机械手及复合材料大型壳体自动仿形系统

摘要

本发明涉及一种机械手及复合材料大型壳体自动仿形系统，由机械手、运动控制器、传感器和工业计算机组成，传感器安装在机械手的探头顶端，工业计算机与运动控制器相连，运动控制器分别控制机械手的五个伺服电机，传感器与运动控制器相连。当机械手上的传感器接触到壳体时，运动控制器记录机械手的五个伺服电机位置信息并传输给工业计算机，工业计算机将对应的若干个位置信息拟合成相应曲线，构成复合材料大型壳体的外形轮廓。本发明的系统能自动仿形壳体的轮廓曲线，将所有采集的点坐标，拟合成相应曲线，生成运动轨迹，使机械手能沿壳体表面运行。

权利要求

1.机械手，包括行走小车、大臂基座、大臂、小臂、探头、转轴、连接板、五个伺服电机及五个谐波减速机、滚珠丝杆、直线滑轨、滑块、齿轮、同步带，其特征在于：每个伺服电机输出端与一个谐波减速机相连，一个伺服电机及一个谐波减速机安装在小臂上通过同步带带动探头旋转；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在连接板上控制小臂旋转；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在大臂根部控制大臂旋转，且安装于大臂根部的谐波减速机输出轴上安装有齿轮，大臂基座上安装有另一个固定齿轮，两个齿轮相互啮合，控制大臂运动；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在滚珠丝杆末端上控制大臂基座运动；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在行走小车上控制行走小车运动；探头通过转轴连接在小臂上；小臂通过连接板与大臂相连；大臂安装在大臂基座上；且探头、小臂、大臂能在Y轴和Z轴方向运动；大臂基座下安有滑块，且滑块嵌入直线滑轨能在直线滑轨上滑动，直线滑轨固定在行走小车上，滚珠丝杆与直线滑轨平行安装在行走小车上，由安装在滚珠丝杆末端的伺服电机驱动滚珠丝杆旋转来带动大臂基座进行X轴方向的运动；行走小车由安装在行走小车上的伺服电机驱动，且与安装在行走小车上的伺服电机相连的谐波减速机的输出轴上安装另一齿轮，由另一齿轮带动实现行走小车的Y轴方向运行。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述的连接板与大臂成90°夹角安装。

3.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述的谐波减速机为高精度减速机，标称回转间隙为0mm。

4.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述的伺服电机为交流伺服电机或直流伺服电机。

5.利用权利要求1－4之一所述的机械手的复合材料大型壳体自动仿形系统，由机械手、运动控制器、传感器和工业计算机组成，其特征在于：传感器安装在机械手的探头顶端，工业计算机与运动控制器相连，运动控制器分别控制机械手的五个伺服电机，传感器与运动控制器相连。

6.根据权利要求5所述的复合材料大型壳体自动仿形系统，其特征在于：所述运动控制器用于控制机械手的五个伺服电机，采集传感器信号，同时与工业计算机进行通讯。

7.根据权利要求5所述的复合材料大型壳体自动仿形系统，其特征在于：所述传感器为高精度微动开关，重复精度为10微米。

8.根据权利要求5所述的复合材料大型壳体自动仿形系统，其特征在于：所述运动控制器为32轴运动控制器，能实时控制32台伺服电机独立运转，并记录对应的位置信息。

说明书

机械手及复合材料大型壳体自动仿形系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机械手及复合材料大型壳体自动仿形系统，属于运动控制和伺服定位。

背景技术

[0002] 目前复合材料大型壳体的超声波探伤只能通过人工方式进行，如果进行自动化探伤必须获知壳体曲线，并生成壳体内表面和外表面两个运动轨迹，机械手方能从里外同步运动进行探伤。如何获取壳体曲线，并保证机械设备在探伤时不碰触壳体，就必须依靠高精度自动化设备进行壳体仿形。

发明内容

[0003] 本发明的目的为了将人工探伤方式改为自动化探伤，保证机械手在运行时能准确沿壳体表面进行探伤，而提供一种复合材料大型壳体自动仿形系统。该系统能自动仿形壳体的轮廓曲线，将所有采集的点坐标，拟合成相应曲线，生成运动轨迹，使机械手能沿壳体表面运行。

[0004] 本发明所述问题是通过以下技术方案实现：

[0005] 机械手，包括行走小车、大臂基座、大臂、小臂、探头、转轴、连接板、五个伺服电机及五个谐波减速机、滚珠丝杆、直线滑轨、滑块、齿轮、同步带，其特征在于：每个伺服电机输出端与一个谐波减速机相连，一个伺服电机及一个谐波减速机安装在小臂上通过同步带带动探头旋转；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在连接板上控制小臂旋转；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在大臂根部控制大臂旋转，且安装于大臂根部的谐波减速机输出轴上安装有齿轮，大臂基座上安装有另一个固定齿轮，两个齿轮相互啮合，控制大臂运动；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在滚珠丝杆末端上控制大臂基座运动；一个伺服电机及一个谐波减速机安装在行走小车上控制行走小车运动；探头通过转轴连接在小臂上；小臂通过连接板与大臂相连；大臂安装在大臂基座上；且探头、小臂、大臂能在Y轴和Z轴方向运动；大臂基座下安有滑块，且滑块嵌入直线滑轨能在直线滑轨上滑动，直线滑轨固定在行走小车上，滚珠丝杆与直线滑轨平行安装在行走小车上，由安装在滚珠丝杆末端的伺服电机驱动滚珠丝杆旋转来带动大臂基座进行X轴方向的运动；行走小车由安装在行走小车上的伺服电机驱动，且与安装在行走小车上的伺服电机相连的谐波减速机的输出轴上安装另一齿轮，由另一齿轮带动实现行走小车的Y轴方向运行。

