（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的涂胶机器人结构设计与仿真.pdf

摘要 摘要 制造业的快速发展，加快了现代加工设备的更新换代速度，使用传统 的产品设计手段，已经跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的 设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划己得到了广泛和深入的研究， 并初见成效，但远达不到市场对企业的要求。这就需要我们在实际生产实 践中更多地采用现代的、高科技的手段和技术去开发新产品，从而建立起 一套适用于现代社会的产品设计方法。 基于现代设计方法的思想，本文以交换工作台式涂胶机器人为研究对 象，以u g 为手段，对涂胶机器人的机械结构设计、三维参数化建模、虚拟 装配与运动学和动力学仿真进行了研究。 涂胶机器人分为交换工作台系统和涂胶系统，交换工作台系统采用具 有创新性的上下交换式结构、气压驱动；涂胶系统采用高架桥式结构、伺 服驱动，进而确定了整机结构方案设计。 使用u g 软件的三维参数化建模技术，建立交换工作台式涂胶机器人各 零部件的三维实体模型，实现参数化建模。使用虚拟装配技术完成交换工 作台式涂胶机器人各零部件和整机的虚拟装配，得到涂胶机器人的虚拟数 字模型，并对模型进行静态干涉检验。 对交换工作台式涂胶机器人的虚拟模型进行运动学和动力学的仿真分 析，检验了所取方案及所建模型的合理性，验证了涂胶机器人结构设计可 行性。 关键词涂胶机器人；交换工作台；u g ；参数化建模：虚拟装配；运动仿 真； 燕山大学丁学硕十学位论文 a b s t r a c t s p e e do f m o d e mp r o c e s s i n ge q u i p m e n ti sa c c e l e r a t e db yt h ed e v e l o p m e n t o fm a n u f a c t u r ei n d u s t r y t r a d i t i o n a lp r o d u c td e s i g nh a sa l r e a d yb e e no u to fd a t e c o m p u t e ra s s i s t e dd r a w i n g ，c a l c u l m i o n ，p r o c e s s i n gm a n u f a c t u r e ，p r o d u c t i o n p l a n n i n gh a v e b e e nf u l l ya n dd e e p l ys t u d i e dn o w a d a y s ，a n ds o m ee f f e c t sa r e g a i n e d b u ti ts t i l lc a n ts a r i s f yt h en e e do f m a r k e t i t sn e c e s s a r yf o ru st ou s e m o d e ma n dh i g ht e c h n o l o g i c a lm e t h o d st od e v e l o pn e w p r o d u c t n e wd e s i g n m e t h o di sb u i l ts e q u e n t i a l l y a c c o r d i n gt ot h ei d e ao fm o d e r nd e s i g n ，a l lt h es t u d i e sa r eb a s e do n e x c h a n g i n gw o r k t a b l eg l u es p r e a d i n gr o b o ti nt h i sp a p e r e m p l o y i n gu g t h e s t r u c t u r eo f t h em a c h i n ei sd e s i g n e d t h r e ed i m e n s i o n a lp a r a m e t e rm o d e l i n g ， v i r t u a la s s e m b l ya n ds i m u l a t i o no f k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa r ea l s os t u d i e di n t h i sp a p e r g l u es p r e a d i n gr o b o ti sd e c o m p o s e dt w op a r t s ：e x c h a n g i n gw o r k t a b l e s y s t e ma n dg l u es p r e a d i n gs y s t e m e x c h a n g i n gw o r k t a b l ea d o p t su p d o w n e x c h a n g i n gs t r u c t u r ea