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导弹弹体内壁打磨机器人及其运动轨迹规划

中国机械工程 2009年第7期20卷 838-843页

作者：孙一兰柳洪义王品罗忠东北大学沈阳110004 中国科学院沈阳计算技术研究所沈阳110171 中国科学院研究生院北京110004

针对一类具有轴对称旋转椭球面结构的导弹弹体内壁隔热层打磨的特殊要求,设计了一种四自由度内壁打磨机器人。参照数控系统中插补前S形加减速控制方法,对机器人打磨轨迹进行规划,以避免机械本体在启动与停止阶段出现冲击、超调或振荡等... 详细信息

针对一类具有轴对称旋转椭球面结构的导弹弹体内壁隔热层打磨的特殊要求,设计了一种四自由度内壁打磨机器人。参照数控系统中插补前S形加减速控制方法,对机器人打磨轨迹进行规划,以避免机械本体在启动与停止阶段出现冲击、超调或振荡等现象,并通过分析各参数之间关系,给出了求解S形加减速算式的约束条件,简化了求解过程;分析了不同打磨段间速度转接方式,实现不同打磨轨迹段之间光滑的高速转接,提高了打磨效率;应用等弧长时间分割法,把旋转椭球面打磨段在每一运动控制周期的位移量精确、实时地转换为相应的打磨点坐标。仿真结果表明,打磨机器人的运动轨迹规划精度高、速度快、平稳性好。

关键词：打磨机器人导弹弹体内壁 S形加减速轨迹规划时间分割法

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固体发动机绝热层打磨机器人的工艺参数分析

固体火箭技术 2023年第6期46卷 906-914页

作者：肖博张志强王利明周智超肖观福李砚徽武汉大学动力与机械学院武汉430072 湖北三江航天江河化工科技有限公司宜昌444200

针对固体火箭发动机绝热层机器人打磨方式存在的打磨均匀性难以保证的问题,分析了现有打磨机器人以及新型打磨作业方式的工艺参数,明确各个工艺参数对打磨质量的影响规律,进而提高发动机燃烧室绝热层打磨的表面质量和均匀性。建立了打... 详细信息

针对固体火箭发动机绝热层机器人打磨方式存在的打磨均匀性难以保证的问题,分析了现有打磨机器人以及新型打磨作业方式的工艺参数,明确各个工艺参数对打磨质量的影响规律,进而提高发动机燃烧室绝热层打磨的表面质量和均匀性。建立了打磨机器人打磨效果理论模型,基于ANSYS软件分析了影响打磨均匀性的几大要素,包括切削刃圆角、每刀进给量、打磨角度、双刀盘轴向间距以及轴向进给宽度等。分析结果表明,打磨均匀性与切削刃圆角成正相关,与每刀进给量成负相关;打磨角度越小、双刀盘轴向间距越小,打磨均匀性越好;轴向进给宽度为双刀盘间距2倍时打磨效果最好。最后确定了一组最佳打磨参数,经过实际产品打磨,充分验证了这组工艺参数的可行性。

关键词：固体火箭发动机绝热层打磨机器人 ANSYS 工艺参数

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打磨机器人刚度特性及振动实验研究

打磨机器人刚度特性及振动实验研究

作者：黄震河北工业大学

学位级别：硕士

工业机器人具有高灵活性、加工范围广和成本低等特点,在打磨复杂曲面和较大型工件时具有显著的优势,广泛应用于生产制造等领域。然而打磨工业机器人存在整体刚度不足的问题,执行器在加工时易受到不确定性外部激励的影响,产生低频振动的... 详细信息

