煤矿焊接机器人刚柔耦合动力学与动态特性研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文煤矿焊接机器人刚柔耦合动力学与动态特性研究作者：刘娜学院：机电与信息工程学院学号：TBP140401012学科专业：机械设计与理论导师：范迅教授2018年6月中图分类号：TH11单位代码：11413密级：公开博士学位论文中文题目：煤矿焊接机器人刚柔耦合动力学与动态特性研究英文题目：ResearchonRigid-FlexibleCouplingDynamicsandDynamicCharacteristicsofWeldingRobotforCoalMines作者：刘娜学号：T

2、BP140401012学科专业：机械设计及理论研究方向：机器人理论及应用导师：范迅职称：教授论文提交日期：2018年3月28日论文答辩日期：2018年6月11日学位授予日期：2018年6月25日中国矿业大学（北京）摘要摘要随着现代化矿井采煤装备往大型化、自动化方面发展，焊接机器人成为煤矿机械装备制造“无人工厂”的新“工人”，与此同时对煤矿焊接机器人提出了高效率、高精度、适应性快、匹配度高和寿命长的产品性能要求。液压支架作为典型的综采装备，主要是由焊接成形的复杂箱型结构件组成，其特点是内部焊缝密集，以短距离、立体式交叉焊缝为主，多为三维直线和少量的弧线。传统手工焊接因为频繁

3、的引弧、收弧，尤其遇到难以到达的狭小空间时，很容易造成虚焊和漏焊。为了保证焊接机器人在复杂工况下拥有更高精度，减小静态和动态误差，对其进行动力学和动态特性的分析研究是十分必要的。焊接机器人通常是多自由度、强非线性和刚柔耦合的多体系统。其结构的动力学性能是保证高质量完成复杂箱体结构焊接功能的关键，焊接机器人动力学研究同时还关系到正逆运动学，动态特性，结构强度和多体柔性动力学及控制方面的问题，成为众多国内外学者研究的热点。本文以SR165通用焊接机器人为研究对象，以分析影响焊接机器人焊接精度的因素为目的，通过阅读相关文献并总结近几年工业机器人、焊接机器人方面的研究现状，借助现

4、有计算机虚拟仿真、数学建模和数值仿真等相关的技术，开展运动特性和动力特性方面的研究，对提高焊接机器人产品性能具有理论和工程意义。主要研究工作如下：基于运动学理论，建立位姿误差模型，根据实况分析了焊接机器人运动误差的来源。采用D-H参数法建立SR165机械臂的正逆运动学数学模型，并在此基础上建立机器人位姿误差模型。基于SR165焊接机器人六自由度串联关节式和腕部Pieper结构，选择代数解法进行逆运动学数学模型求解并获得雅克比矩阵。借助MATLAB工具箱对正逆运动学进行还原，控制面板的虚拟仿真验证了正逆运动学数学描述的正确性，并结合液压支架焊接机器人的焊接任务特点规划焊接路

5、径，模拟40s从空间B点(1.985，-0.780，0.733)到C点(1.985，0.769，0.733)(单位/m)的直线焊接过程，获得机械臂的运动特性曲线，描述了直线焊缝仿真过程中各个关节角度位移、角速度和角加速度，以及各个关节力矩的变化情况。基于运动学模型，运用“小位移摄动法”建立结构参数位姿误差模型。在位姿静态误差研究的基础上，对大臂进行静力学分析，分析SR165机械臂在极限平衡位置时，获得大臂的变形误差。大臂是承载并传承力的关键部件，立式六自由度串联结构的缺点是变形误差会传递给末端焊枪从而影响焊接精度。以水I中国矿业大学（北京）博士学位论文平放置为极限位置，对

6、SR165机械臂进行静力学平衡分析，获得临界边界条件。根据大臂真实的工况，添加约束情况分为预紧力作用和理想固定边界两种。首先添加预紧力约束，获得大臂最大变形位移0.217mm，大臂b端A点最大变形位移值为0.1686mm，焊接机器人焊枪末端最大变形位移0.5536，大臂最大等效应力出现在大臂侧面和b端圆孔处，为11.06MPa；理想固定约束下，大臂最大变形位移0.4612mm，b端A点最大变形位移值为0.3817mm，焊接机器人焊枪末端最大变形位移1.2535mm，大臂最大等效应力41.114MPa出现在大臂a端圆孔处。由此可知极限位置状态下，当有预紧力时，SR165机械

7、臂的静态误差在误差允许范围内。大臂材料球墨铸铁的屈服强度为365MPa，对应的许用应力为121MPa。大臂最大等效应力为41.114MPa，完全可以满足静态结构强度。根据不同启动惯性力对大臂进行静态特性分析，可以确定大臂的静态强度是足够的。对比分析大臂在预应力作用下的固有频率，可知预应力对大臂刚度矩阵的影响很小，通过大臂的有限元模态分析，为之后连杆柔性刚柔耦合系统的动力特性研究提供了条件。除了静态误差之外，动力特性对动态误差的影响不容忽视。结合结构动力学和多体柔性动力学理论，主要从关节和连杆的柔性角度分别对SR165机械臂建立