小型软岩钻掘机器人设计与研究
这是一篇关于软岩钻掘机器人,钻头设计,动力学分析,运动仿真的论文, 主要内容为随着科学技术的进步,机器人领域的相关研究不断深入,尤其是在特种机器人领域,小型软岩钻掘机器人作为该领域的重要组成部分,在危险、狭窄等复杂环境中有重要应用价值。小型钻掘机器人具有体积小、质量轻、能耗低的特点,可以在一定条件下辅助工作人员完成软岩地层钻进任务、辅助科研人员开展资源勘探以及环境探测等研究工作。本文在深入分析国内外地下挖掘机器人以及管道机器人研究现状的基础上,开展小型软岩钻掘机器人系统的研究。结合目前地下挖掘机器人与管道机器人结构设计上的优点,提出一种小型软岩钻掘机器人。该机器人具有结构紧凑、便携性好、控制系统简单的特点。本文主要研究内容如下:(1)小型软岩钻掘机器人系统总体方案。首先为了实现小型钻掘机器人在软岩中蠕动钻进,拟定出钻掘机器人系统所需要满足的功能要求和性能指标;然后根据机器人系统必须具备的功能,确定钻掘机器人的钻掘、支撑、驱动、行走、排渣方案,为开展之后的研究提供依据。(2)小型软岩钻掘机器人钻头设计与仿真分析。首先基于钻头的钻削机理,分析软岩在受到钻头轴向钻进压力以及轴向剪切力双重作用下的破坏,以及对钻进速度的影响;然后对现有的PDC(Polycrystalline Diamond Compact)钻头结构参数进行优化设计;最后分析钻头压入软岩所需的轴向压力,并利用仿真软件优化钻进参数,确定轴向压力与钻头转速组合方案。研究结果表明:钻进破坏过程主要分为表面破坏、疲劳破坏和体积破坏等三个阶段;切削齿几何参数及钻进参数对钻进速度产生主要影响;切削齿的后倾角和侧倾角都为15°时钻削效果最好;轴向压力大于100N与钻头转速大于400r/min组合时效果最好。(3)小型软岩钻掘机器人的设计与力学分析。首先从该机器人的运动原理出发对钻掘机器人整体及主要机构的受力进行理论分析与计算;然后根据拟定的钻掘机器人设计方案开展关键结构的设计研究,并探讨小型软岩钻掘机器人在不同钻孔直径中支撑机构的适应性;最后建立小型软岩钻掘机器人虚拟样机模型,通过运动学仿真分析,验证所选择的电机输出力以及支撑机构与孔洞内壁之间接触力是否与理论计算一致。研究结果表明:小型软岩钻掘机器人结构设计合理,通过动力学仿真验证其性能达到设计要求。(4)小型软岩钻掘机器人实验研究。首先基于前文的研究内容研制出小型软岩钻掘机器人实验样机,然后搭建钻掘机器人实验台,开展相关性能实验,最后对钻掘机器人在蠕动钻进过程中的稳定性、实际钻进效果进行验证。研究结果表明:钻掘机器人样机能够实现在软岩中蠕动钻进,验证了小型软岩钻掘机器人方案设计。该论文有图75幅,表25个,参考文献85篇。
基于Ubuntu的开放式机器人控制系统软件及位姿控制算法研发
这是一篇关于开放式机器人控制系统,功能可配置,四元数,位姿协同规划,运动仿真的论文, 主要内容为工业机器人具有柔性好、通用性强等特点,适用当代小批量、多品种的产品要求,广泛应用于工业自动化生产领域。本文参考课题组前期的基于PC机+可编程I/O接口卡的面向机床控制的开放式控制系统体系结构,对适应工业生产线多机器人协同控制要求的开放式机器人控制系统软件子系统,以及可配置功能、位姿运动控制算法、机器人运动仿真功能等进行研究。根据开放式机器人控制系统的功能和开放性要求,采用层次化模块化思想,依托PC机+可编程I/O接口卡的系统体系结构,设计机器人控制系统总体结构及其软件子系统架构。该软件架构主要分为三个功能层:应用层、控制内核层和ROS层。设计RCS/NML消息、ROS话题和共享内存通信机制以实现功能层间通信,以及设计一种基于互斥锁和条件变量的多线程通信机制以实现功能层内各功能模块间通信,为可配置功能的实现奠定基础。根据控制系统的可配置功能需求,研究可配置功能的实施框架,以及可配置功能(包括多机器人可配置功能)的实现原理,提出基于标准功能单元模型和动态链接库技术的可配置功能实现方案。结合组件技术设计功能单元的标准模型和规范接口。根据可配置功能的实施框架,研究可配置功能的具体实施方法。为了便于功能配置,设计了配置管理界面。最后验证了系统参数、运动参数和界面参数的可配置性,以及多机器人控制模式的可行性。为了实现机器人末端平滑的姿态运动,采用一种基于单位四元数的曲线拼接处二阶连续的姿态样条曲线进行轨迹规划。为了提高位姿运动柔性和保证位姿运动能同时完成,基于一种(角)加速度一阶连续的多项式加减速控制方法,设计位姿协同速度规划算法。结合复合Simpson求积公式以及三次Ferguson插值曲线,实现单位四元数姿态曲线的实时插补。对基于IKFast的逆运动学算法进行二次开发,实现插补位姿向各关节旋转角度的转换。按照标准功能单元模型对前述算法进行封装,并集成到控制系统。基于Rviz仿真库进行机器人运动仿真功能开发,实现仿真参数的可配置,并集成到控制系统。针对机器人运动的自动控制需求,开发一种面向机器人控制语言的基于互斥锁和条件变量的译码器。设计三种关节控制方式,以及示教点信息的记录和提取功能。最后进行多功能联合调试,验证了运动仿真、译码等功能的可行性,以及软件子系统通信的可靠性。
