（机械电子工程专业论文）打磨机器人机电系统设计与研究.pdf

， j 地 f l l ， ， 4 t 脊p j1-1 f lj ， ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e s i g na n d r e s e a r c ho fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ls y s t e m so fp o l i s h i n gr o b o t b yy a ol i q u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uh o n g y i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 涵o 1、l， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：白根重水乏 日 期：1c ，。o2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i ， ) 0 -。，l， 东北大学硕士学位论文 摘要 打磨机器人机电系统设计与研究 摘要 机器人是一种典型的机电一体化设备，集运动学与动力学理论、机械设计与制造技 术、计算机硬软件技术、控制理论、传感器技术、人工智能理论等科学及技术于一体， 广泛应用于工业生产、太空和海洋探索、国防技术等领域。在固体火箭发动机壳体制造 过程中，壳体内壁粘有绝热层，绝热层需要打磨成很薄的均匀麻面后再进行下一工序。 传统的手工打磨不仅打磨效率和质量低下，而且粉尘对工作人员的健康有很大伤害。为 了提高生产效率及改善作业环境，研制了打磨机器人，以实现打磨过程的自动化、智能 化。 本文设计了一台四自由度的特种机器人一打磨机器人，由打磨机器人各个关节的协 调运动完成对细长壳体内壁绝热层自动化打磨任务。首先，以c a t i a 软件为基础，对 打磨机器人总体结构进行设计，对机器人的运动学进行分析以及结构的优化，搭建机器 人运动控制系统，通过调整各关节角可使机器人对空间一定范围内的目标进行打磨。并 在a n s y s 软件中建立大臂模型，进行强度、刚度、模态分析，从中选择最优的结构， 进而确定本体设计和验证打磨方案的合理性。 其次，通过对伺服系统的各种形式、电机性能进行分析比较，根据系统对快速响应、 平稳工作的要求，对打磨机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器进行计算选 择，并采用先进的控制技术实现了对打磨机器人的运动控制，从而使打磨机器人系统设 计达到最优。 最后，研究了打磨机器人控制系统的硬件、软件结构和具体的工作模式，其中包括 i p c 、p m a c 和各个伺服电机间的分级控制结构，p m a c 附件在机器人系统的应用，并 针对运动控制器p m a c 的特性、主要功能、软件使用等问题进行研究。 关键词：机器人；a n s y s 软件；p m a c ；运动控制系统；交流伺服电机； j i 东北大学硕士学位论文 目录 d e s i g na n dr e s e a r c ho fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ls y s t e m so f p o l i s h i n gr o b o t a b s t r a c t r o b o tt e c h n i q u ea sas y n t h e s i ss y s t e m ，w h i c hi n c l u d sk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st h e o r y , m a c h i n ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，c o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，c o n t r o lt h e o r y , s e n s o r t e c h n o l o g y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n ds oo n ，i sw i d e l yu s e di ns c o p eo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， e x p l o r a t i o no ft h es e aa n dt h es p a c e ，n a t i o n a ld e f e n s ee t c i nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s so ft h e e n g i n es h e l lf o rs o l i dr o c k e t ，i n s u l a t i o ni ss t i c ka ti t si n n e r - w a l l ，w h i c hn e e d sp o l i s ht ot h i n a n dw i t lu n i f o r ms u r f a c e t h et r a d i t i o n a lm a n u a lp o l i s hm e t h o di sn o to n l yi n e f f i c i e n c ya n d l o w - q u a l i t y , b u ta l s ot h ed u s t ，w h i c hi sg r e a th a r mf o rt h eh e a l t ho fs t a f f i no r d e rt oi m p r o v