迫击炮供输弹机械手结构设计和动力学分析

秦 准,吴海斌,赵明升,葛建立

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

【装备理论与装备技术】

迫击炮供输弹机械手结构设计和动力学分析

秦 准,吴海斌,赵明升,葛建立

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

针对传统迫击炮自动化程度低、战场生存能力差等弱点，设计了用于120 mm迫击炮的供输弹机械手，实现3～4发/每分钟的射击速度。采用ADAMS 软件进行机械手的动力学仿真，得到包括炮弹运动参数、机械手振动变形以及关节驱动等关键数据。

120 mm迫击炮；供输弹机械手；动力学仿真

迫击炮供输弹机械手是自动供输弹机的重要组成部分，是一种用以提高迫击炮作战效率和安全性的自动化装置[1]。虽然和以前相比迫击炮性能进步很大，但国内在该领域的研究并没有得到足够重视，从事相关理论研究和实践的工作人员较少[2]。本文设计了用于某120 mm自行迫击炮的供输弹机械手，对普通迫击炮的改装和新型迫击炮的研发和生产，具有重要意义。

1 供输弹机械手结构方案设计

1.1 机械手原始设计参数

(a)炮弹质量：17 kg;(b)炮管长：2 000 mm; (c)炮弹尺寸：835 mm;(d)发射角度：60°; (e)发射速度：3～4发/min。

1.2 机械手虚拟样机模型

本设计采用Solidworks三维实体软件对供输弹机械手建模，模型如图1所示。机械手由驱动装置、导轨(包括一级固定导轨和二级活动导轨)、平面四连杆机构、丝杠滑台机构、夹持机构和托盘组成。驱动装置采用电动推杆、金属舵机和步进电机，分别控制导轨滑动、夹持手爪张合和丝杠滑台进退[3]。除平面四连杆部分为细长杆，对稳定性要求较高，采用钢材料之外，其他机构零件均采用不同强度的铝合金，减轻了机械手本身质量，降低了高速动作后产生的冲击振动[4]。

1..电动推杆; 2.导轨; 3.空间四连杆构; 4.丝杠滑台机构; 5.夹持机构; 6.托盘。

1) 导轨

机械手的导轨部分如图2所示，包括一级固定导轨1、二级活动导轨2、直线导轨3和光轴导轨4；一级固定导轨1通过U型板与迫击炮身管固定在一起，二级活动导轨2套合在一级固定导轨1上设置的直线导轨3，二级导轨2可以在一级固定导轨1上直线滑动。

二级导轨2作为四连杆机构、夹持机构等的运动载体。电动推杆与二级活动导轨机械连接，作为使二级导轨滑动的驱动力。

1.一级固定导轨; 2.二级活动导轨; 3.直线导轨 4.光轴导轨。

2) 平面四连杆机构

图3是四连杆的机构运动简图，虚线为初始位置。具体结构包括“r”型丝杠端连杆1、中间连杆2和前端连杆3以及盘簧，其结构附着在二级活动导轨内侧表面。曲柄处设置的盘簧产生的弹性抗力和辗压活动板对其的支撑力相平衡，维持“r” 型丝杠端连杆偏转的位置。在到达规定位置之后，连杆受前端压力顺时针旋转，带动炮弹下移。前端连杆与中间连杆的连接杆在夹持基座的空腔内活动，其运动状态由夹持基座的高度决定，也就是由弹丸与身管的轴线间距决定。由于四连杆变形大，在仿真时采用柔性化设计，更接近真实情况[5]。

3) 夹持机构

夹持机构用于装夹炮弹，设计时除了考虑装夹的稳定性和快速性之外，还要保证炮弹装夹的可靠性，为此设计了两个舵机。当其中一个舵机失效时，另外一个舵机可以继续工作。两个齿轮机械手之间的啮合作用能保证弹丸夹持状态稳定，提高了输弹过程中的可靠性。具体结构包括金属舵机、夹持基座、齿轮机械手和光轴导轨滑块。

4) 丝杠滑台机构

通过丝杠步进电机的控制，该机构可以改变辗压活动板的位置，实现其与四连杆机构中的“r” 型丝杠端连杆的接触和脱离，即有无支撑力的状态，实现对四连杆和夹持机构的控制。

图3 四连杆机构运动简图

2 多体动力学分析

供输弹机械手的多体动力学分析要考虑各关节运动速度、加速度、力矩以及惯量等因素[6]，通过对各部分运动规律和受力的分析研究，验证方案设计的合理性。本设计使用动力学分析软件Adams。

2.1 广义坐标的选取和数学模型

式中，T为系统动能；q为系统广义坐标阵；Q为广义力列阵；λ为拉氏乘子列阵[8]。

2.2 机械手运动过程

手爪夹持炮弹→二级活动导轨前进1 000 mm(曲柄受重转动)→曲柄顺时针旋转19°(带动炮弹下降160 mm)→丝杠滑台后退305 mm→手爪松开→二级活动导轨后退(丝杠滑台前进)→回到初始位。

