（机械电子工程专业论文）高炉炉顶维修机器人设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着工业机器人技术的快速发展，机器人在我国工业中的应用也越来越广 泛，本文所研究的高炉炉顶维修机器人就是其中一种，它可以代替人工在高空中 进行焊接和喷涂耐火材料作业。 本文首先在参考国内外文献的基础上设计了一种串联三自由度模块化机器 人，分别是转台模块、升降台模块和伸缩臂模块，并设计了两个附加工作装置一 一预埋钢脚成型机和切割机，用s o l i d w o r k s 建立其三维实体模型。其次，利用 d h 参数的建模方法，建立了该维修机器人的参考坐标系模型，通过齐次坐标变 换求出维修机器人的运动学正解和逆解，并通过矢量积法对维修机器人的雅克比 矩阵进行了推算。之后，利用虚拟样机技术，将三维实体模型导入a d a m s 软件 中进行运动学仿真，输出仿真结果，得到相关构件的位移、速度和加速度曲线或 关节的力或力矩曲线。然后，我们引入有限元分析，对维修机器人的关键部件 转盘和伸缩臂在a n s y s 软件中进行了刚度和强度方面的分析，并分析了伸缩臂 的模态。最后，简单的对控制系统的设计进行了阐述，控制系统是基于三菱 f x l n 4 0 m 型p l c 设计的。 以上几个方面的研究工作，为今后工作中的结构优化，实体装配和实验检验 等更深层次的研究奠定了基础。 关键词t 工业机器人虚拟样机a d a m s 有限元a n s y sp l c v j ：海人学硕上学位论文 a b s t i 认c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lr o b o tt e c h n o l o g y , r o b o ti nt h e a p p l i c a t i o no fc h i n a si n d u s t r i a lb e c o m e sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e ，o n eo ft h e mi s m a i n t e n a n c er o b o tf o r t h et o po fb l a s tf u r n a c er e s e a r c h e db yt h ep a p e r , i tc a nw o r kt o w e l da n ds p r a ym a t e r i a la th i g ha l t i t u d er e p l a c i n ga r t i f i c i a l f i r s t l y , t h ep a p e rd e s i g n sas e r i e so f3 - d o fm o d u l a rr o b o to nt h eb a s i so f r e f e r e n c i n gt h el i t e r a t u r e ，t u r n t a b l em o d u l e ，l i f tm o d u l ea n dt e l e s c o p i cb o o mm o d u l e ， a n dt w oa d d i t i o n a lw o r k i n gd e v i c e s f o r m i n gm a c h i n ea n dc u t t i n gm a c h i n e ，b y s o l i d w o r k sd e s i g n i n gt h e i r3 dm o d e l s e c o n d l y , u s i n gt h ed - hp a r a m e t e r sm o d e l i n g m e t h o d ，w ee s t a b l i s ht h er e f e r e n c ec o o r d i n a t es y s t e mm o d e l ，h o m o g e n e o u s c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ns o l v ep o s i t i v es o l u t i o n sa n di n v e r s ei nk i n e m a t i c so f t h em a i n t e n a n c er o b o t ，a n dd e r i v a t ej a c q u e sm a t r i x a f t e r , u s i n gv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , 3 dm o d e l i s i m p o r t e d i n t oa d a m sa n dk i n e m a t i c s s i m u l a t i o n ，t h eo u t p u to ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，g e tt h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nc u