（机械电子工程专业论文）打磨机器人壳体驱动车关键技术的研究.pdf

at h e s i si 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 r e sear cho nk e yt e chn ol o g i e so fen g i ne she l ldr i v in gv e hic leo ft hegr ind in gr o bo t b yc u id a n d 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 j u l y2 0 0 8 l、户 独创性l 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已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：矍闷丹 日 期：加8 7 8 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：袋母丹 签字日期：思7 ，8 郦轧g 。 导师签名：纩叼慨吉 签字日期：2 一汐仁莎 ，llj 厂 。i j 东北大学硕士学位论文摘要 打磨机器人壳体驱动车关键技术的研究 摘要 近年来，机器人技术已成为高技术领域内具有代表性的战略性技术之 i一，它使得传统的工业生产面貌发生根本性的变化，对人类社会的发展产 生深远的影响。尤其是工业机器人的应用越来越广泛，这也是我国由制造 7 大国向制造强国转变的重要手段和途径。 在固体火箭发动机装备过程中，有一道工序是对固体火箭发动机壳体 内部绝热层表面上的脱粘层进行精确打磨，为下一步喷胶工艺做准备。传 统的手工打磨不仅打磨效率和质量低下，而且打磨脱落的粉尘对工作人员 的健康有很大伤害，因此研制了此打磨机器人。 打磨机器人由主车和壳体驱动车两部分组成，而壳体驱动车是用来承 载发动机壳体，并且配合主车对其进行打磨的。打磨机器人的设计必须针 对多种不同型号发动机壳体，因此需要将壳体驱动车设计成能够适应发动 机壳体直径和长度在设计要求的范围内变化的机构。本文结合实际需要和 综合设计方法与理论，对该壳体驱动车进行了机构设计研发。 由于发动机壳体材料的特殊性及其特殊用途，需要严格保证发动机壳 体的安全，本文详细分析了包角、托辊支撑轮直径和发动机壳体转速之间 的关系，并且推导出他们之间的关系，如此在满足发动机壳体安全和尽力 降低中心轴线高度的前提下，能够选取最优的参数，并且利用a n s y s 软件 对其进行静态力学仿真，又利用了a d a m s 软件进行动力学仿真，同时分 析了壳体转动的速度对打磨安全的影响。为保证打磨精度，又对壳体驱动 车的中心轴线进行了误差分析，并提出了解决方案。实现打磨过程的自动 化、智能化。 k l关键词：包角：打磨机器人；壳体驱动车；设计方案评价；误差分析 i ，一 ，r 一 东北大学硕士学位论丈a b s t r a c t r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fe n g i n es h e l ld r i v i n g v e h i c l eo ft h eg r i n d i n gr o b o t a bs t r a c t r e c e n t l yt h er o b o t i c st e c h n o l o g yh a sb e e nar e p r e s e n t a t i o n a lo n eo ft h e m o s ts t r a t e g i ct e c h n o l o g i e si nt h eh i g h - t e c h n o l o g yf i e l d s ，w h i c hm a k e st h e t r a d i t i o n a l i n d u s t r yp r o d u c i n gm o d ec h a n g ee s s e n t i a l l y ，a n di t a l s om a k e s s e n s et ot h e d e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y e s p e c i a l l yi n d u s t r i a l r o b o t sa r e a p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y ，a n dt h a ti sa ni m p o r t a n tw a yf o ro u rc o u n t r yt o g of r o mab i gm a n u f a c t u r i n gn a t i o nt op o w e r f u ln a t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r i n gas o l i dr o c k e te n g i n e ，t h e r ei s a p r o c e s st og r i n dt h es t r e s sr e l e a s eb o o to ft h es o l i dr o c k e te n g i n ep r e c i s e l y a n dt h er e a s o no fd o i n gt h a ti st op r e p a r ef o rs p r a y i n gg e lf o rt h en e x ts t e p w h i l et h et r a d i t i o n a l l ym a n u a l l yg r i n d i n gm e t h o di si n e f f i c i e n t ，a n dt h ed u s t i sh a r m f u lt ow o r k e r s h e a l t h t h e r e f o r et h eg r i n d i n gr o b o tn e e d si n v e n t i n g t h eg r i n d i n gr o b o ti n c l u d e st h em a i nv e h i c l ea n dt h ee n g i n es h e l ld r i v i n g v e