打磨机器人主车设计中的若干关键技术研究
|
摘要
机器人是一种典型的机电一体化设备,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,壳体内壁粘有脱模剂,需要打磨掉后再进行下一工序。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。
本文以打磨机器人开发研究为基础,探讨开发设计自动化机械产品的一般方法。采用功能设计的方法,通过比较选择,误差分析,类比推理等手段得到打磨机器人的动力源,传动方案,以及细节结构的合理性。
采用动态设计法,对主车进行了运动学和动力学分析,论述了可靠性设计的一般方法,利用ANSYS对关键部件进行了分析,得到了其变形量,并进行推理,得到打磨头变形量,为机构和功能设计提供理论依据,为智能设计做好准备。
根据客户要求,打磨过程要求实现全自动化,分析了打磨机器人的控制原理和控制系统结构,搭建了IPC+Pmac的智能控制系统,合理选择了各辅助设备,并进行了软件编程,很好的得到了机器人的控制系统。
实现了打磨机器人主车三维可视化设计,以PrO/E三维造型软件为基础,对打磨机器人进行了三维建模,检验了打磨机器人各部分结构的合理性,实现了运动过程和工作过程的可视化。
Robot technique as a synthesis system 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, mold lubricant is stick at its inner-wall, which needs polish off. 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 thesis probes into a normal method for design of automatic mechanic product, based on research of polishing robot. Adopting method of function design gets polishing robot's power, drive project and rationality of detail structure by comparing and choosing, error analyzing and analogism.
Adopting method of dynamic design analyze kinematics and dynamics of main car and discuss commonly method of design of security obtains all joints' variety range and drive power. Analyzing key part with ANSYS gets its distortion quantity. And then, by logic, get distortion quantity of polishing head. This is theory gist for machine and function design and making prepares for intelligent design.
Polishing process must be automatic according to customer's demand. By method of intelligent design, analyze the control principle and the control system structure of polishing robot, establish intelligent control system with IPC+PMAC, reasonably choose all assistant equipment, and design soft programme, get the control system of the polishing robot.
Adopting method of visual design models three dimensional model of polishing robot with Pro/E. Check up the rationality of polishing robot every parts'structure. Set up visual process of moving and working of polishing robot main vehicle.
本文以打磨机器人开发研究为基础,探讨开发设计自动化机械产品的一般方法。采用功能设计的方法,通过比较选择,误差分析,类比推理等手段得到打磨机器人的动力源,传动方案,以及细节结构的合理性。
采用动态设计法,对主车进行了运动学和动力学分析,论述了可靠性设计的一般方法,利用ANSYS对关键部件进行了分析,得到了其变形量,并进行推理,得到打磨头变形量,为机构和功能设计提供理论依据,为智能设计做好准备。
根据客户要求,打磨过程要求实现全自动化,分析了打磨机器人的控制原理和控制系统结构,搭建了IPC+Pmac的智能控制系统,合理选择了各辅助设备,并进行了软件编程,很好的得到了机器人的控制系统。
实现了打磨机器人主车三维可视化设计,以PrO/E三维造型软件为基础,对打磨机器人进行了三维建模,检验了打磨机器人各部分结构的合理性,实现了运动过程和工作过程的可视化。
Robot technique as a synthesis system 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, mold lubricant is stick at its inner-wall, which needs polish off. 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 thesis probes into a normal method for design of automatic mechanic product, based on research of polishing robot. Adopting method of function design gets polishing robot's power, drive project and rationality of detail structure by comparing and choosing, error analyzing and analogism.
Adopting method of dynamic design analyze kinematics and dynamics of main car and discuss commonly method of design of security obtains all joints' variety range and drive power. Analyzing key part with ANSYS gets its distortion quantity. And then, by logic, get distortion quantity of polishing head. This is theory gist for machine and function design and making prepares for intelligent design.