n dd r i v e nb ya i rc y l i n d e r g l u es p r e a d i n gs y s t e ma d o p t s v i a d u c ts t r u c t u r ea n di sd r i v e nb ys e r v om o t o r a n dt h ei n t e g r a ld e s i g ns c h e m ei s f i x e d 3 ds o l i dm o d e l so f e x c h a n g i n gw o r k t a b l ed i s p e n s e r sp a r t sa l ee s t a b l i s h e d b ys o f t w a r eu g a n dp a r a m e t e rm o d e l i n gi sa l s oa c h i e v e d v i r t u a la s s e m b l y t e c h n o l o g yi su s e da n dt h ei n t e g r a lv i r t u a la s s e m b l ym o d e lo f t h ed i s p e n s e ri s g a i n e d s t a t i ci n t e r v e n ei sa l s oc h e c k e di nt h ep a p e r k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so f g l u es p r e a d i n gr o b o ta r es i m u l a t e d r a t i o n a l i t yo f t h es c h e m ea n dm o d e la r ep r o v e da n df e a s i b i l i t yo fs t r u c t u r ei s c h e c k e db yt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n k e y w o r d sg l u es p r e a d i n gr o b o t ；e x c h a n g i n gw o r k t a b l e ；u g ；p a r a m e t e rd e s i g n ； v i r t u a la s s e m b l y ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n l i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于u g 的涂胶机器人 结构设计与仿真，是本人在导师指导下，在燕1 1 i 大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究_ 1 j 作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签字 彦们匀 1 日期：伽锌妨) 归 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于u g 的涂胶机器人结构设计与仿真系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山 大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本 人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：名 新签名：嘲 2i 伽y 纠 皎朱 i r 期：仍彤年朔砷 日期：如。6 年y - j g 卅n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 制造业的快速发展，加快了现代加工设备的更新换代速度，使用传统 的产品设计手段，如二维模型设计和依赖经验的方法，则显得力不从心， 跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、 加工制造、生产规划己得到了广泛和深入的研究，并初见成效，但远达不 到市场对企业的要求【“引。这就需要我们在实际生产实践中更多地采用现代 设计方法去开发新产品。 现代设计就是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统的产品设计 方法，从而建立起一套适用于现代社会的产品设计方法。其核心内容大致 可分为以下几个方面o | ： ( 1 ) 数字化产品在其生命周期内的数字化建模是现代设计方法的关键技 术之一，它包括：全局产品的信息定义，即要用计算机来支持产品生命周 期的全过程，就必须用计算机能理解的方式给出产品生命周期全过程的数 字化定义；产品的数字化工具，即广义的计算机辅助工具，它能将产品信 息自动数字化；产品数据管理，即用计算机对产品开发与生产全过程中的 大量数字化信息进行全面的管理与控制。 ( 2 ) 并行化是在计算机软硬件支持的信息共享基础上，采用团队( t e a m ) 工作模式，可在异地进行设计开发的一种现代设计方法与手段。它有助于 实施强强联合，优势互补，极大地提高企业的产品设计开发能力。 ( 3 ) 智能化是指现代设计方法及技术中越来越明显的智能化倾向。它能 使设计开发人员不必了解设计开发低层的全部细节，而由计算机智能地设 计并最终制造出合乎要求的产品；设计系统具有自动获取新知识，并丰富 自己的能力。 ( 4 ) 集成化是指现代设计系统不再是单一的c a d 、ca m 或c a p p 系统， 而是支持产品生命周期全过程的现代设计集成系统。 制造业的首要任务是设计研究出能够满足用户需要的新产品，并以最 1 燕l l j 大学上学硕士学位论文 快的速度使之上市，占领市场从而赢得市场竞争的胜利。但目前无论在传 统设计还是现代设计方面都存在下面主要问题l ： ( 1 ) 整机系统设计仍然采用比较传统的设计方法，以二维设计为主。设 计时间占整个合同周期的比重过大。根据调查，产品从方案设计到最后出 产品图所用的时间为合同周期的5 0 以上，再加上工艺设计所占用的时间， 留给生产、安装和调试的就很少，在市场竞争激烈的今天显然是不行的。 ( 2 ) 设计更改困难一旦产品进入到细节设计阶段，一个参数的修改往往 牵扯到很多尺寸变动，稍有不慎便会出现漏改、错改等现象。 ( 3 ) 信息传递困难对于同一设计团队中各个成员，各自负责其中的一个 或多个部件。有些部件间的连接需要成员之问相互沟通，但由于各人的沟 通能力差异，设计习惯不同，使得相互信息的传递变的困难，直接导致出 错或效率低下。 ( 4 ) 部门间的信息传递困难设计部门在进行产品设计时，缺少工艺部门 的支持，受生产车间现有加工能力的制约，同时供应部门库存材料的种类 如不能及时反馈到设计人员，造成的直接后果就是设计出的产品与企业实 际脱节，造成不必要的浪费。 ( 5 ) 重复设计结构相似零部件重复出图，造成生产和采购的混乱。 ( 6 ) 设计缺乏延续性由于设计缺乏延续性且无规律可寻，不便于展开系 列化设计。 由于上述原因，制约了目前很多产品的改型，且新产品的设计开发周 期长，生产效率低。为此，应建立一套适合我国国情，支持产品开发与生 产全过程的数字化、并行化、智能化、集成化的现代设计方法与系统，有 效地组织多学科的产品开发队伍，充分利用各种计算机辅助工具，并有效 地考虑产品开发与生产的全过程，从而缩短产品开发周期，降低成本，提 高质量，生产出满足用户需要的产品，使企业在市场竞争中立于不败之地。 三维计算机辅助设计软件和参数化建模的出现，为解决设计中的上述 问题提供了可能。为此，本文以篮球板涂胶机器人为研究对象，以三维设 计软件u g 为手段，主要研究在涂胶机器人设计开发过程中u g 的参数化 建模、虚拟装配、运动学和动力学仿真分析等一系列技术问题，以期通过 2 第1 苹绪论 对涂胶机器人的研究，为同类机构设计提供参考。 1 2 相关研究技术的国内外发展状况 1 2 1u g 的发展状况 c a d c a m 技术是近5 0 年柬迅速发展起来的一门新兴的综合计算机应 用系统技术，经历了形成、发展、提高和成熟四个阶段0 1 2 - 1 6 1 。 目前，国际上c a d c a m 技术已经进入了成熟阶段，软件资源极为丰富。 在我国市场上推出的商品化软件中，比较著名的三维设计软件有p r o e 、 u g 、s o l i d w o r k s 等等。 u g 是u n i g r a p h i c s 软件的简称，自六十年代起成为商业化软件，并很快 成为世界一流的集成化机械c a d c a m c a e 软件，被众多著名公司选定为 企业计算机辅助设计、分析和制造的标准。它主要应用在汽车与交通、航 空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等领域 1 7 - 2 0 l 。u g 发展过程如表 1 1 所示。 表1 1u g 发展详表 t a b l e i - 1d e v e l o p m e n to f u g u g 发展史 u g s 起源于麦道( m d l 公司6 0 年代起成为商业化软件 1 9 7 6 住m c d o n n e l ld o u g l a s 收购开发u n i g r a p h i c s 1 9 8 7 住 通用汽车公司( g m ) 选择u n i g 。a p h i c s 作为其战略合作伙伴 1 9 9 6 盆 g m 选择u g 作为c a d c a v l 的标准，通用( g m ) 公司推动，u g 的发展 1 9 8 9 隹 u n i g r a p h i c s 宣布支持u n i x 甲台及开放系统结构；普惠发动机公司( p r a a w h i t n e y ) 选择 u n i g r a p h i c s ；将全新的与s t e p 标准兼容的三维实体建模核心p a r 髂0 1 d 引, k u n i g r a p h i c s 1 9 9 0 年m c d o n n e l ld o u g l a s ( 现杠的波音公司) 选择u n i g r a p h i c s 作为其机械c a d ，c a m c a e 的标 准 1 9 9 1 