h i c l e ，a n dt h ee n g i n es h e l ld r i v i n gv e h i c l ei su s e dt os u p p o r tt h ee n g i n e s h e l la sw e l la sc o m b i n et h em a i nv e h i c l et og r i n dt h es h e l l t h eg r i n d i n g r o b o ti ss u p p o s e dt ob es e a s o n e dw i t hd i f f e r e n tk i n d so fs h e l l s t h e r e f o r ew e m u s td e s i g nt h ee n g i n es h e l ld r i v i n gv e h i c l et ob ea d a p t i v ef o rt h es h e l l sw i t h d i f f e r e n tl e n g t ho rr a d i u s t h em e c h a n i s mo ft h ee n g i n es h e l ld r i v i n gv e h i c l e i sd e s i g n e db a s e do np r a c t i c a lr e q u i r e m e n ta n ds y n t h e s i sd e s i g nm e t h o di nt h e d i s s e r t a t i o n d u et oi t ss p e c i a lm a t e r i a la n du s e ，t h ee n g i n es h e l ls h o u l db ep r o t e c t e d s a f e l y t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea n g l e ，t h e d i a m e t e ro f t h ew h e e la n dt h e a n g u l a rv e l o c i t yw i t hf o r m u l a s oo nt h e p r e m i s eo fe n s u r i n gt h es e c u r i t yo ft h es h e l la n dl o w e r i n gt h eh e i g h to ft h e c e n t r a la x i s ，t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sc a nb eg a i n e d i nt h ed i s s e r t a t i o ni ti s s i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r ea n s y sa n da d a m s a tt h es a m et i m e ，t h e d i s s e r t a t i o na l s os h o w st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea n g u l a rv e l o c i t ya n dt h e s a f e t y i no r d e rt ok e e pg r i n d i n gp r e c i s e l y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee r r o ra n d 、jll。-r ，irl- 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g i v e st h es o l u t i o n a tl a s tt h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c ei np r o c e s so f g r i n d i n gi sr e a l i z e d k e yw o r d s ：a n g l e ；g r i n d i n gr o b o t ；e n g i n es h e l ld r i v i n gv e h i c l e ；d e s i g ns c h e m e e v a l u a t i o n ；e r r o ra n a l y s i s 1 i i b ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i abs t rac t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国外工业机器人的发展趋势2 1 3 中国机器人发展现状及展望3 1 4 本文研究的基本内容8 第2 章综合设计法在设计中的应用9 2 1 综合设计法9 2 1 1 综合设计法的内涵9 2 1 2 综合设计法的优点1 0 2 2 机械运动系统评价的涵义与评价的准则1 1 2 2 1 机构的评价指标1 l 2 2 2 系统工程评价方法的基本原则l2 2 2 3 机械运动方案的价值评定1 3 2 3 本论文的设计要求1 4 2 3 1 绝热层打磨机器人的性能要求14 2 3 2 打磨机器人的实现目标15 第3 章壳体驱动车关键机构方案设计评价17 3 1 发动机壳体的支撑驱动机构方案设计17 3 2 支撑轮调节机构的方案设计与评价18 3 2 1 平板调节机构18 3 2 2 垫板调节机构。2 0 3 2 3 丝杠调节机构2 1 东北大学硕士学位论文 目 录 3 2 4 旋转板调节机构2 2 3 3 车体定位装置的方案设计与评价2 3 3 3 1 系统坐标系的建立2 3 3 3 2 螺栓定位机构2 3 3 3 3 弹簧定位机构2 4 3 3 。4 电磁铁定位机构2 5 3 4 发动机壳体封头挡板装置2 5 第4 章壳体驱动车主要结构参数优化设计3 0 4 1 引言3 0 4 2 托辊支撑轮尺寸对壳体驱动车的影响3 0 4 3 对本机器人进行打滑的探讨3 3 4 3 1 打滑现象的原因及危害3 4 4 3 2 打滑现象的避免措施3 4 4 4 托辊支撑轮与发动机壳体接触表面受力及变形分析。