发布时间：2026-06-19 12:37:02 浏览：
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日期,加,年否月,,日,,,,,年多月,徊,,,●智能助力设备平面运动系统设计与研究
随着生产要求的提高,工程环境下对物料的搬运精度、稳定性要求越来越高,且提出了安全性等要求。在科技进步的前提下,智能助力装置,,,,,,应运而生。本文在相关研究的基础上,对智能助力装置的平面运动系统进行了设计与研究。
首先,针对智能助力装置的应用特点,结合实际情况,提出了正交平面运动系统方案,并结合工况对移动模块的轨道系统的架设方案进行了分析,针对不同的工况条件给出了不同的架设方式。
根据平面运动系统的结构形式,建立了运动学、动力学简化分析模型,给出了解算方程,并在此基础上建立了三维仿真分析模型,给定驱动条件求解出移动模块在不同情况下的受力特性,为后续的结构强度分析、控制系统仿真提供参考数据。
针对动力学仿真结果得出的移动模块对轨道面的施力情况,对轨道截面进行参数化建模,在有限元分析的基础上引入拓扑优化方法,对其进行优化设计,求解出合理的截面形状设计。同时对移动模块进行结构设计,对关键零件进行有限元强度校核,确保整个系统的稳定性。
最后提出了平面运动系统的控制系统结构组成,并运用,,,,,,中的,,,,,,,,单元对直流电机伺服控制系统进行建模,设计出,,,控制器,根据动力学分析结果对控制器的参数进行调节,使其符合设计要求,为后续试验奠定理论基础。
,, ,概, 《,睦……………………………………………………………, ……………………………, ,
,, ,国外发展概况…………………………………………………………, , ,
,, ,移动模块结构设计…………………………………………………, , ,,
,, ,概,苤…………………………………………………………………………………………,,
’ ,, ,直流电机伺服系统模型………………………………………………,,
,, ,控制系统设计及仿真分析…………………………………………, , ,,
,, ,本章小结………………………………………………………………, ,,
致 谢…………………………………………………………………………………………………,,
机器人的应用在人类的日常工作中越来越广泛。而随着电子技术,特别是计算机技术的突飞猛进,机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术成果。在现代化的工厂中,特别是高强度、高重复度、高精度等场合,机器人的应用已经极为深入,越来越冲击着传统的工厂机械。如在吊装领域,最原始的方法为利用人力进行物资的搬运,而随着物资质量、体积越来越大, 当人力很难完成时,原始的起重机设备出现了,如唐代文献
《太平广记》所记录的井车, 即利用绳轮机构实现提水的工作,随着技术的进步,其动力来源由人力改为畜力,逐渐演变为水力,,,。在对江西省贵溪县龙虎山的悬棺研究分析后发现,古人使用绞车垂直提升法进行安放悬棺,用一台木制的绞车和几个木制滑轮,用绳子将地面上或崖下水面上的棺木吊起来,待提升到洞口前, 由事先进入洞内的人甩出绳钩,将棺木拉入洞内,该技术利用了绞车和滑轮等简单机械,其整体原理和现代起重运输机械的原理类似【 ,,。
当现代科技进步后,我们生活中随处可见起重运输机械,其大大便利了人类的生产生活,但也逐渐显现出诸多不足之处,如易操作性差、维护困难、移动精度低等。在这种情况下, 国外的相关机构在改进物料搬运设备的基础上提出了智能助力设备,,,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,的概念,在设备在普通物料搬运设备的基础上增加智能检测装置,大大提升了物料搬运的稳定性、可靠性和精确性,,矧。
,,,,的基本原理为,在计算机系统的协调分配下,单个或多个伺服动力装置为操作者提供相应的协助,如将物料准确稳定的搬运至指定地点。 ,,,,系统可按照运动的形式划分为,轴方向、 ,轴方向、 ,轴方向,或者旋转轴运动等模块,每个模块相互独立工作,或者协同完成工作, 『,。 ,,,。其主要具有如下特点,