工业机器人具有高灵活性、加工范围广和成本低等特点,在打磨复杂曲面和较大型工件时具有显著的优势,广泛应用于生产制造等领域。然而打磨工业机器人存在整体刚度不足的问题,执行器在加工时易受到不确定性外部激励的影响,产生低频振动的现象。机器人产生的振动不仅会严重影响加工件的表面质量,甚至加剧执行器的磨损和缩短机器人的使用寿命。因此本文针对打磨机器人的刚度特性问题进行研究,分析了加工路径与机器人整体刚度性能之间的关系,开展了打磨机器人末端振动及加工质量实验,分析了加工路径对末端振动和加工质量的影响,主要研究内容为:(1)分析打磨机器人的结构特点,搭建了机器人打磨实验检测平台。该平台可实现对机器人在加工过程中各关节振动加速度、温度、转矩和转角位移等信号数据的采集,为打磨机器人末端振动实验研究提供可靠的实验数据。(2)采用机器人的D-H参数和关节变量推导出机器人运动学方程,并对运动学方程进行正、逆求解分析,通过正解、三维模型和程序仿真结果验证机器人运动学方程的正确性。通过矢量积分法推导出机器人雅可比矩阵,并分析机器人的奇异位形,为计算打磨机器人各关节刚度值、建立刚度模型和设计打磨实验方案提供理论基础。(3)通过关节刚度辨识实验计算出机器人各关节刚度值,以机器人操作刚度矩阵为基础构建机器人静刚度模型。根据机器人的工作范围绘制执行器在x、y和z方向的刚度变化曲面,分析机器人在不同加工位置的刚度特性。本研究考虑了不同加工路径对机器人刚度性能的影响,基于机器人刚度模型提出了用于评价机器人末端执行器加工路径对整体刚度性能影响的方法。(4)采用机器人打磨实验检测平台和基于YOLOv5的加工件表面振纹识别算法,分别采集不同打磨方式下各关节的振动加速度信号和加工件表面振纹数量。通过各关节振动幅值变化、末端振动均方根值以及工件表面振纹数量对实验结果综合分析,得到有效降低末端执行器打磨振动和提高加工件表面质量的最优打磨工艺,并验证了机器人末端执行器加工路径整体刚度性能评价方法的可行性。

关键词：打磨机器人打磨实验检测平台运动学分析刚度特性加工质量

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打磨机器人壳体驱动车关键技术的研究

打磨机器人壳体驱动车关键技术的研究

作者：崔丹丹东北大学

学位级别：硕士

近年来,机器人技术已成为高技术领域内具有代表性的战略性技术之一,它使得传统的工业生产面貌发生根本性的变化,对人类社会的发展产生深远的影响。尤其是工业机器人的应用越来越广泛,这也是我国由制造大国向制造强国转变的重要手段和途... 详细信息

近年来,机器人技术已成为高技术领域内具有代表性的战略性技术之一,它使得传统的工业生产面貌发生根本性的变化,对人类社会的发展产生深远的影响。尤其是工业机器人的应用越来越广泛,这也是我国由制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。在固体火箭发动机装备过程中,有一道工序是对固体火箭发动机壳体内部绝热层表面上的脱粘层进行精确打磨,为下一步喷胶工艺做准备。传统的手工打磨不仅打磨效率和质量低下,而且打磨脱落的粉尘对工作人员的健康有很大伤害,因此研制了此打磨机器人。打磨机器人由主车和壳体驱动车两部分组成,而壳体驱动车是用来承载发动机壳体,并且配合主车对其进行打磨的。打磨机器人的设计必须针对多种不同型号发动机壳体,因此需要将壳体驱动车设计成能够适应发动机壳体直径和长度在设计要求的范围内变化的机构。本文结合实际需要和综合设计方法与理论,对该壳体驱动车进行了机构设计研发。由于发动机壳体材料的特殊性及其特殊用途,需要严格保证发动机壳体的安全,本文详细分析了包角、托辊支撑轮直径和发动机壳体转速之间的关系,并且推导出他们之间的关系,如此在满足发动机壳体安全和尽力降低中心轴线高度的前提下,能够选取最优的参数,并且利用Ansys软件对其进行静态力学仿真,又利用了ADAMS软件进行动力学仿真,同时分析了壳体转动的速度对打磨安全的影响。为保证打磨精度,又对壳体驱动车的中心轴线进行了误差分析,并提出了解决方案。实现打磨过程的自动化、智能化。

