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基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计

刘毅 丰宗强 贾新裴 姚建涛 赵永生

刘毅, 丰宗强, 贾新裴, 姚建涛, 赵永生. 基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计[J]. 制造技术与机床, 2023, (2): 21-33. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.02.003
引用本文: 刘毅, 丰宗强, 贾新裴, 姚建涛, 赵永生. 基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计[J]. 制造技术与机床, 2023, (2): 21-33. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.02.003
LIU Yi, FENG Zongqiang, JIA Xinpei, YAO Jiantao, ZHAO Yongsheng. Base on RPR/RP+2R+P robot design for machining aluminum alloy structural parts[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (2): 21-33. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.02.003
Citation: LIU Yi, FENG Zongqiang, JIA Xinpei, YAO Jiantao, ZHAO Yongsheng. Base on RPR/RP+2R+P robot design for machining aluminum alloy structural parts[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (2): 21-33. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.02.003

基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.02.003
基金项目: 中央引导地方科技发展资金项目:面向新能源汽车铝合金结构件的五自由度混联加工机器人创新设计与工程样机研发(206Z1805G);国家重点研发计划资助项目: 面向航天复合材料的五自由度混联机构加工机器人(2017YFB1301901)
详细信息
    作者简介:

    刘毅,男,1991年生,博士研究生,研究方向为机器人理论及应用。E-mail:liuyi415@stumail.ysu.edu.cn

    通讯作者:

    姚建涛,男,1980年生,博士,教授,研究方向为机器人理论及应用。E-mail:jtyao@ysu.edu.cn

  • 中图分类号: TH112

Base on RPR/RP+2R+P robot design for machining aluminum alloy structural parts

  • 摘要: 新能源汽车是我国应对节能减排挑战的需要,发展前景巨大。针对新能源汽车车身主要采用铝合金材料,要求加工机床灵巧轻便,整体刚度适中,能够实现复杂曲面的精准成形等需求,提出一种基于RPR/RP平面并联的五自由度混联机器人构型。首先,建立RPR/RP+2R+P五自由度混联机器人基本构型,分析计算混联机器人的自由度,完成五自由度混联机器人的初始样机结构设计。其次,求解并联与混联构型位置的正反解以及速度雅可比。然后,求解五自由度混联机器人的位姿空间;以分支杆驱动力为优化指标,工作空间内机构运转不干涉为约束条件,采用Adams-Matlab联合仿真定量分析各结构参数对分支驱动力的影响,以线性回归算法进行数据拟合,完成初始样机的尺度优化。最后,以混联机器人整机及其关键构件的刚度为优化指标,采用有限元分析的探究方法对五自由度混联机器人初代样机实现递进式的结构调整,对整机进行模态分析以得到机器人振动特性。在满足刚度要求的前提下,采取少分支构型降低制造成本,加工过程可视,为针对轻薄结构件加工的混联机器人设计提供了新思路。

     

  • 图  1  五自由度混联加工机器人整机结构图

    图  2  平面并联模块结构图

    图  3  混联机器人构型RPR/RP+2R

    图  4  并联模块位置反解坐标系示意图

    图  5  混联模块位置反解示意图

    图  6  BC摆头回转方式简图

    图  7  并联模块位置正解坐标系示意图

    图  8  混联模块位置正解坐标系示意图

    图  9  速度雅可比矩阵求解示意图

    图  10  BC摆头速度分析示意图

    图  11  并联机器人工作空间

    图  12  串联机器人工作空间

    图  13  串联模块工作空间俯视图

    图  14  混联机器人工作空间

    图  15  RPR/RP五自由度混联机器人构型简图

    图  16  两分支受力分析曲线

    图  17  不同动平台尺寸下的数据拟合图像

    图  18  平均值拟合曲线

    图  19  线性回归拟合曲线

    图  20  混联机器人应力分析云图

    图  21  整机变形

    图  22  机器人整机模态分析

    表  1  混联机器人设计指标

    设计参数设计要求
    工作空间/(mm×mm)600 ×300 的椭圆形区域
    分支最大速度/(m/min)30
    上下移动轴最大速度/(m/min)50
    空间定位精度/mm≤0.05
    重复定位精度/mm≤0.02
    主轴功率/kW12~18
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    表  2  D-H参数表

    连杆i连杆扭角
    $\alpha _\left( {i - 1} \right)$
    连杆长度
    $a_\left( {i - 1} \right)$
    关节偏置
    距离${d_i}$
    关节转角${\theta _i}$
    1000${\theta _1}$
    2900$0$${\theta _2}$
    3−900$d$0
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    表  3  混联机构结构参数表

    组数L1L2组数L1L2
    17404009820400
    274044010820440
    374048011820480
    474052012820520
    578040013860400
    678044014860440
    778048015860480
    878052016860520
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    表  4  L1=740 mm参数下的曲线数据

    组数参数L2/mm
    1400
    2440
    3480
    4520
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    表  5  振动频率表

    振型阶数123456
    振动频率/Hz20.62845.38949.351.68854.53660.5
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2022-08-18
  • 录用日期:  2022-12-16

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