3 6 4 4 1 对发动机壳体和支撑轮进行静力学分析3 6 4 4 2 对发动机壳体和支撑轮进行动力学分析4 l 炭笔笔篡淼黧竺i i i i i i i i i 三三j f 4 5 2 推力与包角之间的关系4 4 i i4 7 ii 4747i 4 7 5 1 1 加精度与加工误差 5 1 2 加 经济精度_ 5 1 3 原始误差 5 1 4 提高加精度的途径 5 2 发动机壳体中心轴线的静态误差分析4 8 1jlll-1】ljj，o1-1、 东北大学硕士学位论文目录 5 2 2 模型简化4 9 5 2 3 零部件的加工及安装精度对打磨中心高度的误差影响5 0 5 3 发动机壳体中心轴线的动态误差分析5 5 5 3 1 发动机壳体外圆的椭圆度误差对打磨中心高度的影响5 5 第6 章结论6 0 参考文献6 l 致谢6 5 f j j 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 机器人的诞生和机器人学的建立，无疑是2 0 世纪人类科学技术的重大 成就。正如宋健院士在国际自动控制联合会l4 届大会报告中指出的：“机 器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意 义上的自动化。 “机器人 是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以 来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人 去进行各种工作。美国机器人学会在19 8 3 年1 月对工业机器人给出了一个 较为准确的描述：“机器人是一种可编程的多功能操作机，用各种编程的动 作完成多种作业，用于搬运材料、零件、工具和专用设备。 简言之，机器 人是一种带有外部传感器的可编程的操作机，可以完成各种装配作业。根 据这一定义，机器人必须具有智能，这种智能通常取决于同控制和传感系 统有关的计算机算法。 近年来，机器人技术已成为高技术领域内具有代表性的战略性技术之 一，它使得传统的工业生产面貌发生根本性的变化，对人类社会的发展产 生深远的影响。特别是工业机器人的应用越来越广泛，对工业机器人的研 究得到了众多科技工作者们的青睐，同时工业机器人技术也是我国由制造 大国向制造强国转变的主要手段和途径。 在固体火箭发动机装备过程中，有一道工序是对固体火箭发动机壳体 内部绝热层表面上的脱粘层进行精确打磨，为下一步喷胶工艺做准备。传 统的手工打磨不仅打磨效率和质量低下，而且打磨脱落的粉尘对工作人员 的健康有很大伤害。因此就考虑用机器来代替人工打磨而本课题对打磨机 器人的研究不同于传统的研究，主要集中在：一是以往多是针对零部件的 外表面的打磨研究，对打磨设备本身和检测设备的体积和形态没有特别的 要求，而本课题是对形状特殊的发动机壳体的非规则内表面进行打磨；二是 传统被打磨表面的材料一般为金属材料，打磨轮为砂轮或砂带，打磨过程 的磨削机制与普通磨床的磨削机制基本相同，可本课题的被打磨材料为非 金属，导致不能采用同样的打磨工具。为了满足大批量生产的需要，提高 生产效率及产品质量，我们研制了发动机绝热层机械打磨机器人，实现打 1 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 磨过程的自动化、智能化。 而此机器人是由主车和壳体驱动车两部分组成。主车大臂可以沿壳体 轴线方向做直线运动，壳体驱动设备有1 个自由度，由伺服电动机驱动支 撑轮转动，支撑轮带动发动机壳体转动。以发动机壳体轴线为对称轴的两 对支撑轮可以根据发动机壳体直径的变化改变它们的相对距离，也可以根 据需要改变它们沿发动机壳体轴线方向上的位置，在一定范围内，适应不 同壳体的需要。由于打磨过程中，两部分配合起来工作，因此主车和壳体 驱动车都影响着打磨效果。本论文对壳体驱动车的关键技术进行了设计分 析研究，来保证发动机壳体的打磨精度，具有深刻的理论研究意义和重要 的社会效益价值。 1 2 国外工业机器人的发展趋势 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯 与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它 的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔， 其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强， 并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业 转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的 各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术( r t ) 概念 转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。 机器人技术( r t ) 的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作 功能的智能化系统。 目前，国外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其现 状及发展趋势主要体现在以下几个方面 4 6 , 6 2 ： ( 1 ) 机器人机构技术 目前已经开发出了多种类型机器人机构，运动自由度从3 自由度到7 或8 自由度不等，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。目前 研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、 柔性更大、满足不同目的的需求。另外研究机器人一些新的设计方法，探 索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比。同时机器人机构向着 模块化、可重构方向发展。 ( 2 ) 机器人控制技术 现已实现了机器人的全数字化控制，控制能力可达21 轴的协调运动控 2 一 ； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制；基于传感器的控制技术已取得了重大进展。目前重点研究开放式、模 块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。