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面向超大船体外表面的喷涂机械臂研究中主要研究内容

时间：2017-08-22 来源：机器人在线阅读：8268 原创

1.4主要研究内容

目前国内大型船体外表面的喷涂仍采用人工搭建脚手架的施工方式，为解决大型船体外表面喷涂存在的喷涂效率低、喷涂质量受员工影响较大、喷涂环境对人体造成的危害等不足，研发船舶分段自动喷涂成套装备，整个喷涂系统由轻量化喷涂机械臂和大型液压展臂组构成。本文旨在研发一种轻量化喷涂机器人系统，具有重量轻、负载大、工作空间大、运动灵活的特点，满足超大船体外表面喷涂的任务需求。

(1)轻量化喷涂机械臂的设计

根据船体复杂曲面和移动平台有限承载特点，研制轻量化喷涂机械臂，通过结构优化措施确定合理的机械臂参数，实现效率最大化的工作空间。

以机械臂的自重轻、灵活性高、工作空间大等特点作为机械臂构型设计原则，确定机械臂构型;以最优喷涂效率为优化目标，设计机械臂的主要结构参数。根据确定的机械臂构型与主要结构参数对机械臂结构进行详细设计及驱动电机、减速器和编码器的选型，并对机械臂连杆和关节连接件进行强度校核。

为保证轻量化喷涂机械臂与大型液压展臂的顺利连接，设计机械臂与液压展臂机械接口。针对涂装车间防爆要求，对喷涂机械臂的驱动与控制系统进行防爆设计，各关节电机采用正压防爆措施。

(2)喷涂机械臂运动学与动力学分析

根据机械臂结构参数，基于D-H参数法求解机械臂的正运动学，结合所研制机械臂的运动特点，采用遍历迭代法对其运动学逆解进行解算，并进行验证;根据求解的运动学，利用M atlab软件求解喷涂机械臂工作空间，验证机器人结构参数的合理性，并进行雅克比矩阵解算，建立机械臂末端与关节之间的速度关系;利用ADAMS软件对机械臂在极限状态和极限速度下进行动力学仿真。

(3)基于涂层均匀性的Z型轨迹优化

为保证喷涂质量，需要综合考虑涂层厚度均匀性、喷涂时间、涂料总量消耗等因素进行最佳路径优化。针对喷枪的喷涂参数，建立喷枪平面漆膜厚度积累速率模型，并在此基础上建立曲面的漆膜厚度积累速率模型;根据己确定的喷枪轨迹，对平面和圆柱面喷涂后的实际漆膜厚度进行建模，并以得到的实际漆膜厚度与理想漆膜厚度的方差作为优化目标函数，获得Z型轨迹喷涂时的最佳路径间距与最佳速度。

(4)轻量化喷涂机器人的运动控制研究与实验

为保证喷涂工作的顺利进行，对六自由度机械臂的控制系统进行设计。设计机械臂的控制系统硬件方案，以开发时间短、响应速度快、开放性好、安全性高、可用性高等作为驱动器、控制器选型原则，确定控制系统硬件组成。在控制系统硬件平台上，对控制系统进行软件设计。对设计制造完成的机械臂进行运动学参数的标定和主要性能测试，并完成机械臂整体喷涂实验。