r v e so rj o i n tf o r c eo rt o r q u ec u r v e t h e n , w eh a v ei n t r o d u c e dt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，t h ek e yc o m p o n e n t so ft h em a i n t e n a n c er o b o tt u r n t a b l ea n d t e l e s c o p i cb o o ma r ea n a l y z e di na n s y s f o rt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ，a n da n a l y s i so f t h et e l e s c o p i cb o o mm o d a l f i n a l l y , t h es i m p l ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s c r i b e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nt h em i s u b i s h if x l n - 4 0 m o v e rt h es e v e r a la s p e c t so ft h er e s e a r c hw o r k ，l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r e d e e p e rr e s e a r c ho fo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r e ，a s s e m b l ya n de x p e r i m e n t a l t e s t i n ge n t i t i e s k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t , v i r t u a lp r o t o t y p i n g , a d a m s ， f e m ，a n s y s ，p l c 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签 名：j 筮让日期：巡! 上擎 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 上海火学硕十学位论文 1 i 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于上海大学液压实验室横向课题，属于上钢一厂项目。 1 2 课题研究的目的和意义 在企业生产制造过程中，往往会遇到一些困难，或者危险，上钢一厂所制造 的2 5 0 0 立方米的高炉就碰到了这些方面的问题。由于高炉高约4 0 米，除了在加工 制造方面比一般的小型锅炉要更加困难以外，对此庞然大物的维修工作，往往也 给作业的工人带来一定的安全隐患。在高炉维修中，需要对高炉炉顶内壁就行喷 涂耐火材料，在此之前还要在内壁上焊接预埋钢脚这一补充工序，以便于能够使 耐火材料更好的固定在高炉炉项内壁上。对高炉顶部内部的焊接预埋钢脚和喷耐 火材料是一项难度很大的工作，现在这项工作都是由人工来完成，不但效率低， 质量差，工人也有掉落下来的危险，可想而知，在高空4 0 米处人工作业绝对会对 生命造成威胁。用工业机器人来代替人工作业完成焊接预埋钢脚和喷涂耐火材料 的工作，使企业面临的问题得到很好地解决，避免发生伤亡，提高生产效率，提 升产品质量。 1 3 国内外研究概况 i 3 1 国外研究概况 1 9 5 9 年美国推出世界上第一台u n i m a t e 型机器人，在2 0 世纪9 0 年代得到迅速 发展，之后工业机器人的数量在世界范围内不断增长，其中有半数为焊接机器人。 到目前为止，工业机器人大致可分为三代：第一代是基于示教再现工作方式的工 业机器人。第二代是基于一定传感器信息的离线编程工业机器人，也就是又感觉 的机器人。第三代是智能机器人。在普及第一代机器人的基础上，第二代机器人 已经推广，成为主流安装机型，第三代已经占有一定的比重。 上海大学硕十学位论文 图卜1 为2 0 0 1 年以前世界各主要工业国家安装和使用工业机器人的数量【l 】， 图1 - 2 为2 0 0 1 - - 2 0 0 6 年多用途工业机器人的安装量和保有量【2 1 。 4 5 0 嘲o 柏o o o o d a 3 倪 2 5 0 0 2 o 5 0 0 0 0 0 5 0 o o ii - - 一。一- i 一一 一 日韩 奉叠 墨聱燕l 稿羹西譬t 膏翼 奎兰失t 囊士斑墟鬻兰墨囊囊蠢 剽牙利捌性文 克思 。 