（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）水火弯板成型单悬臂机器人设计分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水火弯板成型技术是目前世界造船工业中应用最广泛的关键技术，该工艺技术性 强、难度大、影响因素多、操作技艺难以掌握。到目前为止，大型复杂曲面钢板水火加 工的技术在实际生产中还必须依靠熟练工人的经验由手工完成。水火弯板工艺的自动化 对提高船外板成型的质量、提高造船速度和降低造船成本有着重要意义。 鉴于目前国内造船业所面临的这种窘迫状况，为摆脱船体外板水火加工成型工艺取 决于工人经验积累的局面，同时也为船体外板水火成型机器人产品化的发展打下良好的 基础，大连理工大学水火弯板实验室决定在已研制出的龙门式水火弯板机器人的基础 上，针对船艏艉大曲率、小面积钢板的n t 开发一种单悬臂机器人。这种机器人不仅大 大提高了船艏艉大曲率、小面积钢板的加工效率，而且也提高了其加工精度，从而大大 提高了水火弯板成型自动化程度。 本论文将基于龙门式水火弯板机器入本体结构和工作原理。设计出水火弯板成型单 悬臂机器人机械本体结构，对该机器人进行了运动学和动力学的分析，并对其伺服执行 电机进行了设计和选型。 本文应用机械三维造型软件s o l i d w o r k s 对结构设想进行建模，然后用复杂机械系 统动力学建模及仿真平台a d a m s 对机器人进行运动学和动力学分折，针对六个不同的自 由度分别做了仿真，并作了适当的分析。 鉴于虚拟样机技术对复杂机械产品开发的诸多益处，考虑到可以用于悬臂机器人开 发的整个过程，因此作为样机设计的有效手段，选用a d a m s 的仿真技术，基本上可以部 分甚至全部摆脱对物理样机的依赖，达到缩短机器人设计开发周期、降低设计成本、提 高设计质量、实现机器人现代制造模式的目的。 关键词：水火弯板；单悬壁机器人；s o i d w o r k s ；a d a m s ；优化设计；模拟仿真 廖恩凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 t h e s t u d ya n dd e s i g no f a r mr o b o tf o rh u l l s h a p e dp l a t ef o r m i n gb yl i n eh e a t i n g a b s tr a e t s t e e lp l a t ef o r m i n gb yl i n ec o o l i n ga n dh e a t i n g ( s p f c h ) i sac r i t i c a lt e c h n o l o g yt o s h i p b u i l d i n gi n d u s t r y i ti sah a r da n dc o n t a i n sm a n yc o m p l i c a t e df a c t o r s a tp r e s e n t ，t h e t e c h n o l o g ys t i l l i sa p p l i e db yh a n dr a t h e rt h a nb ym a c h i n e t h ea u t o m a t i z a t i o no ft h e t e c h n o l o g ym e a n sal o tt os h i p b u i l d i n gi n d u s t r yb e c a u s ei tc a ni m p r o v et h es t e e lp l a t ef o r m i n g q u a l “y ，a c c e l e r a t et h ep r o d u c i n gs p e e da n dr e d u c et h ec o s t o w i n gt ot h eh a r d p r e s s e dc o n d i t i o nt h a tt h en a t i o n a ls h i p b u i l d i n gi n d u s t r yf a c e d c u r r e n t l y ，a n df o rg e t t i n ga w a yf r o mt h eb a ds i t u a t i o no ft h es p e c hd e c i d e d b yt h e w o r k e r s e x p e r i e n c e ，a l s of o rag o o df o u n d a t i o nf o rt h es p f c hr o b o tp r o d u c t ，d u t s p f c h l a b o r a t o r yh a da l r e a d yd e c i d e dt or e s e a r c ha na r mr o b o tf o rt h es p f c hb a s e d o nt h eg a n t r yr o b o tf o rt h es p f c h t h i sk i n do fr o b o tc a nn o to n