一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备和方法技术

技术编号:15672799 阅读:92 留言:0更新日期:2017-06-22 20:53
本发明专利技术揭示了一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备,机械臂通过测试螺栓安装在运动平台的固定基座上,所述测试螺栓输出测试信号经电荷适调器输送至监测诊断系统,控制系统输出控制信号至所述运动平台。本发明专利技术能够同时实现机械臂装配环节中对螺栓装配刚度的精确控制,以及在服役过程中螺栓约束刚度的实时监测,能够根据监测结果准确快速地进行螺栓约束刚度的调节,避免盲目的重复性调节工作,实现了装配控制与服役监测的一体化,简化了系统结构,实现过程简单易行,成本低,能有效避免因人员操作带来的误差,减少了人为因素的影响和对人员素质等因素的依赖,节省了人力成本,具有明显的优势。

Device and method for controlling assembly rigidity of mechanical arm bolt

The invention discloses a mechanical arm bolt assembly control device stiffness, mechanical arm is arranged on the fixed base motion platform by testing the test bolt bolt, output test signal by a charge regulator is transported to the monitoring and diagnosis system, the output control signal to the motion platform control system. The invention can realize the precise control of the bolt assembly stiffness of the mechanical arm assembly process, real-time monitoring and bolt in the course of service constraint stiffness, according to the monitoring results of accurate bolt restraint stiffness adjustment, avoid blind adjustment work, realize the control integration and service monitoring assembly, simplifies the system structure, the realization process is simple, low cost, can effectively avoid the error brought by the operator, to reduce the impact of human factors and the dependence on the quality of personnel and other factors, save manpower cost, has obvious advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备和方法
本专利技术涉及机器人设计控制领域,尤其涉及一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备和方法。
技术介绍
机械臂广泛应用在机械加工、上下料、喷涂、精密装配等作业中,机械臂的动态性能直接影响操作的精度,如机械臂的弹性变形或残余振动,会严重影响精密加工领域的加工质量、工作效率以及系统寿命。因此,在设计阶段需要对机械臂的动态性能进行分析。机械臂与驱动单元进行装配固定,机械臂与驱动单元之间是一个耦合系统,同时机械臂也是由关节组装而成的耦合系统。其中,两部件装配或组装的相结合的部位称为结合部。常见的结合部形式有焊接、铆接和螺栓联接等,其中螺栓联接应用最为广泛。结合部实质上是对机械臂提供约束作用,同时传递耦合系统的耦合作用,因此其对机械臂的动态性能具有重要影响,在分析机械臂的动态性能时就要考虑结合部的约束特性,同时在装配设计时也要保证结合部的约束性能。结合部的刚度是一项重要的性能指标,在机械臂的动态特性分析时经常涉及。通常理论分析中所假设的完全刚性的约束(即约束刚度为无穷大)在实际中是难以实现的,在实际中只有当约束刚度“足够大”时才能做这样的近似处理。然而“足够大”是一个模糊的概念,多大的约束刚度可以近似认为是完全刚性的约束,或者多大的约束刚度下才能保证机械臂具有理论分析一致的动态性能,还缺乏明确的指导和依据。如前所述,在机械臂的装配或服役过程中还要保证螺栓结合部的刚度要求。约束刚度偏低,难以满足足够的刚度要求,影响螺纹联接的刚性、密封性和防松能力,同时与理论分析结果存在一定的差异;约束刚度过高,虽然保证了约束刚度要求,但会出现过度约束,从而对螺栓以及机械臂结构本身的疲劳强度都将产生不利影响。因此,如何对螺栓结合部的约束刚度进行有效准确的控制,使螺栓结合部的刚度处于最佳状态,对保证和分析机械臂的动态性能具有重要的实际意义。首先,在装配过程中要准确保证螺栓结合部的约束刚度。