熏 图1 - 1世界各主要工业国家配置工业机器人状况 年窿安鬟 年底摊宥 t t 强 瑚l撇棚 j 峨2 f 瓣l瑚22 i 帕， 捌i 目章 趁筠9t 32 舢 如嘲弱1 船口，细1 6 9 3 域l 帅，鹪剐瓣 鑫雹 加瓢， 帖5l l 枷t t 铀n 9 ，2 j 7i o 拈l ，l t i | o d i 站2 0 0 纛湘口弘2 诣黼2 鲥棚 ，i 舯oz i s 1 52 4 s i 催i，l 一 0 置 l i l s 靠， l a 瑚l 舅啪9 朝一s1 日托l ，0 l 秘棚0 t 文 耵j匍，期曲0 伽瑚b i湘咖睡 或姗 饶 玉啊h柚2艄，湘：z 砧l 3 犯7 ，2 1 脚j t 蔓 l 曩l细啊 l 啪u 蹦船l 瓣5 tl 舯i 日口 囊捌i ， ，舯铷 舶曼3，0 l 虎耐羹苎j 曾鼻- ， 枷静叼 f 札 丹囊 l 弱l l 髓，持舶 荐兰憾弘i嬲蚴 一，fi 椰 l 枷“ 一蠢譬，摹鲁2 帕 口7 馨l ，鸵 鼍囊卿 柏鲋1 4翻啪 t 矗冀拖爨毫 嘲 y a 4柚日t 埔峨t 柚帕扣i ，埔嘲如 1 2 i o o t 蠢l ， 衢钾，蜘瞎5 謦并 打甜l 】晦t 锝静甜酣 t 笺 1 3 0o t ，簟鬟苒i ， l 铂1 9 旺鞠聃绷 膏士， 嬲，l 牡蚴，绷 韭棚矗叠太秘王 5 3 细5 i 傩翻珊棚确鲫1 1 26 4 鞠n7 3 瑚 太刊量 2 阳辩d静s j玉l l o 曩e 厨霄赛囊的l 量瓴人 删m绷l 拍，相巧6 誓抽麓， ，i 坩嘲艄5 辩6 + 音一 姗，静l 冀馈墨寮2 笛 1 铱0l ，帅l n ”6 帕2 卿ot ，l 夺竹不蠢h 奉鞭韩曩 ，7 拍舅h 惦4 1 枷j l e o孙嗣，7 ，7 冀，a 砷0 0m 1 9 呻 摹 t t 包赫“事耘髯嗣， 1 嚼l ，翻撕，3 枷，i l 帅- 7 ，的 弼删 8 i 帅o 冀 冀螗 图1 - 22 0 0 1 - - 2 0 0 6 年多用途工业机器人的安装量和保有量 2 囊-簟囊蓦 比并卢擐漭联曩 纂一 蠢台膏省 曩文辩重 新钿麓 上海大学硕七学位论文 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。国外工业机器人发展的总趋势 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，工业机器 人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块 化和可重构化：控制技术的开放化、p c 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分 散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系 统的网络化和智能化等方面【3 1 2 1 。 1 3 2 国内研究概况 我国的机器人研究开发工作始于上世纪7 0 年代初，到现在已经历了3 0 年的历 程。前1 0 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1 9 8 5 年后开始 列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五、“八五”、“九五 机器 人技术国家攻关、“8 6 3 高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取 得了重大发展。 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。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 3 上海大学硕士学位论文 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。在我国，工业机器人的真正使用到现在已经 接近2 0 多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制 造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业 将面对越来越大的竞争与冲击。 我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较 大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降 低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建 筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新 机型，如大负载、高精度、蛇形的、无人飞行器以及家用、病人护理、盲人引导 犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地， 开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。 进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地， 占领国内市场，走向世界。 1 4 本课题的研究内容 本课题是自主研发的特种机器人，以实现对高炉炉顶的维修作业。它具有如 下几个特点： ( 1 ) 行程大。由于高炉炉顶体积庞大，决定了机器人作业行程也比较大。 ( 2 ) 工作范围广。机器人采用三自由度设计，它的工作范围变大，可以在3 6 0 。 范围内旋转，在3 6 m 范围内升降，在3 2 m 范围内伸缩。 4 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 功能多。