l yr a i s et h ee f f i c i e n c y o fp r o c e s sak i n do fp l a t ew i t hb i gc u r v a t u r ea n ds m a l la r e ac o n s u m e d l y ，b u ta l s oc a n r a i s et h ea c c u r a c yo fi t ，s oi tc a ni m p r o v et h ea u t o m a t i z a t i o no ft h et e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，1w i l ld e s i g nt h em a c h i n eo ft h ea r mr o b o tf o rt h es p f c h a c c o r d i n g t ot h eg a n t r yr o b o tf o rt h es p f c h ss t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e 。a n da l s od os o m ea n a l y s i s o ft h ek i n e t i c sa n dd y n a m i c so fi t ，a n dd e s i g nf o rc h o o s i n gt h et y p eo ft h es e r v o m e c h a n i s m i nt h i st e x t , 1w i l lu s et h et h r e e d i m e n s i o n a ls c u l p ts o f t w a r ec a l l e ds o l i d w o r k st os e tu p m o l da n dt h es o f tc a l l e da d a m sw h i c hc a nc r e a t et h ed y n a m i c sm o d e lf o rc o m p l i c a t e d m a c h i n es y s t e md os o m ea n a l y s i so ft h ek i n e t i c sa n dd y n a m i c s id i d 氢o m ei m i t a t ef o rs i x d i f f e r e n tf i e e d o m sa n dm a d et h ea p p r o p r i a t ea n a l y s i s o w i n gt ot h eg o o do fv i r t u a lm a c h i n et e c h n i q u et om a n ya d v a n t a g e so ft h ec o m p l i c a t e d m a c h i n ep r o d u c td e v e l o p m e n t i nc o n s i d e r a t i o no ft h a ti tc a nb eu s e di nw h o l e p r o c e s s 。s oiu s ea d a m sa sav a l i dm e a n st oi m i t a t et od e s i g n i tb a s i c a l l yc a n g e ta w a yf r o mt h ed e p e n d e n c et ot h ep h y s i c sk i n dm a c h i n e ，a t t a i nt os h o r t e nt h e r o b o td e s i g n d e v e l o p m e n tp e r i o d ，l o w e rt h ed e s i g nc o s ta n dr a i s et od e s i g nt h e q u a n t i t ya n dc a r r yo u tt h em o d e r nm a k e so fr o b o t k e yw o r d s ：s t e e lp l a t ef o r m i n gb yl i n ec o o l i n ga n dh e a t i n g ( s p f c i d ；a r mr o b o tf o r t h e s p f c h ；s o l i d w o r k s ； a d a m s ；o p t i m i z e dd e s i g n ； s i m u l a t i o n & e m u l a t i o n 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；翅叁堑日期： 口7 ，、9 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：熏坚趋 导师签名：剑! 