①,,,,作为助力机械,首先具有力的放大功能,能够协助操作者完成高强度的工作
②,,,,是由计算机控制的伺服运动工具,能够使工人快速、准确、安全的抬起、移动、放置被运物资,
智能助力系统因其各方面的优势,越来越受重视。但是国内在该领域的哈尔滨,程大孥硕,学位论文
研究还相对滞后,故开展相关技术的基础研究,势必将提高我国在该领域的研究水平,也将推动,,,,系统在国内的应用,来提高我国加工企业的自动化程度,降低工人劳动强度及风附,,舶】 。
国外在上世纪,,年代中期开始了相关技术的研究,如今,,,,主要作为智能化的吊装设备,应用于需要较高定位精度,或者移动路线复杂的装配生产线、物料搬运站等场合, 以替代传统的吊车或者工业机械臂。在美国、德国、意大利、 日本等国均有厂商专门生产该设备,其中以美国的史丹利
,,,,,,,,,公司最为著名,其一直从事,,,,相关技术的研究,并提出了如图,, ,所示的,,,模块设计理念。
其基本工作流程为,操作人员通过手柄或相关设备向传感器施加力,传感器将力信号采集后进行数字化处理,将结果输出给处理器,处理器经过运算,给出控制信号驱动,,,设备,使其产生相应的运动,并将运动结果,如速度、位置信号反馈给处理器。如此构成一个基于力反馈的私服系统,来配合操作人员的工作。史丹利公司基于该理念设计出了如图,, ,所示的“ ,,,,,,,,”智能助力设备。该装置主要由导轨、 “ ,,,,, ,,,”移动小车、垂直升降机构、控制手柄等组成,采用空间直角坐标移动方式。
利用齿轮减速器相连,整体移动速度可达 图,, ,,Ⅺ系列起重机的移动模块每分钟,,,,,,英尺,移动模块如图,, ,所
其他公司,诸如美国的英格索兰,,,,,,,, ,,,,,公司,意大利的戴尔麦克,,,,,,公司,意大利的,,,,,,,,,公司等也从事智能助力设备的研制,分别开发出了多种产品。
我国在,,,,领域的研究正处于起步阶段,但是在工业机器人领域也开展了相关研究,特别是欠驱动力的,,,,方面,有一定深入的研究基础,如哈尔滨工程大学机电一体化实验室一直从事“机电一体化技术”和“机器人技术”等相关技术的研究,产品的设计开发工作,其受到国家自然科学基金和哈尔滨工程大学基金的资助,于,,,,年研制出了一款如图,, ,所示的人机合作机器人。该机器人具有三个回转自由度及一个移动自由度,大臂结构通过转动
副安装到立柱上,其另一端端部同样采用转动副连接小臂结构,小臂末端安有一移动副,采用轨道式结构设计使末端作业机械手具有,轴方向的移动,最末端手腕机构同样具有转动副结构设计,其设计效果图及机构简图如图,, ,所示,该机器人能够在操作员的控制下进行重物搬运工作【 ,, ‘ ,,】 。
同时,其还针对智能辅助设备,,,,进行了防摆研究,就位置跟踪研究【 ,,,,,,,给出了如图,, ,所示的,,,系统组成结构, 明确了,,,平面系统组成。
青岛诺斯机械有限公司,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,, ,是一家以工业装备自动化技术著称的高科技企业,主要开发和制造各工业领域应用助力机械手设备的专业制造公司。其引进国外先进技术,生产了具有助力特性
据介绍,其独有的“双气路平衡控制”技术,提供“负载”和“空载”两种状态的平衡及其自动切换功能,使负载达到“零重力”的“漂浮”状态,操作者可以很轻易将负载起降,移动,旋转,前顷和侧翻等,并把负载快速,精确放置在预先设定的位置,利用它一个人就能得心应手地操作原来几个人才能搬动的物品。或进行流水线上重复操作。整个机械手始终处于“失重”状态,所有操作,包括上升,下降,就象人的手及其关节一样轻松自如,在设计的工作范围内,任意时刻任意位置都保持“漂浮”平衡,操作者可以轻松随意的完成全部动作,整个过程操作力不大于,,,。 ,,,,,机械手所选用的气动元器件全部为国际知名品牌产品,如, ,,,、 ,,,,,,、 ,,,,,等,确保了设备质量的可靠性, 同时气动元器件布置在气控柜内,避免灰尘、油污的沉积及意外的碰撞,操作手柄处仅设操作按钮,机械手采用压缩空气作为唯一动力,不需任何电源,既简化了设备,又有利于环保,机械手的设计使用寿命可超过,,年, ,,,万次,工作噪声,,,,,,,,。