同 时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于p c 机网络式控制器已成为 研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的 实用化将成为重点研究内容。 ( 3 ) 数字伺服驱动技术 机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。目前正 研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和 控制精度；同时利用现场总线( f i l d b u s ) 技术，实现的分布式控制。 ( 4 ) 多传感系统技术 为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的应用是其问题解 决的关键。目前视觉传感器、激光传感器等已在机器人中成功应用。下一 步的研究热点集中在有效可行的( 特别是在非线性及非平稳非正态分布的 情形下) 多传感器融合算法，以及解决传感系统的实用化问题。 ( 5 ) 机器人应用技术 机器人应用技术主要包括机器人工作环境的优化设计和智能作业。优 化设计主要利用各种先进的计算机手段，实现设计的动态分析和仿真，提 高设计效率和优化。智能作业则是利用传感器技术和控制方法，实现机器 人作业的高度柔性和对环境的适应性，同时降低操作人员参与的复杂性。 目前，机器人的作业主要靠人的参与实现示教，缺乏自我学习和自我完善 的能力。这方面的研究工作刚刚开始。 ( 6 ) 机器人网络化技术 网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展，使远距离操作监控、 维护及遥控脑型工厂成为可能，这是机器人技术发展的一个里程碑。目前， 机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制，网络化机器人是目前机器人研 究中的热点之一。 ( 7 ) 机器人灵巧化和智能化发展 机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并 正朝着一体化方向发展。 1 3 中国机器人发展现状及展望 我国的机器人研究开发工作始于2 0 世纪7 0 年代初，到现在已经历了 3 0 年的历程。前1o 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 慢。从8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五 、 “八五 科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控 制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人 关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有l3 0 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近3 0 条自动喷漆生产线( 站) 上获得 规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我 国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如： 可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系 统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 2 0 0 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器 人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设 计 ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不 低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术， 对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化 进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“8 6 3 ”计划的支持下，也取得了不 少成果。其中最为突出的是水下机器人，6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果居 世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机 器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术 的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信 息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机 器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需 要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用 的技术和产品，以期在“十五 后期立于世界先进行列之中。 在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综 合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部 传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥 控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。 在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服 电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压( 气动) 元部件、滚 珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、r v 减速器、十字交叉滚子轴承、薄 壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段 距离。 l - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双c p u 、多c p u 和分级 分层控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。 在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人， 如a g v ( 自动导引车) ，壁面爬行机器人，重复定位精度为0 0 2 4 r a m 的 装配机器人，可潜入海底6 0 0 0 m 的水下机器人，移动机器人，移动遥控机 器人，主从操作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。 在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线， 装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力 量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同 类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半， 具有很好的性能价格比和市场竞争力。 专家研究认为，我国工业机器人的市场主要在汽车、摩托车、电器、 工程机械、石油化工等行业，企业对技术进步的需求更加强烈，其中主要 的机器人用户仍在汽车制造行业、工程机械行业及电机、电子行业。我国 对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。 据专家预测，我国的机器人研究朝着以下方向发展： ( 1 ) 目标 根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内 经济发展的具体情况， 十五 期间机器人技术应重点开展智能机器人、机 器人化机械及其相关技术的开发及应用：开展以机器人为基础的重组装配 系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技 术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人 的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在 十五 末期实 现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。 ( 2 ) 主要研究内容 ( a ) 示教再现型工业机器人产业化技术研究 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、 模块化、系列化设计。 柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨 迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷 涂工艺研究。 焊接机器人( 把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人， 可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业) 产品的标准化、通用化、模 5 第1 章绪论 。 用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用， 觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 的离线示教编程及工作站系统动态仿真。 装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开 发。 ( b ) 智能机器人开发研究 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究： 包括建模一遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿 真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制； 局部自治控制：多传感融合技术；双向力反应控制：知识库的建立，学习 与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实( v r ) 控制与真实世界 控制的相互关系；监控系统的结构。 智能移动机器人的导航和定位技术研究： 包括导航和定位系统的系统结构：在结构环境或非结构环境中导航和 定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数 据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。 面向遥控机器人的虚拟现实系统： 包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人( 载体和机械手) 几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获 取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的 虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于v r 模型操作和 真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；v r 监控系统。 人机交互环境建模系统： 包括c a d 建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互 技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术：传感器数据处理中 的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术： 包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示：遥控机器人模型的控制： 人机接口：网络通讯。 ( c ) 机器人化机械研究开发： 并联机构机床( v m t ) 与机器人化加工中心( r m c ) 开发研究： 矗 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 包括v m t 与r m c 智能化结构实现技术；v m t 与r m c 关键传动实现 技术；v m t 与r m c 加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术：v m t 与 r m c 监控检测技术开发；v m t 与m r c 智能化开式c m c 控制系统开发； 系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态 变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化 开式c n c 控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论：r m c 智能控 制理论；v m t 与r m c 典型应用工程开发。 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输 送设备： 包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智 能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的 应用；基于广域网的远程实时通讯：具有监测和管理功能的故障诊断系统。 ( d ) 以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人： 包括通用要素的提取：专用件标准化；装配机器人模块c a d 设计；通 用主流计算机构造的控制器：人机界面方式；网络功能。 面向机器人装配的设计技术： 包括数字化装配与c a d 集成技术；产品机器人化装配规划生成技术； 产品可装配性模糊评价。 机器人柔性装配系统设计技术： 其中单元技术i 供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传 输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。 可重构机器人柔性装配系统设计技术： 开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统 基于自治体( a g e n t ) 的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。 装配力觉、视觉技术： 包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。 智能装配策略及其控制： 包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。 ( e ) 多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自 动控制系统中的应用： 包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。 机电一体化智能传感器： 包括具有感知、自主运动、自清污( 自调整、自适应) 的机电一体化 传感器研究：面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动； 调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。 1 4 本文研究的基本内容 本文对打磨机器人壳体驱动车的若干问题进行了研究，具体内容如下： 第l 章，介绍了国内外机器人的发展概况和研究领域，并说明了本文 的内容安排。 第2 章，利用综合设计法对整个壳体驱动车进行设计。 第3 章，依据实际项目的要求，针对壳体驱动车关键机构，分析评价 各种可行方案，从而制定出最佳的总体方案。 第4 章，对壳体驱动车关键机构的关键参数进行优化设计。 第5 章，对发动机壳体中心轴线进行误差分析，为整体规划设计提供 理论依据。 第6 章，由论文的主要内容，得出结论。 东北大学硕士学位论文第2 章综合设计法在设计中的应用 第2 章综合设计法在设计中的应用 2 1 综合设计法 本机器人具有结构复杂、要求适用范围大，功能稳定的要求，为了使 其更完善、且有好的发展前景，以满足用户的需求，所以在本设计中采用 综合设计法进行多方面的优化设计，使其在功能和性能上达到高水平。 2 1 1 综合设计法的内涵 综合设计法是一种面向产品广义质量的设计法，它以顾客需求为驱动， 以获得优良功能与性能( 产品设计的质量或广义质量) 为目标，以现代机 械设计和制造先进理论、线性与非线性动力学理论、线性与非线性控制理 论、动态仿真理论、优化理论、材料科学等学科为基础，以产品功能优化 设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计为手段的一种多学科 融合交叉的全功能和全性能优化的设计理论与方法。 综合设计法如图2 1 所示，即综合功能优化设计、动态优化设计、智 能优化设计和可视优化设计四种设计方法为一体对产品进行设计，四种方 法的涵义及对打磨机器人系统作用如下【l 】： 功能优化设计：产品的设计方案和机构形式是由设计者根据产品的功 能来确定的，也就是通过产品的功能分析或功能优化设计来完成的，所以 功能分析和功能优化设计是产品设计工作中必不可少的环节。对于打磨机 器人来说其主要功能是在完成其基本功能的基础上，尽量优化其结构，达 到结构简单但是强度足够，运动准确的目的。 动态优化设计：针对于机械产品来说，动态优化设计是对机械产品的 动力学问题以及与此相关的运动学、动态可靠性、安全性、疲劳强度和工 作寿命等问题进行分析和计算，以保证所研究和开发的设备具有良好的结 构性能和工作性能。在本打磨机器人中，动态优化设计显得尤为重要，因 为本机器人结构比较复杂，由很多零部件构成，对于很多关键零件进行受 力分析，对很多部件都要进行运动学和动力学分析，来确保整个系统的安 全性。 智能优化设计：它是以非线性控制理论为基础，以使机械获得最优工 作参数和最优工作过程为基本内容的一种方法，其目的是获得良好的工作 东北大学硕士学位论文第2 章综合设计法在设计中的应用 指标( 或技术性能) ，即产品的工作稳定性、工效实用性、性能优越性和操 作宜人性等。