[0006] 所述的连接板与大臂成90°夹角安装。

[0007] 所述谐波减速机为高精度减速机，标称回转间隙为0mm，满足手臂精确定位需要。

[0008] 所述的伺服电机为交流伺服电机或直流伺服电机。

[0009] 利用所述的机械手的复合材料大型壳体自动仿形系统，由机械手、运动控制器、传感器和工业计算机组成，其特征在于：传感器安装在机械手的探头顶端，工业计算机与运动控制器相连，运动控制器分别控制机械手的五个伺服电机，传感器与运动控制器相连。当机械手上的传感器接触到壳体时，运动控制器记录机械手的五个伺服电机位置信息并传输给工业计算机，工业计算机将对应的若干个位置信息拟合成相应曲线，构成复合材料大型壳体的外形轮廓。

[0010] 所述运动控制器用于控制机械手的五个伺服电机，采集传感器信号，同时与工业计算机进行通讯。

[0011] 所述传感器为高精度微动开关，重复精度为10微米。

[0012] 所述机械手可实现空间坐标系的X、Y、Z三个方向的运动，探头、小臂、大臂和行走小车构成了仿形需要的基本结构，通过运动控制器发出的指令，可达到平面内的任意位置，从而保证机械手对壳体任意位置进行仿形。

[0013] 所述谐波减速机安装在伺服电机输出端，其中三个谐波减速机输出轴分别安装有齿轮，直接带动齿轮转动。其特点是体积小、零回转间隙、大减速比。可保证手臂运行精度，确保仿形的精确性。

[0014] 所述的运动控制器为32轴运动控制器，可实时控制32台伺服电机独立运转，并记录对应的位置信息。其通过Ethercat总线控制，拥有传输速度快、通讯距离远、抗干扰性强的特点。两台通讯设备间距可以达到100米，与100个伺服轴的通讯只需100μs。运动控制器实时控制伺服电机运转，并记录伺服电机反馈的编码器信号，可保证对仿形位置的快速记录和处理。

[0015] 已知机械手尺寸，探头长度A，小臂长度L2，大臂长度L1，连接板长度L3。其中L1＝L2。初始状态下，小臂和大臂平行于水平线、探头与小臂在一条直线上。控制机械手的小臂以大臂的两倍速度旋转，从而使大臂和小臂在任意时间与水平线的夹角α相同。当传感器接触到壳体时，可通过伺服电机编码器反馈的位置计算出α，从而知道该点的Y轴、Z轴坐标分别为：Y＝L3*Sinα+A*Cosα

[0016] Z＝(2*L1+A)*Sinα+L3*Cosα

[0017] 通过采集若干个坐标点，可将这些点拟合成壳体曲线。本发明所用的工业计算机采用常规的点拟合成曲线的程序就能完成，达到所要求的目的。

[0018] 本发明的系统能自动仿形壳体的轮廓曲线，将所有采集的点坐标，拟合成相应曲线，生成运动轨迹，使机械手能沿壳体表面运行。

附图说明

[0019] 图1为本发明的机械手正视图。

[0020] 图2为本发明的机械手俯视图

[0021] 图3为本发明的仿形坐标算法。

[0022] 图4为本发明的机械手仿形示意图。

[0023] 图5为本发明的复合材料大型壳体自动仿形系统示意图。

[0024] 图1、图2中：1—探头，2—小臂，3—大臂，4—连接板，5—探头伺服电机和减速机，12—小臂伺服电机和谐波减速机，13—大臂伺服电机和谐波减速机，14—大臂基座伺服电机和谐波减速机，15—行走伺服电机和谐波减速机，6—传感器，7—滚珠丝杆，8—大臂基座，9—直线滑轨，10—转轴，11—行走小车，16—同步带，17—齿轮。

[0025] 图3中：探头长度为A，小臂长度为L2，大臂长度为L1，连接板长度为L3。其中大臂长度与小臂长度相等，连接板与大臂成90°夹角。在手臂运行时小臂以大臂的两倍速度旋转，从而使大臂和小臂在任意时间与水平线的夹角α相同。

