打磨机器人机电系统设计与研究
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摘要
机器人是一种典型的机电一体化设备,集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬软件技术、控制理论、传感器技术、人工智能理论等科学及技术于一体,广泛应用于工业生产、太空和海洋探索、国防技术等领域。在固体火箭发动机壳体制造过程中,壳体内壁粘有绝热层,绝热层需要打磨成很薄的均匀麻面后再进行下一工序。传统的手工打磨不仅打磨效率和质量低下,而且粉尘对工作人员的健康有很大伤害。为了提高生产效率及改善作业环境,研制了打磨机器人,以实现打磨过程的自动化、智能化。
本文设计了一台四自由度的特种机器人—打磨机器人,由打磨机器人各个关节的协调运动完成对细长壳体内壁绝热层自动化打磨任务。首先,以CATIA软件为基础,对打磨机器人总体结构进行设计,对机器人的运动学进行分析以及结构的优化,搭建机器人运动控制系统,通过调整各关节角可使机器人对空间一定范围内的目标进行打磨。并在ANSYS软件中建立大臂模型,进行强度、刚度、模态分析,从中选择最优的结构,进而确定本体设计和验证打磨方案的合理性。
其次,通过对伺服系统的各种形式、电机性能进行分析比较,根据系统对快速响应、平稳工作的要求,对打磨机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器进行计算选择,并采用先进的控制技术实现了对打磨机器人的运动控制,从而使打磨机器人系统设计达到最优。
最后,研究了打磨机器人控制系统的硬件、软件结构和具体的工作模式,其中包括IPC、PMAC和各个伺服电机间的分级控制结构,PMAC附件在机器人系统的应用,并针对运动控制器PMAC的特性、主要功能、软件使用等问题进行研究。
Robot technique as a synthesis system, which includs kinematics and dynamics theory, machine design and manufacture, computer hardware and software, control theory, sensor technology, artificial intelligence and so on, is widely used in scope of industrial production, exploration of the sea and the space, national defense etc. In the manufacture process of the engine shell for solid rocket, insulation is stick at its inner-wall, which needs polish to thin and with uniform surface. The traditional manual polish method is not only inefficiency and low-quality, but also the dust, which is great harm for the health of staff. In order to improve production efficiency and improve the working environment, people have developed polishing robot to achieve the polishing process automation and intelligent.
The purpose of this article is to develop a special polishing robot, which is composed of three degrees. With the help of polishing robot, the task of polish can be completed by the cooperation of each joint'coordinated movement. Firstly, based on the CATIA software, we have analyzed kinematics and dynamics of robot, built robot motion control system. by adjusting the angle of the joints, the robot can grind the targets in a certain range. Then with ANSYS to analyze intensity and rigidity, chooses the optimal structure. and determine the rationality of the main body designs.
Secondly. in according to the requirements of system for the rapid response, smooth work, after the comparison of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the polishing robot, AC servo motor and reducer, and used advanced control technology to realize motion control of polishing robot, so that polished robot system design is optimal at last.
Finally, analyzed the structure of hardware and software, the specific work mode of control system of the polishing robot including IPC and PMAC and the grading controlled structure of the various servo motor, the application of PMAC Annex in robot system and elaborately researches the main characteristics, the principal functions, software and other issues of the movement controller-PMAC.