同时, 国内外在吊装设备的智能平面运动系统的研究上具有一定基础的,特别是在小型的运动系统机构设计上,具有一些经典的设计,如图,, ,所示即为几个在工厂自动化生产线上使用的平面运动系统。其中,小型化智能化的平面运动系统又可称为直角坐标机器人。
直角坐标机器人即为工业应用中,能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具, 以完成各种作业。关于机器人的定义随着科技的不断发展,在不断的完善,直角坐标机器人作为机器人的一种,其含义也在不断的完善中。
因末端操作工具的不同,直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备,完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、喷涂、 目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种,便批量的柔性化作业,对于稳定,提高产品质量,提高劳动生产率,改善劳动条件和产品的快速更新换代期着十分重要的作用,,,】 。
通过对国内,,,,,,系统的研究发现,现在就平面运动系统模块化设计的研究内容较少,供参考的仅有美国国家专利文献,,,,, 【 ,,,和,,,,, 以及国际发明专利文献,,,,。
国内针对,,,,系统的提升系统研究已出具成果,具体参见文献,,,, 】 ,故急需对配套的平面运动系统进行研究,并采取模块化结构设计,使其更具有广泛性和通用性。
,,,工程需求。现如今工易倍EMC程现场所需要的物料搬运精度越来越高,普通吊装机械已无法满足需求,本文的研究提供了基于,,,,思想的吊装系统,可部分解决该问题,满足工程需求。
,,,安全需求。物料搬运中由于操作失误,极易导致安全事故,而本研究所提供的解决方案,充分考虑了实用性及安全性问题,可有效的预防吊装过程中安全事故的产生。
,,,经济效益。虽然,,,,设备国外已有专门厂家开始生产,但是造价昂贵,在国内推广较为困难,本研究将实现该设备的国产化,投入实际应用后必将降低开发成本,具有广泛的经济效益。
本文在相关研究的基础上,提出了正交平面移动系统设计方案,并对导轨、移动模块两大组成部分进行了分部设计研究工作,
,、正交平面移动系统的组成。根据应用环境,设计了符合要求的正交平面移动系统,并对导轨的架设方案进行了探讨,提出了具有通用性的导轨架设方案及注意事项。
使其符合最优化截面设计,进而减小了系统的运动惯量,提高控制系统的快速性和稳定性,并将导轨进行通用化设计,使其能够符合互换性要求,方便实际加工生产。
,、移动设备的模块化设计。为了通用性、互换性要求,对平面运动系统所涉及到的,个移动设备实现模块化设计,整体具有互换性, 同时对移动模块中的关键结构件进行有限元分析,充分考虑材料的强度、刚度问题,最终实现模块在使用中的可靠性、稳定性及使用寿命。
,、控制系统设计。设计了符合要求的控制系统,搭建了硬件控制系统平台,并针对移动模块搭建了直流电机伺服控制系统模型,对其进行了软件模拟仿真,得出了经典,,,控制器模型参数,为下一步半物理仿真实现提供了设计依据。
智能助力设备,,,,,,主要由重物提升装置及移动设备组成,而为了满足工业应用环境下对物资的快速装载、 吊卸、及设备辅助安装等工作,要求移动设备能够快速响应操作人员的操作动作,安全稳定的跟随操作人员移动物资,并能够准确、高精度的停止在相应位置。上述工况要求,,,,的移动设备具有较轻的质量以慢速快速响应的要求,智能的速度闭环控制以满足稳定安全的要求,及简洁可靠的结构设计以满足维护要求。
本章根据上述要求,确定了,,,,的整体机构方案,提出了移动设备的具体方案设计,并研究了移动设备的控制系统整体构成,建立简化模型计算部分机构设计参数。