Polishing process must be automatic according to customer's demand. By method of intelligent design, analyze the control principle and the control system structure of polishing robot, establish intelligent control system with IPC+PMAC, reasonably choose all assistant equipment, and design soft programme, get the control system of the polishing robot.
Adopting method of visual design models three dimensional model of polishing robot with Pro/E. Check up the rationality of polishing robot every parts'structure. Set up visual process of moving and working of polishing robot main vehicle.
引文
1.闻邦椿,张国忠,柳洪义.面向产品广义质量的综合设计理论与方法[M],北京：科学出版社,2007.
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.田相玉,刘正林,费国标.船台横移架走轮结构可靠性分析[J],船海工程,2007,36(1)： 41-44.
6.董根深,杜长龙,张东升.滚筒采煤机行走机构探讨[J],中州煤炭,2005,1：10-11.
7.徐旭,车延博.基于PMAC的交流伺服数控系统[J],控制与检测,2007,1：46-50.
8.李洪平,黄跃飞.自行式液压翻车机及行走机构设计[J],湖南有色金属,2005,21 (6)： 39-41.
9.蒋志坚,常厚祥,梁雪凤.机器人装置中交流伺服电机控制技术的研究[J],微计算机信息,2002,18(11)：17-19.
10.童大埙.铁路轨道基本知识[M],北京：中国铁道出版社,1997.
11.孙祥,徐流美,吴清.MATLAB7.0基础教程[M],北京：清华大学出版社,2005.
12.庞企淮.小功率电动机选择与应用技术[M],北京：人民邮电出版社,1998.
13.刘鸿文.材料力学[M],北京：高等教育出版社,1992.
14.盛志涛.Pro/Engineer中文野火版机械制图教程[M],上海：上海科学普及出版社2005.
15.周鹏,王昊,周桂红等.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M],北京：中国水利水电出版社,2006.
16.哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M],北京：高等教育出版社,2002.
17.孙志礼,何雪宏,何韶君.机械设计[M],北京,冶金工业出版,1998.
18.王菲.一种开放式机器人控制器结构和控制方法的研究[D],沈阳东北大学,2006.
19.马现刚.一种机器人控制系统的研究[D],沈阳东北大学,2005.
20.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.
21.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.
22.高钟毓.机电控制工程[M],北京：清华大学出版社,2001.
23.王天然,曲道奎.工业机器人控制系统的开放体系结构[J],机器人,2002,5：256-261.
24.吴广玉,姜复兴.机器人工程导论[M],哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1988.
25.潘冻东,黄心汉.基于PMAC的机器人控制器设计,华中理工大学学报,2000,4：69-71.
26.张建宏,裴仕清,李亚静,许逊,周厚伏.基于PMAC的开放式数控裁剪机[J],机电一体化,2002,3：48-49.
27.杨更更,叶佩青,杨开明,游华云.基于PMAC的数控系统PID参数自适应调节[J],机械工程师,2002,4：13-15.
28.郝钢,韩秋实,孙志永.基于PMAC的开放式数控系统性能的研究[J],北京机械工业学院学报,2003,6：24-28.
29.唐小会,谢寄石,黄大贵,陈功福.基于PMAC的开放式数控系统试验平台的研究与开发[J],中国测试技术,2003,1：61-62.
30. HuangXiaoxi, LiSicong, ZhuJianying. Active force control of robotic manipulator[J], Joint Proceedingson Aeronauticsand Astronautics(JAPP),1993:209-213.
31.段进,倪栋,王国业.ANSYS 10.0结构分析从入门到精通[M],北京：兵器工业出版社,北京科海电子出版社,2006.
32.李裕春,时党勇.ANSYS 10.0/LS-DYNA基础理论与工程实践[M],中国水利水电出版社,2006.
33.王富耻,张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M],电子工业出版社,2006.
34.陈恳,杨向东.机器人技术与应用[M],清华大学出版社,2006.