现有关于螺栓联接的紧固方法,通常是采取扳手拧紧法、扭矩控制法、超弹性控制法、屈服点拧紧法等,这些方法控制的是预紧力大小,不能直观反映和控制螺栓结合部的约束刚度,从而不能准确控制螺栓结合部的约束刚度,也就不能有利保证机械臂的动态性能指标。其次,由于长期服役、运动冲击、震动、交变载荷以及温度的影响,螺纹联接常发生松脱现象,螺栓结合部的约束刚度会发生改变,从而与装配时的约束刚度存在一定的差异,因此需要对机械臂服役的过程中螺栓结合部的约束刚度进行监测。现有关于螺栓联接的控制方法,仅是在装配紧固环节控制预紧力大小,对机械臂服役过程中螺栓结合部的约束刚度还缺乏有效的监测,难以及时的进行调节控制。专利CN201310001169.4公开了一种测试高强螺栓结合面法向静态特性装置及方法,专利CN201010264691.8公开了一种测试结合面动态特性装置及方法,但是其装置和方法是对装配好的螺栓结合部进行测试分析,而不是装配过程中结合部的刚度变化,另外其得到的是结合部的整体刚度,难以识别引起整体刚度变化的某个螺栓,无法准确快速地进行调节控制。专利CN201110030989.7公开了一种核主泵用螺栓松动监测装置及其监测方法,其采用的是CCD数字相机和图像识别模块,成本较高,通过螺栓标注的刻度线与参照物的相对跨度进行监测,难以实现高精度或微小量变化的监测尤其是轴向量变化的监测。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是实现一种集机械臂螺栓装配刚度的控制和监测功能于一体的系统,在装配环节,直观精确地反映和控制螺栓的约束刚度;在机械臂服役过程中,对螺栓的约束刚度进行实时监测,根据监测结果能够准确快速地进行调节控制。为了实现上述目的,本专利技术采用的技术方案为:一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备,机械臂通过测试螺栓安装在运动平台的固定基座上,所述测试螺栓输出测试信号经电荷适调器输送至监测诊断系统,控制系统输出控制信号至所述运动平台。设备设有用于模拟测试螺栓装配刚度和所需施加的预紧力的建模分析系统,所述建模分析系统包括求解模块、有限元仿真模块和拟合工具箱,所述求解模块和有限元仿真模块的结果输送至拟合工具箱,所述拟合工具箱输出显示测试螺栓的建模结果。所述的求解模块包括Simulink模块和SimMechanics模块,所述SimMechanics模块将机械臂实体模型的模型参数和运动仿真的运动信号通过驱动模块输入给SimMechanics模块,所述SimMechanics模块将运动仿真的结果通过传感模块导入Simulink模块的FFT求解模块。所述的测试螺栓至少设有3个,每个所述测试螺栓的端面开有盲孔,所述盲孔内部埋设有压电片,所述测试螺栓的信号输出端通过数据传输线与电荷适调器连接,所述电荷适调器通过数据传输线与监测诊断系统连接,所述的监测诊断系统包括监测模块、预警模块和诊断模块。所述运动平台包括平移机构和旋转机构。基于所述机械臂螺栓装配刚度的控制设备的控制方法,其特征在于:步骤1、仿真获得测试螺栓装配刚度和所需施加的预紧力;步骤2、根据仿真结果施加预紧力,完成测试螺栓装配刚度的设置:步骤3、监测步骤2中测试螺栓装配过程以及机械臂的运动过程,,实时输出测试螺栓的装配刚度。所述步骤1中将机械臂与运动平台之间的测试螺栓结合部位等效为线性直簧,建模分析系统获得线性直簧不同刚度下机械臂的固有频率;机械臂与运动平台之间的测试螺栓结合部位设置不同的预紧力,建模分析系统获得不同预紧力下机械臂的固有频率;获得刚度与预紧力之间的关系方程。刚度与预紧力之间的关系方程通过以下步骤得到:1)将刚度和对应的固有频率、预紧力和对应的固有频率输入到拟合工具箱,确定约束刚度与固有频率之间,以及预紧力与固有频率之间的拟合曲线和关系方程,同时得到方程系数的取值置信区间;2)根据各阶固有频率分析时所占的比重,确定各阶固有频率的权重系数,以各阶固有频率的拟合误差平方和最小为目标函数,在方程系数的取值置信区间内分别确定步骤1)中刚度与固有频率之间的关系方程各系数的最优值,以及预紧力与固有频率之间的关系方程各系数的最优值,最终确定刚度与固有频率之间的关系方程,以及预紧力和固有频率之间的关系方程;3)根据步骤2)中确定的刚度与固有频率之间的关系方程,以及预紧力和固有频率之间的关系方程,确定刚度与预紧力之间的关系方程;所述步骤2结合实际机械臂的结构尺寸,计算出机械臂的各阶固有频率,并通过刚度与固有频率和预紧力之间的关系方程,确定测试螺栓所需的装配刚度,以及每个测试螺栓所需施加的预紧力,所述测试分析系统预设有测试螺栓预紧力与压电片输出的压电信号之间关系曲线或表格。所述步骤3中,预先设置测试螺栓装配刚度的安全阈值,在机械臂静止或运动的过程中,测试螺栓的输出信号经过电荷适调器传递到监测诊断系统,通过监测诊断系统的监测模块实时监测螺栓的装配刚度,当螺栓的装配刚度下降或小于所设置的安全阈值时,预警模块发出警示信号;同时,诊断模块对每个测试螺栓的输出信号进行比较分析,判断出装配刚度改变的具体的某个测试螺栓的编号,实现螺栓装配刚度的监测与反馈控制。本专利技术的优点在于:本专利技术的系统和方法能够同时实现机械臂装配环节对螺栓装配刚度的精确控制,以及在服役过程中对螺栓约束刚度的实时监测,实现了装配控制与服役监测的一体化,简化本文档来自技高网
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一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备和方法

