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吸盘式研抛机器人的研究

徐刚  
【摘要】:随着汽车、家电、航天工业等高新产业的迅速发展,对零件表面的质量要求越来越高。传统的手工抛光费时费力,而且精度都难以保证。利用数控机床抛光,由于受夹具尺寸的限制,不能加工大型复杂零件,且不能灵活移动。本课题将传统的数控机床与工业机器人于灵活、高智能以及柔性等技术特点相结合,自主开发出一种能够适应自由曲面的高精度、高性能的研抛机器人,对提高大型自由曲面精整加工技术有着非常重要的意义。 为了使工具头能够对自由曲面任意位置的法向量方向进行研抛,机器人具有五个自由度的自适应功能,其中包括三个直线移动和两个方向的摆动。机器人脚部机构为吸盘式,可以很好的保证机器人工作时的静稳定性和动稳定性;腿部机构采用了电动推杆,使其具有越障功能;手臂机构的五个自由度中三个直线运动是由滚珠丝杠实现的,两个摆动机构则分别是由弧形导轨机构和渐开线花键结构组成。按照功能要求和设计准则,通过CATIA软件完成了机器人的三维实体造型。在对零部件设计时,利用有限元分析软件ANSYS对受力情况比较复杂的摇摆机构和转动轴结构进行静力学分析,以验证其结构强度和刚度的合理性。 机器人的控制系统控制机器人运动轨迹和动作是以各关节位姿参数为基础通过编写运动程序来实现的。求解各关节速度、加速度、力矩以及它们之间的关系则是机器人运动学和动力学所解决的问题。本文建立了5自由度研抛机器人运动学的数学模型,运用D-H方法求解机器人运动学正解、逆解、速度雅克比矩阵以及各关节速度、加速度之间的关系。运用拉格朗日方程对机器人进行动力学分析,求解出各关节的驱动力(力矩)关于速度和加速度的函数表达式。为了验证运动学计算结果的正确性,本文设定机器人匀速走过夹角为20°半径为60mm的圆弧,利用已经求解出的运动学表达式计算出各关节位移量,并将数据导入ADAMS软件进行轨迹仿真,验证了计算结果的正确性。 目前,开放式数控系统应用最为广泛的是以运动控制器作为核心处理器,以PC工控机为信息处理平台,即“PC机+运动控制卡”的形式。PC机作为上层控制器,主要负责工作方式设定、参数的调整和输入以及监视机器人运行状态等非实时性工作。下位机运动控制卡与上位机通过总线结构进行通讯,将上位机的各种指令转化为“脉冲+方向”或者开关量的形式传递给电机驱动器等执行原件。在数控系统硬件方面,本课题以“PC机+ADT-856六轴控制卡”为基础,以步进电机等为执行原件,再辅以限位开关、编码器等搭建了控制系统硬件平台。此外设计了气路控制系统,用来辅助控制研抛机器人的行走机构。在系统软件方面,引入了“模块化”思想,整个系统的功能就是许多功能模块的有序组合。结合ADT-856控制卡自身提供的函数库,并利用VC++6.0面向对象的编程语言,开发了部分功能模块的程序代码。


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