墨 且年_ l 月翌日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 船体外板大都为双曲度扳，传统上可分为帆形板( c o n c a v et y p e ) f f d 鞍形板( s a d d l e t y p e ) 1 1 两种，对于这两种板的加工，目前世界各国造船厂采用的都是水火弯板加工方 法，郎般横向曲度采用滚压成型，纵向啦度采用水火弯板加工成型。水火弯板是造船 生产中技术性较强的一种船体外板无模成型工艺，该工艺就是通过在钢板表面进行局部 热膨胀后的冷缩，从而使钢板变形以达到预期的形状。 3 圈 墨如匕矍妇嘲 图1 1 ：水火弯板形变示意图 f i g 1 1t h ef i g u r eo fd i s t o r t i o no ft h es p f c h 从上图1 1 中可以看出，如果是按正常工序采用水火弯板技术加工钢板，钢板应该 在局部产生凹陷，但是如果出现象浇水不及时这样的失误，钢板可能会出现局部的凸起。 针对帆形板和鞍形板的加工，具体来说，首先把大体为矩形形状的钢板以长边为母 线辊压成简形，然后在其边缘( 或者中心) 进行线状加热，加热后立即喷水使之急骤收 缩产生预定的局部形变。通过多处的局部形交达到整体形变的目的，最终使钢板成形为 所需要的三维曲面形状f 3 l 。加工帆形板和鞍形板的基本焰道分布情况和加工效果分别如 下面两个示意图1 2 ，1 3 所示。图中a 部分都表示水火加工前仅仅经过一次辊轧的情况， 图中b 部分分别表示经水火加工后的帆形板形状和鞍形板形状，图中l 为需要水火加工 的焰道线，r 为辊轧时的辊轧线。 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 图1 2 ：帆形板水火弯板工艺示意图 f i g 1 2 t h e f i g u r e o f t e c h n i c s o f t h es a i l s p f c h 图1 3 ：鞍形板水火弯板工艺示意图 f i g 1 3t h ef i g u r eo ft e c h n i c so ft h es a d d l es p f c h 1 1 1 水火弯板工艺的发展现状 各种船舶的外表面大都是由复杂的不可展的空间曲面构成，把钢板加工成这样的曲 面，目前世界各国造船厂主要采用的方法都是线状水火加工工艺，即“水火弯板”。船体 大型复杂曲面外板水火加工成型技术，是当前国内外各船厂普遍采用的曲面无模成型方 法，是一种技术难度大、影响因素多、操作技艺难度大的手工工艺。到现在为止国内大 部分船厂的该项目的加工还是靠作业工人的经验完成。水火弯板加工工艺有着成形后不 易反弹，而且便于多次加工修正等优点，从而引起了整个造船行业的关注。 由于船体复杂曲面钢板的加工是船舶建造过程中工作量较大、难度较高的一部分， 其成型效率低已经成为船舶建造的瓶颈，因此研究船体复杂曲面钢板自动水火加工成形 一直是船舶制造业大力发展的一项内容。近年来国内外对船体复杂曲面钢板自动水火加 工成形课题都进行了大量的研究，目的就是为了实现该加工过程的自动化。通过前人的 大连理工大学硕士学位论文 努力。水火弯板技术及其自动化已经得到了很大的发展。若能够将这些成果应用到各大 船厂那么就会解决实际生产中的瓶颈问题，大幅度增强我国的造船能力，同时也能提高 船舶建造效率和船舶生产质量，对减轻作业工人的劳动强度也是非常有利的【4 j 。 目前在船体建造过程中，钢板水火加工之前的船体设计、放样、展开、号料、切割 等工艺都实现了计算机化，其后的装配、焊接也有机械化和流水线化操作，只有钢板曲 面成型这一环节仍靠手工完成，成为造船工业中影响造船速度和质量的一个“瓶颈”。 因此，水火弯板自动化加工设各的开发研制是一个非常迫切的任务，不仅可以大幅度减 轻作业工人的劳动强度，改善船厂工人的工作环境，而且可以提高船体外扳加工的生产 效率和成型精度，缩短造船周期，保证生产质量，提高船厂在国际市场的竞争力。 现代造船生产中，船厂以降低生产成本，提高生产效率和生产技术为根本目标。日 本许多专家学者从五十年代初就开始从事水火弯板加工工艺方面的研究。八十年代中 期，随着计算机的发展日本又开始了水火弯板模拟系统的研究。日本、韩国等在自动化 加工技术的研究和应用方面已经取得了显著的成果。目前日本正在研究船板弯用计算机 辅助自动作业系统的开发，并且已经实现了水火弯板的自动化加工。美国在薄板水火加工 变形控制研究方面已经有所建树。s h i n ，jg 等在“u s e r - f r i e n d l y , a d v a n c e dl i n eh e a t i n g a u t o m a t i o nf o ra c c u r a t ep l a t ef o r m i n g ”一文中表示，美国目前在水火弯板加工方面已经达 到了全面的自动化水平。并且，美国在水火弯板加工中的新热源激光束的实验研究 等方面也已经有所突破。此外，韩国、俄国和德国也在水火弯板技术方面做了大量的研 究并取得了一定的成果。 国内在水火弯板方面的研究从八十年代中期开始，许多高校在这项研究做出了很大 的贡献，哈尔滨工业大学、上海交通大学、大连理工大学都相继进行了这项课题的研究。 目前，我国在这方面也取得了很瞩目的成绩。尤其是我校与大连新船重工集团合作的几 个水火弯板的项目都已经取得了显著成果，其中水火弯板参数预报专家系统已经在大连 新船重工集团使用，现在的主要面l i 缶的问题就是将研究成果向中国各大船厂推广以此提 高船舶建造效率。