2.3 动力学仿真

仿真时建立如下坐标系：Z轴沿身管轴线指向炮口为正，Y轴垂直于Z轴向上为正，X轴的正向满足右手定则。将Solidworks环境下建立的机械手模型以ADAMS 能较好识别的Parasolid格式导出，然后将三维模型导入Adams。设置好工作环境，在 ADAMS 环境中生成的供输弹机械手的虚拟样机如图4所示。各部件的约束关系如表1所示。

图4 机械手动力学模型

部件1部件2性质名称云台身管旋转副JOINT＿2身管二级导轨移动副JOINT＿3身管丝杠活动体移动副JOINT＿33机械手机械手夹持基座旋转副JOINT＿34、JOINT＿35二级导轨连杆底旋转副JOINT＿41、JOINT＿42连杆底连杆中旋转副JOINT＿43、JOINT＿44连杆中连杆顶销旋转副JOINT＿45、JOINT＿46连杆顶连杆顶销旋转副JOINT＿47、JOINT＿48连杆顶二级导轨旋转副JOINT＿49、JOINT＿50

Adams的主要仿真参数如下：电动推杆的驱动函数为STEP(time,1.5,0.0,6.5,-1000.0)+STEP(time,8.5,0.0,13.0,305.0)+STEP(time,14.0,0.0,18.0,695.0)，夹持机构的驱动函数为STEP(time,13.0,0.0d,14.0,-30.0d)，丝杠滑台的驱动函数为STEP(time,5.5,0.0,10.0,-305.0)。为了实现3～4发/min的快速打击，仿真时间设置为18 s(包括1.5 s云台升起时间)，在各关节处添加驱动，绘制炮弹的位移曲线如图5所示。

图6为炮弹在X方向的位移曲线图，图7为炮弹在X方向的振动速度图。为了准确得到机械手各部件的变形和受力，模拟真实情况，本仿真设计采用了Adams柔体建模，因此X方向存在微幅振动[9]。从结果图可以发现，X方向位移近似不变，振动速度关于横坐标轴对称，最大速度在云台抬起位置处，约为6.5 m/s，满足设计要求。

图8为二级活动导轨的速度和加速度曲线图。从仿真结果可以看出，二级活动导轨的加速度最大值为0.28 m/s2，由牛顿第二定律F=ma，可求得电动推杆的最大推力，为电动推杆的选择提供依据。

图5 炮弹在Y和Z方向的位移

图6 炮弹在X方向的位移

图7 炮弹在X方向的振动速度

图8 二级活动导轨的速度和加速度

图9是夹持装置的角速度和角加速度曲线图，对该仿真结果的分析有利于舵机设计。

图9 夹持装置的角速度和角加速度

3 结论

1) 该供输弹机械手性能满足设计要求，验证了设计方案的合理性。

2) 各个部件的位移、速度、力矩、角加速度和转角的关系曲线为机械手控制的研究和设计提供参考。

[1] 谈乐斌,张相炎.火炮概论[M].北京:北京理工大学出版社,2014.

[2] 徐凤军.迫击炮自动前装填技术研究[D].太原:中北大学,2014.

[3] 杨军荣,何永.自动迫击炮的供输弹方式研究[J].火炮发射与控制学报,1997(4):40-44.

[4] 吴迪,李健,乔萌.基于AMESim的气动机械手结构设计与仿真分析[J].广西科技大学学报,2016,27(2):62-68.

[5] 邱海飞.基于ADAMS的四连杆打纬机构动态设计与仿真[J].机械传动,2011,18(7):52-55.

[6] ZAKHARIEV E.Dynamics of rigid multibody systems with clearances in the joints[J].J Mechanics of Structures and Machines,1999,27(1):63-87.

[7] 李本,任国全,李冬伟.履带式自行火炮射击时动力学仿真分析[J].系统仿真学报,2014,26(2):475-480,488.

[8] 石明全,刘雷,陈运生.某火炮自动供弹机动力学分析[J].南京：南京理工大学学报,2003,27(3):252-255.

[9] 马卫军.自行迫击炮自动供输弹机械手的设计及其动力学仿真分析[D].南京:南京理工大学,2004:50-53.

(责任编辑周江川)

Structural Design and Dynamic Analysis of Robotic Manipulator for a Mortar

QIN Zhun, WU Hai-bin, ZHAO Ming-sheng, GE Jian-li

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aimed at the low automation and the poor viability of the traditional mortar, a robotic manipulator for a mortar was designed to achieve the quick strike of 3 to 4 rounds per minute. The dynamic simulation of the manipulator was carried out by using ADAMS. The key data including motion parameters of the projectile, the vibration and deformation of the manipulator and the drive of joints were obtained.

120 mm mortar; robotic manipulator for the ammunition feed; dynamics simulation

2016-09-20；

2016-10-25

国家级大学生创新创业训练计划项目资助(201510288006)

秦准(1995—)，男，主要从事机械设计制造及其自动化研究。

葛建立(1980—)，男，博士，副教授，主要从事非线性有限元、虚拟样机以及等几何分析研究。

10.11809/scbgxb2017.01.014

秦准,吴海斌,赵明升，等.迫击炮供输弹机械手结构设计和动力学分析[J].兵器装备工程学报，2017(1):55-58.

format:QIN Zhun, WU Hai-bin, ZHAO Ming-sheng, et al.Structural Design and Dynamic Analysis of Robotic Manipulator for a Mortar[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):55-58.

TJ31

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