35. Saridis G N. Intelligent robotic control. IEEE trans on Automatic Control, 1983,28(5):547-557.
36.刘安心.用优化连续法求机器人手臂的极限距离[J],机械科学与技术,2000,19(1)： 25-26.
37. Leon J L. Automatic path planning for a mobile robot technique:case-analysis based multi-resolution map drawing. Robotics and Autonomous Systems,1998,24(1-2):5-15.
38.吕岗,王富东.关节式教学机器人的动力学仿真[J],苏州丝绸工学院学报,2000, 6： 72-75.
39.徐坤,言勇华.机器人运动控制仿真系统研究与实现[J],机器人技术与应用,2001,2： 28-30.
40.孙耀明.微型计算机在机器人技术中的应用[M],北京：科学技术文献出版社,1987.
41.孙一兰.多轴控制系统的研究[D],沈阳东北大学,2005.
42. Liu H Y and Wen B C. Force Distribution for the legs of a Quadrupe-d Walking Vehicle[J], Journal of Robotic Systems 14(1),1-8 1997 by John Wiley&Sons, Inc.
43. Delta Tau Data system Inc.PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE[M],1998.
44. M. K. Raibert, J. J. Craig. Hybrid Position/Force Control of Manipulators [J], ASME Jornal of Dynamic Systems Measurement and Control,1981,103(2):126-133.
45. Tms320F281x DSP Event Manager (EV)Reference Guide, Texas Instruments, Application Report SPRU065C,2004.
46. Ulf-Helmut Rieder, Manfred Schroedl.无速度传感器控制的外转子永磁同步电动机的优化设计[J],电力电子,2005,3(2)：51-54.
47.黄时聪,赵连玉.平面关节机器人运动的加减速控制和轨迹规划[J],机械工程,1999,3： 9-11.
48.饶振纲,王勇卫.滚珠丝杠副及自锁装置[M],北京,国防工业出版社,1990.
49.朱文宇.机械可靠性设计[M],上海,上海交通大学出版社,1992.
50.陶永华.新型PID控制及其应用,北京,机械工业出版社,2002.
51.李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论[M],哈尔滨,哈尔滨工业大学出版社,1996.
52.钟日铭.PRO/ENGINEER WILDFIRE3.0参数化零件设计基础与实战精选[M],北京,机械工业出版社,2006.
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.田相玉,刘正林,费国标.船台横移架走轮结构可靠性分析[J],船海工程,2007,36(1)： 41-44.
6.董根深,杜长龙,张东升.滚筒采煤机行走机构探讨[J],中州煤炭,2005,1：10-11.
7.徐旭,车延博.基于PMAC的交流伺服数控系统[J],控制与检测,2007,1：46-50.
8.李洪平,黄跃飞.自行式液压翻车机及行走机构设计[J],湖南有色金属,2005,21 (6)： 39-41.
9.蒋志坚,常厚祥,梁雪凤.机器人装置中交流伺服电机控制技术的研究[J],微计算机信息,2002,18(11)：17-19.
10.童大埙.铁路轨道基本知识[M],北京：中国铁道出版社,1997.
11.孙祥,徐流美,吴清.MATLAB7.0基础教程[M],北京：清华大学出版社,2005.
12.庞企淮.小功率电动机选择与应用技术[M],北京：人民邮电出版社,1998.
13.刘鸿文.材料力学[M],北京：高等教育出版社,1992.
14.盛志涛.Pro/Engineer中文野火版机械制图教程[M],上海：上海科学普及出版社2005.
15.周鹏,王昊,周桂红等.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M],北京：中国水利水电出版社,2006.
16.哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M],北京：高等教育出版社,2002.
17.孙志礼,何雪宏,何韶君.机械设计[M],北京,冶金工业出版,1998.
18.王菲.一种开放式机器人控制器结构和控制方法的研究[D],沈阳东北大学,2006.
19.马现刚.一种机器人控制系统的研究[D],沈阳东北大学,2005.
20.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.
21.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.
22.高钟毓.机电控制工程[M],北京：清华大学出版社,2001.