妊 g e 发动机公司及0 e 电力公司选择u n i g r a p h i c s ：并a e d s 龋 ，改名芏 e d s u n i g r a p h i c s 1 9 9 3 正 u n i g r a p h i c s 弓 k 复合建模的概念，可将实体建模、曲面建模、线框建模、半参数化及参 数化建模融为一体；欧宝汽车公司( o p e l ) 选挥z u n i g r a p h i e s 作为其战略性c a d c a m c a e 系统 u g 软件的建模核心：p a r a s o l i d 3 燕山大学t 学硕士学位论文 续表1 - 1 u g 发展史 1 9 9 5 年3 m 公司选- j 革e d su n i g r a p h i c s ； u n i g r a p h i c s 首次发布w i n d o w sn t 版奉 j 9 9 8 年 并购i n t e r g r a p h 的机械c a d ，c a m 业s o l i de d g e 和e m s 软件 2 0 0 i 妊 并购1 - d e a s 软件，更名为e d sp l ms o l u t i o n s ，提出了产品生命岗期管理( p i 。m ) 概念 2 0 0 3 篮 e d s 更名为u g s ，体现了产品全生命怙j 期管理( p l m ) 业务的持续发展 作为一种大型的c a d c a m c a e 软件，u g 包含多种功能模块，在机 械行业中常用的模块有1 2 1 l ： ( 1 ) u g 入e l ( u g g a t e w a y ) 这个模块是u g 的基本模块，包括打开、创 建、存储等文件操作；着色、消隐、缩放等视图操作；视图布局；图层管 理；绘图及绘图机队列管理；空间漫游，可以定义漫游路径，生成电影文 件；表达式查询；特征查询；模型信息查询、坐标查询、距离测量；曲线 曲率分析；曲面光顺分析：实体物理特性自动计算；用于定义标准化零件 族的电子表格功能；按可用于互联网主页的图片文件格式生成u g 零件或 装配模型的图片文件，这些格式包括：c g m 、v r m l 、t i f f 、m p e g 、g 1 f 和j p e g ；输入、输出c g m 、u g p a r a s o l i d 等几何数据；m a c r o 宏命令自动 记录、回放功能：u s e r t o o l s 用户自定义菜单功能，使用户可以快速访问其 常用功能或二次开发的功能。 ( 2 ) u g 实体建模( u g s o l i dm o d e l i n g ) 实体建模提供了草图设计、各种 曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体、旋转实体、沿导轨扫掠、尺寸驱 动、定义、编辑变量及其表达式、非参数化模型后参数化等工具。 ( 3 ) u g 特征建模( u g f e a t u r e sm o d e l i n g ) 特征建模模块提供了各种标准 设计特征的生成和编辑，各种孔、键槽、凹腔、方形凸台、圆形凸台、异 形凸台、圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、模型抽空产 生薄壁实体、模型简化( s i m p l i f y ) ，用于压铸模设计等、实体线、面提取， 用于砂型设计等、拔锥、特征编辑：删除、压缩、复制、粘贴等、特征引 用，阵列、特征顺序调整、特征树等工具。 ( 4 ) u g 工程绘图( u g d r a f t i n g ) 工程绘图模块提供了自动视图稚置、剖 视图、各向视图、局部放大图、局部剖视图、自动、手工尺寸标注、形位 4 第1 章绪论 公差、粗糙度符合标注、支持g b 、标准汉字输入、视图手工编辑、装配图 剖视、爆炸图、明细表自动生成等工具。 ( 5 ) u g 装配建模( u g a s s e m b l ym o d e l i n g ) 装配建模模块提供并行的自 顶而下和自下而上的产品开发方法。装配模型中零件数据是对零件本身的 链接映象，保证装配模型和零件设计完全双向相关，并改进了软件操作性 能，减少了存储空间的需求，零件设计修改后装配模型中的零件会自动更 新，同时可在装配环境下直接修改零件设计；坐标系定位；逻辑对齐、贴 合、偏移等灵活的定位方式和约束关系；在装配中安放零件或子装配件， 并可定义不同零件或组件间的参数关系；参数化的装配建模提供描述组件 间配合关系的附加功能，也可用于说明通用紧固件组和其它重复部件；装 配导航；零件搜索；零件装机数量统计；调用目录；参考集；装配部分着 色显示；标准件库调用；重量控制：在装配层次中快速切换，直接访问任 何零件或子装配件；生成支持汉字的装配明细表，当装配结构变化时装配 明细表可自动更新：并行计算能力，支持多c p u 硬件平台。 ( 6 ) u g w a v e 产品参数化设计u g w a v e 技术使产品总体设计更改自 上而下自动传递。它将概念设计与详细设计贯穿到整个产品的设计过程。 w a v e 技术可对产品设计进行定义、控制和评估。通过定义儿何形体框架 和关键设计变量，表达产品的概念设计，通过参数化的编辑控制结构，不 同的设计概念可以被迅速地分析和评估。