关键词：包角打磨机器人壳体驱动车设计方案评价误差分析

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打磨机器人自动化控制关键技术研究

打磨机器人自动化控制关键技术研究

作者：温记明四川大学

学位级别：硕士

打磨是产品工艺流程中的重要步骤,对产品的表面质量和光洁程度有着重要影响。打磨机器人是打磨实现的主流发展方案,但目前打磨机器人所依赖的路径生成方法主要是人工示教和离线编程,这两种方法在小批量、种类少、变化小的打磨场合能够... 详细信息

打磨是产品工艺流程中的重要步骤,对产品的表面质量和光洁程度有着重要影响。打磨机器人是打磨实现的主流发展方案,但目前打磨机器人所依赖的路径生成方法主要是人工示教和离线编程,这两种方法在小批量、种类少、变化小的打磨场合能够表现出较优的打磨效果,但实际上严重依赖于操作人员的技术水平,适应性差,质量缺乏保证。同时,打磨力是打磨作业中的关键参数,打磨力的稳定程度决定了打磨后受磨面的表面效果。因此,为了提高打磨过程的自动化水平,本课题对打磨机器人自动化控制关键技术进行了研究与分析,主要是恒力控制技术和路径生成技术。对打磨机器人恒力控制装置进行了详细分析,根据打磨过程打磨力的作用特点设计了一种基于电气比例阀、滑台气缸、压力传感器和PLC的新型气动式闭环恒力控制装置,并依据系统参数对所需的器件进行了选型确定;对打磨机器人路径生成方法进行了讨论,根据点云特性设计了基于包围盒尺寸匹配和三维结构相似性匹配的点云相似匹配方法,结合截面法、曲线拟合和插补法实现了打磨路径自主生成;对打磨机器人的控制系统进行了设计,包括系统硬件架构、软件架构、通信方法和协议及PID恒力控制策略。对打磨过程恒力控制效果和路径生成方法搭建了实验平台并进行了验证。具体工作内容如下:(1)打磨机器人相关技术发展现状分析。首先对打磨机器人系统作了分析并对国内外研究者和企业的相关成果进行了介绍;接着细致阐述了恒力控制技术的理论方法和实现方式,同时介绍了相关领域研究者的工作内容;最后对工业机器人路径生成方法进行了分析和探讨,并对路径生成方法进行了比较。(2)气动恒力打磨装置设计。首先根据打磨机器人打磨机理设计了自动化打磨机器人系统的实现方案;然后根据打磨过程中存在的力控特点,设计了一种全新的气动恒力打磨结构,采用滑台气缸在保证小质量和短长度的基础上实现了装置的柔顺能力,结合电气比例阀、压力传感器和PLC控制器实现了闭环恒力控制,最后根据所设计的恒力打磨系统对组成器件进行了选型。(3)点云相似性匹配及打磨路径生成。首先采用了基于点云的相似性匹配方法,通过包围盒尺寸粗匹配和三维结构相似性精匹配实现从输入点云到精准预置点云间的相似匹配。然后在预置点云的基础上对打磨路径进行生成,采用截面法、曲线拟合和插补法生成一条实际可行的打磨机器人打磨路径点轨迹,结合坐标系变换矩阵实现路径点姿态求解,进而实现打磨机器人路径的全自动生成,提高工业机器人打磨场景的自动化水平。(4)打磨机器人的控制系统设计。为了实现整个打磨机器人系统的联合控制,对打磨机器人的控制系统进行了设计,首先是系统的四层硬件架构和三层软件架构设计;然后是不同硬件上软件的硬件连通方式和通信协议设计,其主要是以TCP-SOCKET连通的上位机与工业机器人和以自由端口为基础连通的上位机与PLC及通信时的自定义通信协议的数据流转方法;最后是对机器人打磨时打磨力的恒定控制策略进行了分析,采用了基于PLC-PID控制的闭环压力-打磨力恒定控制方法。(5)打磨机器人系统搭建及实验分析。以法奥FR3机器人为打磨主体结构,以气动恒力打磨装置为执行器,采用电气比例阀、换向阀、顺序阀、空气压缩机、压力传感器、PLC等设备,结合基于Qt开发的上位机软件、基于LUA开发的工业机器人软件和基于梯形图开发的PLC程序,搭建了能够适用于生产环境的机器人打磨系统,并对上位机软件交互能力、比例阀输入输出关系、打磨恒力控制效果、路径生成结果及系统综合能力进行了实验验证与分析。实验结果显示本文所设计的打磨机器人系统能够实现打磨作业阶段的恒力控制和自主路径生成,最终的打磨力波动不超过0.68N,所生成的路径能够有效支持打磨机器人运动,打磨效果能够实现产品表面夹渣、铁锈的去除,证明了所设计的打磨机器人系统及方法能够实现机器人打磨过程的自动化控制,对于后续关于打磨机器人技术研究和打磨机器人产品开发具有积极的指导意义。