e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n di m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，p e o p l eh a v ed e v e l o p e d p o l i s h i n gr o b o t t oa c h i e v et h ep o l i s h i n gp r o c e s sa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st od e v e l o pas p e c i a lp o l i s h i n gr o b o t ，w h i c hi sc o m p o s e do f t h r e ed e g r e e s w i t ht h eh e l po fp o l i s h i n gr o b o t ，t h et a s ko fp o l i s hc a nb ec o m p l e t e db yt h e c o o p e r a t i o no fe a c hj o i n t c o o r d i n a t e dm o v e m e n t f i r s t l y , b a s e do nt h ec a t i as o f t w a r e ，w e h a v ea n a l y z e dk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fr o b o t ，b u i l tr o b o tm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，b y a d j u s t i n gt h ea n g l eo ft h ej o i n t s ，t h er o b o tc a ng r i n dt h et a r g e t si nac e r t a i nr a n g e t h e nw i t ha n s y st o a n a l y z ei n t e n s i t ya n dr i g i d i t y , c h o o s e st h eo p t i m a ls t r u c t u r e ，a n dd e t e r m i n et h er a t i o n a l i t yo f t h em a i nb o d yd e s i g n s s e c o n d l y , i na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fs y s t e mf o rt h er a p i dr e s p o n s e ，s m o o t h w o r k ，a f t e rt h ec o m p a r i s o no fv a r i o u sf o r m so fs e r v os y s t e ma n dt h ee l e c t r i c a lt h e o r y , h a v e c h o s ev a r i o u sj o i n td r i v ew a y so nt h ep o l i s h i n gr o b o t ，a cs e r v om o t o r a n dr e d u c e r , a n du s e d a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yt or e a l i z em o t i o nc o n t r o lo fp o l i s h i n gr o b o t ，s ot h a tp o l i s h e d r o b o ts y s t e md e s i g ni so p t i m a la tl a s t f i n a l l y , a n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h es p e c i f i cw o r km o d eo f c o n t r o ls y s t e mo ft h ep o l i s h i n gr o b o ti n c l u d i n gi p ca n dp m a ca n dt h eg r a d i n gc o n t r o l l e d s t r u c t u r eo ft h ev a r i o u ss e r v om o t o r , t h ea p p l i c a t i o no fp m a ca n n e xi nr o b o ts y s t e ma n d e l a b o r a t e l yr e s e a r c h e st h em a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r i n c i p a lf u n c t i o n s ，s o f t w a r ea n do t h e r i s s u e so ft h em o v e m e n tc o n t r o l l e r - p m a c k e yw o r d s ：p o l i s h i n gr o b o t ；a n s y ss o f t w a r e ；p m a c ；m o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m ；a cs e r v o m o t 。