控制结构中的关键几何模型，可 链接拷贝到经过详细设计的产品装配中。这样，在后续的产品开发过程中， 即可允许高级概念设计上的变化与整个产品全相关设计。 ( 7 ) u g 运动仿真( u g s c e n a r i of o rm o t i o n ) 运动机构模块提供机构设计、 分析、仿真和文档生成功能。可在u g 实体模型或装配环境中定义机构，包 括铰链、连杆、弹簧、阻尼、初始运动条件等机构要素定义。定义好的机 构可直接在u g 中进行分析，可进行各种研究，包括最小距离、干涉检查和 轨迹包络线等选项，同时可实际仿真机构运动。用户可以分析反作用力， 图解合成位移、速度、加速度曲线。反作用力可输入有限元分析，并可提 供一个综合的机构运动连接元素库。u g m e c h a n i s m s 与m d i a d a m s 无缝连 接，可将前处理结果直接传递到m d i a d a m s 进行分析。 s 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 2u g 仿真技术的发展现状 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有 的或设计中的系统【2 2 1 。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可 以减少风险，缩短设计周期和制造的周期，并节约投资。 美国是虚拟仿真技术的发源地，美国的研究水平基本上代表了国际仿 真技术的发展水平。目前国际上已经存在很多优秀的仿真软件，如a d a m s 、 u g 、m s c n a s t r a n 、m a y a 、a b a q u s 、p r o e 、p a t r a n 等等。 现有的运动仿真软件多以刚体模型为研究对象，而且运动规律也相对 简单。u g 的运动仿真模块内嵌了a d a m s 求解器，使得u g 的运动学及 动力学仿真功能相当成熟。综合应用u g 软件中的建模、装配、零件问表 达式、宏命令、仿真和高质量渲染等功能，可以解决工程中绝大部分的问 题并能使模型得到较好的表达效果，因此使得u g 在国际上拥有很多大型 客户，如日本主要的汽车配件生产商d e n s o ，其他领先的制造公司如a n v i s t i r d e t r o i td i e s e l 、w i n n e b a g o 和r o b e r tb o s c h 等。在美国航天航空工业已安装 有1 0 0 0 0 多套u g ，并占有9 0 的俄罗斯航空市场和8 0 的北美汽油油轮发 动机市场，拥有如普惠( p r a t t & w h i t n e y ) 、g e 喷气发动机等客户【2 3 。2 4 】。 但是u g 在国内大中型企业中的应用较少，一般也只是使用u g 的三 维建模和装配功能。对应用u g 进行运动及动力学仿真方面的研究还比较 少。吴清文、程宝春的研究在国内属于较早的，他们综合应用u g 的有关 模块进行机构运动仿真，得到了机构运动的图画及运动规律。但是这种方 法只侧重于位移而不太关心运动过程中的速度、加速度等参数，因此适合 于产品宣传、项目夺标论证等，对机构真实运动参数仿真效果不佳1 25 1 。2 0 0 5 年韦尧兵和聂文忠运用u g 软件的强大功能，实现了发动机曲柄连杆机构 的虚拟设计与运动仿真f 2 6 1 。宋晓华、马晓丽1 2 7 1 等利用u g 软件来实现机构 运动仿真和分析，并用动画来表现机构的运动过程，用图表和电子表格来 反映运动仿真的结果，得到了精确的机构运动数据。以上研究只是局限于 机构的运动学，对u g 动力学分析技术的应用文献很少。但是随着u g 在 国内市场应用的不断扩大，其运动仿真模块也将成为一种重要的分析工具。 6 第1 章绪论 13 课题来源和研究的主要内容 课题来源于上海电机学院机械工程研究所承接设计与制造的涂胶机器 人项目。该涂胶机器人用于篮球板的涂胶，该篮球板由金属框架和透明亚 克力板组成，两者的连接是靠粘接胶胶合在一起。本人参与了整个项目的 设计过程。该涂胶机器人与激光雕刻机、激光切割机、激光焊接机等设备 结构相似。选用该课题进行研究，对三自由度直角坐标机器人的设计与研 究有一定的参考价值。 本论文的主要内容包括： ( 1 ) 进行交换工作台式涂胶机器人的结构方案设计。 ( 2 ) 根据整体设计方案，利用u g 参数化建模技术实现对交换_ _ r = 作台式涂 胶机器人关键零部件的参数化建模。并总结研究u g 参数化建模方法。 ( 3 ) 对交换工作台式涂胶机器人进行虚拟装配研究，对各个功能模块进 行静干涉检验，通过反复修改模型，进一步优化模型结构。 ( 4 1 在涂胶机器人装配模型的基础上，基于u g 运动分析模块，对涂胶机 器人进行运动学和动力学仿真分析，检验所取方案及所建模型的合理性。 验证涂胶机器人结构设计的可行性。 7 燕山大学丁学硕十学位论文 第2 章交换工作台式涂胶机器人整体方案设计 2 1 涂胶机器人简介 涂胶机是随着汽车工业中密封工艺的改进而产生和发展的。最初变速 箱、发动机壳体等密封采用纸垫，随着对密封性能要求的提高，密封工艺 的改进，在密封结合面上直接涂胶来代替纸垫。