关键词：打磨机器人恒力控制相似性匹配路径生成 PID控制

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打磨机器人的气动恒力控制系统设计与研究

打磨机器人的气动恒力控制系统设计与研究

作者：吴放华南理工大学

学位级别：硕士

随着“中国制造2025”战略地不断推进,工业机器人的应用在我国得到了广泛且迅速的发展,为制造业注入新的活力。在加工环境恶劣及劳动强度大的抛磨行业中,其低普及率的自动化程度与迫切的需求之间形成了强大的反差。目前,打磨机器人既要... 详细信息

随着“中国制造2025”战略地不断推进,工业机器人的应用在我国得到了广泛且迅速的发展,为制造业注入新的活力。在加工环境恶劣及劳动强度大的抛磨行业中,其低普及率的自动化程度与迫切的需求之间形成了强大的反差。目前,打磨机器人既要有较高的路径精度,又要克服各种工件的不一致,同时还要保证磨轮耗材所产生的磨损情况与磨削效果保持一致性。而针对磨削效果一致性的问题,有效的解决方法是通过机器人主动柔顺恒力控制打磨作业来实现。本文基于机器人曲面磨削加工机理以及BP神经网络PID控制原理,提出了一种适用于打磨机器人末端的气动恒力柔顺控制系统,并结合机器人抛磨加工特点搭建了模拟机器曲面磨削加工的测试平台,实验结果验证了所研制的气动恒力柔顺控制系统的实时响应效率和力控制精度的有效性,对后续恒力控制机器人打磨技术的研究具有一定的参考指导意义。具体研究内容如下:首先,在机器人运动学和工件磨料、磨粒、磨削加工机理研究的基础上,建立了打磨机器人工件曲面磨削加工运动学模型,分析了打磨机器人磨削效率及质量的影响因素,为气动恒力控制系统各项参数的设计以及后续搭建测试平台控制条件的设计提供了指导依据。其次,研制了一套适用于机器人抛磨作业应用的末端气动恒力控制系统,系统采用了基于BP神经网络PID气动恒力控制方式,详细介绍了该气动恒力系统的结构设计和元器件选型以及该系统的动作机理与控制策略,同时建立了基于三层神经网络结构的PID整定算法架构,通过神经网络PID自适应整定算法对系统气动恒力控制模型进行参数优化,并借助MATLAB仿真软件对自适应参数优化的系统进行分析,最后验证了该方法的可靠性和稳定性。最后,为了进一步验证该系统的性能,搭建了一套模拟典型多段曲率变化的工件定速控制进给的测试平台,来模拟气动恒力控制系统自主柔顺恒力控制下的模拟打磨工具与工件曲面磨削加工的环境,并通过平台对系统恒力控制性能(包括实时响应特性和力控精度)进行实验数据分析,验证了适用于打磨机器人的气动恒力控制装置的稳定性和力控精准性。

