一种四自由度螺栓拧紧机器人的研制

发布时间：2020-11-01 15:55

　　螺纹联接是使用最为普遍的一种联接形式,螺纹连接质量直接影响整机安全及工作性能。目前,我国大部分生产制造企业采用人工或电动拧紧工具进行螺栓拧紧,要求高的还需要扭力扳手进行复检,导致工人劳动强度大、生产效率低、拧紧力差异较大等问题,为此,研制一款四自由度螺栓拧紧机器人。主要研究内容包括:(1)制定了四自由度螺栓拧紧机器人总体方案。机器人控制系统在获取螺栓位置信息后控制机器人运动到目标位置,通过选择相应的螺栓拧紧策略实现对目标螺栓的自动化拧紧。(2)建立了机器人运动学模型,求出了机器人正逆解,确定了机器人工作空间以及机器人奇异点,并基于MATLAB对机器人运动学进行仿真分析,最后对机器人进行了轨迹规划和动力学分析。(3)基于SolidWorks软件建立了机器人三维数字化模型,采用ANSYS软件对机器人关键零部件进行静力学有限元分析,对机器人的各功能部件选型进行了详细的阐述,最终开发了机器人样机。(4)基于PC+PMAC开发了机器人控制系统,搭建了机器人硬件控制系统,开发了机器人软件控制系统,开展了螺栓拧紧实验,验证了所开发机器人的有效性。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

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1绪论11绪论1.1研究背景及意义螺纹联接是工程中应用最为普遍的一种联接形式，如图1-1所示，螺纹连接受螺钉材质、预紧力、被连接厚度、螺纹配合质量、工况条件等多种因素影响，其连接质量直接影响着工程结构系统的安全性及工作性能。螺纹联接也作为机械制造装备中应用最为广泛的固定连接结合部，其装配质量对机器整机性能将产生重要影响，因此研究提高螺纹连接装配工艺技术具有重要意义[1]。图1-1螺纹连接示意图Figure1-1Schematicdiagramofthreadedconnection随着“工业4.0”的提出，以及科学技术的不断发展，企业发展也进入了新的阶段，高质量的自动化、智能化、信息化生产线成为必然要求。“工业4.0”三大主要关键技术是物理信息系统(CPS)，物联网(IoT)和智能工厂[2]。进入21世纪后。2014年12月，我国首次提出了“中国制造2025”的计划，“工业4.0”和“中国制造2025”的提出，预示着物联网新时代的到来，在这样的时代背景下，传统制造企业面临着转型的难题，高水平的自动化、智能化产品需求量也与日俱增[3]。目前，我国大部分生产制造企业采用工人使用电动拧紧工具进行螺栓拧紧的半自动化作业方式，且普遍需要工人使用扭力扳手进行复检。这种作业方式存在工人劳动强度大、生产效率低且工艺稳定性差等质量问题[4]。近年来，在我国人工成本大幅度增长的前提下，使用工业机器人代替人工进行螺栓的自动化拧紧已经成为一种必定的趋势。工业机器人虽不如人工手工作业那样的灵活，但它可以执行重复性、准确性和强度较大的工作，可以弥补以往人工使用螺栓拧紧作业方式的不足，而且还适用于一些环境较为恶劣的工况中。对于人工手动使用电动拧紧工具进行螺栓拧紧的作业方式存在劳动强度大、工艺稳定性差、工作效率低等质量问题。本文针对需要单螺栓

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和装配设备的开发，进行了试验研究和分析，并系统定制了螺纹接头装配标准[11]。针对螺纹联接中螺栓伸长与拧紧预紧力的关系[12]，美国首先进行了以预紧力矩和预紧角为主要研究对象的控制方法的研究。今后，欧洲和日本也借鉴这一方法制定螺纹连接标准[13-14]。目前，许多相关企业和研究院所在连接件屈服装配控制和延伸控制的应用方面取得了一定的成果，并成功转化为工程实际应用[15-17]。螺纹连接装配方法的发展主要包括三个阶段：手动装配、半自动装配和全自动控制装配。最早的螺纹连接装配方法是由操作人员手动装配扳手，如图1-2中的a所示；之后，开发出一种能够方便观察装配扭矩的指针式扭矩扳手，如图1-2中的b所示，更方便的数字扭矩扳手装配方法逐渐成为装配过程中的主要工具，如图1-2中c所示。虽然螺纹连接装配方法正逐步走向自动化，但在拧紧过程中，不仅螺纹摩擦副表面和支承面的影响，而且夹紧工具的制造误差和操作者的读数误差也是影响拧紧效果的因素。（a）普通扳手（b）指针式扭力扳手（c）数显式扭力扳手图1-2拧紧工具示意图Figure1-2Schematicdiagramoftighteningtool随着工程技术的不断发展，相关研发人员利用螺纹连接装配的过程原理，参考装配技术的原理，设计出适合各种螺纹连接的生产和装配工具。气动和液压装配工具分别如图1-3中的a和b所示。

一种四自由度螺栓拧紧机器人的研制