。 算法 第一步 建立 动标准基： 1) 在定义域内将 i=1,2,3,4。 2) 构造 示为（ 3) 对每个节点和八种标准运动，计算 并根据（ 桥式起重机小车运行机构设计 7 的地址存储在内存中。 4) 构造 第二步 设计目标函数 f(n)。 f(n)由特定的协调运动模式决定。 第三步 确定符合初始状态的节点 f(令 当前节点。 第四步 确定符合目标状态的节点和函数值。 第五步 用 表示 近节点的集合，并选择使 f 值最小的节点为扩展节点。在堆栈中保存 令新的节点为 第六步 如果得到了目标节点或目标函数的最终值，转至第七步。如果经过了 L 步骤，没有得到最优值，则放弃 点并标记路径。返回第五步。 第七步 将 S 操作手的接点角。 第九步 结束。 这里， f(n)是启发式搜索中估计函数。采用 A*算法， f(n) g(n)h(n)， n 为 点， g(n)是初始节点 n 节点之间的 代价， h(n)是节点 n 和目标节点之间代价的估计。 四种协调运动模式的 d 定义如下。对于稳定功能，d 表示两个相对位置下 于平衡功能和调整功能， d 表示两种状态下，卫星姿态角度之差；对于协调操作， d 由目标和两个操作手末端效应器之间的距离之和决定。 5 计算机仿真 桥式起重机小车运行机构设计 8 仿真试验在 C 386 上进行， 动规划和图形仿真使用 C 语言来进行编程。 种协调运动模式下的计算机仿真结果如图 计算机仿真显示 机械手协调运动规划模式和算法是合理而有效的。 3 图 调整功能 图 协调操作 桥式起重机小车运行机构设计 9 参考书目 1, . 1991, 15162. . 1696刘宏，生于 1967 年 7 月 25 日，分别在东北科技大学和哈尔滨工程大学获得理学士学位和理硕士学位，他的导师为蔡鹤皋和洪炳熔教授。他的研究方向包括机器人技术和自主控制。 计算机数控机床的安全和维护 1 计算机数控机床的安全操作注意事项 在金属切削操作中安全性一直是特别受关注的由于计算机数控设备自动化程度高并且速度快，所以它是一个危险源。为了防止人员伤害和对设备的损坏，必须找出存在危险的根源，且操作人员必须提高警惕。主要的 潜在危险包括：旋转部件，如主轴、主轴内的刀具、卡盘、卡盘内工件、带着刀具的转塔刀架以及旋转的夹具装置；运动部件，如加工中心的工作台、车床拖板、尾架顶尖，多工序旋转托盘；程序错误，例如 生意想不到的快速移动；设置或 桥式起重机小车运行机构设计 10 改变偏移值时出错，可能导致 刀具与工件或刀具与机床之间的碰撞；随意地更改已验证的程序，也会引起机床产生危险动作。为了减少或避免危险，尽量遵循以下保护措施。 (1) 使用机床制造商提供的机器原有保护罩。 (2) 带上安全眼镜、手套，穿上合适的衣服和鞋。 (3) 不熟悉机床操作前不要开动机床。 (4) 运动程序之前，确认零件已被正确夹紧。 (5) 验证一个程序时，遵循下列安全步骤： 启用机床锁定功能运行程序，检查程序中的语法错误 和几何轨迹。 使用 速倍率开关降低速度或空运行程序。 采用单程序段执行来确认程序中的每一行。 刀具切削时，用 给倍率开关减慢进给速率，防止超负荷切削。 (6) 禁止用手处理切屑以及用切屑钩子弄断长而卷曲的切屑。编制不同的切屑状态程序以便更好地控制切屑。如果要彻底清除切屑，应当关闭机床。 (7) 如果怀疑刀片在编程的切屑状态下有可能折断时，可选择一个更厚的刀片及减少进给或切屑深度。 (8) 尽可能保持刀具悬出短些，因为它可能成为一个导致刀片折断的振动源。 (9) 当顶尖支撑一个大零件时，确保中心孔足够大足以支撑和夹住零 桥式起重机小车运行机构设计 11 件。 (10) 换刀、查找刀片或清理切屑时关闭机床。 (11) 替换已磨损或损坏的刀具和刀片。 (12) 列出现行刀具的偏移良清单 ，从机床上取下刀具，清除（设置为 0）刀偏。 (13) 在未得到主管许可的情况下不得擅自更改程序。 (14) 如果你有任何与安全有关的担忧，立即通知你的技术指 导和主管。 2 日常维护 观检查 (1) 伺服电动机、探测器或数控主单元上的机床用油（切削 油，润滑油）或者渗漏情况检查。 (2) 可移动部件的电缆上有无损伤或电缆绞后合情况检查。 (3) 过滤器堵塞情况检查。 (4) 控制面板的门是否打开检查。 (5) 外部环境震动检查。 (6) 数控装置单元是否放置在有灰尘的位置。 (7) 引起高频的某物体是否位于控制单元附近。 查控制单元内部 检查 以下故障是否被排除： （ 1） 电缆连接器松动 （ 2） 装配螺钉松动 桥式起重机小车运行机构设计 12 （ 3） 固定放大器螺钉松动 （ 4） 冷却风扇工作异常 （ 5） 电缆损伤 （ 6） 印刷电路板插入不正确 障诊断和维修 当发生运行故障时，应找出原因以便采取适当的措施排除。为此，应执行下列检查： 查 故障发生状态 检查下列几个方面： (1) 故障出现时间？ (2) 在何种操作过程中出现故障？ (3) 什么故障？ (4) 故障何时发生？ 即故障发生时的具体时间。 (5) 在何种操作过程中发生故障？何种运行方式？ a) 对于某项自动操作 程序号，序列号，程序内容？ b) 对于手动操作 模式？ c) 什么操作步骤？ d) 前一步和后一步 操作？ e) 设置 /显示的单元屏幕是什么？ f) 是否发生在输入输出操作过程中？ g) 机床系统状态如何？ h) 是否发生在换刀过程中？ 桥式起重机小车运行机构设计 13 i) 受控制的轴跟踪检测情况如何？ (6) 发生了什么故障？ (7) 设置 /显示的单元屏幕上警告监测的报警内容。 (8) 运用显示警报诊断屏幕来检查报告内容。 (9) 驱动放大器状态显示什么？ (10) 根据驱动放大器状态显示检查报告内容。 (11) 加工顺序报警显示表示什么？ (12) 示屏幕是否正常？ (13) 控制轴是否在跟踪？ (14) 故障频率 (15) 什么时候故障发生？频率怎样？（另一台机床的操作过程中故障是否出现？） (16) 如果频率很小或者在另一台机床的操作过程中出现故障， 那么，故障的原因可能是供电电压的干扰。在这种情况下，检查 另一台机床的操作过程中是否发生瞬时压降？） (17) 是否发生在特殊工作模式？ (18) 什么时候达到最高行程？ (19) 同一类工作的频率是多少？ (20) 当执行相同操作是故障是否发生？（重复性检查） (21) 改变状态（进给倍率，程序内容，加工顺序等等）。 (22) 是否发生相同的故障？ 桥式起重机小车运行机构设计 14 原文说明 原文说明的内容是： 提出了自动机械卫星（ 机械手协调运动的规划设计。接着介绍了双机械手 介绍了双机械手的运动规划算法。最后，给出了微 重力环境下， 获目标实验模型的四种协调运动的计算机仿真结果。仿真试验显示本文所提出的运动模型和规划算法是非常有效的。 另一篇是介绍 计算机数控机床的安全和维护 。 题名： 自动机械卫星双机械手协调运动的规划设计 计算机数控机床的安全和维护 作者： 刘宏 洪炳熔 蔡鹤皋 蒋忠理 来源：高校出版社 自动机械卫星 机械手 机械工业出版社 机电与数控专业英语
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