锁渣球阀螺栓拆卸机器人设计与仿真

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智能化与再制造技术逐步成为解决当前工业中因人口老龄化与资源短缺而造成发展瓶颈的有效手段,两项技术的结合也必将成为促进经济循环发展、减小劳动强度与生产成本的重要措施。本文结合再制造的时代背景,以煤化工行业中典型设备——锁渣球阀上的螺栓拆卸为研究对象,设计了一款面向球阀螺栓拆卸的工业机器人,并对螺栓拆卸的工业机器人关于结构强度、运动学、工作空间、轨迹规划、动力学等方面进行了相关理论与仿真的分析。本文主要的工作内容如下:首先,为确定系统的设计参数,结合G1610锁渣球阀螺栓的特点,对拆卸需求进行分析,将改造后的FASTORQ液压扳手作为拆卸机器人的末端执行装置。在比对分析各机器人构型优缺点的情况下,结合拆卸工艺需求确定待设计机器人构型为六自由度关节类工业机器人,同时依据球阀尺寸与工况条件并参照市面各主流工业机器人的基础上,确定系统的设计参数。其次,为完成系统的结构设计,结合拆卸机器人的设计参数,采用通用的设计方法对拆卸机器人各关节部件、传动结构、电机减速等进行详细的设计与选型工作,并利用CAXA实体设计软件对设计的拆卸机器人样机进行三维建模。通过Workbench平台对样机的关键部件即大臂、小臂进行有限元仿真分析,验证结构设计强度的可靠性。同时,针对离线拆卸工艺,完成与之配套的球阀工装夹具的设计工作。之后,为验证所设计的拆卸机器人物理参数的合理性,针对所设计的拆卸机器人基于D-H方法建立拆卸机器人的运动学模型并推导出正运动学与逆运动学的解析解,并借助MATLAB中的Robotic Toolbox工具箱对运动学模型与正逆解进行仿真验证;通过机器人的雅可比矩阵,建立了拆卸机器人各关节与末端的线性关系,并采用蒙特卡洛法得出拆卸机器人的工作空间区域。最后,为保障设计的拆卸机器人运动的可行性,根据拆卸的工艺路径,分析基于拆卸的工艺路径特点的两种轨迹规划——直线插补与五次多项式插补算法的轨迹规划,并借助Robotic Toolbox工具箱对两种轨迹进行仿真,得到以两种不同运行轨迹下的各关节位移、速度、加速度;推导出基于Lagrange的动力学方程,结合拆卸机器人的动力学参数,分析了动力学方程中各系数的参数特点,在动力学仿真过程中,将轨迹规划仿真中的运动路径导入到ADAMS中进行动力学仿真,得到仿真运动过程中各关节的力矩曲线。通过对螺栓拆卸机器人的设计和仿真,确定该设计方案的合理性和可靠性,满足球阀螺栓拆卸的需求。
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