可以成型预埋钢脚，切割，焊接和喷涂。 ( 4 ) 作业环境差。高炉内部温度高，粉尘多，作业空间不规则。 本文研究的主要内容有：首先阐述了课题的来源和需要解决的实际问题；然 后是对维修机器人的方案分析，机构的本体设计及建模和传动系统设计；之后是 机器人的运动学分析包括运动学正解和逆解以及雅可比矩阵的推算；接着利用 a d a m s 对维修机器人进行虚拟样机分析；再利用a n s y s 对关键部件进行有限 元分析和模态分析；最后是利用p l c 对维修机器人进行控制系统设计。在所有 的工作都完成之后，从整体上对本课题进行了总结和展望。 5 p 海 学mj 位沧义 第二章高炉炉顶维修机器人的方案分析和结构设计 2 1 维修机器人的设计要求 入 图2 - 1 高炉的二维模型幽 图2 1 是高炉的三维模型图，从图中可以看出高炉的结构特征，高炉高约4 0 米左右，壁厚5 5 m m ，顶部是一个锥形壁，与水平面的角度为4 26 7 7 5 度，锥形 壁的高为2 6 2 m 加上过渡圆弧总共为3 5 2 9 m 。在壁面上开有四个煤气导出孔， 一个人孔一个点火孔，一个旋转溜槽方孔二个探尺孔一个热图像仪方孔， 维修期炉内顼部温度6 0 晷7 0 。c ，这就决定了我们所设计的维修机器人的作业环 境。 用于成形预埋铜脚的余属丝直径为6 r o a n ，波浪形的直径为8 0 m m ：工作时问 要求是长为8 小时，初步设计为6 小时；_ 作高度行程大约为36 m ，预埋钢脚 的圈数为2 4 ，彼此之日j 的垂直距离为1 5 0 r a m ，总共2 18 5 个焊接点，焊接的速度 为4 0 0 点，h ，每步中旋转的时闯为4 秒，焊接时问为5 秒，每隔2 个波形焊一点， 即在波谷焊接。喷涂耐火材料精确度要求不高，只要能喷滁均匀即可，所以焊接 部分是设计的重点考虑对象。 针对目前高炉维修作业中出现的各种问题，所设计的高炉炉顶维修机器人要 二 j ：海大学硕1 ：学位论文 求能够完全代替人工作业，整个过程只需人工安装和卸载。因此，我们需要考虑 的设计要求包括以下几方面： ( 1 ) 机器人的安装固定问题； ( 2 ) 机器人的结构要能够确保末端工作位置能够沿炉顶内壁运动； ( 3 ) 预埋钢脚的成型机具设计； ( 4 ) 如何灵活的在多孔的内壁工作； ( 5 ) 用什么样的控制比较合适； 2 2 维修机器人的设计原则 据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用 于各种形式的焊接加工领域。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代 替焊工从事焊接任务的工业机器人，其中有的是为某种焊接方式专门设计的，而 大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在 多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、卸 料等多种任务。机器人可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的 工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是 焊接机器人的发展历史。众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技 能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、 烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们首先想到用它代 替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效 率。 焊接机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标 式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等。焊接机器人根据不同的应用场合可采取 不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式机器人，这 是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿念调至任 意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节 冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置 的控制带来复杂性。焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊接 7 上海大学硕士学位论文 位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机 器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈 大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不 同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。