预应力钢筒混凝土管道外防腐喷涂机器人设计及性能研究

作     者：王立卿 

作者单位：河北工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔国华

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：喷涂机器人 机械设计 运动分析 误差分析 轨迹规划 

摘      要：本文针对预应力钢筒混凝土管道外表面自动喷涂的作业任务需求,设计一种自行走式宏—微运动结合的5自由度喷涂作业机器人装备。根据预应力钢筒混凝土管道外表面防腐作业的技术要求和功能分析,考虑自动喷涂过程的工艺参数,首先进行喷涂作业机器人装备的系统搭建,在此基础上分别对喷涂机器人和专用移动起升运输小车进行构型设计,并通过三维建模软件搭建喷涂机器人和专用移动起升运输小车的三维模型,完成结构设计。在对喷涂机器人构型进行分析的基础上,完成喷涂机器人机构的运动学分析和性能分析。在此基础上对该机构进行了精度分析、喷涂轨迹规划与优化。在完成基础设计和性能分析的基础上,通过现场试验进行实际与理论的互相验证。下面对论文的研究内容作简要的论述:(1)喷涂作业机器人装备构型和结构设计。应用构型演变法,根据喷涂作业需求对喷涂机构进行功能分析,结合自动喷涂过程中喷涂工艺要求,进行喷涂作业机器人装备的构型设计。在该自动喷涂设备中,两自由度串联机构用于实现喷枪粗定位,三自由度并联机构用于实现对喷枪的微调定位及姿态调整。最后,对喷涂作业机器人装备进行结构设计,对其重要零部件进行详细设计选型,使用SolidWorks软件建立设备的三维模型图,并对其工作原理与工作过程做简要的介绍。(2)喷涂作业机器人装备机构运动学与机构性能分析。由于该喷涂机器人属于混联机构,首先对该混联机构类型进行分析,然后以D-H法所获得的参数代入公式推导求得运动学的通用公式,最后应用坐标变换法建立并联机构运动学的数学模型并推导机构的正、逆运动学公式及求解速度雅克比矩阵。在机构速度雅可比矩阵求解的基础上,建立机构运动学和静力学性能的评价指标。(3)喷涂作业机器人装备位姿微调机构精度分析。在前面已经通过数学推导求解出3-PRS并联机构的正、逆运动学方程,通过对并联机构逆运动学的求解公式求微分化简可求得位姿微调机构的输出误差数学模型。考虑运动过程中位姿微调机构末端位姿不同造成输出误差的差异和位姿微调机构尺寸参数的变化引起输出误差的差异的情况,通过MATLAB编程仿真验证结构参数选取的合理性。(4)喷涂作业机器人装备喷涂轨迹规划与优化。以β分布模型作为涂层生长速率模型,建立喷涂重叠距离优化数学模型,通过MATLAB软件编程求出当漆膜厚度最均匀,喷涂效果最佳时喷涂轨迹重叠距离最优解,然后根据待喷涂工件表面形状进行轨迹规划,选出合理的轨迹参数。(5)在完成预应力钢筒混凝土管道外防腐喷涂机器人机械设计和性能分析的基础上,加工制造喷涂机器人的实体样机,进行Z字型轨迹喷涂单根管道试验和多种轨迹喷涂单根管道试验。