基于Ubuntu的开放式机器人控制系统软件及位姿控制算法研发
这是一篇关于开放式机器人控制系统,功能可配置,四元数,位姿协同规划,运动仿真的论文, 主要内容为工业机器人具有柔性好、通用性强等特点,适用当代小批量、多品种的产品要求,广泛应用于工业自动化生产领域。本文参考课题组前期的基于PC机+可编程I/O接口卡的面向机床控制的开放式控制系统体系结构,对适应工业生产线多机器人协同控制要求的开放式机器人控制系统软件子系统,以及可配置功能、位姿运动控制算法、机器人运动仿真功能等进行研究。根据开放式机器人控制系统的功能和开放性要求,采用层次化模块化思想,依托PC机+可编程I/O接口卡的系统体系结构,设计机器人控制系统总体结构及其软件子系统架构。该软件架构主要分为三个功能层:应用层、控制内核层和ROS层。设计RCS/NML消息、ROS话题和共享内存通信机制以实现功能层间通信,以及设计一种基于互斥锁和条件变量的多线程通信机制以实现功能层内各功能模块间通信,为可配置功能的实现奠定基础。根据控制系统的可配置功能需求,研究可配置功能的实施框架,以及可配置功能(包括多机器人可配置功能)的实现原理,提出基于标准功能单元模型和动态链接库技术的可配置功能实现方案。结合组件技术设计功能单元的标准模型和规范接口。根据可配置功能的实施框架,研究可配置功能的具体实施方法。为了便于功能配置,设计了配置管理界面。最后验证了系统参数、运动参数和界面参数的可配置性,以及多机器人控制模式的可行性。为了实现机器人末端平滑的姿态运动,采用一种基于单位四元数的曲线拼接处二阶连续的姿态样条曲线进行轨迹规划。为了提高位姿运动柔性和保证位姿运动能同时完成,基于一种(角)加速度一阶连续的多项式加减速控制方法,设计位姿协同速度规划算法。结合复合Simpson求积公式以及三次Ferguson插值曲线,实现单位四元数姿态曲线的实时插补。对基于IKFast的逆运动学算法进行二次开发,实现插补位姿向各关节旋转角度的转换。按照标准功能单元模型对前述算法进行封装,并集成到控制系统。基于Rviz仿真库进行机器人运动仿真功能开发,实现仿真参数的可配置,并集成到控制系统。针对机器人运动的自动控制需求,开发一种面向机器人控制语言的基于互斥锁和条件变量的译码器。设计三种关节控制方式,以及示教点信息的记录和提取功能。最后进行多功能联合调试,验证了运动仿真、译码等功能的可行性,以及软件子系统通信的可靠性。
分布式多主体包装设备运动仿真平台研发
这是一篇关于分布式多主体包装设备,运动仿真,平台开发,UG二次开发的论文, 主要内容为在分布式多主体包装设备开发阶段,需要通过运动仿真验证产品机构设计与控制程序的正确性,然而目前缺少针对此类分布式多主体包装设备进行运动仿真的技术研究。因此,开发一个适用于分布式多主体包装设备的运动仿真平台具有重大的工业应用价值。本文通过研究分布式多主体包装设备的工作特点,分析了分布式多主体包装设备运动仿真特点,研究了分布式多主体包装设备运动仿真模型及设备中多个子系统的工作流程重组算法,以实现分布式多主体包装设备在进行多个子系统联合运动仿真时,不同子系统工作流程的重组。根据分布式多主体包装设备的运动仿真特点,对分布式多主体包装设备运动仿真平台进行了需求分析,结合传统数字样机运动仿真方案,对平台进行了方案设计,确定了平台各个系统的开发环境,提出了自动生成仿真序列流的运动仿真实现技术,和通过信号统一控制驱动件的驱动系统仿真控制技术。基于分布式多主体包装设备运动仿真平台的设计方案,分别对组成平台的各个系统进行了架构开发与模块功能实现,对多子系统的联合动作算法进行了代码实现,基于UG二次开发技术对UG软件进行了功能扩展,将平台的各个系统集成在UG软件中,完成了对分布式多主体包装设备运动仿真平台的开发。最后,本文将分布式多主体包装设备运动仿真平台应用在了分布式多主体包装设备的绳索整理机构运动仿真中,实现了绳索整理机构的子系统的工作流程设计与重组,进行了单个子系统独立运动仿真和多个子系统联合运动仿真,实现了分布式多主体包装设备在虚拟环境中机构设计与控制程序设计同步进行。
