打磨机器人机电系统设计与研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 工业机器人的发展概况及国际动态
• 1.3 机器人的组成结构
• 1.4 本论文研究的基本内容
• 1.4.1 打磨机器人机构设计与运动学分析
• 1.4.2 打磨机器人大臂CAE分析
• 1.4.3 伺服系统选择与传动控制
• 1.4.4 打磨机器人控制系统研究与设计
• 第2章 打磨机器人机构设计与运动学分析
• 2.1 机械系统的设计
• 2.1.1 CAD软件Catia概述
• 2.1.2 机器人主体结构设计
• 2.1.3 关节坐标形式选择
• 2.1.4 臂部设计
• 2.1.5 手部（打磨轮）的设计
• 2.1.6 机身（机座）结构设计
• 2.1.7 小臂和腕部长度的选择
• 2.2 打磨机器人的运动学分析
• 2.2.1 运动学建立
• 2.2.2 机器人运动学的逆运算
• 第3章 打磨机器人大臂结构CAE分析
• 3.1 概述
• 3.2 打磨机器人大臂有限元分析原理
• 3.2.1 形状函数
• 3.2.2 单元刚度矩阵
• 3.2.3 单元节点位移
• 3.2.4 系统固有频率
• 3.3 打磨机器人大臂的ANSYS有限元分析
• 3.3.1 ANSYS有限元分析的特点
• 3.3.2 打磨机器人大臂ANSYS有限元分析步骤
• 3.3.3 打磨机器人大臂模型的静态求解
• 3.3.4 打磨机器人大臂模态分析
• 3.3.5 模型静力及模态结果综合分析
• 第4章 伺服系统选择与传动控制
• 4.1 直流伺服电机和交流伺服电机性能比较
• 4.2 传动方式及驱动装置选择
• 4.2.1 各关节传动方式选择
• 4.2.2 各关节驱动电机和减速器选择
• 4.2.3 编码器的选择
• 4.3 交流伺服电机控制原理
• 第5章 打磨机器人控制系统研究与设计
• 5.1 机器人控制体系原理
• 5.1.1 机器人控制系统总体结构
• 5.1.2 功能层次结构原理
• 5.2 打磨机器人工作原理
• 5.2.1 自动定位
• 5.2.2 自动打磨
• 5.3 打磨机器人控制系统的硬件设计及组成
• 5.3.1 工业计算机
• 5.3.2 运动控制器PMAC
• 5.3.3 双端口RAM
• 5.3.4 接口板
• 5.3.5 多路I/O驱动板
• 5.4 机器人系统控制回路
• 5.5 PMAC对机器人本体的伺服控制
• 5.5.1 PMAC硬件特性
• 5.5.2 PMAC软件概述
• 5.5.3 PMAC主要功能
• 5.5.4 PMAC计算优先级分析
• 5.5.5 控制系统联结和调试
• 5.6 系统软件设计
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