一般来讲，具有6 个关节 的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3 个自由度( x y z ) 用于控制焊枪端部的空间位置，另外3 个自由度( a b c ) 用于控制焊枪的空间姿态。 因此，目前的焊接机器人多数为6 关节。 焊接机器人系统硬件组成：( 1 ) 焊接机器人本体。包括配套焊接电源系统、 焊枪系统和控制器。( 2 ) 焊接工装夹具。主要满足工件的定位、装央，确保工 件准确定位，减小焊接变形，同时要满足柔性化生产要求。所谓柔性化，就是要 求焊接工装央具在夹具平台上快速更换，包括气、电的快速切换。( 3 ) 夹具平 台。夹具平台是满足焊接工装夹具的安装和定位，根据工件焊接生产要求和焊接 工艺要求的不同，设计形式亦不相同。它对焊接机器人系统的应用效率起到至关 重要的作用。通常都是以它的设计形式和布局来确定其工作方式。( 4 ) 控制系 统。主要对焊接机器人系统的硬件的电气系统控制，通常采用单片机为主控单元、 人机界面触摸屏为参数设置和监控单元以及按钮站。 为高炉喷耐火材料类似于喷漆机器人的喷漆功能的实现，只是所喷的材料不 同，它也是工业机器人的一种，在功能方面区别于上面的焊接，但是设计时的原 理类似于焊接机器人，并且大部分作为系统中的一部分使用。 机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学 的角度来看，机器人的结构是由一系列的连杆通过旋转关节( 或者移动关节) 连 接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和精力分析复杂，两相邻 坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行 器的受力和各关节驱动力矩( 或力) 之间的关系等，都不是一般机构分析方法能 够解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执 行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要 内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其他关节运动的影响，作用在每 个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿的变化而变化，在高速情况下，还存 埔大学预j 学位论文 在哥氏力和离一1 5 力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦 合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化， 也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。其次，由于开链结构相当于一 系列的悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度 大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意剐度和精度设计。另外，与 一般的机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑型、灵巧性方面有更高的 要求0 3 ) 7 3 。 2 3 维修机器人的方案分析 综合维修机器人的设计原则，再结合高炉的t 作环境，对维修机器人的方案 提出如下两种： 方案一：使用四连杆机构，如f 简图 圈2 - 2 四连杆机构简图 | 二海人学颐l 学位论立 二出 幽2 - 3 四迁杆机构埋动轨迹 考虑使用四杆机构的依据是它的运动轨迹能够走直线，如果我们能够通过修 改参数使它的轨迹平行于锅炉内壁，则是非常理想的。虽然四杆机构比较简单， 但是由于四连杆机构的运动轨迹只能部分仿真直线，整体是弧线( 见上圈红色轨 迹) ，对于如此大的工作空问，四杆机构也就很大，轨迹的弧度也较大，误差较 大。并且在最长杆的顶点安装焊接设各，喷耐火材料设各等重量较大，除了空间 上的考虑外，杆的强度，装置的安装等都不太容易实现。所以需要考虑更为合理 的方案。 方案二：根据动作设计机构 要完成整个内壁的立体作业，我们考虑将工业机器人运动过程进行拆分，包 括竖直方向的距离变化，沿斜壁的位置变化，和圆周上的运动等三自由度位黄变 化控制。相应的机械结构也可以以此进行造型。机械结构分成三个部分：升降部 分，伸缩部分，旋转部分。这样就能够很好的符合运动轨迹了。 对高炉炉顶的维修属于高空作业，因此机器人应该作为一个整体去设计，这 样能够使其在安装、卸载和工作的时候都非常便利，不需额外的工作程序； 其次，要设计一个支撑部分，使维修机器人能够固定在高炉壁e ，不同于移 动式的机器人移动结构设计，只设计一个固定支撑架即可； 要使末端执行器能够在空间运动，到达工作需要的任意位置，机器人的自由 度应不少于3 个； 由于所焊接的预埋钢脚的本体是钢丝，人工作业的时候是事先成型的，而在 设计维修机器人的过程中需要加入这成型工序，这就要求我们去设计一种成型 海人学硬l 学位论立 机具，既节省了附加的工作程序，也提高了自动化程度。 