关键词：打磨机器人神经网络PID 气动恒力控制磨削加工

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打磨机器人结构设计及有限元分析

打磨机器人结构设计及有限元分析

作者：姚光瑞沈阳工业大学

学位级别：硕士

目前大多数从事加工制造方面的企业正面临着巨大的产业升级压力,各行业对机械产品加工质量有了更高要求,对于铸件产品的打磨加工来说人工打磨相对于自动化生产具有极大的局限性。依靠人工进行铸件产品的打磨加工不仅效率低,而且每个产... 详细信息

目前大多数从事加工制造方面的企业正面临着巨大的产业升级压力,各行业对机械产品加工质量有了更高要求,对于铸件产品的打磨加工来说人工打磨相对于自动化生产具有极大的局限性。依靠人工进行铸件产品的打磨加工不仅效率低,而且每个产品打磨质量标准难以统一。因此,自动打磨技术正在逐渐成为一个研究领域。对于表面形状复杂的零件而言,采用机器人进行自动化打磨具有一定优势,这一技术也逐渐成为众多科研人员的研究热点。论文从企业生产实践出发并结合国内外相关资料,开展打磨机器人设计与分析,提高铸件打磨加工效率。论文主要研究内容如下:依据国内外打磨机器人技术发展现状,从企业实际生产加工需求出发,按照打磨机器人技术参数及运动要求,给出了打磨机器人的两种总体设计方案,并对两种方案进行了分析与研究,最终确定了最优方案。还利用三维建模软件完成了打磨机器人设计。利用有限元分析软件对所设计的打磨机器人的主体结构进行了静动态分析与优化设计。静力学分析结果证明打磨机器人的刚度及强度满足要求;对转台及三轴模组进行了模态分析,从而确定了打磨机器人电机的临界转速;根据其模态求解结果,对转台进行了谐响应分析,给出了转台结构的薄弱环节;建模了转台结构的参数化模型,采用响应面优化法对转台结构进行了优化设计,使得优化后的转台固有频率远离激励频率,最高谐响应峰值下降;还完成了打磨机器人样机的安装与调试,并采用相关仪器对打磨机器人的精度进行了测量,测量结果表明上述仿真实验分析结果准确以及总体设计方案可行。

关键词：打磨机器人结构设计有限元分析静动态特性校核优化设计

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打磨机器人结构设计及轨迹规划仿真研究

打磨机器人结构设计及轨迹规划仿真研究

作者：姜晓丹江苏大学

学位级别：硕士

随着科技的进步,传统制造业正面临着机遇和挑战,铸造后处理加工及其打磨环节亦是如此。鉴于传统人工打磨加工方法存在效率低下、打磨质量参差不齐等缺点。本文以发动机缸体铸件为研究对象,设计了一种用于缸体凸台面打磨的打磨机器人,同... 详细信息

随着科技的进步,传统制造业正面临着机遇和挑战,铸造后处理加工及其打磨环节亦是如此。鉴于传统人工打磨加工方法存在效率低下、打磨质量参差不齐等缺点。本文以发动机缸体铸件为研究对象,设计了一种用于缸体凸台面打磨的打磨机器人,同时研究了基于遗传算法的打磨机器人时间最优B样条轨迹规划方法,以提高机器人打磨效率。本文主要研究内容和结论如下:首先,进行打磨机器人本体结构设计。根据缸体凸台面的打磨要求及打磨机器人性能指标,构建了打磨机器人整体结构方案;设计了机器人的驱动关节、杆长尺寸、手臂结构及末端执行器等详细结构,并借助工程设计软件Creo Parametric完成了打磨机器人的三维建模。此外,运用有限元分析软件ANSYS Workbench对打磨机器人的机械性能进行了数值仿真分析。其次,开展打磨机器人运动学研究。根据D-H坐标参数法建立了打磨机器人的运动学数学模型和运动学方程;并对其进行了运动学分析,推算出打磨机器人运动学逆解的求解过程,验证运动学方程的正确性;同时,通过在MATLAB机器人工具箱中建立机器人运动仿真模型,对打磨机器人的有效工作空间进行了研究和分析。再次,开展打磨机器人轨迹规划研究。对比分析了关节空间常用轨迹规划方法的优劣性;在讨论了B样条曲线几何特性及遗传算法优化原理的基础上,研究了三次B样条曲线拟合打磨机器人关节轨迹,并结合时间最优遗传算法进行机器人运动轨迹优化的方法。应用该方法,以相邻型值点之间的时间间隔为优化变量,建立适应度函数和遗传算法优化模型,通过对各段B样条曲线运动时间寻优,从而获得总运动时间最小值。最后,进行打磨机器人轨迹规划仿真分析。在MATLAB软件中,仿真对比分析了优化前后各关节随时间变化的位置、速度、加速度、加加速度曲线,结果表明:优化后的运动轨迹时间明显缩短,各关节随时间变化的位置、速度曲线光滑平顺,加速度连续无突变,从而验证轨迹规划算法的有效性。