【技术保护点】
一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备,其特征在于:机械臂通过测试螺栓安装在运动平台的固定基座上,所述测试螺栓输出测试信号经电荷适调器输送至监测诊断系统,控制系统输出控制信号至所述运动平台。

【技术特征摘要】
1.一种机械臂螺栓装配刚度的控制设备,其特征在于:机械臂通过测试螺栓安装在运动平台的固定基座上,所述测试螺栓输出测试信号经电荷适调器输送至监测诊断系统,控制系统输出控制信号至所述运动平台。2.根据权利要求1所述的机械臂螺栓装配刚度的控制设备,其特征在于:设备设有用于模拟测试螺栓装配刚度和所需施加的预紧力的建模分析系统,所述建模分析系统包括求解模块、有限元仿真模块和拟合工具箱,所述求解模块和有限元仿真模块的结果输送至拟合工具箱,所述拟合工具箱输出显示测试螺栓的建模结果。3.根据权利要求2所述的机械臂螺栓装配刚度的控制设备,其特征在于:所述的求解模块包括Simulink模块和SimMechanics模块,所述SimMechanics模块将机械臂实体模型的模型参数和运动仿真的运动信号通过驱动模块输入给SimMechanics模块,所述SimMechanics模块将运动仿真的结果通过传感模块导入Simulink模块的FFT求解模块。4.根据权利要求1、2或3所述的机械臂螺栓装配刚度的控制设备,其特征在于:所述的测试螺栓至少设有3个,每个所述测试螺栓的端面开有盲孔,所述盲孔内部埋设有压电片,所述测试螺栓的信号输出端通过数据传输线与电荷适调器连接,所述电荷适调器通过数据传输线与监测诊断系统连接,所述的监测诊断系统包括监测模块、预警模块和诊断模块。5.根据权利要求4所述的机械臂螺栓装配刚度的控制设备,其特征在于:所述运动平台包括平移机构和旋转机构。6.基于权利要求1-5中任一项所述机械臂螺栓装配刚度的控制设备的控制方法,其特征在于:步骤1、仿真获得测试螺栓装配刚度和所需施加的预紧力;步骤2、根据仿真结果施加预紧力,完成测试螺栓装配刚度的设置:步骤3、监测步骤2中测试螺栓装配过程以及机械臂的运动过程,,实时输出测试螺栓的装配刚度。7.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于:所述步骤1中将机械臂与运动平台之间的测试螺栓结合部...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘玉飞訾斌于华张席许德章杨雪锋钱森苏学满路恩鞠锦勇
申请(专利权)人:安徽工程大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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