本文设计了一台四自由度的特种机器人—打磨机器人,由打磨机器人各个关节的协调运动完成对细长壳体内壁绝热层自动化打磨任务。首先,以CATIA软件为基础,对打磨机器人总体结构进行设计,对机器人的运动学进行分析以及结构的优化,搭建机器人运动控制系统,通过调整各关节角可使机器人对空间一定范围内的目标进行打磨。并在ANSYS软件中建立大臂模型,进行强度、刚度、模态分析,从中选择最优的结构,进而确定本体设计和验证打磨方案的合理性。
其次,通过对伺服系统的各种形式、电机性能进行分析比较,根据系统对快速响应、平稳工作的要求,对打磨机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器进行计算选择,并采用先进的控制技术实现了对打磨机器人的运动控制,从而使打磨机器人系统设计达到最优。
最后,研究了打磨机器人控制系统的硬件、软件结构和具体的工作模式,其中包括IPC、PMAC和各个伺服电机间的分级控制结构,PMAC附件在机器人系统的应用,并针对运动控制器PMAC的特性、主要功能、软件使用等问题进行研究。
Robot technique as a synthesis system, which includs kinematics and dynamics theory, machine design and manufacture, computer hardware and software, control theory, sensor technology, artificial intelligence and so on, is widely used in scope of industrial production, exploration of the sea and the space, national defense etc. In the manufacture process of the engine shell for solid rocket, insulation is stick at its inner-wall, which needs polish to thin and with uniform surface. The traditional manual polish method is not only inefficiency and low-quality, but also the dust, which is great harm for the health of staff. In order to improve production efficiency and improve the working environment, people have developed polishing robot to achieve the polishing process automation and intelligent.
The purpose of this article is to develop a special polishing robot, which is composed of three degrees. With the help of polishing robot, the task of polish can be completed by the cooperation of each joint'coordinated movement. Firstly, based on the CATIA software, we have analyzed kinematics and dynamics of robot, built robot motion control system. by adjusting the angle of the joints, the robot can grind the targets in a certain range. Then with ANSYS to analyze intensity and rigidity, chooses the optimal structure. and determine the rationality of the main body designs.
Secondly. in according to the requirements of system for the rapid response, smooth work, after the comparison of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the polishing robot, AC servo motor and reducer, and used advanced control technology to realize motion control of polishing robot, so that polished robot system design is optimal at last.
Finally, analyzed the structure of hardware and software, the specific work mode of control system of the polishing robot including IPC and PMAC and the grading controlled structure of the various servo motor, the application of PMAC Annex in robot system and elaborately researches the main characteristics, the principal functions, software and other issues of the movement controller-PMAC.
引文
1.柳洪义,宋伟刚.机器人技术基础[M],北京：冶金工业出版社,2002
2. Jorge Angeles(著),宋伟刚(译).机器人机械系统原理理论、方法和算法[M],北京：机械工业出版社,2004.8
3.刘杰.机电一体化系统设计[M],沈阳：东北大学出版社,1997
4.柳洪义.机械工程控制基础[M],北京：科技出版社,2006
5.徐心和.机器人原理与应用[M],东北大学音像出版社,2004
6.柳洪义,闻邦椿.一类轮腿结合式步行机的最优稳定裕度问题[J],东北大学学报,1994,15(2)：162-165
7.柳洪义,宋伟刚,彭兆行.控制步行机足运动的一种方法——修正组合摆线法[J],机器人,1994,16(6)：350-356
8.蔡自兴.机器人学[M],北京：清华大学出版社,2000
9.[日]白井良明.机器人工程[M],科学出版社OHM社,2001
10.王天然.机器人[M],北京：化学工业出版社,2002
11.王灏.机器人的智能控制方法[M],北京：国防工业出版社,2002
12.孙迪生,王炎.机器人控制技术[M],北京：机械工业出版社,1997
13.谢红.数控机床机器人机械系统设计指导[M],上海：同济大学出版社,2004.8
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20.王田苗.工业机器人发展思考[J],机器人技术与应用,2004,2：1-4
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22.卡拉姆,克莱斯米特.CATIA V5使用指南[M],北京：清华大学出版社,2005
23.王树国,付宜利.我国特种机器人的发展战略思考[J],自动化学报2002,12(28)：70-76
24.马香峰,余达太,许纪情,刘鸿飞.工业机器人的操作机设计[M],北京冶金工业出版社,1999
25.孙斌,杨汝清.开放式机器人的控制器综述[J],机器人,2001,7：374-378
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