同时，挡风玻璃、灯具等 也需要密封涂胶。随着市场的扩大，目前涂胶机已广泛应用于汽车、电子 封装等行业 2 8 - 2 9 1 。 涂胶效果的好坏直接影响密封的质量，人工涂胶是最原始的方法，一 致性很难保证。国外的机器人生产厂商各自推出了涂胶机器人，如日本莫 托曼涂胶机器人( 如图2 - l ( a ) 所示) 、安川涂胶机器人( 如图2 - 1 ( b ) 所示) ， 以及美国a b b 机器人等，在国际上都占有重要市场。我国机器人发展较晚， 目前推出的涂胶机器人有：北京机械工业自动化研究所工业机器人与应用 技术工程研究中心的“自动化涂胶工作站”( 如图2 - 1 ( c ) 所示) ，济南未来之 路信息工程有限公司的“金未来自动涂胶机”( 如图2 - l ( d ) 所示) 。另外， 还有与国外合资的公司也推出相应的产品。以上所述涂胶机器人产品都是 在机器人基础上进行二次开发，即用机器人实现轨迹控制，附加供胶系统。 ( a ) 日本莫托曼涂胶机器人( b ) 安川涂胶机器人 8 第2 章交换t 作台式涂胶机器人整体方案设计 ( c ) 自动化涂胶_ l = 作站( d ) 金未来自动涂胶机 图2 1 各人公司生产的涂胶机器人 f i g 2 1g l u es p r e a d i n gr o b o tp r o d u c e db yi n t e r n a t i o n a lc o m p a n i e s 供胶系统通常由粘连胶胶桶、压缩机、输送管、储胶桶、涂胶头和控 制系统组成。胶桶和压缩机跟涂胶机器人分丌，储胶桶和涂胶头固定在涂 胶机器人的涂胶部位。两部分通过输送管相连。储胶桶重量大约在1 千克 左右，主要作用是防止输送管过长，导致涂胶时出现断续现象。工作时压 缩机压缩胶桶，粘连胶受压之后通过输送管将粘连胶输送至储胶桶，储胶 桶通过涂胶头对工件实施涂胶。 从机器人销售总量来看，涂胶机器人的比例基本稳定在1 0 或略少些。 我国涂胶机器人的比例更少，许多工厂主要依靠人工涂胶。 对于篮球板涂胶，在发达国家已经实现自动化，而国内篮球板的涂胶， 仍然依靠人工完成。人工操作时，平均每5 0 秒完成一个篮球板的涂胶，生 产量只相当于国外自动化涂胶的1 2 左右。同时，受工人熟练程度和疲劳程 度影响，涂胶的产量和质量都不稳定。 根据企业需求，本文设计并开发了篮球板涂胶机器人。该篮球板涂胶 机器人采用直接坐标机器人结构，采用直角坐标涂胶机器人同样可以实现 篮球板的涂胶工作，相对于上述国内外生产的涂胶机器人，结构简单、控 制容易，成本低，适合我国国情。篮球板结构分解图如图2 2 所示，在图 2 2 中上面为亚克力板，下面为型钢框架。涂胶机器人工作开始时，涂胶头 9 燕山大学工学硕士学位论文 在型钢框架轮廓上表面均匀涂胶，之后将亚克力板与型钢框架压合。该篮 球板涂胶机器人与市场上涂胶机器人最大的区别就是采用了交换式工作 台。采用这种结构有利于提高生产率、降低工人劳动强度。 l2 1 亚克力板2 型钢框架 图2 - 2 篮球板结构分解图 f i g 2 2s k e t c ho f d e c o m p o s e db a s k e t b a l lb o a r d 2 2 交换工作台式涂胶机器人整体设计方案解析 2 2 1 设计要求的提出 篮球板的涂胶工作是由涂胶机器人和供胶系统两部分完成。由于供胶 系统已经发展完善，可以通过外购的方式得到，因此本文对供胶系统不予 研究。按照涂胶机器人主要结构实现的功能不同，本文将设计的涂胶机器 人分为交换工作台系统和涂胶系统。交换工作台系统实现工作台的交换， 涂胶系统实现工件涂胶。 2 2 1 1 主要技术指标根据企业的生产纲领，篮球板年产量在5 7 万左右， 两班工人分别按每天工作8 小时计算，涂胶一个篮球板大约需要2 5 秒钟。 再根据涂胶头供胶速度、涂胶轨迹需要的精度要求以及最大篮球板的外形 尺寸，对涂胶机器人主要技术指标提出设计要求。如表2 1 所示。 0 第2 章交换t 作台式涂胶机器人整体方案设计 表2 1 涂胶机器人主要技术指标 t a b l e 2 - lm a i ni n d e x e so f g l u es p r e a d i n gr o b o t 项目要求 分辨牢0 0 5 m m 定位精度 0 1 m m 最人运行速度 1 8 m m i n 最大行程2 0 0 0 m m x l 2 0 0 m m x l 0 0 m m 工作台交换时间 5 s 工作台尺寸1 9 1 0 m m x l l l o m m 4 0 m m 整机外型几寸 3 2 0 0 m m 2 2 6 0 m m 8 0 0 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 交换工作台系统要求对交换工作台系统要求如下： ( 1 ) 待交换的两个工作台要求占有尽量小的空间，必须在整机尺寸范围 之内； ( 2 ) 用于交换的两个工作台装卸工件尽量在同位置。节省空间，减少 操作工人数量； ( 3 ) 要求启动速度快。 