在本打磨机器人的设计过程中，智能优化设计的工作必不可 少，因为对于实现同一目标有多种方式，对于同一方式又有多种参数组合 方式，因此为了获得良好的工作指标需要进行智能优化设计。 可视优化设计：它是一种数字化设计方法，强调在整个设计过程中全 面应用计算机技术，对机械及系统进行模型构建、功能模拟和过程仿真等。 在打磨机器人中可视优化设计用来实验界面的优化设计，包括界面功能、 可操作性、简易性等诸多方面，最终提供给操作者一个操作简单、功能齐 全、操作灵活的交互界面。 f 动态优化设计 运动学设计 动力学设计 动强度设计 可靠性设计 l 智能优化设计 状态测试分析 工作参数控制 工作过程控制 设备故障诊断 可视优化设计 制造工作可视化 装配过程可视化 动力学可视化 工作过程可视化 + 图2 1 面向产品广义质量的综合设计法 f i g 2 1i n t e g r a t i o nd e s i g n i n gm e t h o df o rg e n e r a lq u a li t yo fp r o d u c t 综合设计法不同于其它方法，它能克服单一设计方法的局限性，在现 有的一些主要设计方法中找出产品的广义质量，包括结构性能( 可靠性、 安全性与耐久性) 、工作性能( 实用性、稳定性与指标优越性) 和制造性能 一 ( 工艺性、制造成本和生产周期) 等有决定性影响或有重要影响的几种方 法，在设计中加以综合的考虑与实施，这就是我们所称的综合设计法。实 - 际上，综合设计法也是面向产品全部功能与性能的设计方法，或称产品全 部功能和全部性能优化设计法。 2 1 2 综合设计法的优点 综合设计法与其它单一设计法的区别主要表现在以下四个方面： 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章综合设计法在设计中的应用 ( 1 ) 综合设计法的目标是使产品具有良好的设计质量或广义质量。 ( 2 ) 综合设计法的具体内容是以功能优化、动态优化、智能优化和可 视优化等为核心内容，普遍公式是l + 3 + x 。 ( 3 ) 综合设计法以多学科的交叉融合作为理论基础。即以先进的设计 与制造理论、线性与非线性动力学理论、可靠性理论、线性与非线性控制 理论、现代仿真理论等为基础。 ( 4 ) 综合设计法以广义集成优化和现代仿真技术为手段，来完成产品 全功能和全性能的优化设计。 因此，根据以上综合设计法的优势，本论文采用综合设计法对打磨机 器人壳体驱动车进行全面的功能和性能优化设计。 2 2 机械运动系统评价的涵义与评价的准则 评价是指依据明确的目标，确定系统的同性，并把这种属性转换为主 观价值的过程。对系统进行评价时，要用评价的标淮规定评价对象，对其 功能、特性、效果等同性进行科学的观察，就系统方案所能满足人们主观 需要的程度和所消耗、专用的资源的情况进行权衡，从多个方案中选择其 中在技术上先进、经济上合理、建设上可行的系统最优方案。系统评价是 对系统分桥过程和结果的鉴定，其主要目的是判断所设计的系统是否达到 了预定的各项技术经济指标。 2 2 1 机构的评价指标 系统的评价对于决策的有效性关系极大，正确的评价可以使决策获得 成功，取得很大的效益；错误的评价可以导致决策失败，付出沉重的代价。 系统评价时，首先要根据系统目标规定一组评价指标，确定系统的评 价项目，制定评价的准则。不同的系统应该有不同的评价指标。系统评价 的项目是由构成系统的性能要素来确定的，主要包括系统的功能、进度、 成本、可靠性、实用性、适应性、寿命、技术水平、生存能力、竞争能力、 重量、体积、外观、能耗等因素。由这些因素构成描述系统的有序集合， 可以根据系统所处的实际环境条件，来安排它们的评机械运动系统方案是 由若干个执行机构来组成的。在方案设计阶段，对于单一机构的选型或整 个机构系统( 机械运动系统) 的选择都应建立合理、有效的评价指标。从 机构和机构系统的选择和评定的要求来看，主要应满足5 个方面的性能指 大学硕士学位论文第2 章综合设计法在设计中的应用 具体见表2 1 。 表2 1 机构系统的评价指标 t a b l e2 1 q u a l i t yr e f e r e n c eo ft h em e c h a n i s ms y s t e m 确定这5 个方面17 项评价指标的依据【9 】，一是根据机构及机构系统设 计的主要性能要求，二是根据机械设计专家的咨询意见、因此，随着科学 技术的发展、生产实践经验的积累，这些评价指标需要不断增删和完善。 有了比较合适的评价指标，将有利于我们去评价选优。 根据用户的需求，提出可能的方案，然后比较各个方案的优劣，得出 最佳方案，即为方案评价。在此项目中，我们设计了方案，接下来将综合 所有性能因素( 主要指精度和宜人性) 、价格因素、加工难易因素、外观因 素等，确定一套最佳方案。解决工程设计问题反复运用的逻辑方法是：分 析一综合一评价一决策。具体来说就是“分析要求一综合求解一方案评价 一决策得解 。评价是对各方案的价值进行比较和评定，而决策则是根据目 标和评价结果选定最佳方案。评价与决策在设计中密切相关，评价是进行 决策的依据，没有正确的评价也就不能有j 下确的决策，评价与决策使工程 设计沿着正确方向前进。 2 2 2 系统工程评价方法的基本原则 为了达到机构系统从整体上进行综合评价，必须遵循以下几个原则： ( 1 ) 要保证评价的客现性 系统综合评价的目的是为了决策和选优，因此评价的客观性、有效性 和合理性必须充分保证。这就要求评价的依据要全面和可靠：评价专家要 有一定的权威性和客观性；评价方法要合理和可靠等等。 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章综合设计法在设计中的应用 ( 2 ) 要保证方案的可比性 各个供选择的机械运动方案在保证实现系统的基本功能上要有可比性 和一致性。不能突出一点不及其余，要进行方案的全面比较，才能防止片 面性和个人主观武断。 ( 3 ) 要有适合机械运动方案的评价指标体系 评价指标既要包括机构系统所要实现的定量目标，也要包括机构系统 所应满足的定性要求。评价指标体系制定得好坏，对于评价结果的合理和 有效性十分重要。评价指标体系的建立过程应充分集中领域专家的知识和 经验。 2 2 3 机械运动方案的价值评定 价值工程评价过程，主要是功能成本分析和功能评价值的确定 ( 1 ) 功能成本分析 功能成本是实现功能所需赞费用，它包括生产成本和使用成本。对于 机械运动，方案的功能是由各执行机构来实现的，因此功能成