大连理工大学和大连新船重工集团合作研究的成果“帆型板水火加工 工艺参数预报”系统已在大连新船重工集团的生产使用中获得成功，并已投产使用。大 连理工大学获得了“8 6 3 ”资助项目“水火弯板机器人研究”的最新课题，这一课题的研究成 果将在大型复杂曲面钢板智能型水火加工成型机器人研究领域内取得国际领先水平。 1 i 2 工业机器人发展现状及趋势 工业机器人( 通用及专用) 一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质 量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品( 电视机、电冰箱、 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 洗衣机) 、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系 统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。一个广为接受的定义是：工业机器人就是具有 自动控制操作或移动功能，并能通过编程进行工作的机械。从1 9 6 1 年的第一台往复式 工业机器人诞生到现在，在短短的几十年的时间里工业机器人因其具有特殊功能、能够 替代人的某些活动而有了飞速的发展。目前，工业机器人已经广泛的应用在各个领域， 主要包括汽车制造、机床加工等。工业机器人在现代制造业中已经成为主要的自动化设 备。 从发展历程看，大致可以将工业机器人分为三代。 第一代：示教再现型。这种机器入仅仅是一种可以进行重复动作的自动机械。在使 用机器人前，操作者必须通过编制程序和使用示教盒对机器人运动过程中的每一点的位 姿进行示教，机器人将这些位姿信息记录下来。在正常工作的时候，机器人将严格按照 这些示教的位姿信息进行重复动作。这种机器人是目前工业生产线上最为常用的一种机 器人，主要完成一些动作简单但劳动强度大或工作环境恶劣的工作，比如搬运、喷漆、 点焊等动作。 第二代：具有外部感觉，能够自己修改动作的机器人。通过各种传感器件具有一些 简单的感知功能。这类机器人具有触觉、视觉等处理功能，能感知周围的各种环境。由 于成本比较高，这一代机器人在工业生产中的应用还不多。 第三代；具有外部感觉和规划或决策能力，是具有一定智能功能的机器人。这种机 器人能根据具体的工作情况和环境的变化自主的完成规定的任务。这一代机器人还处于 研究阶段。 从功能上，工业机器人又可以分为以下几类： 焊接机器人：实现零件或产品的两部分焊接在一起的功能，主要有点焊和弧焊两种。 喷漆机器人：能实现在物体表面均匀地运动达到对物体进行喷涂的功能，主要领域 是汽车制造业中车身的喷涂工作。 搬运机器人：能够实现物体的搬运，主要是完成对重物从一处搬运到另一处的简单 工作。 装配机器人：能实现零件的安装和排列等工作，例如将电子元器件在电路板上进行 接插工作的机器人。 特种机器人：为了实现特殊的功能而专门设计的特殊结构的机器人。 我国机器人的研究和开发起步晚，研究与应用水平与日本、美国和欧洲相比存在较 大的差距。但是。经过“八五”、“九五”攻关，国家8 6 3 计划的支持和应用工程的开发， 大连理工大学硕士学位论文 我国工业机器人设计、制造和应用技术也已趋于成熟。已经研制出具有国际9 0 年代水 平的实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人以及自动引导车等系列产品，并且实 现了小批量的生产【5 1 。 经过2 0 多年的发展，我国工业机器人的发展已经在产业化的道路上迈开了步伐。近 几年，我国工业机器人以及含工业机器人的自动化生产线和工程项目、相关产品的年产 销额已近3 亿元。国家8 6 3 计划已经将新松机器人自动化股份有限公司等确立为智能机 器人主题的9 个产业化基地。机器人的产业化道路必将进一步促进我国工业机器人技术 的发展吼 当前国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： i 工业机器人性能不断提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) ， 而单机价格不断下降，平均单机价格从9 1 年的1 0 3 万美元降至9 7 年的6 5 万美元。 2 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检 测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机：国外已有模块 化装配机器人产品问市 3 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络 化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维修性。 4 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器 外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、 力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制：多传感器融合配置技术 在产品化系统中已有成熟应用。 