2 2 1 t 3 涂胶系统要求对该交换工作台式涂胶机器人涂胶系统要求如下： ( 1 ) 采用伺服电机驱动，运行速度快，力矩大： ( 2 ) 采用具有弹性张紧的同步齿形带传动，运动平稳，定位准确； ( 3 ) 采用高精度直线导轨运动，阻力小，耐摩擦； ( 4 ) 采用高级多轴运动控制卡控制各轴涂胶运动，运动控制功能强； ( 5 ) 采用工控机作为控制核心，操作方便灵活； ( 6 ) 配备专门的基于w i n d o w s 的操作软件，通用性强，操作简单； ( 7 ) 具有通用的c a d 图形输入和人工示教两种轨迹输入方式，改变涂胶 轨迹时，可快速完成零件涂胶轨迹的输入，使系统具有高度的柔性，适应 多种工件涂胶； 燕山人学丁学硕士学位论文 ( 8 ) 采用插补算法，实现涂胶轨迹控制。 2 2 2 交换工作台式涂胶机器人结构方案设计 2 2 2 1 交换工作台结构方案选择对于交换工作台的结构，提出三种方案， 分别如下。 ( 1 ) 左右交换式工作台左右交换式工作台中间为涂胶工位，左侧工作台 和右侧工作台轮流送进的结构。结构简图如图2 3 所示。 基本原理如下：当左侧工作台进入涂胶工位时，右侧工作台更换涂胶 工件，并做好准备；待涂胶工位的工件涂胶完毕之后，左侧驱动机构驱动 左侧工作台左行，离开涂胶工位，同时右侧工作台在右侧驱动机构作用下， 左行进入涂胶工位，开始涂胶；此时左侧工作台卸掉工件，并做好下一个 工件的准备工作；当右侧工作台涂胶完毕之后，右行让出涂胶工位；左侧 工作台右行，进入涂胶工位。如此重复，实现左侧工作台和右侧工作台的 交换。 这种方案所需交换时间短，由于左侧工作台和右侧工作台分布在涂胶 工位的两侧，占地面积大。准备工位在两侧，需要两组操作工人，不适合 较大尺寸工件和较小场地的加工生产。 1 左侧机架2 涂胶机架3 右侧机架4 一右侧驱动机构5 右侧准备丁位 6 丁件i7 涂胶t 位8 工件i i9 左侧准备 二位1 0 左侧驱动机构 图2 - 3 左右交换式工作台结构简图 f i g 2 - 3s k e t c ho fl e f t - r i g h te x c h a n g i n gw o r k t a b l e 1 2 第2 章交换工作台式涂胶机器人整体方案设计 ( 2 ) 旋转交换式工作台结构简图如图2 - 4 所示。 基本原理是：两个工作台以中间转轴为旋转中心，涂胶工位在左侧， 准备工位在右侧，在驱动机构的作用下旋转实现工作台的交换。 i2 3 4 5 3川 i 、 i “丈土一 丫。_ ：- 。 1 1 j l 一涂腔工位2 沫腔工件3 - 转轴4 - 准备t 位5 - 准备t 件6 - 支撑架i 7 - 齿轮8 - 转轴驱动机构9 支撑架1 11 0 圆形导轨1 1 圆形导套 图2 - 4 旋转式j 二作台简图 f i g 2 - 4s k e t c ho f r o t a t i n ge x c h a n g i n gw o r k t a b l e 这种结构两个工作台的准备工位在同一个位置，但占地面积太大，不 适合大尺寸工件。根据企业生产车间的情况，该方案不合适。 ( 3 ) 上下交换式工作台结构简图如图2 5 所示。 基本原理如下：工作台i 涂胶完毕之后下移到工位i i i ，从工位i i i 右移 到工位，再从工位上移到准备工位。在工作台i 下移到工位i i i 的同时， 工作台i i 下移到工位儿，从工位i i 左移到工位i ，再从工位i 上移到涂胶 工位e 之后，工作台i i 开始涂胶，工作台i 卸掉工件并做下一个周期的准 备。待涂胶完毕，重复上述过程。这种结构的交换工作台，实现了两个工 作台准备工位在同一个位置。占地面积相对比较小，满足设计要求。因此 1 3 燕山人学工学硕士学位论文 选用这种上下交换式工作台结构方案作为本文研究机构的结构形式。 = = 二f 一 1 - 气缸i2 - 涂胶工位3 - 工作台i4 - 后项板5 - 工位i 6 一导轨i 7 工作台i i8 前顶板9 工位i i1 0 上滑块联接板1 1 - 准备工位1 2 - 气缸i i 1 3 下滑块联接板1 4 工位1 5 后顶推气缸1 6 导轨i i1 7 一工位i v1 8 前顶推气缸 图2 - 5 上f 交换式下作台结构简图 f i g 2 5s k e t c ho f u p d o w ne x c h a n g i n gw o r k t a b l e 2 2 2 2 上下交换式工作台工作原理为了更清楚的表达上下交换式工作台 的结构原理，从该涂胶机器人启动到交换工作台开始循环，分为六个步骤 来详细说明。 ( 1 ) 第一步涂胶机器人启动，此时工作台i 在工位i l i ( 未放置工件) ， 工作台i i 在工位i i ( 已放置待涂胶工件) ，前、后顶推气缸在最低位置。第 一步示意图如图2 - 6 所示。 ( 2 ) 第二步工作台i ( 未放置工件) 从工位到达工位，同时工作台 1 1 ( 已放置待涂胶工件) 从工位i i 到达工位i 。第二步示意图如图2 7 所示。 1 4 第2 章交换工作台式涂胶机器人整体方案设计 2 叫叫； l 一一一一一ij 一一一一一一li 一一一j h l j _ j l lj l 1 一工作台i2 一工作台i i 图2 7 第二步示意图 f i g 2 7s k e t c hm a po f s e c o n ds t e p 1 5 _ j 燕山人学下学硕十学位论文 ( 3 ) 第三步前、后顶推气缸同时顶出，前顶推气缸将工作台i 由工位i i 推到准备工位并锁紧，放置待涂胶工件，后顶推气缸将工作台i i 由工位i 推到涂胶工位并锁紧，丌始涂胶。