高炉炉顶内壁是多孔的，决定了机器人工作过程的问断性，即一个焊接流程 不是连续的，其中的某个工作表面出现孔的时候需要越过，预埋钢脚是连续的， 在此我们需要添加一个切割机构，使工作过程更灵活。 机器人的传动系统是个重要的方面，在齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆传 动等众多的传动装置中选择合适的，并要选择合适的驱动装置，使机器人紧凑、 轻巧、可靠性高等。 控制系统设计我们主要是使用p l c ，选择能满足控制要求的适当型号的p l c 是应用设计中至关重要的一步。目前，国内外p l c 生产厂家生产的p l c 品种已 有很多个，其性能各有特点。所以，在设计时，我们应该综合考虑各种因素，以 便选择最佳型号的p l c 。 最终机械结构的造型如下图： 豳2 _ 4 初始结构示意幽 对比两个方案，虽然方案二比较复杂，在控制上也比方案一难度大，但是运 动灵活，精度高，所以我们最终确定方案二最为晟终的机构。 2 4 维修机器人的本体结构设计及建模 经过前面的分析，我们的设计思路如下：维修机器人作为一个整体，可以安 h 海夫学碗j ：学位论空 装在高炉内部，由十进入高炉的孔都比较小最大的也只有人孔，尺寸为 3 1 6 0 r a m 1 4 9 5 m m ，这就要求维修机器人的整体尺寸最大不大于人 l 的尺寸，才 能方便的进出与安装。由于足悬空安装，所以需要设计个支撑架，使其能够固 定在高炉炉壁上，而且整体质量应尽可能的轻。高炉内壁是圆锥形，也就是维修 机器人在展开工作的空间是锥形的，因此我们将机器人进行模块化设汁e 1 82 0 l ， 维修机器人的空间运动我们可以用三个模块来宴现，转台模块，升降台模块和伸 缩臂模块。以前面的方案一为基础，修改后的整体结构模型如图2 - 5 所示，本文 所有三维模型均在s o l i d w o r k s 中建立。2 ”。 幽2 - 5 高炉炉项维修机器人总结构幽 零部件材料选用钢，维修机器人本体重约13 0 0 k g ，加上支撑体约1 0 0 0 k g 总重在2 3 0 0 k g 左右t 本体收缩时的外形尺寸为：2 7 0 0 m m x l 2 0 0 m m x l 7 0 0 r a m 该机器人体 ；【! 大，质量重。 241 支撑体设计 支撑体是维修机器人的支撑装置，是一个大“l ”型的壳体设计，町以减轻 上海人学硕。 ：学位论文 重量，节约成本，增加强度。详细结构见图2 - 6 。支撑体头部粗尾部细，头部和 高炉壁上的孔洞相接触，其利用自身的法兰将机器人整体固定在高炉溜槽布料机 的安装固定的人孔上。尾部在满足强度和刚度的要求上尽量减小尺寸，与转台的 底箱固定连接后可以使底箱的转动中心与高炉的中心轴重合，得到精确的定位。 支撑架上有吊环可以用吊车之类的起重装备吊起，工作时移入高炉，完成后移出 高炉，实现工业机器人与工作环境之间的动作。在头部与尾部的连接处有筋板来 增加支撑架的强度，在端部与底箱连接处开有线孔，能够使电缆、耐火材料输送 管和焊丝等在支撑架壳体内部通过，通至机器人作业工具处。 使机器人整体固定安装在高炉炉壁上，使运动部分的回转中心线与锥形炉顶 的中心线重合。 2 4 2 转台模块 - - - y ；o 图2 - 6 支撑体结构说明图 部线孔 转台模块固定在支撑体的端部，作为运动部分的底部装置，结构如图2 7 所 1 3 上海= 学颤l 学位论立 图2 - 7 转台模块结构| 璺| 转台模块主要由底箱、骀动装置、传动装置、滚子式旋转支撑装置和台面等 几部分组成。其主要作用是其他运动机构的安装平台，自身也可以绕中心线进行 旋转运动，以实现端部工作装置沿炉顶内壁的旋转。转台模块的主要参数如下： 转台重量：约6 7 8 k g 旋转范围：0 , r 3 6 0 。 转台外形尺寸：2 5 0 0 m m 1 2 0 0 m m 1 3 2 0 m m 2 4 3 升降台模块 升降台模块由两个升降架( 如图2 - 8 所示) 和一块顶板组成，两个支架对称 布置在转台的台面上，支架是连卡丁机构，它的运动可以实现工作装置在锥形壁内 最高点与最低点的升降运动。 l 。海人学硕上学位论文 圈2 - 8 升降架结构圈 升降架重量：约1 6 3 k g 升降范围：0 38 m 升降架外形尺寸：2 2 0 0 m m x 3 6 0 m m ( + 1 5 0 ) m m ( h 为升降高度) 2 4 4 伸缩臂模块 伸缩臂模块是一个两级伸缩壳体结构，伸缩臂第一节固定在升降台的顶板 上，第二节可以沿第一节内壁做伸缩运动第三节沿第二节内壁运动，并且顶端 可以安装喷头，焊枪等作业工具。如图2 - 9 所示 癣太学颤1 。学位镕女 吲2 - 9 伸缩臂模块结构阿 伸缩臂可以使端部的作业工具靠近炉顶内壁，使之随着升降而自山伸缩，以 确保作业工具离内壁始终保持恰当的工作位置。 伸缩臂重量：约2 6 0 k g 伸缩范围：0 口3 2 m 伸缩臂外形尺寸：f 2 2 0 0 + 1 ) m m 1 5 0 r a m 1 8 0 r a m ( f 为伸缩长度) 2 5 吊装过程干涉检验 机器人吊装需要从炉壁上的人孔进入高炉内部，然后依靠支撑体法兰固定安 装在高炉炉壁上，因此，机器人吊装时与炉壁人孔是否干涉需要检验。从前面的 设计中我们知道机器人体移 庞人，但本体和支撑体的宽度都是依据人孔的宽度 设计的，即机器人的宽度1 2 0 0 r a m 小十高炉人孔的宽度1 4 9 5 m m ，在宽度方面吊 装过程不存在干涉。 