j -，|kl_lv 1 2 工业机器人的发展概况及国际动态1 1 3 机器人的组成结构3 1 4 本论文研究的基本内容5 1 4 1 打磨机器人机构设计与运动学分析5 1 4 2 打磨机器人大臂c a e 分析5 1 4 3 伺服系统选择与传动控制6 1 4 4 打磨机器人控制系统研究与设计6 第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析7 2 1 机械系统的设计7 2 1 1c a d 软件c a t i a 概述7 2 1 2 机器人主体结构设计8 2 1 3 关节坐标形式选择8 2 1 4 臂部设计9 2 1 5 手部( 打磨轮) 的设计1 0 2 1 6 机身( 机座) 结构设计1 1 2 1 7 小臂和腕部长度的选择。l 1 2 2 打磨机器人的运动学分析l5 2 2 1 运动学建立15 2 2 2 机器人运动学的逆运算。1 6 第3 章打磨机器人大臂结构c a e 分析2 2 3 1 概述。2 2 东北大学硕士学位论文 3 2 打磨机器人大臂有限元分析原理 3 2 1 形状函数 3 2 2 单元刚度矩阵。 3 2 3 单元节点位移 3 2 4 系统固有频率 3 3 打磨机器人大臂的a n s y s 有限元分析 3 3 1a n s y s 有限元分析的特点 3 3 2 打磨机器人大臂a n s y s 有限元分析步骤2 7 3 3 3 打磨机器人大臂模型的静态求解3 l 3 3 4 打磨机器人大臂模态分析3 3 3 3 5 模型静力及模态结果综合分析3 6 第4 章伺服系统选择与传动控制3 9 4 1 直流伺服电机和交流伺服电机性能比较3 9 4 2 传动方式及驱动装置选择4 0 4 2 1 各关节传动方式选择4 0 4 2 2 各关节驱动电机和减速器选择4 1 4 2 3 编码器的选择4 3 4 3 交流伺服电机控制原理4 5 第5 章打磨机器人控制系统研究与设计4 7 5 1 机器人控制体系原理4 7 5 1 1 机器人控制系统总体结构4 7 5 1 2 功能层次结构原理4 8 5 2 打磨机器人工作原理4 9 5 2 1 自动定位4 9 5 2 2 自动打磨5 0 5 3 打磨机器人控制系统的硬件设计及组成5 l 5 3 1 工业计算机5 1 5 3 2 运动控制器p m a c 5 2 5 3 3 双端口r a m 5 4 东北大学硕士学位论文 目录 5 3 4 接口板5 4 5 3 5 多路i o 驱动板5 5 5 4 机器人系统控制回路5 6 5 5p m a c 对机器人本体的伺服控制5 6 5 5 1p m a c 硬件特性。5 6 5 5 2p m a c 软件概述5 7 5 5 3p m a c 主要功能5 8 5 5 4p m a c 计算优先级分析。6 0 5 5 5 控制系统联结和调试6 2 5 6 系统软件设计6 3 第6 章结论。6 6 参考文献6 7 致谢7 0 v 1 一自，ti-l， 章绪论 途径才 能对其进行深入研究和开发。工业机器人替代人类在恶劣、危险条件下或其它不适 宜人类活动的环境中作业是一种重要的手段。在工业生产领域，近年来出现很多从 事设备保养、维修、运输、监控的工业机器人，显著提高了生产效率。因此，移动 机器人迅速发展起来。 在固体火箭发动机壳体制造过程中，壳体内壁粘有绝热层，绝热层需要打磨成 很薄的均匀麻面后再进行下一工序。传统的手工打磨不仅打磨效率和质量低下，而 且粉尘对工作人员的健康有很大伤害。为了提高生产效率及改善作业环境，我们研 制了打磨机器人。 本课题是以打磨火箭发动机内壁的“打磨机器人”为背景，研究工业机器人领域 中的若干问题，本文重点从打磨机器人的总体结构进行研究：根据打磨的精度要求， 进行运动学、动力学分析、机械结构总体设计、电气系统原理设计及各种器件的选 型，以及机器人运动控制系统的实现。确定各关节的结构，同时根据布线、安全系 数的要求，确定控制台、电控柜的布置等。实现了打磨过程的自动化、智能化，具 有很高的理论研究意义和重要的社会效益价值。 1 2 工业机器人的发展概况及国际动态 本世纪2 0 年代，在自动机和自动线出现可以代替人力传递和装卸工件的机械 手，随后在某些危险作业领域出现由操作人员直接控制或遥控的操作机。机器人是 近3 0 年来在自动操作机基础上发展起来的一种能模仿人的某些动作和控制功能，并 按照可变的预定程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统； 它综合了精密机械、控制传感和自动按制技术等领域的最新成果。 机器人( r o b o t ) 是一种自动化机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相 似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵 活性的自动化机器。但是真正按照现代机器人的定义研究、制造和应用机器人的历 史距今只有几十年。实际上，真正意义上的机器人是随着计算机的出现诞生的。1 9 6 1 年美国u n i m a t e 公司生产了第一台商用工业机器人。1 9 8 0 年开始日本等国迅速普及 工业机器人。随着机构学、自动控制理论、计算机技术的发展，传统的机器人已由 1 。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 欠自由度操作臂发展到冗余度操作臂、行走机器人、拟人机器人、多机器人系统等 多种形式。2 0 0 5 年日本已研制出能够控制平衡的骑自行车的拟人机器人。 我国机器人技术研究起步于7 0 年代初期，经过3 0 多年的发展，大致经历了3 个阶段：7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期和9 0 年代的适用化期。我国于1 9 7 2 年开始了研制自己的工业机器人和水下攻关计划，并取得了一定的成绩。进入8 0 年代后，在“8 6 3 ”计划支持下，在水下机器人、服务机器人、微操作机器人、爬壁机 器人、管道机器人、军用机器人、仿人机器人和智能化智能机械等方面开展研究， 培养了队伍，取得了一批研究成果，在某些技术方面达到了国际先进水平。这很大 程度上缩短了我国机器人水平与国外发达国家之间的差距，有力地推动了我国机器 人事业的发展。