纤维丝铺放机构的设计研究
这是一篇关于纤维铺放,铺放靴,运动仿真,有限元的论文, 主要内容为随着复合材料在工业化生产中的大量使用,为了提高产品的生产效率和复合材料的利用率,复合材料制品的自动化制造技术也随之产生。纤维增强塑料作为复合材料中的一种,具有质量轻,高强度,加工成形方便,抗腐蚀性能好,抗疲劳性能好等优点,其应用前景相当广泛,目前在工业化生产中得到了广泛的应用。 自动纤维铺放技术是自动铺丝束成形技术和自动窄带铺放成形技术的总称,它是在缠绕和铺放的基础上研制出的一种全自动制造技术,该技术可以实现连续变角度和大曲率复杂构件的铺放。自动纤维铺放技术在国外的发展已经相当成熟,最先进的自动纤维丝铺放机构能够同时进行多路纤维丝束的铺放,每一路纤维丝束都能够独立的进行压紧、送料、剪切和施压等动作,但是该技术在我国尚处于起步阶段,研究制造出具有我国自主知识产权的纤维铺放设备是我们当前急需解决的难题。 本课题设计的纤维铺放机构主要包括铺放头装置、多关节型机器人手臂和辅助装置等。铺放头装置是纤维铺放机构的核心装置,其主要作用是给纤维丝束提供铺放压力,整个装置包括多个铺放靴装置,每一路丝束对应一个铺放靴对该路丝束进行施压,铺放靴装置主要包括传动装置滚珠丝杠螺母副、基于弹簧的施压缓冲反馈调节装置、软轴和电机等部件；多关节型机器人手臂包括五个运动关节,五个关节一起联动控制纤维丝束的铺放轨迹；辅助装置中包括压紧、送料和剪切等装置,主要负责在铺放过程中纤维丝束的输送和被剪断后丝束的压紧以及重送。 本文完成了纤维丝铺放机构的结构设计,利用Pro/ENGINEER的三维建模功能对所设计的零部件进行了三维实体建模和装配；利用Pro/ENGINEER中的机构模块进行了铺放机构的运动仿真,模拟机构的运动情况；利用有限元分析软件ANSYS进行了纤维铺放机构关键零部件的有限元分析,主要对铺放靴装置中的压紧靴头和滚珠丝杠螺母副中的丝杠进行结构有限元分析,对压紧靴头进行结构静力学分析,对丝杠进行结构模态分析,得出分析结果并进行结果分析,找出机构设计的不足之处和缺陷。
基于UG的牙轮钻头参数化设计与仿真钻进系统的研究
这是一篇关于三牙轮钻头,UG/NX,运动仿真,二次开发的论文, 主要内容为牙轮钻头在石油钻井中的作用举足轻重,其破碎效率决定了钻井成本的高低。随着我国油气田勘探开发的不断深入,钻井效率成为用户最关心的问题。为了满足不同复杂地质条件下钻井需求,钻头生产厂商必须不断优化钻头结构,使用更新的技术手段和更优质的材料设计和制造牙轮钻头,从而提高钻头性能、缩短设计生产所需时间,尽快投入市场以提高竞争力。传统的设计手段已不能满足快速变化的市场需求,而CAD技术经过长足的发展已经被广泛地应用于钻头设计、分析、制造的各个阶段。本文以UG/NX为二次开发平台,采用可视化界面思想和知识融合语言,使用UG/NX自带开发语言KF、NX Open C调用API函数进行编程,设计了一套基于UG/NX的三牙轮钻头计算机辅助设计与分析系统。本论文主要开展了以下几方面工作:1.使用KF语言编写程序,建立牙轮初始截面、三维参数化模型和六种牙齿模型,包括平头齿、锥形齿、球形齿、楔形齿、边楔齿和勺形齿还有几种常用的齿槽模型,可输入参数实时展示模型,并建立相应数据库。2.输入牙轮轮廓数据,实现牙轮齿面结构造型,包括齿孔、齿槽。3.建立基准坐标系,实现程序自动装配牙轮与牙齿,实现三个牙轮在空间装配。4.在UG/NX运动仿真环境中设定钻头转速和牙轮转速以及进尺量,研究钻头如何在井下运动,包括各种运动参数分析和标记点运动轨迹绘制。5.研究三牙轮钻头不同偏转镶装角度下勺形齿和楔形齿井底破碎体积和破碎面积的变化规律,并对比分析牙齿偏转前后各齿圈破碎面积与体积数据以及全钻头牙齿偏转前后破碎面积与体积数据,最终实现数据自动测量与输出。6.研究不均匀布齿,制定不同布齿方案,比较不同时刻的井底覆盖参数及覆盖图,调整布齿方案,得到较高井底覆盖率的布齿方案,对比均匀布齿与非均匀布齿的井底覆盖图。总之,本课题的研究能在UG平台下方便地进行牙轮钻头的三维造型设计、运动分析、牙齿偏转镶装角度设计、以及不等距布齿的优化等钻头性能分析研究,为钻头公司及研究部门提供了有用的分析工具。
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