一类喷漆机械手的计算扭矩控制及其数控系统规划

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-类喷漆机械手的计算扭矩控制及其数控系统规划-
类喷漆机械手的计算扭矩控制及其数控系统规划
杨 志永 吴军 张大卫 黄 田
天津大学机械工程学院， 天津 3 0 0 0 7 2
摘要： 钟对某发动机进气管道长且为变截面等特点， 设计-机械手对其进行底漆、 面漆和中涂漆。首先通过灵活度分析确
定出操作手的尺寸， 进而通过动力学分析给出各关节驱动电机输出扭矩。据此设计出该机器人各参数， 曩后对喷漆机器人
数控 系统 的总体 设计 方案进 行 了研究。
关t词 ： 喷漆操作手 ；优化设计 ；灵 活度 ；计算扭矩控制
中圈分类号 ： TP 2 41 ： TP 2 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1-2 2 6 5 ( 2 0 0 3 ) 0 3-0 0 4 9-0 4
Co mpu t e d t o r q ue c o nt r o l a nd NC s c he me l a y o ut of p ai nt i n g r ob o t ma ui pu t or
YANG Zh i y o ng W U J u n ZHANG Da we i HUANG Tl an
Abs t r a c t ：Ai me d a t 8 ome c ha r a c t e r o f o ne g a S c on du i t o f g e ne r at o r。d e s i gn on e ma n i p u l a t o r t o p a i n t i ng·g i v e t h e di me n s i o n i n
t e r ms o f t h e a n a l y s i s o f g l o b a l d e x t e r it y f a n d t h e o u t p u t t o r q u e o f j o i n t b y t h e a n a ly s i s o f d y n a mi c s f i r s t .T h e wh o l e s c h e me l ay o u t
o f t h e n ume r ic a l c o nt r o l s y s t e m h a S a l s o b e en r e s e a r c he d.
Ke y wor ds：p a i nt i ng ma ni pu l at o r；o p t i mi z e d e s i gn；g l o b a l de x t e r it y；c o mp ut e d- t o r q u e c o nt r o l
1 前言
对深孔变截面管道 内壁喷涂 处理 ， 是急 需解决 的课题 。如
对某发动机进气管道( 截面形状从 7 2 0×9 4 0的长方形过渡到
09 4 0的 圆， 长 5米) 的喷 涂 ， 为了达 到较好 的雾化 效果 ， 喷枪 和
内壁 之间有 2 0 c m的距 离 ， 而且喷 枪始终 指 向截 面 的法 线方 向。
目前 ， 国内针对该发动机进气道 内表面的喷涂处理 ， 全 部采用手
工涂刷工艺。但因进气道 自身客观条件的限制， 很难达到上述
技术要求， 且手工工艺劳动强度大， 效率低。
针对上述特点 ， 设 计- 四 自由度平 面关 节机 械手 ( -个 移
动 ， 三个转动 ) ， 如 图 1所示 。该机 械手 的移动关 节 主要是用 来
满足其纵向伸缩， 转动 自由度主要是用来满足其任-截面的位
姿。
图 1 机械手工作原理 图
由于该机械 手移 动和转 动 自由度 是解 耦的 ， 并且移 动 自由
度结构和功能都很简单。因此， 本文主要针对其转动 自由度进
行分析 。首先对其各 关节进 行尺 寸优 化设 计 ， 确 定平 面机械手
的尺寸， 其次通过动力学分析求出各关节驱动扭矩 ， 并进行计算
扭矩控制使机械手沿理想轨迹 运动。最 后对喷漆机器人数控 系
统的总体设计方案进行了研究。采用双 C P U的 P CP MA C结
构 ， 以 Wi n d o ws为软 件平 台建造 出样机 的开放 式 实 时数 控 系
统 。
2 尺寸优化设计
假设喷枪末端在基坐标系 中的坐标 为
A0
C 9 - S
S C9
0 0
0 0
0 窖 ，
0 g y
1 0
0 1
式中， C 9c o s p ， s s i n 9 。 、 g ， 和 分别为喷枪在基坐标系
下的坐标和方位 。
又 已知绕轴旋转坐标变换矩阵 为
A l 1
C - S I
S C
1
1
式 中， C c o s 0， S i ：s i n 0 。
并且根据坐标变换原理可得
A 0 A 0 A i A ；
因此。 由式( 1 ) 、 ( 2 ) 对应元素相等易得
2 COS-
， P ： p 2 ， -l -l ； 式中 ，
P q - / 3 c o s 9 P， q，- 1 3 s i n9
其中 ， l 1 、 l 2 、 l 3分别表示各关节臂长 。
进而得
1 t g ( ， l ， ， n y )
其 ， 篙
( 2 )
( 3 )
( 4 )
· 基金项目： 本研究课题接受 复杂型面隐身涂料 自动喷涂配套夹具设计与制造” 和汕头大学智能制造技术教育部重点， 实验