基于并联机械手的液料自动卸车装置机械系统研究

摘要

石油化工液料装卸设备的装卸效率和使用性能随着石油化工企业规模的日益壮大逐渐受到重视。目前，多数企业仍沿用传统的纯人工操作装卸车专用设备（软管和鹤管），存在着装卸设备与卸料口对位不准确、工人劳动强度大、效率低等弊病。为改善这一现状，本文提出将六自由度并联机构技术引用到液料装卸设备自动化改造中，旨在研发用于汽车运输方式下的新型液料自动卸车装置。本文重点对液料自动卸车装置的机械系统进行研究、设计和优化，设计了液压驱动式软管接头机构和满足大范围任务工作空间的并联机构，搭建了装置的联合仿真试验平台，验证了设计方案的可行性。
　　首先，明确了液料自动卸车装置的功能需求，确定关键技术指标，分析了软管接头与槽车卸料口对接过程，研究了考虑柔顺性的自动对接方法，结合实际工况确定了将软管固连于液压驱动的并联平台上的自动对接方式，建立了基于并联机构的液料自动卸车装置机械系统整体方案。
　　其次，针对软管接头与槽车卸料口可靠自动对接功能，依据偏置曲柄滑块机构原理适应性设计了液压驱动式软管接头机构。研究了液压驱动式软管接头的机构原理，确定了机构运动参数，基于Matlab对机构进行运动学分析和动力学分析，并验证了机构的自动卡紧功能，完成了关键件的结构设计和强度分析。
　　并联机构作为液料自动卸车装置核心的支撑操作平台，其结构参数决定着卸车装置运动性能。依据技术指标要求初步确定了经验结构参数，分析了其运动学性能、动力学性能和工作空间。在此基础上，探讨了并联机构的工作空间、液压缸行程、灵巧度与结构参数的关系。综合考虑以上各矛盾目标，基于遗传算法优化了结构参数，使机构综合性能提高17.8％。该并联平台可实现侧移0.5m、纵移0.5m、升降0.2m、俯仰20°、偏航20°、滚动20°的运动范围。
　　最后，基于多软件联合仿真的方法搭建了集成化仿真实验平台和研究了系统性能。基于Matlab/Simulink建立了液压伺服系统仿真模型；基于Adams软件建立了机械系统虚拟样机，完成了运动学仿真验证；基于Adams/Controls接口模块搭建了联合仿真试验平台。由联合仿真结果得出，采用前馈补偿的PID控制方法优于传统的PID控制方法，将装置的位移跟踪误差控制在0.5mm之内，角度跟踪误差控制在0.028°之内，证明了设计方案的可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 液料自动装卸设备的研究现状

1.3 六自由度并联机构的发展现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 液料自动卸车装置总体方案设计

2.1 液料自动卸车装置功能要求和关键技术指标

2.2 软管接头与槽车卸料口对接过程分析

2.3 液料自动卸车装置总体方案设计

2.4 本章小结

第3章 液压驱动式软管接头的结构设计

3.1 引言

3.2 液压驱动式软管接头机构的机械原理分析

3.3 液压驱动式软管接头的结构设计与优化

3.4 软管接头机构驱动液压缸的选型

3.5 本章小结

第4章 液料自动卸车装置并联机构结构设计与优化

4.1 引言

4.2 并联机构的结构设计与分析

4.3 并联机构结构参数优化

4.4 本章小结

第5章 基于联合仿真的液料自动卸车装置性能分析

5.1 引言

5.2 液料自动卸车装置联合仿真建模

5.3 系统性能分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

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