[发明专利]机械手及复合材料大型壳体自动仿形系统

说明书

技术领域

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

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

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。

本发明所述问题是通过以下技术方案实现：

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，且该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。

所述的连接板与大臂成90°夹角安装。

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。

所述的伺服电机为交流伺服电机或直流伺服电机。

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。

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。

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。

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。

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。

已知机械手尺寸，探头长度A，小臂长度L1，大臂长度L2，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同方向旋转，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

Z=(2*L1+A)*Sinα+L3*Cosα

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。