碳纤维自动铺放机械臂的力/位置混合控制方法研究

摘要

碳纤维自动铺放技术是一种用来加工碳纤维复合材料的先进方法，具有铺放角度灵活，程序化控制，生产效率高的特点，可用于制造形状复杂构件，该方法在大型航空航天复合材料构件制造领域具有较好发展前景。
　　碳纤维自动铺放机械臂是碳纤维自动铺放设备的重要组成部分。本文以碳纤维自动铺放机械臂为研究对象，对其运动学和动力学等相关问题进行了系统分析，针对影响碳纤维自动铺放技术生产的复合材料构件质量的两大主要因素——铺放位置精度和压紧力，提出了一种改进的力/位置混合控制方案。本文的主要工作如下：
　　首先，对碳纤维自动铺放机械臂的运动学进行了分析。在简化的机械臂模型基础上利用修正的D-H方法建立了连杆坐标系和连杆参数表，求得机械臂的运动学方程，同时求出机械臂在任务空间和工具空间的雅克比矩阵，为机械臂的力/位置控制奠定了基础。
　　其次，对碳纤维自动铺放机械臂的动力学特性进行了研究。采用拉格朗日方法求解了机械臂的动力学方程并简化了求解方法，在此基础上利用MATLAB编写了快速求解6自由度机械臂的动力学方程的通用程序，为求解机械臂的动力学方程提供了快速简便的方法。
　　然后，针对碳纤维铺放的要求，提出了工具空间的力/位置混合控制方案。在综合分析计算力矩控制和经典的R-C控制器的基础上，将工具空间的计算力矩控制引进R-C控制器中，形成改进的力/位置混合控制方案，该控制方案突破了经典力/位置控制器只能沿固定坐标轴方向控制力的局限，解决了纤维铺放过程中压紧力的控制问题。
　　最后，对工具空间的力/位置控制方案进行了仿真验证，仿真结果验证了该控制方案的有效性和可行性。
　　本文通过对碳纤维铺放机械臂的力和位置控制的分析与研究，为碳纤维自动铺放设备的研制和控制技术的开发奠定了一定基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究内容及方法

第2章 碳纤维自动铺放机械臂运动学分析

2.1 机械系统分析

2.2 理论基础

2.3 机械臂位姿分析

2.4 机械臂的雅克比矩阵分析

2.5 本章小结

第3章 碳纤维自动铺放机械臂动力学分析

3.1 拉格朗日法

3.2 机械臂的动力学方程求解及简化

3.3 机械臂的动力学方程的程序化

3.4 本章小结

第4章 碳纤维自动铺放机械臂的力/位置混合控制

4.1 机械臂动力学模型

4.2 计算力矩控制

4.3 工具空间控制

4.4 经典力/位置混合控制

4.5 工具空间力/位置混合控制

4.6 本章小结

第5章 碳纤维铺放机械臂的力/位置混合控制仿真验证

5.1 机械臂力/位置混合控制仿真介绍

5.2 Simulink仿真验证分析

5.3 机械臂铺丝仿真实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