[0026] 图4中：机械手可针对壳体的筒段和封头段进行自动仿形。

具体实施方式

[0027] 结合附图对本发明作进一步的描述。

[0028] 如图1、图2所示，机械手，包括行走小车11、大臂基座8、大臂3、小臂2、探头1、转轴10、连接板4、探头伺服电机及谐波减速机5、小臂伺服电机和谐波减速机12、大臂伺服电机和谐波减速机13、大臂基座伺服电机和谐波减速机14、行走伺服电机和谐波减速机15、滚珠丝杆7、直线滑轨及滑块9、齿轮17、固定齿轮18、同步带16，每个伺服电机输出端与一个谐波减速机相连，小臂伺服电机和谐波减速机12安装在连接板4上控制小臂2旋转；大臂伺服电机和谐波减速机13谐波减速机安装在大臂根部控制大臂3旋转，且大臂的谐波减速机输出轴上安装一个齿轮17，与大臂基座上的固定齿轮18相互啮合控制大臂3运动；大臂基座伺服电机和谐波减速机14安装在滚珠丝杆7末端上驱动大臂基座8移动；行走小车的伺服电机和谐波减速机15安装在行走小车上控制行走小车运动；探头1通过转轴10连接在小臂2上，探头伺服电机及谐波减速机5安在小臂2上谐波减速机通过同步带16带动探头1旋转；小臂2通过连接板4与大臂3相连，且连接板4与大臂3成90°夹角安装；大臂3安装在大臂基座8上；且探头1、小臂2、大臂3能在Y轴和Z轴方向运动；大臂基座8下安有滑块，且滑块嵌入直线滑轨9能在直线滑轨9上滑动，直线滑轨9固定在行走小车11上，滚珠丝杆7与直线滑轨9平行安装在小车上，由安装在滚珠丝杆末端的伺服电机驱动滚珠丝杆7旋转来带动大臂基座进行X轴方向的运动；行走小车11由安装在行走小车上的伺服电机驱动，且与安装在行走小车上的伺服电机相连的谐波减速机的输出轴上安装另一齿轮，由另一齿轮带动实现行走小车的Y轴方向运行。所述谐波减速机为高精度减速机，标称回转间隙为0mm，满足手臂精确定位需要。所述的伺服电机为直流伺服电机。

[0029] 如图5所示，本发明的自动仿形系统由机械手、运动控制器、传感器和工业计算机组成，传感器6安装在机械手的探头1顶端，工业计算机与运动控制器相连，运动控制器分别控制机械手的五个伺服电机，传感器与运动控制器相连。当机械手上的传感器接触到壳体时，运动控制器记录机械手的五个伺服电机位置信息并传输给工业计算机，工业计算机将对应的若干个位置信息拟合成相应曲线，构成复合材料大型壳体的外形轮廓。所述运动控制器用于控制机械手的五个伺服电机，采集传感器信号，同时与工业计算机进行通讯。所述传感器为高精度微动开关，重复精度为10微米。

[0030] 所述的运动控制器为32轴运动控制器，可实时控制32台伺服电机独立运转，并记录对应的位置信息。其通过Ethercat总线控制，拥有传输速度快、通讯距离远、抗干扰性强的特点。两台通讯设备间距可以达到100米，与100个伺服轴的通讯只需100μs。运动控制器实时控制伺服电机运转，并记录伺服电机反馈的编码器信号，可保证对仿形位置的快速记录和处理。

[0031] 如图3所示，已知机械手尺寸，探头长度A，小臂长度L2，大臂长度L1，连接板长度L3。其中L1＝L2。初始状态下，小臂和大臂平行于水平线、探头与小臂在一条直线上。控制机械手的小臂以大臂的两倍速度旋转，从而使大臂和小臂在任意时间与水平线的夹角α相同。当传感器接触到壳体时，可通过伺服电机编码器反馈的位置计算出α，从而知道传感器与壳体接触点的Y轴、Z轴坐标分别为：Y＝L3*Sinα+A*Cosα

[0032] Z＝(2*L1+A)*Sinα+L3*Cosα

[0033] 通过采集若干个坐标点，可将这些点拟合成壳体曲线。本发明所用的工业计算机采用常规的点拟合成曲线的程序就能完成，达到所要求的目的。

[0034] 机械手原始状态如图1所示，大臂3和小臂2保持水平状态，探头1与小臂2成90°夹角。如图4所示，仿形开始，探头伺服电机驱动探头顺时针旋转，使探头1与小臂2保持在一条直线上。小臂伺服电机和大臂伺服电机同时开始旋转，小臂伺服电机的转速为大臂伺服电机的2倍，使小臂2和大臂3同时上升，并且与水平线保持相同夹角。当传感器
6接触到壳体时，小臂2、大臂3停止上升，运动控制器记录当前位置值，行走伺服电机15步进一个固定距离，小臂2、大臂3继续上升，当传感器再次接触到壳体时，手臂再次停止，运动控制器再次记录位置值。反复若干次，直至手臂行至壳体末尾。仿形结束，电脑上会弹出结束画面，确认后手臂自动回到原始状态。同时运动控制器将采集的若干位置信息传输给计算机，由计算机计算生成壳体曲线，并生成机械手的运动轨迹。将轨迹发送给运动控制器进行机械手探伤。