从9 0 年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后 研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器 人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。 工业机器人是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效本 的有效手段之一。1 9 8 4 年i s o ( 国际标难化组织) 采纳了美国机器人协会( r i a ) 的建议， 给机器人下了定义，即“工业机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料，零 件、工具的操作机或为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统”。 我国国家标准g b t 1 2 6 4 3 9 0 将工业机器人定义为“是一种能自动定位控制，可重 复编程的、多功能的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操持工具，用以完 成各种作业。” 工业机器人的发展过程可分为三个阶段：第一代机器人就是日前工业中大量使 用的“示教再现”机器人，主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。第二代机器 人是带感觉的机器人，能获取作业环境，操作对象的简单信息，通过计算机处理和 分析，对外界信息进行反馈，采用自适应控制，从9 0 年代起进入实用阶段。第三代 机器人即智能机器人，是指只有适应性的自治机器人，能理解指示命令，感知环境， 识别对象，具有知识库和专家系统，在作业环境中能独立工作，目前还处于实验阶 段。 随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提 出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智 能机器人，有的具有仿人在凸凹不平地面上行走移动能力；有的具有视觉和触觉功 能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力。在 智能机器人系统中，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中的各种学习、 2 仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等。我国已经把智能机器人列入 国家高技术计划，政府有关部门对发展智能机人高度重视。经过十几年的努力，我 国智能机器人的研究与开发已经取得了丰硕的成果【1 4 , 1 9 , 2 1 , 2 4 】。 但从总体上我国的机器人与国际发达国家相比还有较大差距，没有形成规模产 业，自主知识产权的成果相对较少，对机器人基本科学问题和技术研究不足，跟踪 研究多，自主创新少。所以，我国机器人领域的研究还有很大的发展空间，机器人 的应用还有广泛的前景。 1 3 机器人的组成结构 机器人一般由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。其关系如图1 1 所示 1 2 ，1 3 ，2 5 。 图1 1 机器人的组成框图 f i g 1 1t h ef r a m ec h a r to fr o b o t s c o m p o s i t i o n ( 1 ) 操作机( 也称执行机构) 机器人的操作机具有和人臂相似的功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作 的机械装置。包括机座、手臂、手腕和末端执行器，单独存在的机械手或移动机构 也称为机器人。 末端执行器( 又称手部) 是操作机直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、 传感器等。 手腕是连接手臂与末端执行器的部件，用来支撑和调整末端执行器的姿态，一 般有2 3 个回转自由度，并可扩大手臂的工作范围。有的专用机器人可以没有手腕 而直接将末端执行器安装在手臂的端部。手腕有弯曲式和旋转式两种。 手臂是由操作机的连接杆件和关节组成，用于支承和调整手腕和末端执行器。 手臂有时不止一条，还应包括肘关节和肩关节。一般将靠近末端执行器的一节称为 小臂，靠近机座的称为大臂。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿 态的运动范围。 机座是机器人中相对固定并承受相应力的部件。分为固定式和移动式两类，移 3 东北大学硕士学位论文 动式机座下部安装行走机构，可扩大机器人的工作范围。又分 有轨行走机构主要用于工业机器人；无轨行走方式，按其行走机构的结构特点可分 为轮式、履带式和步行式。 ( 2 ) 驱动装置 机器人的驱动装置用来驱动操作机工作，按动力源的不同分为电动、液动和气 动三种，其执行机构电动机、液压缸和气缸可以与操作机直接相连，也可通过链轮、 链条装置与操作机连接。并且机器人的关节驱动大多是基于闭环控制原理进行的。 多关节机器人的关节伺服驱动框图如图1 2 所示。 图1 2 多关节机器人的关节伺服驱动框图 f i g 1 2t h es e r v o d r i v ef r a m e w o r kc h a r to fr o b o t sw i t hm u l t i p l yj o i n t 伺服控制器的作用是计算主计算机给出的关节指令值与位置反馈单元送来的关 节实际值之间的偏差，该偏差值经过d a 和功放后，来驱动单元驱动关节并带动负 载朝减小偏差的方向动作。 驱动单元的主体是各种伺服电机。由于伺服电机的输出转速很高，输出转矩较 小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小。