铝合金车体焊缝磨抛机器人系统开发

【摘要】随着高速列车对车体轻量的要求不断提高，铝合金车体也得到越来越多的关注和应用。铝合金车体的主要加工方式是大型结构件挤压成型后进行焊接拼装，因此需要对于铝合金车体的焊接及焊缝后处理工艺进行研究。对铝合金焊接工艺的研究已经取得显著的成效，焊接过程已经部分实现自动化、智能化，但是对于焊缝的后处理工艺的研究还停留在初始阶段。采用传统的手工打磨方式，不仅耗时耗力，而且很难保证加工质量的一致性；同时加工现场的噪声、粉尘也严重影响工人的健康。本课题结合移动机器人技术、视觉传感技术和运动控制技术等先进方法，开发一套铝合金焊缝磨抛机器人系统，以替代手工打磨方式，提高焊缝打磨效率和质量、降低工人劳动强度，实现铝合金焊缝的自动化、智能化打磨后处理。本文首先介绍了铝合金车体的制造工艺流程，并着重分析其焊接及打磨后处理工艺的加工方法和技术要求，总结得出磨抛机器人的功能需求。在综合比较多种方案之后，设计出以伺服系统作为驱动，并具有换刀功能的工具系统；由线性模组正交连接组成的进给机构；及履带式多吸盘结构的行走方式。最后进行整体系统的布置和装配，完成焊缝磨抛机器人本体搭建。在完成机器人结构设计之后，通过分析和计算机器人作业时的受力情况，选择合适的伺服电机、线性模组和步进电机。再利用ANSYS软件对关键零部件和机器人整体的进行静力分析和模态分析，通过对其强度和刚度的校核，表明现有结构不会在工作时发生结构破坏，验证了机器人系统的结构安全可靠。完整的焊缝磨抛机器人系统不仅只是机械结构部分，还应包括控制系统，本文采用PC机结合DSP控制卡的控制模式。在硬件上，运动控制卡通过伺服/步进驱动器与各个电机相连，用以控制机器人各部分的运动位置和速度；在软件上，利用VC编程软件，采用模块化设计方法开发控制系统操作界面，实现焊缝磨抛机器人的自动化加工。最后，为了研究开发的焊缝磨抛机器人的工作性能，也为了后续的深入研究提供参考，本文利用机器人系统对6005铝合金焊缝进行磨抛实验。推导出计算材料切除率的数学模型，并研究样机的磨抛时间、磨抛深度、横向进给量和磨具转速对焊缝磨抛效率的影响，以及造成产生的原因。实验结果初步验证了利用移动机器人系统完成铝合金焊缝进行磨抛后处理的可行性。
【作者】谷正钊；
【导师】张雷；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】铝合金焊缝；磨抛机器人；仿真分析；控制系统；磨抛效率；

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