【摘 要】
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随着经济和社会的发展,人们对生活质量的追求不断提高,个性化定制式木门的需求也不断扩大,促使木门加工企业不断提高产线的自动化水平和智能化水平,以适应快速柔性生产的需要。为此,本文提出一种面向木门加工行业的大跨距高速高精度曲臂式龙门机器人,主要围绕龙门机器人结构设计、微调机构运动学、动力学、误差、运动学标定以及大跨距横梁的轻量化设计等方面展开研究。针对木门加工生产线的作业特点,提出了龙门机器人的总体结
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:面向定制式木工家具制造的机器人自动化生产示范线（项目编号:2018YFB1308300）；
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随着经济和社会的发展,人们对生活质量的追求不断提高,个性化定制式木门的需求也不断扩大,促使木门加工企业不断提高产线的自动化水平和智能化水平,以适应快速柔性生产的需要。为此,本文提出一种面向木门加工行业的大跨距高速高精度曲臂式龙门机器人,主要围绕龙门机器人结构设计、微调机构运动学、动力学、误差、运动学标定以及大跨距横梁的轻量化设计等方面展开研究。针对木门加工生产线的作业特点,提出了龙门机器人的总体结构方案,基于GF集理论对微调机构进行了构型综合,根据工况要求以及支链特性筛选出合适的支链及其摆放形式,选定合适的机构构型作为微调机构设计制造的原型。分析了微调机构的运动性能。利用矢量闭环分析了微调机构的位置反解,通过空间几何推导了微调机构的位置正解;以位置分析结果为基础,利用矢量求导法得到了微调机构的速度雅可比矩阵以及海森矩阵,并通过仿真模型,验证了微调机构位置、速度和加速度公式的正确性;分析了微调机构的工作空间,以工作空间利用率为目标优化了机构参数;建立了微调机构的误差模型,结合统计学理论,定义并分析了机构的误差灵敏度。分析了微调机构的动力学。利用虚功原理建立了微调机构的静力学映射方程,通过静力学推导结果分析了微调机构在作业空间内的承载能力;分析了微调机构各杆件的运动及受力情况,利用达朗贝尔原理建立微调机构的动力学方程,对比了仿真模型与理论推导的误差,验证了理论推导的正确性;选取了十种典型工况,利用有限元分析了整个微调机构以及关键零部件的变形、应力和模态。提出了基于运动学反解的标定方法,将微调机构的参数辨识问题转化为了用最小二乘法寻求非线性方程最优解的问题,标定了微调机构控制系统的运动模型;基于激光跟踪仪搭建了标定实验系统,为了提高微调机构输入的精度,补偿了微调机构的驱动系统的误差,辨识了微调机构运动学参数;标定后,评估了微调机构的精度,其中对龙门机器人精度影响较大的微调机构的位置距离准确度达到了0.1mm。以高刚度轻量化为目标,拓扑优化了龙门机器人的横梁结构,针对龙门机器人横梁直接拓扑优化存在结果难以辨识等问题,提出一种大跨距横梁高刚度优化新方法,通过对横梁载荷的分析,利用功能截面分解法将横梁结构三维拓扑优化问题转化为了二维优化问题,降低了拓扑优化难度;将移动载荷简化为多工况载荷,采用折衷规划法建立了综合评价函数,运用遗传算法对横梁进行了多目标尺寸优化,结果表明:横梁重量减轻的同时,刚度和强度分别提高了10%和20%。
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