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面向超大船体外表面的喷涂机械臂研究

面向超大船体外表面的喷涂机械臂研究

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作者：张英勇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前国内外船舶行业受船体分段曲面大、曲面均一性差的限制,船体分段外表面的喷涂工作仍采用传统的人工作业的方式,喷涂效率低,喷涂质量稳定性差,造成船体外表面的返喷率较高,严重制约了生产力,同时作业环境恶劣,对工人伤害大。本文结... 详细信息

目前国内外船舶行业受船体分段曲面大、曲面均一性差的限制,船体分段外表面的喷涂工作仍采用传统的人工作业的方式,喷涂效率低,喷涂质量稳定性差,造成船体外表面的返喷率较高,严重制约了生产力,同时作业环境恶劣,对工人伤害大。本文结合国家科技支撑项目“超大船体分段自动喷涂成套设备研制”,研制了一种轻量化喷涂机械臂系统,搭载在液压展臂平台上完成船体外表面自动喷涂作业,用于解决船舶分段外表面涂装效率低、喷涂质量不稳定等问题,并开展了喷涂机械臂结构设计,运动学、动力学分析,涂层优化喷涂算法以及控制系统等关键技术研究。首先,根据喷涂的性能指标与液压展臂载重平台特性,研制了一种可搭载于液压展臂上的轻量化喷涂机械臂。基于喷涂效率优化设计了机械臂结构参数,实现了效率最大化工作空间。机械臂各关节采用编码器、电机、减速器同轴布置的方式,手腕采用三自由度斜交手腕,腕部电机集中于肘关节处,整体机械臂具有结构紧凑、运动灵活的特点。为保证机械臂在液压展臂上安装方便,设计了两者接口模块,并针对机械臂工作环境,进行了相应的防爆处理。然后,进行机械臂运动学与动力学分析。基于DH参数法进行机械臂正运动学求解;基于遍历迭代法进行机械臂逆运动学求解。根据坐标系之间变换关系,利用雅克比矩阵建立了机械臂末端与各关节的速度、加速度之间的关系,并对机械臂运动空间进行了解算。借助ADAMS软件对机械臂进行动力学仿真,分析了机械臂在极限状态下,各关节所需的力矩大小。其次,基于涂层均匀性优化算法,分析制定机械臂最优喷涂速度与轨迹间距,以涂层厚度为方程输出,分别建立了平面和曲面喷涂涂层积累速率以及厚度数学模型。在此基础上,以实际涂层厚度与理想涂层厚度的方差作为目标优化函数,对喷涂速度与喷涂间距进行了优化,从而保证了机械臂涂层厚度的均匀性。最后,建立机器人控制系统,采用基于工业以太网和总线建立开放式分布控制系统。基于VC++6.0与Open Inventor开发上位机控制界面,基于位置PI控制实现了控制器内机械臂轨迹控制。利用激光跟踪仪进行机械臂运动学参数标定和主要性能测试,结果表明所研制喷涂机械臂满足设计要求。搭建船体分段的模拟体,与液压展臂联合进行了喷涂实验。

关键词：船体外表面喷涂机械臂轨迹优化涂层均匀

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