在两个工作台被锁定后，上滑块联接板 在气缸i 作用下由工位i 到达工位i i ，下滑块联接板在气缸i l 作用下，由 工位到达工位i l i 。第三步示意图如图2 - 8 所示。 ( 4 ) 第四步前、后顶推气缸同时下行至最低位置，工作台i 落在位于工 位i i 的上滑块联接板上，工作台i i 落在位于工位i i i 的下滑块联接板上。第 四步示意图如图2 - 9 所示。 ( 5 、第五步上滑块联接板和工作台i 在气缸i 的作用下由工位i i 到达 工位i ，下滑块联接板和工作台l i 在气缸i i 的作用下由工位i i i 到达工位i v 。 第五步示意图如图2 1 0 所示。 ( 6 ) 第六步前、后顶推气缸同时顶出，前顶推气缸将工作台i i 由工位i i 推到准备工位并锁紧，卸掉涂胶完毕的工件后放置待涂胶工件做好准备， 后顶推气缸将工作台由工位i 推到涂胶一】：位并锁紧，开始涂胶。上滑块联 接板在气缸i 作用下由工位i 到达工位i l ，下滑块联接板在气缸j i 作用下 由工位i v n 达工位i i i 。第六步示意图如图2 - 11 所示。 _ 21 一一7 一一 e 一七三三三三 一 田 l ij ll j 1 一工作台i2 一工作台1 1 图2 - 8 第二二步示意图 f i g 2 8s k e t c hm a po f t h i r ds t e p 1 6 第2 章交换工作台式涂胶机器人整体方案设计 2 l i jl j l i ll i 一工作台i2 工作台1 1 图2 - 9 第四步示意图 f i g 2 9s k e t c hm a po f f o r t hs t e p 2 i j 山山 ： l lj ll 1 一工作台l2 一工作台i i 图2 1 0 第五步示意斟 f i g 2 1 0s k e t c hm a po f f l r hs t e p f 燕山大学工学硕士学位论文 厂 i ， 叵三三三圣寻一七三三寻三 一叵三三三三三三三至呈三三副口 ! l ij li j 1 一t 作台i2 一工作台i i 图2 - 1 1 第六步示意图 待涂胶工位工作台i 涂胶完毕，重复第三步到第六步的过程，实现上 下交换式工作台的循环。 根据上面所列的六个步骤，给出了交换工作台式涂胶机器人的时序图， 如图2 1 2 所示。图2 一1 2 中表示出了工作台i 、工作台i i 、上滑块联接板、下 滑块联接板、前顶推气缸和后顶推气缸随时间节拍的相对位置变化情况。 由于上滑块联接板和气缸l 、下滑块联接板和气缸i i 动作一致，因此图2 1 2 中只给出了上、下滑块联接板的时序图， 步骤图和时序图为交换工作台式涂胶机器人交换工作台的控制提供了 依据。 1 8 第2 章交换t 作台式涂胶机器人整体方案设计 1 9 匣茸 o = n 一 芑q0比眉弓謇ds兰【嚣u鲁铀o_高iluoc兰叮一i曲嚣茁 丑世蓄、r榷暴垡爨ni-h匝 墨 拳 g j 鲁雷鼬一督甲督，j l 柚 趔 捌 趔 h h 恒 婆 瑙 喇1 癌 臣 趔 趟 h h 墓翼摇。 瞢薰鲁7i 出烈 l 塑 1 1 1 趔l 1i 捌jl1 1 1 趔tl1f 捌fl 嚣 督鲁臣督g 1 篙鲁目督裂1 蠡塑 l 萋名磊出。 蝻捌h 1 f l 犁h 赢趔 删 坦 1 捌 趔 趟 趔 h h hh 喧 巅 辐 删 鹱 掣 基名1 1 1 。婚i j h 赢 量襄锰。 l臣 也 苦蕊督 l 趔掣捌l 啊丽” 趟 h曲1 蜒岩酉瑶h 喇 雾蓍jl 裂1耍吉。鲥 l | 型 鬯 il 扯1 1 1 删1 i l 1j 捌h 鲁蔡 趔 趔 h h 矧壁 撑 燕山大学下学硕士学位论文 为了实现工作台上下左右运动，工作台的横向尺寸小于两根导轨之间 的距离，但是大于两个导轨滑块联接板之间的距离。：r 作台、导轨、滑块 之间的位置关系如图2 1 3 所示。 1 导轨滑块2 滑块联接扳3 - 导轨4 框架5 工作台 图2 1 3 丁作台、导轨及滑块的位置关系 f i g 2 - 1 3l o c a t i o no f w o r k t a b l e s l i d i n gw a ya n ds l i d e r 外侧为框架，中间为工作台， 个滑块，滑块被滑块联接板固定。 台通过定位销与滑块联接板相连， 板和定位销，带动工作台运动。 与框架联接的是导轨，导轨上面各有两 保证导轨上的两个滑块同步运动。工作 当气缸推动滑块时，滑块通过滑块联接 2 2 2 3 涂胶系统工作原理涂胶部分结构采用高架桥式f 3 0 j 结构。由x 轴组 件、y 轴组件、z 轴组件组成。 目前，这种三自由度的机器人结构通常有两种框架类型：一种是龙门 式结构：工作台固定，导轨安装在工作台两侧，横梁固定在可沿导轨移动 的立柱上。另一种是高架桥式结构：工作台固定，采用双墙式结构支撑横 梁，导轨固定在高架桥上表面，横梁在导轨上运动。高架桥式结构和龙门 式结构如图2 1 4 ( a ) 、( b ) 所示。 与传统的龙门式结构相比，高架桥式结构具有如下优点： 第2 章交换r 作台式涂胶机器人整体方案设计 ( 1 1 导轨承载重量轻，沿x 轴运动时，启动和停止时的惯性力小，有利 于提高机器的速度、加速度，