阀门焊接机械手的机构及控制方案设计

发布时间：2017-10-19 12:24

  本文关键词：阀门焊接机械手的机构及控制方案设计

  更多相关文章： 焊接机械手 SolidWorks建模 D-H法 ADAMS仿真 EtherCAT

【摘要】：随着工业自动化水平的逐渐提高,越来越多的手工焊接领域逐渐被焊接机械手所取代。使用机械手进行焊接,不仅可以减少人工劳动成本,而且还可以提高焊接的效率和精度。本文针对的是某种特定阀门阀体密封面的焊接,通过对机械手的机构及控制方案研究,使其能够应用于阀门阀体密封面的焊接任务。具体工作如下:⑴通过参考、借鉴和对比等方法,选择了电机驱动方式的六关节六自由度串联机械手,并利用Solidworks软件建立了焊接机械手装配模型。然后运用D-H法对该机械手系统进行了运动学分析,包括机械手-变位机协同运动建模以及机械手和变位机各自正、逆运动学的求解。此外,还在机械手运动学分析的基础上进行了焊接机械手工作空间的分析,并给出了工作空间的平面投影图;⑵采用拉格朗日法进行机械手的动力学研究,并通过构造机械手拉格朗日方程求解出此焊接机械手的动力学方程。然后基于牛顿-欧拉方程杆件质心的惯性力和惯性力矩表达式,推导并计算出了焊接机械手各关节驱动力和驱动力矩表达式;⑶将建立好的机械手模型导入ADAMS中进行机械手运动学与动力学仿真。通过机械手运动学仿真,得出其关节角、杆件质心位移以及关节角速度与角加速度都在各自的变化范围内。此外,基于机械手-变位机协同焊接运动学模型及参数求解方法的运动学仿真结果表明:协同焊接过程中机械手和变位机关节角也都在合理范围内,机械手关节转角曲线呈周期性变化、平滑无突变,确保了焊枪的追踪运动平稳。焊枪末端点轨迹拟合出空间椭圆曲线,表明焊枪末端能够实时追踪到阀体内壁的椭圆焊缝并与其以较高精度贴合。通过ADAMS动力学仿真各个关节驱动力和驱动力矩随时间的变化情况可知:驱动力和驱动力矩都在变化范围之内,机械手系统在焊接作业过程中运行平稳,没有发生干涉或者与阀体内壁碰撞等不良现象,也就证实了机械手在狭小空间内实现焊接的可行性;⑷提出一种基于EtherCAT总线进行主控制器和伺服运动控制之间通信的焊接机械手控制系统总体方案,主要解决了通信和控制算法两大问题。此外,还研究了焊接工作站的组成及整体布局,然后介绍了焊接试验的工艺要求,并给出了弧焊试验结果。结果表明:焊接过程平稳,所形成的椭圆环形焊缝轨迹平滑、精度较高,能够达到实际生产中阀门阀体密封面的焊接要求。
【关键词】：焊接机械手 SolidWorks建模 D-H法 ADAMS仿真 EtherCAT
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241;TG409
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 选题的来源、背景和意义13-14
• 1.1.1 选题的来源和背景13-14
• 1.1.2 选题的意义14
• 1.2 文献综述14-19
• 1.2.1 国内外机械手的研究状况14-18
• 1.2.1.1 国外机械手研究现状14-16
• 1.2.1.2 国内机械手研究现状16-18
• 1.2.2 国内外机械手研究趋势18-19
• 1.3 本课题主要研究内容19-20
• 第二章 焊接机械手机构设计及与变位机协同运动建模20-47
• 2.1 刚体位姿描述及坐标变换20-24
• 2.1.1 刚体位姿描述20-21
• 2.1.1.1 位置的描述20-21
• 2.1.1.2 位姿的描述21
• 2.1.2 坐标变换概述21-23
• 2.1.2.1 坐标平移变换21-22
• 2.1.2.2 坐标旋转变换22-23
• 2.1.2.3 一般坐标变换23
• 2.1.3 齐次变换描述23-24
• 2.2 连杆参数及连杆坐标系24-26
• 2.2.1 连杆及连杆连接描述24-25