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥 控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机 器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机 器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统 成功应用的最著名实例。 7 机器人化机械开始兴起。从9 4 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装 置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 1 2 课题意义 一艘万吨级的船舶，超过1 2 的船体表面钢板要经此工艺进行加工。所以解决好这 个环节，可以提高船舶建造速度，保证生产质量，缩短造船周期，提高我国的造船能力， 提高我国造船厂在国际市场的竞争力，提高我国造船工业的出口创汇能力，而且还可以 大幅度减轻作业工人的劳动强度，大大改善船厂工人的工作条件，提高生产效率和产品 的成品率。尤其提高我国的舰船建造能力，也是适应当前国际形式的需要，对于增强我 国的国防能力，维护世界和平都有重要的意义。因此，本论文的研究具有重要的工程意 义，同时也具有学术价值。由于该工艺的智能化在国际上尚属首次，有着广泛的应用前 景，大型复杂曲面水火成型智能机器人产品化样机的研制对于促进我国工业机器人的产 业化也有重要意义n 船体外板水火加工成型技术，是一种技术难度大、影响因素多、操作技艺难以掌握 的传统加工工艺方法，解决问题的关键是找到水火弯板加工过程中影响成形效果的各种 因素的影响规律，研制出水火弯板成型机器人。 鉴于目前国内造船业所面临的这种窘迫状况，为摆脱船体外板水火加工成型工艺取 决于工人经验积累的局面，同时也为船体外板水火成型机器人产品化的发展打下良好的 基础，大连理工大学水火弯板实验室决定在已研制出的龙门式水火弯板机器人的基础 上，针对船艏艉大曲率、小面积钢板的加工开发一种水火弯板成型悬臂机器人。这种机 器人不仅大大提高了船艏艉大曲率、小面积钢板的加工效率，而且也提高了其加工精度， 从而大大提高了水火弯板成型自动化程度。 本论文将基于龙门式水火弯板成型机器人本体结构和工作原理，设计出水火弯板成 型悬臂机器人机械本体结构并对该机器人进行了运动学和动力学的分析，并对其伺服执 行电机进行了设计和选型。 大连理工大学硕士学位论文 2 机器人的理论分析 2 1 机械手的机构和运动学 机械手的机构：去掉减速器、执行器等，只保留与运动有关的连杆和关节。用一个 运动简图来表示，如图2 1 所示。【8 】 d 图2 1 二自由度机械手的连杆机构 f i g 2 1 t h e j o i n t f r a m e w o r k o f 2 f r e e d o m m a n i p u l a t o r 手瓜的位置r 与关节变量可表示为： r - 陟刚 ( 2 1 ) 手爪的位置和各关节变量的关系可表示为： 毒_ 厶c o s o , + l z c o s ( e , + 岛)( 2 2 ) y 一s i n e , + 厶s l n ( e , + 岛) ( 2 3 ) ，一f ( e )( 2 4 ) 已知e1 e2 求r 称为运动学正解( 正运动学) 。 已知r 求01o2 称为运动学逆解( 逆运动学) ，如图2 2 所示。对该式进行求导可 得到速度、加速度的方程。 占- ，- 1 ( ，) ( 2 5 ) 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 图2 2 二自由度机械手的逆运动学 f i g 2 2t h ec o n t r a d i c t o r i l yk i n e m a t i c so f 2f r e e d o mm a n i p u l a t o r 01 ，02 的解析式为： 扣叫学) 但回 l珥岛j 、7 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 因a 有两个解， o1 ，02 也有两个解，一般逆运动学都有多解问题。 2 2 机器人的位姿分析 刚体的位置、姿势可由其上任一点( 称作基准点，通常可选作物体的质心) 和过该 点的坐标系相对于参考坐标系的相对关系来确定。【9 】 一岛 鱼璐 n o 矗一毛 生“ 一 吨 觚 町 争 他h 咖 大连理工大学硕士学位论文 设有一物体a ，选其上的栗点o a 为基准点。过o a 置坐标系s a ( o - x y a z a ) 再选一参考坐标系s o ( o o _ 嗡o y o z o ) ，如图2 3 所示。于是，物体a 的空间位置和 姿势就可由向量p o a ( = o o o a ) 和s a 的向量基i a 、j a 、k a 相对于s o 的关系来确定，即： 咒俐小阱孙 【z o o a jk j f kj a x o k a x 0 1f s 编c o s j i oc o s 1 砰- i 。l 。k 4 。