潜艇球头开孔机器人结构优化及精度补偿策略研究

摘要

在潜艇建造过程中，对位于其球头处的各种孔的切割加工一直是一项技术难题，目前为止仍未有一套专业的切割设备可以高质量的完成潜艇球头的切割工作。因此，本文围绕潜艇球头切割工作时存在的诸多问题，探索寻找合适的加工方案满足球头加工的技术要求，该研究可以促进我国潜艇制造产业的进一步发展，具有广阔的应用前景。
　　本文根据武昌船厂对潜艇球头切割所提出的加工技术要求，设计一套专门针对潜艇球头的切割机器人加工设备，并围绕性能指标分析，轻量化和精度补偿策略三方面的内容对该设备在切割精度和切割质量方面存在的问题进行研究，最终满足设备加工要求。
　　分析对比三种设备方案后选择七自由度机器人作为最终的切割设备;建立切割机器人的三维结构模型与D-H运动学模型，同时根据工作空间要求预估各部件的尺寸参数;对切割机器人进行正运动学分析以及雅各比矩阵的推导，同时用ADAMS进行仿真验证;利用蒙特卡罗法在Matlab中检验工作空间满足潜艇球头切割的要求。
　　绘制切割机器人前臂和后臂不同尺寸参数对应下的速度，静刚度全域性能图谱;以前臂和后臂为优化对象，以速度和静刚度指标为优化目标，以最大工作空间指标为约束条件，建立切割机器人尺寸优化模型;利用少控制参数的多目标骨干粒子群算法对模型进行仿真求解;确定机器人前臂和后臂的最优尺寸并检验结构性能的提升情况。
　　利用ADAMS对切割机器人进行动力学分析，绘制了其关节力矩变化曲线，并找出其危险位姿;在切割机器人达到危险位姿时进行静态分析和模态分析以验证其强度和刚度满足了设计安全要求;在ANSYS中对后臂部件进行拓扑优化从而实现了机构重量的轻量化。
　　分析机器人的误差来源和形成原因;建立机器人D-H误差模型;选取机器人工作空间内20组不同姿态并求出相对应的实际误差值，利用最小二乘法对采样数据进行辨识并对机器人原始D-H模型参数进行补偿;验证补偿后的精度提升效果达到潜艇球头切割的要求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2国内外研究现状

1．2．1数控曲面切割设备研究现状

1．2．2多目标粒子群算法研究现状

1．2．3机器人结构优化概述及研究现状

1．2．4机器人精度补偿概述及研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章切割机器人方案设计及机构分析

2．1引言

2．2潜艇球头切割方案描述

2．2．1潜艇球头加工要求

2．2．2切割方案选择

2．3切割机器人本体结构介绍

2．3．1机器人基本结构介绍

2．3．2机器人电机和减速器选型

2．4运动学分析

2．3．1 D-H参数表建立

2．3．2正运动学分析及验证

2．3．3雅各比矩阵推导

2．5工作空间分析

2．6本章小结

第3章切割机器人性能指标分析

3．1引言

3．2性能指标分析

3．2．1最大工作空间距离指标

3．2．2静刚度指标

3．2．3速度综合指标

3．3尺寸优化模型

3．3．2选取优化变量

3．3．3确定约束条件

3．3．4生成优化模型

3．4优化算法选择

3．4．1多目标粒子群优化算法

3．4．2多目标骨干粒子群优化算法

3．4．3优化算法有效性测试

3．5优化模型求解

3．6优化结果分析

3．7本章小结

第4章切割机器人轻量化设计

4．1引言

4．2动力学分析

4．2．1前臂零件工况分析

4．2．2后臂零件工况分析

4．2．3其他零件工况分析

4．3主要零件结构静态分析

4．3．1前臂结构静态分析

4．3．2后臂结构静态分析

4．3．3前臂轴座静态分析

4．3．4腰座结构静态分析

4．3．5底座结构静态分析

4．4主要零件模态分析

4．4．1前臂结构模态分析

4．4．2后臂结构模态分析

4．4．3前臂轴座模态分析

4．4．4腰座结构模态分析

4．4．5底座结构模态分析

4．5主要零件轻量化设计

4．6本章小结

第5章切割机器人误差补偿

5．2误差来源分析及精度补偿原理

5．3 D-H运动学误差模型

5．3．1参数辨识雅各比矩阵推导

5．3．2相邻关节误差传递模型

5．3．3末端坐标系误差模型

5．4基于最小二乘法的精度补偿策略

5．4．1最小二乘法

5．4．2参数辨识过程

5．4．3运动学参数补偿及仿真验证

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果

致谢

附录