• 2.2.2 连杆参数和关节变量25
• 2.2.3 连杆坐标系及其连杆参数定义25
• 2.2.4 连杆变换和运动学方程25-26
• 2.3 串联机械手运动学分析简介26-27
• 2.4 串联机械手构型设计27-30
• 2.4.1 基本设计要求27-28
• 2.4.2 机械手臂的构型方案选择28-29
• 2.4.3 关节驱动方式的选择29-30
• 2.5 焊接机械手模型的建立30-32
• 2.5.1 机械手本体选择30
• 2.5.2 阀门焊接机械手三维建模30-32
• 2.6 机械手-变位机协同焊接运动学建模32-44
• 2.6.1 机械手各连杆间坐标变换32
• 2.6.2 焊接机械手-变位机系统方案32-35
• 2.6.2.1 系统方案32-33
• 2.6.2.2 基于弗莱纳-雪列矢量的离散焊点位姿求解33-35
• 2.6.3 机械手-变位机主、从运动链耦合关系方程35-36
• 2.6.4 变位机正、逆运动学建模及参数求解36-38
• 2.6.5 机械手正、逆运动学建模及参数求解38-44
• 2.6.5.1 机械手正运动学建模及参数求解38-39
• 2.6.5.2 机械手逆运动学建模及参数求解39-43
• 2.6.5.3 运动空间分析43-44
• 2.7 微分变换法求焊接机械手雅克比矩阵及奇异性分析44-46
• 2.7.1 微分变换法求雅克比矩阵44-45
• 2.7.2 奇异性分析45-46
• 2.8 本章小结46-47
• 第三章 焊接机械手动力学建模47-53
• 3.1 动力学分析的理论概述47-48
• 3.2 机械手的动力学方程推导过程48-51
• 3.2.1 动力学参数的变换48
• 3.2.2 机械手动力学方程的推导与建立48-51
• 3.3 杆件之间的力及力矩递推算法51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 焊接机械手系统运动学及动力学仿真53-71
• 4.1 ADAMS软件介绍53-55
• 4.1.1 ADAMS的主要组件53-54
• 4.1.2 ADAMS仿真步骤54-55
• 4.2 焊接机械手运动学仿真55-63
• 4.2.1 机械手模型导入ADAMS55-56
• 4.2.2 机械手运动学仿真方式的选择56-58
• 4.2.3 机械手运动学仿真的实现58-63
• 4.3 阀体密封面协同焊接的运动仿真63-68
• 4.3.1 Solidworks Motion和MATLAB介绍63-64
• 4.3.2 协同焊接过程虚拟仿真64-66
• 4.3.3 极限焊点处机械手位姿求解66-68
• 4.4 焊接机器人的动力学仿真68-70
• 4.5 本章小结70-71
• 第五章 焊接机械手控制方案设计及弧焊试验71-82
• 5.1 控制系统总体方案71-77
• 5.1.1 系统硬件构成71
• 5.1.2 运动伺服控制系统的工作原理及算法研究71-72
• 5.1.3 独立关节PID控制72-73
• 5.1.4 控制方案确定73-77
• 5.2 控制系统方案具体实现77-78
• 5.2.1 EtherCAT主站77-78
• 5.2.2 EtherCAT从站78
• 5.3 机械手阀体内壁密封面焊接试验78-81
• 5.3.1 焊接工作站介绍78-79
• 5.3.2 焊接试验要求与实施79-81
• 5.4 本章小结81-82
• 第六章 总结与展望82-84
• 6.1 总结82-83
• 6.2 展望83-84
• 参考文献84-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果87-88
• 致谢88-89

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3 王W，

本文编号：1061089