空间复杂曲面修复机器人操作臂设计与应用研究

发布时间：2017-06-28 22:20

  本文关键词：空间复杂曲面修复机器人操作臂设计与应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水轮机组在运转工作过程中,往往会受到水流中泥沙等杂质的影响,造成水轮机叶片不同程度的气蚀和磨损破坏,严重降低了发电效率。故经过一定的工作周期就要进行停机维修,水轮机组的大规模维修周期通常为4~5年,每次大修约耗时4个月,影响了水轮机组的有效发电时间。当前我国水轮机叶片的维修作业主要采用人工作业,不仅修复效率低,而且操作空间狭小、工作环境恶劣,对工人的身体健康造成严重威胁。此外,对于堆焊修复后的水轮机叶片进行人工打磨作业,打磨后的叶片表面形状很难和原设计形状吻合,改变了水轮机组原始的过流状态,因而降低水轮机发电功率。因此,对于受损水轮机组叶片进行高效率与高质量的修复作业,已成为亟待解决的现实问题。本课题在深入了解水轮机组转轮、叶片结构以及对比分析国内外现有水轮机修复机器人特点的基础上,设计了一种基于移动平台的空间复杂曲面机器人虚拟样机。通过机器人操作臂可直接对机坑内受损的水轮机叶片进行修复作业,无需将转轮从机坑内吊出并转移到维修厂房内进行维修,从而使水轮机组叶片的维修工作具有安全、高效、便捷、低能耗等特点。首先,根据机坑内工作空间相对狭小的问题,对于修复机器人主要部分—操作臂进行整体布局规划,并对关节驱动进行研究。通过建模与仿真分析一体化的软件Solidworks建立机器人虚拟模型,对主要零部件进行虚拟建模以完成总装配,借助Simulation有限元分析系统进行模态振动研究。然后,通过D-H运动学理论建立其运动学模型,完成修复机器人正运动学分析以确定末端坐标系与基坐标系的位姿关系,并通过MATLAB Robotics Toolbox验证。通过机器人逆运动学研究,可知该机器人能够完成修复作业,又可以在某关节发生故障时完成修复作业。其次,对于该修复机器人的应用研究,主要是对预先规划的堆焊、打磨路径轨迹进行运动学仿真。依据水轮机组叶片堆焊和打磨维修工艺的区别,在ADAMS仿真软件中分别进行机器人虚拟样机的堆焊与打磨作业应用研究。最后,分别构建堆焊与打磨作业系统框架,根据不同的修复作业流程,对实际作业中传感器的应用与选型进行分析,选取最适合的堆焊电源并对堆焊最佳参数进行实验研究,为实体样机的应用与开发做铺垫。
【关键词】：空间复杂曲面修复机器人 虚拟样机设计 模态分析 D-H理论 运动学计算 ADAMS仿真 作业系统 传感器应用
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及意义9
• 1.2 工业机器人发展状况9-12
• 1.2.1 工业机器人概念9-10
• 1.2.2 工业机器人组成10-11
• 1.2.3 国内工业机器人发展计划11-12
• 1.2.4 国外工业机器人发展计划12
• 1.3 工业修复机器人技术概况及趋势12-15
• 1.3.1 国内工业修复机器人技术的研究概况12-14
• 1.3.2 国外工业修复机器人技术的研究概况14-15
• 1.4 本文主要研究内容15-17
• 第二章 机器人操作臂结构研究17-25
• 2.1 操作臂整体规划设计17-19
• 2.2 操作臂关节驱动设计19-20
• 2.3 机器人虚拟样机建模20-22
• 2.4 机器人操作臂模态分析22-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 机器人虚拟模型的运动学研究25-39
• 3.1 机器人操作臂的D-H模型建立25-28
• 3.1.1 建立位姿矩阵25-26
• 3.1.2 D-H连杆坐标系建立26-28
• 3.2 运动学正解28-30
• 3.3 基于Matlab Robotics Toolbox的正运动学验证30-33
• 3.4 基于修复作业的运动学逆解研究33-36
• 3.5 基于故障容错的逆解研究36-37
• 3.6 本章小结37-39
• 第四章 机器人作业应用研究39-51
• 4.1 堆焊作业应用研究39-47
• 4.1.1 制定堆焊路径39-40
• 4.1.2 堆焊应用仿真40-44
• 4.1.3 基于故障容错的堆焊应用仿真44-47
• 4.2 打磨作业应用研究47-50
• 4.2.1 打磨路径的位置补偿48
• 4.2.2 基于打磨路径的运动学计算48-49
• 4.2.3 打磨应用仿真49-50
• 4.3 本章小结50-51
• 第五章 机器人作业系统研究51-61
• 5.1 堆焊作业系统研究51-58
• 5.1.1 堆焊作业流程分析51-52
• 5.1.2 传感器在堆焊作业中的应用52-54
• 5.1.3 堆焊电源的选型54-56
• 5.1.4 堆焊工艺参数设计56-58
• 5.2 打磨作业系统与传感器58-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第六章 总结与工作展望61-63
• 6.1 总结61-62
• 6.2 工作展望62-63
• 致谢63-65
• 参考文献65-69
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果69

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本文编号：495515