l l c o s i a l c o s j l c o s t l l ( 2 9 ) 【k 肠j 【c o s i , k o c o sz , k oc o s k 。k o j 式中；艺叫a 点的向径p o a 在坐标系s o 中的表示，是3 x 1 列阵( 位置列阵) ； 胛坐标系s a 在坐标系s o 中的表示，是3 x 3 方阵( 姿势矩阵) 。 图2 3 坐标系与参考坐标系 f i g 2 3t h er e f e r e n c ef r a m ea n dc o n s u l tr e f e r e n c ef r a m e 为了方便起见，可用4 x 4 方阵同时把位置和姿势表示出来，记作砰，称作位姿矩 阵，即 巧= 聪 ( 2 1 0 ) 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 2 3 机器人的速度分析 本节将在前面位姿分析的基础上，进行速度分析，研究手部操作空间速度与关节空 间速度之间的线性映射关系，这种关系由雅可比矩阵( 简称雅可比) 表示。雅可比不仅 用来表示操作空间与关节空间之间速度线性映射关系，同时也用来表示两空间之间力的 传递关系【1 0 l 。 首先说明一下雅克比矩阵的定义，一般情况下的手爪和关节变量运动学方程为： ，一， ) ，- h ，2 ，用】r 尺“ 0 一【b 岛，吃 r ( 2 1 1 ) 。z ( 岛，巴，嚷) ( ，- 1 , 2 , ，掰) ( 2 1 在n m 的情况下，手爪的位置有无穷多个解，这时的机器人为冗余机器人。一般 情况n = m = 3 ，6 。 对位姿方程进行求微分得： ，- j 日 ( 2 1 3 ) j 表示了手爪的速度与关节速度之间关系，称之为雅克比矩阵。 ，。型 a 口1 哦 a q 妒。 a b e r ” ( 2 1 4 ) 两边乘以t ，可得到微小位移之间的关系式 d r - j d o ( 2 1 5 ) 2 4 机器人的动力学分析 工业机器人操作机是一个非常复杂的动力学系统，目前已提出了多种动力学分析方 法，他们分别基于不同的力学方程和原理，如牛顿欧拉方程、拉格朗日方程、凯恩 方程、阿尔贝方程、广义达朗贝尔原理等。这里仅就用牛顿欧拉方程和拉格朗日方 程建立工业机器人动力学方程。 由理论力学知识可知，一个刚体的运动可分解为固定在刚体上的任意点的移动以及 该刚体绕这一点的转动部分。同样，动力学方程也可以用两个方程表达：一个用以描述 质心的移动，另一个描述质心的转动。前者称为牛顿运动方程，后者称为欧拉运动方程 【1 1 】。 盟帆；亟峨 大连理工大学硕士学位论文 程： 单一的刚体运动如图2 4 所示，方程可用下式表示( 牛顿方程和欧拉方程) ： 掰儿一fo(216) ，c w + w 以w ) 一n ( 2 1 7 ) 图2 4 刚体的运动 f i e 2 4t h em o v e m e n to f r i g i db o d y 绕剐体任意点的转动上式仍成立。利用欧拉方程建立如图2 5 所示机械手的运动方 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 图2 5 一自由度机械手 f i g 2 5t h em a n i p u l a t o ro f1f r e e d o m l 扛，+ x ( 厶n ) - 1 w n 。 拉格朗日方程可表示为： o 0 1 8 ， d o 1 w - o 0 f - m g l c c o s o 1 0 + m g l cc o s o - f i - l c + t a l c t ? x 0 0 1 8。园 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 l = k - p ( 2 2 4 ) q 为广义位移，t 为广义力，l 为拉格朗日算子，k 系统动能，p 系统势能。 对于单自由度机械手，若0 为广义坐标则： 置- 1 2 ，扫2 ，p m g l cs i n 口，一j 1 ，舀2 一m g l c s i l l p 罢巧，五ol-mzzcs口0a。a 日 1 0 + m g l c c o s o - f( 2 2 5 ) 对如图2 6 所示的两自由度机械手，写出其运动方程，为( 取0 1o2 为广义坐标， 则t 1 t2 为对应的广义力) ： 墨一丢j ，l l 毫忘。+ 互11 。舒 眉- m l g l c l 置 - 兰州：熙乓：+ 互1 1 。：( 反+ 吃) 2 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 图2 6 二自由度机械手 f i g 2 6t h em a a i p u l a t o r o f 2f r e e d o m 最- 删据( 厶墨+ 厶：s ：)( 2 2 9 ) 一1 3 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 式中，圪。p 蠢e o , 】是第i 个连杆质量中心的位置向量。 弓l ，- l 1 c 1 巴1 ，。l x 5 l 尼2 j 一工l c l + k 2 c 1 2 e c 2 r - 工1 s l + l c 2 s 1 2 露户c 。1 三。26 i 1 2 彪忘：- 厶2 审+ 如( 6 i + 杰) 2 + 2 l 。l 。