因此，在一般情况下，电 机与负载之间都配有一套传动装置进行转速和转矩的匹配。 ( 3 ) 控制系统 控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控 制系统。很多工业机器人采用计算机控制，一般分为决策级、策略级和执行级三级： 决策级的功能是识别环境，建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；策略级将 基本动作为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统：执行级给出各关 节伺服系统执行给定的指令，同时还对机器人的动作进行监控，当发生错误或故障 时将发出报警信号，产生相应的控制动作。 ( 4 ) 感知系统与通行串口 4 l 磊文笫1 章绪论 传感系统是机器人与周围环境保持相互联系的系统。传感器按功能可分为内部 状态和外部状态传感器两大类。内部状态传感器用于检测各关节的位置、速度等变 量，为闭环伺服控制提供反馈信息。外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的 一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于机器人引导和物体识别及处 理。其感知系统框图如图1 3 所示。 图1 3 传感器系统框图 f i g 1 3t h ef r a m ew o r kc h a r to fs e n s o rs y s t e m 1 4 本论文研究的基本内容 本文研究的主要内容：对打磨机器人工作环境、工作原理进行分析，合理设计 机器人的总体结构，包括机械系统结构设计和控制系统设计。通过对不同种类的电 机比较和计算，选择打磨机器人关节驱动方式、电机和减速器；并且对打磨机器人 的控制系统的硬件和软件进行研究。本文研究机器人学中以下几个方面的问题。 1 4 1 打磨机器人机构设计与运动学分析 以c a t i a 软件为基础，对打磨机器人总体结构进行设计，打磨轮采用柔性与刚 性相结合的结构，通过调整各关节角可使机器人对空间一定范围内的目标进行打磨。 在机器人运动学中主要包含两个问题：运动学方程的建立和求解。运动学方程 的建立问题也称运动学正问题，是指当各杆件几何参数和关节变量已知时，计算打 磨轮相对世界坐标系的位置和姿态。运动学方程的求解也称运动学逆问题，是指当 打磨轮相对世界坐标系的位置和姿态一定时，计算出一组关节角使打磨轮相对世界 坐标系的位姿达到要求结果的可解性、解的多重性，以及求解的方法。对机器人进 行运动学分析是进一步研究和控制机器人的基础。 1 4 2 打磨机器人大臂c a e 分析 对打磨机器人的重要部件一大臂的结构进行设计，并通过有限元方法进行静态 和模态分析。对大臂受力弯曲挠度、结构应力、固有频率结果分析和研究，合理设 计大臂的结构。从结构角度考虑，在减小大臂在受力弯曲变形，消除大臂结构局部 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 应力集中现象情况下的，提高大臂结构刚度。同时，减少大臂整体质量和末端质量， 增加大臂自身固有频率。从控制角度来说，通过对大臂变形的预先计算，在控制时 可以通过误差补偿的方法预先设置对大臂弯曲变形误差补偿大小，减小大臂自身变 形带来的定位偏差。同时，使系统激振频率远离大臂的固有频率，避免大臂在运动 过程中的抖动现象。 1 4 3 伺服系统选择与传动控制 通过对伺服系统的各种形式、电机原理及性能进行分析比较，根据系统对快速 响应、平稳工作的要求，对打磨机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器 进行计算选择，并采用先进的控制技术实现了对打磨机器人的运动控制，从而使打 磨机器人系统设计达到最佳。 1 4 4 打磨机器人控制系统研究与设计 机器人控制系统和一般的伺服系统或过程控制系统相比，是一个与运动学和动 力学原理密切相关的非线性时变耦合的多变量系统，因此其控制方法和策略多种多 样。 机器人通常有较多的自由度，每个自由度包含一个独立的伺服系统，把多个独 立的伺服系统有机地协调起来，并使机器人具有一定的智能，通常需要使用计算机 来完成这些复杂的工作。现在机器人计算机控制系统一般采用的控制结构类型有集 中控制、主从控制、分级控制等。本文介绍的是i p c + p m a c 的开放式分级控制模 式。 此外，由于机器人系统的特殊性，机器人控制理论与传统的经典控制理论和现 代控制理论有着很大的不同。描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性时变 耦合模型，有时甚至无法得到系统准确的模型，因此位置闭环、速度闭环甚至加速 度闭环是必要的，而且系统中常需要使用重力补偿、前馈、解耦、自适应控制方法 及模糊控制、神经元网络等智能控制方法【4 ，1 1 1 。 6 东北大学硕士学位论文 第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析 第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析 2 1 机械系统的设计 2 1 1c a d 软件c a t i a 概述 c a t i a 是指c o m p m e r a i d e dt r i d i m e n s i o n a li n t e r f a c ea p p l i c a t i o n ( 计算机辅助 交互式应用) 。是世界上一种主流的c a d c a e c a m 一体化软件。c a t i a 最早是在 2 0 世纪8 0 年代初由法国d a s s a u l ta v i a t i o n 面向航空和航天工业开发的，在i b m 的 支持下，使得c a t i av 2 v 3 4 的功能更加强大，v 5 版本应用于u n i x 和w i n d o w s 两种平台，v 5 版本的开发使软件能够易学易用。 