23.王天然,曲道奎.工业机器人控制系统的开放体系结构[J],机器人,2002,5：256-261.
24.吴广玉,姜复兴.机器人工程导论[M],哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1988.
25.潘冻东,黄心汉.基于PMAC的机器人控制器设计,华中理工大学学报,2000,4：69-71.
26.张建宏,裴仕清,李亚静,许逊,周厚伏.基于PMAC的开放式数控裁剪机[J],机电一体化,2002,3：48-49.
27.杨更更,叶佩青,杨开明,游华云.基于PMAC的数控系统PID参数自适应调节[J],机械工程师,2002,4：13-15.
28.郝钢,韩秋实,孙志永.基于PMAC的开放式数控系统性能的研究[J],北京机械工业学院学报,2003,6：24-28.
29.唐小会,谢寄石,黄大贵,陈功福.基于PMAC的开放式数控系统试验平台的研究与开发[J],中国测试技术,2003,1：61-62.
30. HuangXiaoxi, LiSicong, ZhuJianying. Active force control of robotic manipulator[J], Joint Proceedingson Aeronauticsand Astronautics(JAPP),1993:209-213.
31.段进,倪栋,王国业.ANSYS 10.0结构分析从入门到精通[M],北京：兵器工业出版社,北京科海电子出版社,2006.
32.李裕春,时党勇.ANSYS 10.0/LS-DYNA基础理论与工程实践[M],中国水利水电出版社,2006.
33.王富耻,张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M],电子工业出版社,2006.
34.陈恳,杨向东.机器人技术与应用[M],清华大学出版社,2006.
35. Saridis G N. Intelligent robotic control. IEEE trans on Automatic Control, 1983,28(5):547-557.
36.刘安心.用优化连续法求机器人手臂的极限距离[J],机械科学与技术,2000,19(1)： 25-26.
37. Leon J L. Automatic path planning for a mobile robot technique:case-analysis based multi-resolution map drawing. Robotics and Autonomous Systems,1998,24(1-2):5-15.
38.吕岗,王富东.关节式教学机器人的动力学仿真[J],苏州丝绸工学院学报,2000, 6： 72-75.
39.徐坤,言勇华.机器人运动控制仿真系统研究与实现[J],机器人技术与应用,2001,2： 28-30.
40.孙耀明.微型计算机在机器人技术中的应用[M],北京：科学技术文献出版社,1987.
41.孙一兰.多轴控制系统的研究[D],沈阳东北大学,2005.
42. Liu H Y and Wen B C. Force Distribution for the legs of a Quadrupe-d Walking Vehicle[J], Journal of Robotic Systems 14(1),1-8 1997 by John Wiley&Sons, Inc.
43. Delta Tau Data system Inc.PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE[M],1998.
44. M. K. Raibert, J. J. Craig. Hybrid Position/Force Control of Manipulators [J], ASME Jornal of Dynamic Systems Measurement and Control,1981,103(2):126-133.
45. Tms320F281x DSP Event Manager (EV)Reference Guide, Texas Instruments, Application Report SPRU065C,2004.
46. Ulf-Helmut Rieder, Manfred Schroedl.无速度传感器控制的外转子永磁同步电动机的优化设计[J],电力电子,2005,3(2)：51-54.
47.黄时聪,赵连玉.平面关节机器人运动的加减速控制和轨迹规划[J],机械工程,1999,3： 9-11.
48.饶振纲,王勇卫.滚珠丝杠副及自锁装置[M],北京,国防工业出版社,1990.
49.朱文宇.机械可靠性设计[M],上海,上海交通大学出版社,1992.
50.陶永华.新型PID控制及其应用,北京,机械工业出版社,2002.
51.李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论[M],哈尔滨,哈尔滨工业大学出版社,1996.
52.钟日铭.PRO/ENGINEER WILDFIRE3.0参数化零件设计基础与实战精选[M],北京,机械工业出版社,2006.