：c ：( 砰+ 反幺) 工一置+ j 乏一日一思 m ( p ) 百+ c ( 日，占) + g ( 口) 一f 坤) i 【 m n 甜c ( 咖) 懈印) 一剀 m 1 1 - m l l c l 2 + j c l + 埘2 ( 置+ 鼋2 + 妣2 c 2 ) 1 - ，c 2 吮一( 皂+ 2 c 2 ) + 厶： m r 2 - m 2 l m - m 2 l c 2 2 + 厶2 c l 一堋乒厶2 s ：( 考+ 2 鼋幺) c 2 = m 2 l _ ，l c 2 s 2 砰 g 。- n g l c l c l + 肌2 9 ( 厶c j + k ：c 毛) 9 2 一m 2 啦2 c k 一1 4 一 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( z 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 彻 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ， d m 大连理工大学硕士学位论文 3 机器人的机械设计 3 1 机器人的设计要求 悬臂式水火弯板机器人的设计要求来自船厂的实际生产实践，要求能够加工目前船 体艏艉部位曲率较大、曲面形状复杂的船体外板，包括帆形板和鞍形板，能够加工钢板 的最大尺寸为：长4 m 、宽1 8 m 。 对于控制系统说来，水火弯板悬臂机器人控制系统的设计目标是按照水火成型加工 工艺的要求，完成控制系统的总体设计和功能实现。包括控制系统体系结构的研究与设 计，硬件的选型，软件系统的设计与开发，进行现场测试和接受工厂的实际检验等。 3 1 1 自动化工艺流程 根据水火加工成型工艺需要，在机器人加工之前，将待加工钢板的横向圆弧经过滚 压，然后把滚压后的钢板在加工平台上放好，机器人开始加工。【7 i 工艺流程图如图3 , 1 所示： 图3 ，1 t 艺流程 f i g 3 1t h ef l o wo ft e c h n i c s 机器人加工工艺流程描述如下： 1 ) 定位：因为钢板的大小、形状不一，当块待加工钢板放在加工平台上时机器人 是不知道其具体位置的。因此，需要通过人工示教，机器人寻找并记录钢板四个顶点的 廖忠凯：水火弯叛成型单悬臂机器人设计研究 坐标点。将机器人依次运动到被加工的矩形钢板的四个顶点附近的定位点位置，同时记 录下该定位点的三维坐标值，进而通过四个定位点的坐标值确定钢板在机器人坐标系中 的位置； 2 ) 整板测量：根据已经定位过的钢板位置信息通过测量获得钢板的曲面形状。加工 的工艺参数是根据钢板当前的形状和目标形状来决定的。因此为了确定加工的工艺参数 首先需要获取钢板的形状数据。待加工的钢板是不规则的，因此不能够通过简单的模型 描述。我们通过钢板表面上若干离散点来拟合钢板曲面。测量的过程就是测量钢板的表 面和边界，获得拟合钢板曲面所需要的离散点的三维坐标： 3 ) 比较：将钢板当前的曲面形状与目标形状进行比较，判断是否已经吻合，如果吻 合就结束当前钢板的加工；否则，转向步骤4 ) ； 4 ) 根据加工工艺参数进行加工：由非本控制系统的专家系统根据钢板表面的测量结 果给出需要进一步加工的工艺参数。工艺参数给出加工焰道的位置、长度和有关加热及 冷却的时间等。在加工时，机器人将首先计算并通过测量寻找加工焰道的位置，通过测 量该加工线，得到焰道的实际位置，控制机械手按照一定的时间要求和指定的轨迹匀速 行走，同时控制气、水阀门和点火开关进行加工：加工过程中要求适时调整焰枪的角度， 以保证焰枪尽可能垂直于钢板加工表面。加工过程完毕后，转向步骤2 ) 继续循环进行。 从上面工艺流程可以看出，水火弯板成型智能机器人的功能可以粗略分成手动定位、 测量和加工等几个大部分。 3 1 2 性能参数要求 大型复杂曲面水火成型智能机器人的加工对象是待加工的钢板，加工手段是喷火加 热和喷水冷却相结合。有关机器人的性能要求可以通过如下参数描述。 机器人工作空间：4 m x l 8 m x l m _ 最大工作速度：x 轴：o 2 m s ，y 轴：0 2 m s ，z 轴：0 1 5 m s _ 加工定位误差：x 方向+ l o m m ，y 方向为e 4 m m 一测量误差：2 r a m 加热时喷火嘴线速度；l 1 5 m m s 一加热时喷火嘴离钢板距离：6 6 0 m m 加热时喷火嘴与钢板法线的夹角：0 。1 0 。 整板测量时间：小于3 m i n 一机器人机械手臂负载：3 0 k g 大连理工大学硕士学位论文 3 2 设计思路 3 2 1 机器人移动底座方案设计 机器人移动底座是机器入的基础部分，要求结构上能够支撑起整个机械手臂，同时 又是机器人的移动装置，使机器入产生x 方向的移动。 因为加工钢板是垫起置放于加工平台上，所以移动底座的高度可等于或者略高于加 工平台的高度，移动底座的体积需要保证内部能够放置下底座的移动装置和机器人的主 要控制部件。 移动底座的运动方式可以有轨道式、履带式和轮式闭。轨道式结构简单、易于控制， 但是需要占用一定的作业空间，为了保证单悬臂机器人移动和加工过程中的稳定性，需 要采用双轨式设计履带式和轮式的结构相对复杂一些，并且需要对其行走轨迹进行监 测和控制，但是使用灵活，不用一直占用作业空间。移动底座的运动方式可以根据实际 作业需要，设计选用不同的运动方式，在本文中对悬臂式水火弯板机器人的研究都是建 立在移动底座采用双轨式设计方案基础上的。 