c a t i a 主要用于自动化和航空工业的汽车和飞机等产品的开发。c a t i a 同时也 可以用于其他的许多工业领域，包括航空、器械、建筑、自动化、生活消费品、电 了、医药、家具、机械、模具以及造船等领域。c a t i a 其特有的d m u 电子样机模 块功能，混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。c a t i a 提供方便的 解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括：从大型的波音7 4 7 飞机、火箭发动机，小到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。c a t i a 源 于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业已成为事实上 的标准，在世界上有超过2 4 0 0 0 的用户选择了c a t i a 。c a t i a 的著名用户包括波音、 克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业，其用户群体在世界制造业中具有举足轻 重的地位。波音飞机公司使用c a t i a 完成了整个波音7 7 7 的电子装配，创造了业界 的一个奇迹，从而也确定了c a t i a 在c a d c a e c a m 行业内的领先地位。 c a t i av 5 版本具有如下特点： ( 1 ) 重新构造的新一代体系结构 为确保c a t i a 产品系列的发展，c a t i a v 5 新的体系结构突破传统的设计技术， 采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户具有更大 的竞争优势。 ( 2 ) 支持不同应用层次的可扩充性 c a t i a v 5 对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品 开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足 从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。 ( 3 ) 与n t 和u n i x 硬件平台的独立性 7 1 东北大学硕士学位论文 第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析 c a t i a v 5 是在w i n d o w sn t 平台和u n i x 平台上开发完成的，并在所有所支持 的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。c a t i a v 5 在w i n d o w s 平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共享数据；而 i u n i x 平台上n t 风格的用户界面，可使用户在u n i x 平台上高效地处理复杂的工作。 ( 4 ) 专用知识的捕捉和重复使用 c a t i a v 5 结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图， 定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自 动化程度，降低了设计错误的风险。 一 ( 5 ) 给现存客户平稳升级 c a t i a v 4 和v 5 具有兼容性，两个系统可并行使用。对于现有的c a t i a v 4 用 一 户，v 5 年引领他们迈向n t 世界。对于新的c a t i a v 5 客户，可充分利用c a t i a v 4 成熟的后续应用产品，组成一个完整的产品开发环境 1 7 , 2 1 , 2 2 】。 2 1 2 机器人主体结构设计 工作环境分析：打磨机器人是在一个壳体内，对壳体的内壁表面进行打磨。壳 体的两端为半椭球体，两端的封口的尺寸不同，后封口的尺寸大于前封口；中间为 圆柱形壳体。人工进行壳体内表面的打磨很难达到打磨的质量要求，而且工作时不 方便观察，只能凭借工人的经验和感觉，效率低下，同时还影响打磨质量，浪费大 量的人力、物力和时间。 本课题设计的打磨机器人与一般的工业机器人一样，也是由操作机( 执行机构) 、 驱动装置和控制系统三部分组成，驱动装置用电力源伺服电机来驱动，而控制系统 由硬件和软件两部分组成。这三部分有机整合，共同完成在壳体内自动化打磨的任 务。 打磨机器人分为打磨主车和支架车两部分，由于涉及保密原因主车和支架车机 械结构图在此论文中不易给以表示。其中打磨主车具有三个自由度，分别为：大臂 。 的水平移动、小臂的转动、腕部的转动，完成壳体的打磨，其中手腕( 打磨轮) 只 i 有一个打磨自由度，我们把它设定为局部自由度，不在考虑之列。支架车的托辊具 有一个自由度，负责壳体的旋转。二者由控制系统对其进行协调、统一控制，完成 打磨工作。 2 1 3 关节坐标形式选择 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形 8 东北大学硕士学位论文 第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析 式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式 ( 极座标式) 、关节坐标式( 包括平面关节式) 。 ( 1 ) 直角坐标式机器人 直角坐标式机器人的优点是： 结构简单； 容易编程； 采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高； ( 2 ) 关节坐标式机器人 打磨机器人主车为一平面关节式机器人，有两个转动关节，其轴线相互平行， 在平面内定位和定向。 