吊装过程如图2 1 0 所示，吊装时与炉壁人孔存在干涉可能存在在机器人高 度或长度方面。机器人被吊起时，由于本体比较重，使得机器人吊环和本体的重 心在同一垂直线上锥形炉壁与水平面的兴角为4 26 7 7 5 度，有利于机器人的进 入。初始状态下，机器人收缩，此时本体最大高度1 7 0 0 r a m ，小于炉壁人孔的长 度3 1 6 0 m m ，因此高度方面不干涉。山于支撑体呈“l ”形，比较长，在吊装时 当机器人本体进入炉壁内后需要将机器人整体向高炉中心线移动一段距离，即可 土二海大学硕1 二学位论文 解决可能造成的干涉问题，然后再竖直下落，最终利用支撑体的法兰固定在炉壁 上。因此，机器人吊装时与炉壁人孔无干涉。 图2 1 0 吊装过程示意图 2 6 维修机器人的传动系统设计 传动系统设计的任务是：确定传动方案、选定驱动方式、确定总传动比并合 理分配传动比，计算传动装置的运动和动力参数，为设计各级传动零件和装配图 提供条件。传动系统主要由传动装置和驱动装置组成。 传动装置是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置，它的主要作用有：能 量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。传动通常分为两类：第一 类是机械能不发生改变的传动一机械传动；另一类是机械能转变为电能或电能转 变为机械能的传动一电传动。机械传动又可分为啮合传动、摩擦传动和流体传动 三天类。考虑维修机器人结构的实际情况，带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传 动和螺旋传动是其可能的传动方式，表2 1 是对以上5 种传动方式进行的比较。 1 7 上海大学硕士学位论文 表2 - 1 五种传动方式对比 优点缺点 带传动 结构简单、传动平稳、造价低廉、传动效率低、传动比不准确、结 缓冲吸振。构尺寸较大、不紧凑、传动带寿 命较短。 链传动 平均传动比准确，传动效率较高；瞬时传动比变化，磨损后易发生 作用于轴上的径向压力较小，成 跳齿：工作时有噪声。 本低廉，可远距离传动。 齿轮传动 传动效率高，传动比恒定，结构对齿轮制造、安装要求高、齿轮 紧凑，工作可靠、寿命长。传动成本和费用高、不适合中心 距较大的两轴间的动力传递。 蜗杆传动 结构紧凑、传动比人、传动平稳、 齿面摩擦力大，发热量高，传动 可以自锁。效率低。 螺旋传动 传动效率高、启动力矩小、传动制造工艺复杂、刚性和抗振性能 灵敏平稳、工作寿命长。较差。 驱动装置主要包括液压驱动、气动驱动和电机驱动三个种方式，表2 2 是对 三种方式的对比。 表2 - 2 三种驱动方式的对比 特性电机气压液压 重量 轻 较重重 能源 保养简单麻烦( 贮气瓶)较麻烦 驱动装置马达气缸油缸 驱动 重量重轻较重 装置 效率局低稍高 功率较大小大 反应性较好差好 控制 线路和管道简单轻小 元件较重大元件重大 性 控制信号处理简单作电气变换作电液变换 综合考虑各种驱动式的优缺点，本文选用电气驱动方式。 电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系 1 8 上海人学硕l 二学位论文 统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各 种电机系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。在这里，只 对步进电机和伺服电机做一对比，如表2 3 所示。 表2 3 步进电机与伺服电机的对比 步进电机系统 ii 伺服电机系统 力矩范 l 中小力矩c 一般在2 。n m 以下， 0 小中大，全范围 围 速度范0 低( 一般在2 0 0 0 r p m 以下，大力矩电机小0 高( 可达5 0 0 0 r p m ) ，直流伺服电机更可达 围 0 于1 0 0 0 r p m ) 8 l 2 万转分 控引一制p 黼讹雌鬻以副鞑膳叫 f 滑性0 低速时有振动堡星銎笋型驱动器则可明0 好，运行平滑 f 精度l i 一般较低，细分型驱动时较高 0 高( 具体要看反馈装置的分辨率) 矩霍特8 高速时，力矩下降快 0 力矩特性好，特性较硬 过藿特 过载时会失步 l 可3 - 。倍过载c 短时， f 反霎方8 大多数为开环控制矣喜可接编码器 防止8 闭环方式，编码器反馈 嚣8 一 p 蝴黼慧裟鲥制h 响鬈速l i 一般 8 快 耐振动0 好 0 一般( 旋转变压器犁可耐振动) l 温升8 运行温度高 0 一般 f 维护性4 基本可以免维护 较好 价格l i 低 0 高 通过对比上面的几种传动形式和驱动方式，结合我们所设计的维修机器人结 构，决定驱动装置全部选用伺服电机，传动装置根据各个模块的特征分别选择为： 转台模块采用齿轮传动，升降台模块采用滚珠丝杠传动，伸缩臂模块的第二节采 用齿轮齿条传动，第三节采用滚珠丝杠传动。 1 转台模块传动系统 转台由底箱和台面组成，底箱固定在支撑架上，台面和底箱通过滚子式旋转 1 9 j ：海大学硕十学位论文 支撑装置连接，滚子式旋转支撑装置能够有效降低摩擦与磨损，承载能力大，能 承受较大的倾覆力矩，结构紧凑；在底箱内壁上安装有齿轮箱，它的输出轴穿出 底箱并与台面固定连接，电机驱动齿轮箱的输入轴，从而实现转台的转动。