基于OPC的工业机器人监控系统的设计及其手臂疲劳寿命预测的研究

发布时间：2019-02-19 14:12

【摘要】：随着现代工业自动化技术的不断发展,制造集成化与自动化速度越来越快,工业机器人将发挥越来越重要的角色。本文的研究对象是MOTOMAN-HP20型工业机器人,全文围绕机器人监控系统的设计和机械手臂疲劳寿命预测两部分内容开展研究。本文第一部分是六自由度工业机器人监控系统的设计,该系统是利用组态监控软件Win CC作为上位机,以OPC方式对机器人的相关参数采集处理,最终将机器人的实时参数信息显示在上位机上。首先,将上位机软件Win CC作为服务器添加OPC驱动程序,通过OPC的方式连接到机器人控制器PLC上,采集机器人末端位置姿态信息。然后,MATLAB解出运动学逆解并返回给OPC服务器,以便在上位机上显示机器人的夹角等信息。由于机器人运动学求解在Win CC中实现起来比较困难,所以引入MATLAB软件。根据机器人的运动学逆解,可解得到机器人关节夹角信息;同时,利用MATLAB中的Robotics Tool工具箱函数,实时画出机器人的三维模型。接着将MATLAB文件转换成*.exe可执行文件,嵌入到监控系统中,实现可视化监控。最后,在Win CC组态软件中利用C脚本程序完成机器人监控系统的设计。监控系统包括位姿和夹角信息的显示、位置分量趋势图的显示、监控系统中实时数据和历史数据过程值的归档、警报系统的显示等功能。该系统通过OPC的通讯方式将PLC、Win CC和MATLAB三者有效的统一起来,从而实现了机器人监控系统中各模块之间的通信。第二部分是机器人手臂疲劳预测方面。本文的设计方案先对机器人小臂的在Pro/e中建立三维模型,并对该模型进行简化以便有利于后续的有限元分析。然后,将模型导入有限元软ANSYS中,经过材料属性设定、划分网格、加载约束和后处理等步骤,求得机器人小臂的应力分布结果。最后,根据材料的S-N曲线,结合应力结果,利用ANSYS中的Fatigue模块对机器人小臂进行了疲劳寿命预测。得出机械手臂的最小寿命为4.6×10~5次,发生在与大臂连接的关节处。
[Abstract]:With the development of modern industrial automation technology, manufacturing integration and automation are becoming faster and faster. Industrial robots will play a more and more important role. The research object of this paper is MOTOMAN-HP20 industrial robot. This paper focuses on the design of robot monitoring system and fatigue life prediction of robot arm. The first part of this paper is the design of the six degree of freedom industrial robot monitoring system. The system uses the configuration monitoring software Win CC as the upper computer, and uses OPC to collect and process the related parameters of the robot. Finally, the real-time parameter information of the robot is displayed on the upper computer. Firstly, the upper computer software Win CC is used as the server to add the OPC driver, which is connected to the robot controller PLC by the way of OPC to collect the position and attitude information of the robot terminal. Then, MATLAB solves the inverse kinematics solution and returns it to the OPC server, so that the information of the robot's angle can be displayed on the upper computer. The robot kinematics solution is difficult to implement in Win CC, so MATLAB software is introduced. According to the inverse kinematic solution of the robot, the angle information of the robot joint can be obtained, and the three-dimensional model of the robot is drawn in real time by using the Robotics Tool toolbox function in MATLAB. Then the MATLAB file is transformed into *. Exe executable file and embedded in the monitoring system to realize visual monitoring. Finally, the robot monitoring system is designed by using C script program in Win CC configuration software. The monitoring system includes the display of position and angle information, the display of position component trend chart, the archiving of real-time data and historical data process values, the display of alarm system and so on. The system unifies PLC,Win CC and MATLAB effectively through the communication of OPC, and realizes the communication among the modules in the robot monitoring system. The second part is the prediction of robot arm fatigue. In this paper, a three-dimensional model of the robot's forearm is established in Pro/e, and the model is simplified to facilitate the subsequent finite element analysis. Then, the model is introduced into the finite element soft ANSYS, and the stress distribution results of the robot's forearm are obtained through the steps of material attribute setting, meshing, loading constraint and post-processing. Finally, according to the S-N curve of the material and the stress results, the fatigue life of the robot's forearm is predicted by using the Fatigue module in ANSYS. The minimum life span of the manipulator is 4.6 脳 10 ~ (5) times, which occurs at the joint connected with the arm.
【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】：TP242.2

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本文编号：2426578