关节坐标式机器人的优点： 结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小； 具有很高的可达性； 因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大 量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好； 所需关节驱动力小，能量消耗较少。 关节坐标式机器人的缺点： 当大小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点，但是机器人结构刚度比较低。 机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。可以通过控制参数的 选择来避免这种问题。 打磨机器人主车采用直角坐标式和关节坐标式相结合的坐标式，兼有两者的优 点。 2 1 4 臂部设计 手臂的常用结构一般为：直线运动机构和回转运动机构。机器人手臂的伸缩、 横向移动均属于直线运动。手臂往复直线运动的机构形式比较多，打磨机器人大臂 的直线运动依靠主车在直线导轨上的移动实现。机器人手臂回转运动的机构形式是 多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连 杆机构等。打磨机器人大臂、小臂和腕部的回转运动依靠连杆机构实现。 在适应工作环境情况下，机械臂的大臂设计为细长结构，主要承受来自四方面 的外力：( 1 ) 自身的重力；( 2 ) 机械臂前端的小臂、腕部和打磨轮机构的重力；( 3 ) 各个关节上的电机和减速器的重力；( 4 ) 在打磨过程中承受打磨轮的反作用力。以 9 东北大学硕士学位论文第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析 上几种外力是引起细长结构大臂发生变形，进而影响打磨位置控制精度的主要因素。 为了提高系统的控制精度和有利于系统精度控制，大臂结构设计具体要求如下：( 1 ) 大臂横截面尺寸符合通过端口的尺寸；( 2 ) 在结构刚度尽可能大的情况下要求减小 质量；( 3 ) 提高大臂的固有频率，减小大臂的细长结构在激振频率很小的情况下发 生颤动的可能性和提高打磨质量。按照上述要求，大臂采用冷弯矩形空心型钢。这 样设计的目的有利于降低成本和传递系统的空间布置，并且增加刚度有效解决大臂 在运动时上下颤动问题。 机械臂的小臂设计为由两块长方体的钢板平行放置的结构，通过2 号转动关节 与大臂的前端相连，并且围绕2 号关节水平转动，其作用为改变打磨轮在壳体内的 径向位置，并提供打磨力。 机械臂的腕部与小臂具有相同的结构，通过3 号转动关节与小臂的前端相连， 并且围绕3 号关节水平转动，其作用为改变打磨轮在壳体内的径向位置，并提供打 磨力，驱动打磨轮的电机放在腕部中间。 2 1 5 手部( 打磨轮) 的设计 ( 1 ) 概述 工业机器人的手部( h a n d ) 也叫做末端操作器( e n d - - e f f e c t o r ) ，它是装在工业 机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。工业机器人手部的特点：手部与手 腕相连处可拆卸。手部和手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器 人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。手部通用性比较差。一种工具往 往只能执行一种作业任务。手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂，那么 工业机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部。手部对整个工业机器人来说 是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能手爪的 出现，增加了机器人作业的灵活性和可靠性。 ( 2 ) 打磨轮的设计 手部按用途可分为如下两类： 手爪：具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。 打磨轮主要由具有一定强度的打磨材质和支撑架两部分构成，打磨材质是根据 打磨的精度、速度和打磨后壳体内壁不能有划痕的要求进行选择的。打磨轮安装在 腕部，由安装在腕部的电机直接驱动，并由机械臂的1 号平动关节和2 号、3 号转 动关节带动进入壳体进行定位和打磨任务。 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章打磨机器人机构设计与运动学分析 2 1 6 机身( 机座) 结构设计 工业机器人操作机结构有三大部分：机座、手臂( 包括手腕) 、手部。机座是有 一个便于安装的基础件，承载相应力的部件，机座往往与机身做成一体。假如工业 机器人是移动式的，那么还有一个行走机构。打磨机器人的机身设计如下： ( 1 ) 臂支撑部件设计 臂支撑部件要承受臂的重力，实现臂的支撑，所以要有一定的刚度和平稳性。 当打磨不同规格的圆筒时更换臂支撑部件上下调节大臂，或调整支架车的托辊的间 的距离来达到与筒的轴线对齐，从而完成打磨。 ( 2 ) 行走机构设计 考虑到作业区域比较大，打磨机器人采用行走方式。行走机构是行走机器人的 重要执行部件，它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、电缆及管路等组 成。它一方面支撑机器人的机身、臂和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带 动整个机器人在固定的轨道上行走以完成打磨。 根据上一节对打磨的任务描述，为得到操作臂各关节的期望轨迹，首先对打磨 机器人建立运动学方程，通过运动学反解，得出各关节在每个时刻的运动规律。 2 1 7 小臂和腕部长度的选择 打磨机器人主要完成两部分的打磨任务：直筒段的水平打磨和前封头的椭圆部 分打磨。所以选择的参数要分别满足两分筒段