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面向超大船体外表面的喷涂机械臂研究
| 论文题名： | 面向超大船体外表面的喷涂机械臂研究 |
| 关键词： | 船体外表面;自动喷涂;机械臂;结构参数;性能指标 |
| 摘要： | 目前国内外船舶行业受船体分段曲面大、曲面均一性差的限制，船体分段外表面的喷涂工作仍采用传统的人工作业的方式，喷涂效率低，喷涂质量稳定性差，造成船体外表面的返喷率较高，严重制约了生产力，同时作业环境恶劣，对工人伤害大。本文结合国家科技支撑项目“超大船体分段自动喷涂成套设备研制”，研制了一种轻量化喷涂机械臂系统，搭载在液压展臂平台上完成船体外表面自动喷涂作业，用于解决船舶分段外表面涂装效率低、喷涂质量不稳定等问题，并开展了喷涂机械臂结构设计，运动学、动力学分析，涂层优化喷涂算法以及控制系统等关键技术研究。 首先，根据喷涂的性能指标与液压展臂载重平台特性，研制了一种可搭载于液压展臂上的轻量化喷涂机械臂。基于喷涂效率优化设计了机械臂结构参数，实现了效率最大化工作空间。机械臂各关节采用编码器、电机、减速器同轴布置的方式，手腕采用三自由度斜交手腕，腕部电机集中于肘关节处，整体机械臂具有结构紧凑、运动灵活的特点。为保证机械臂在液压展臂上安装方便，设计了两者接口模块，并针对机械臂工作环境，进行了相应的防爆处理。 然后，进行机械臂运动学与动力学分析。基于DH参数法进行机械臂正运动学求解；基于遍历迭代法进行机械臂逆运动学求解。根据坐标系之间变换关系，利用雅克比矩阵建立了机械臂末端与各关节的速度、加速度之间的关系，并对机械臂运动空间进行了解算。借助ADAMS软件对机械臂进行动力学仿真，分析了机械臂在极限状态下，各关节所需的力矩大小。 其次，基于涂层均匀性优化算法，分析制定机械臂最优喷涂速度与轨迹间距，以涂层厚度为方程输出，分别建立了平面和曲面喷涂涂层积累速率以及厚度数学模型。在此基础上，以实际涂层厚度与理想涂层厚度的方差作为目标优化函数，对喷涂速度与喷涂间距进行了优化，从而保证了机械臂涂层厚度的均匀性。 最后，建立机器人控制系统，采用基于工业以太网和总线建立开放式分布控制系统。基于VC++6.0与Open Inventor开发上位机控制界面，基于位置PI控制实现了控制器内机械臂轨迹控制。利用激光跟踪仪进行机械臂运动学参数标定和主要性能测试，结果表明所研制喷涂机械臂满足设计要求。搭建船体分段的模拟体，与液压展臂联合进行了喷涂实验。 |
| 作者： | 张英勇 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 闫继宏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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