关键词：打磨机器人结构设计 B样条曲线轨迹规划遗传算法

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打磨机器人的运动轨迹控制策略研究

打磨机器人的运动轨迹控制策略研究

作者：陈进湖北工业大学

学位级别：硕士

汽车轮辋焊缝的切割与打磨是一种机械的重复性运动,传统的加工方式是以人力为主的经验式加工模式。存在着生产效率低、浪费生产材料等问题,且工人长期在较为危险的环境下,长时间高强度的进行作业,对工人的身体健康及生命安全存在着隐患... 详细信息

汽车轮辋焊缝的切割与打磨是一种机械的重复性运动,传统的加工方式是以人力为主的经验式加工模式。存在着生产效率低、浪费生产材料等问题,且工人长期在较为危险的环境下,长时间高强度的进行作业,对工人的身体健康及生命安全存在着隐患,仅依靠人工加工的方式是无法达到生产效益最大化地目的。研究轮辋焊缝打磨机器人旨在于节省人力、物力,满足人性化生产和提高生产效率等需求。研究具有打磨切割功能的轮辋焊缝工业机器人并将其投入到生产应用,对减轻工人劳动强度,提高生产效率,降低环境污染,节约生产成本,减少劳务开支都有着十分重大的意义。本文的研究对象是应用于汽车轮辋焊缝打磨的工业机器人,主要从理论上对焊缝打磨机器人的运动学、工艺参数的优化、控制策略的改进等方面进行研究。通过针对轮辋切割打磨过程中存在的问题进行深入的研究,在分析传统的人工打磨的基础上,提出了打磨机器人运动控制策略及路径优化思路,并且分析了影响机器人打磨效果的一些工艺参数,提出采用模糊算法对工艺参数的优化方案,以期能够很好的解决机器人打磨过程中存在的打磨次数以及打磨效果的问题,从而达到有效的减小打磨过程中材料的损耗,提高打磨效果的目的,目标是为了提高工业生产的效率,节约生产成本。此外,在分析研究焊缝打磨工业机器人的控制方式以及路径优化的问题上,讨论了此类机器人的运动学问题,通过计算推导出其运动学正、逆问题的求解公式然后进行了验证,并通过结合焊缝切割打磨机器人自身的结构和己知的关节角范围,推导出机器人末端的工作空间范围,最后利用Matlab环境下的机器人仿真工具箱,建立起打磨焊缝机器人仿真模型,进行了运动学仿真,使机器人按照规定的路径绘制出机器人实际运动仿真图,所得结果符合设定要求,并且给出了工艺参数及运动方式的实例分析。仿真实验验证了采用的模糊控制和神经网络进行优化,得出了机器人在设定路径下的实际运动效果,运动控制结果表明能够为进一步开发轮辋焊缝打磨机器人的研究工作提供理论研究的依据。

关键词：打磨机器人汽车轮辋机器人运动优化优化算法