底箱 中可以装配电器设备和工作设备等，其电缆、耐火材料输送管和焊丝等可以通过 转台空心轴的空腔与上方的作业工具连接。详细结构如图2 1 1 所示。 图2 - l l 转台传动机构 转台旋转最快为0 5r m i n ，最慢为o 2r m i n ，设计齿轮箱的传动比i = 1 0 0 0 ， 由公式乃= 玉l ， ( 2 1 ) 一 l 刁 式中：z 为电机最大负载力矩 k 为关节承受最大力矩 f 为关节传动比 刁为电机效率 得到转台的驱动电机需输出的转矩为瓦= 导= 2 8 ( m 弧) ， l ，7 负载功率昂= 2 7 r 丽v m 厂t l = 0 1 5 ( k 形) ， ( 2 2 ) 所以选取电机功率1 5 0 w ，扭矩2 8 m 的交流伺服电机做维修机器人转台 模块的驱动电机。 2 升降台模块传动系统 升降台包含两个升降架，每个升降架有上下两个滑轨，升降架的下滑轨固定 在转台的台面上，下滑轨既能作为升降架的支座，又可安装滚珠丝杠驱动机构， 海大学1 论文 滑块螺母可在其上滑动：升降架采用叉式机构，四根连杆由连接轴连接，其上部 和f 部通过滑块与滑轨连接，下部滑块由滚珠丝杠驱动。运动过程是伺服电机驱 动丝杠旋转，丝杠旋转带动滑块螺母作直线运动，从而使连杆运动继而转变为上 滑轨升降。详细结构如图2 1 2 所示。 “ 嘲2 1 2 升降架传动机构 选用b s s e 2 5 2 0 型精密滚珠丝杠，丝杠长2 m ，外径3 0 螺距1 0 r a m ，滚珠 直径47 6 2 5 m m ，轴向间隙为0 0 3 m m 以下，右螺旋。 由公式l = 筹1 0 3 ( 2 _ 3 ) 式中：丝杠所需扭矩 r 丝杠轴向所受推力 r 丝杠螺距 目丝杠传动效率 得到所需扭矩c ；1 5 ( a - a n ) ，即电机的输出扭矩。 功率为p = 舞地0 4 7 ( k w ) ( 2 - 4 ) 上海大学硕十学位论文 其中，n 转速( 3 0 0 r m i n ) ，矿刈9 所以选取电机功率为5 0 w ，扭矩为1 5n d n 的交流伺服电机做升降台的驱动 电机。 3 伸缩臂模块传动系统 伸缩臂是一个两级伸缩壳体结构，伸缩臂第一节固定在升降台的项板上；伸 缩臂第二节上装有齿轮，与第一节上安装的齿条啮合传动，在电机的驱动下，第 二节可以沿第一节内壁做伸缩运动；伸缩臂第三节用滚珠丝杠驱动，滚珠丝杠和 装在伸缩臂第二节上的螺母导块配合运动，从而使第三节运动，伸缩臂第三节顶 端可以安装喷头，焊枪等作业工具。如图2 1 3 所示。 j j 、滚警杠例脯誊 l ； 4| 一口 l i l 一 i i 僦1 j 厂 ( 1 ) 齿轮齿条传动 图2 1 3 伸缩臂传动机构 驱动齿轮齿条传动的电机输出转矩丁：丝：3 5 ( m h ) ( 2 5 ) 7 7 功率为p = 蒜= 0 1 1 ( 堋( 2 - 6 ) 其中，n 转速( 3 0 0 r m i n ) 所以选取电机功率为1 5 0 w ，扭矩为3 5 朋砌的交流伺服电机做升降台的驱 动电机。 ( 2 ) 滚珠丝杠传动 选用b s s 2 5 2 0 型精密滚珠丝杠，丝杠长1 5 m ，外径2 5 ，螺距1 0 m m ，滚珠 直径4 7 6 2 5 m m ，轴向间隙为0 0 3 r a m 以下，右螺旋。 j ：海大学硕士学位论文 由前面公式可得所需的扭矩乃：争跫1 0 一：o 3 5 ( m h ) ( 2 7 ) 由前面公式可得所需的扭矩乃2 萧1 0 - 3 = 0 3 5 ( m h ) ( 2 7 功率为尸= 舞- 0 0 1 1 ( k w ) ( 2 - 8 ) 其中，n 转速( 3 0 0 r m i n ) ，矿刈9 所以选取电机功率为1 2 w ，扭矩为0 3 5 m 赫的交流伺服电机做伸缩臂的驱 动电机。 2 7 附加工作机构设计 对高炉炉顶的内壁喷涂耐火材料之前要将预埋钢脚焊接在内壁上，以使喷在 其上的耐火材料能够长久的粘贴在内壁上，起到固定的作用。传统的预埋钢脚是 半圆形，被人工一个个的焊接在高炉炉项的内壁上，如图2 1 4 。焊接这种预埋钢 脚需要耗费大量的人力，浪费时间，也不利于维修作业自动化的实现。为此我们 设计了一种预埋钢脚成型机构，将先前只是原材料的直径为6 m m 钢丝成型为连 续的波浪形预埋钢脚，波浪形的直径为8 0 m m ，如图2 1 5 。由于焊接喷涂作业是 由工业机器人完成，所以成型机构只是其中的一个附属部分，即预埋钢脚要在作 业过程中成型，由此而实现了维修作业的自动化，提高了工作效率：为了在适当 的时候能够根据工况的需要将其切断，又设计了一种切割结构。 图2 1 4 传统预埋钢脚焊接图图2 1 5 波浪形预埋钢脚焊接图 f 佛 l # 论女 27 1 预埋钢脚成型机设计 钢缝的牌号选q 2 3 5 ，则屈服点以= 2 3 5 m p a ，所以，要将钢丝成型为预埋 钢脚所需要的力矩为：t = f i = o r a l = 2 6 56 ( 2 9 ) 由于所需力矩较大，我们可选择带齿轮箱型的一体式电机齿轮箱的传动比 i = 1 0 0 ，由此电机的输出力矩为27 m 即可。 3 ：j j 率为p = 旦9 5 坚3 5 2 0 1 7 f k 1( 2 。l o ) 其中，n 转速( 6 0 0 r m i n ) 所阱选取f 巳机功率为2 0 0 w ，扭