3 2 2 机器人总体设计思路 根据加工对象对作业空间的要求，机器人机械手臂要进行全空间作业，这就要求机 械手臂需要有六个自由度才能使所有运动均可实现，因此确定机器人机械手臂的自由度 数为6 。 机器人的机械手臂分为手臂( 大臂和小臂) 、肩部、腕关节和手部( 喷嘴) ，手臂 用来支承腕关节和手部，使它们能够在空间运动，配合移动底座的行走能使手部能到达 工作空间的任意位置，并调整手部的运动方向。机器人的手腕是连接手臂和手部的结构 部件，它的主要作用是用来调整喷嘴的垂直方向。机械手臂与移动底座连接的部位称为 机器人的腰部，能够带动整个机械手臂的升降。 综合上面的分析，确定机器人的机械手臂利用直角坐标和关节型坐标相结合的形式， 其优点是控制系统相对简单，而且完全能达到作业空间的任意位置。 作为面向生产应用的产品化工业机器人，其控制系统体系结构应该力求简单、实用。 一方面。工业机器人的主要应用范围是工厂，若机器人控制系统的结构复杂，就会给工 厂的技术人员的维护和整修带来困难。另一方面，简单的结构能够有效地降低出错率， 有助于提高控制系统的可靠性和稳定性。 在软件方面，由于大型复杂曲面水火成型智能机器人控制系统的功能丰富，因此软 件结构庞杂。从软件工程的角度，在系统的开发过程中，应将控制系统的软件系统分层 廖忠凯：水火弯板成型单悬臂机器人设计研究 组织，分模块开发。层与层之间的界限清楚，模块与模块之间的接口明确，这样不仅可 以降低系统的复杂性，有利于系统的设计与开发，而且也能够方便今后系统的维护和扩 充。 此外，为了提高工业机器人对工厂环境的适应性和可操作性，在设计控制系统时需 要突出机器人的自我保护能力和故障诊断能力。提高机器人的自我保护能力，在出现错 误时能够首先进行断电保护，以减少由于机器人出错而造成的各种损失。提高机器人的 故障诊断能力是为了增强机器人的可操作性。如果机器人不能提示故障原因，出现故障 时还需要专门的技术人员来维修，那么会给用户的维修带来困难。因此工业机器人在出 现故障时除了立即断电保护外，还应当尽可能给出故障原因，这样就能够给工厂技术人 员的维修带来方便，同时也可以缩短机器人出现故障的持续时间，尽量减少停工损失。 3 3 机器人的机械结构 3 3 1 机器人的分类 机器人的分类方法有很多，这里只说明与本机器人有关的两种分类形式。 首先是按机器人的功能分类： 1 顺序控制机器人 顺序控制机器人能够按预先设置的指令完成一系列特定的动作。这种机器人的动作 顺序和时间可以进行调整，但一经调整完毕，他们就只能按确定的顺序动作，直至再次 对它们做硬性调整为止。动作顺序的控制，既可采用机械的方式，也可采用电气的方式。 2 再现型机器人 再现型机器人又称为示教再现型机器人。它通过“示教”来执行各种动作，并采用 存储器等记录装置记录一系列来自位置传感器的运行轨迹坐标点信息。在对整个轨迹进 行记录以后，机器人能够直接“再现”所记录的运动轨迹，并能够完成交给它的任何任 务。 示教由操作员引导机器人走过所需要的轨迹，轨迹上的每个点和机器人所作的动作 都要由操作员控制。 3 可控轨迹机器人 这种机器人可通过编程沿若干特定点之间的确定轨迹运动。用户只需制定某些点和 计算轨迹必须使用的点集名称，如内插曲线、光滑曲线等。这种机器人又称数控机器人， 因为它与数控机床较为类似。 4 自适应机器人 大连理工大学硕士学位论文 自适应机器人具有计算机控制能力和感觉和反馈能力，它能够反映周围环境的变 化。这种机器人大多具有可控轨迹的能力，它会试着执行一项任务，在执行过程中不断 修正自己的轨迹和动作。例如，一台自适应型焊接机器人能够跟踪焊接一条焊缝，并且 允许这条焊缝轨迹与预定的轨迹有所不同，反馈功能可以利用计算机视觉系统来实现。 5 智能机器人 目前就是否村在智能机器人尚存在争论，智能机器人的最终实现还有待人们的进一 步研究。一般认为，智能机器人不仅能够感知周围的环境和修正已经设定的动作，而且 具有知识库和周围环境的模型。这种机器人应该具有人工智能和专家系统，具有一整套 感觉系统，具有大容量的信息存储器，并具有对周围环境建模的能力。 按机器人的坐标形式分类，可将机器人分为； 1 直角坐标型机器人 直角坐标型机器人在x ，y ，z 轴上是独立的，其运动方程可以独立处理：同时方 程又是线形的，因此这类机器人进行计算机控制很简单；它的精度和位置分辨率不随工 作场合而变化，容易达到高精度。但它的占地面积相对较大，运动速度低，密封性不好。 2 圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人可以绕中心旋转一个角度，因此其工作范围可以扩大，且计算简 单。它的直线驱动部分如果采用液压驱动，则可输出较大的动力，它能够深入行腔式机 器的内部，但是它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达靠近立柱或地面的空间： 直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性物质；后缩手臂工作时，手臂后端会碰到工 作范围内的其他物体。 3 极坐标型机器人 极坐标机器人又称为球坐标机器人，它与圆柱坐标机器人一样，可以绕中心轴旋转。 它具有在中心支架附近工作范围大、两个转动驱动装置容易密封、覆盖工作空间较大的 优点。但