[發明專利]一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備和方法

在審

• 申請號: 201710223613.5
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN106862915A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 劉玉飛;訾斌;于華;張席;許德章;楊雪鋒;錢森;蘇學滿;路恩;鞠錦勇
• 申請（專利權）人: 安徽工程大學
• 主分類號: B23P19/06
• 分類號: B23P19/06;B23P19/10;B25J19/00
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司34107
• 代理人: 朱圣榮

技術領域

本發明涉及機器人設計控制領域，尤其涉及一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備和方法。

背景技術

機械臂廣泛應用在機械加工、上下料、噴涂、精密裝配等作業中，機械臂的動態性能直接影響操作的精度，如機械臂的彈性變形或殘余振動，會嚴重影響精密加工領域的加工質量、工作效率以及系統壽命。因此，在設計階段需要對機械臂的動態性能進行分析。

機械臂與驅動單元進行裝配固定，機械臂與驅動單元之間是一個耦合系統，同時機械臂也是由關節組裝而成的耦合系統。其中，兩部件裝配或組裝的相結合的部位稱為結合部。常見的結合部形式有焊接、鉚接和螺栓聯接等，其中螺栓聯接應用最為廣泛。結合部實質上是對機械臂提供約束作用，同時傳遞耦合系統的耦合作用，因此其對機械臂的動態性能具有重要影響，在分析機械臂的動態性能時就要考慮結合部的約束特性，同時在裝配設計時也要保證結合部的約束性能。

結合部的剛度是一項重要的性能指標，在機械臂的動態特性分析時經常涉及。通常理論分析中所假設的完全剛性的約束(即約束剛度為無窮大)在實際中是難以實現的，在實際中只有當約束剛度“足夠大”時才能做這樣的近似處理。然而“足夠大”是一個模糊的概念，多大的約束剛度可以近似認為是完全剛性的約束，或者多大的約束剛度下才能保證機械臂具有理論分析一致的動態性能，還缺乏明確的指導和依據。如前所述，在機械臂的裝配或服役過程中還要保證螺栓結合部的剛度要求。約束剛度偏低，難以滿足足夠的剛度要求，影響螺紋聯接的剛性、密封性和防松能力，同時與理論分析結果存在一定的差異；約束剛度過高，雖然保證了約束剛度要求，但會出現過度約束，從而對螺栓以及機械臂結構本身的疲勞強度都將產生不利影響。因此，如何對螺栓結合部的約束剛度進行有效準確的控制，使螺栓結合部的剛度處于最佳狀態，對保證和分析機械臂的動態性能具有重要的實際意義。

首先，在裝配過程中要準確保證螺栓結合部的約束剛度?，F有關于螺栓聯接的緊固方法，通常是采取扳手擰緊法、扭矩控制法、超彈性控制法、屈服點擰緊法等，這些方法控制的是預緊力大小，不能直觀反映和控制螺栓結合部的約束剛度，從而不能準確控制螺栓結合部的約束剛度，也就不能有利保證機械臂的動態性能指標。其次，由于長期服役、運動沖擊、震動、交變載荷以及溫度的影響，螺紋聯接常發生松脫現象，螺栓結合部的約束剛度會發生改變，從而與裝配時的約束剛度存在一定的差異，因此需要對機械臂服役的過程中螺栓結合部的約束剛度進行監測?，F有關于螺栓聯接的控制方法，僅是在裝配緊固環節控制預緊力大小，對機械臂服役過程中螺栓結合部的約束剛度還缺乏有效的監測，難以及時的進行調節控制。

專利CN201310001169.4公開了一種測試高強螺栓結合面法向靜態特性裝置及方法，專利CN201010264691.8公開了一種測試結合面動態特性裝置及方法，但是其裝置和方法是對裝配好的螺栓結合部進行測試分析，而不是裝配過程中結合部的剛度變化，另外其得到的是結合部的整體剛度，難以識別引起整體剛度變化的某個螺栓，無法準確快速地進行調節控制。

專利CN201110030989.7公開了一種核主泵用螺栓松動監測裝置及其監測方法，其采用的是CCD數字相機和圖像識別模塊，成本較高，通過螺栓標注的刻度線與參照物的相對跨度進行監測，難以實現高精度或微小量變化的監測尤其是軸向量變化的監測。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是實現一種集機械臂螺栓裝配剛度的控制和監測功能于一體的系統,在裝配環節，直觀精確地反映和控制螺栓的約束剛度；在機械臂服役過程中，對螺栓的約束剛度進行實時監測，根據監測結果能夠準確快速地進行調節控制。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，機械臂通過測試螺栓安裝在運動平臺的固定基座上，所述測試螺栓輸出測試信號經電荷適調器輸送至監測診斷系統，控制系統輸出控制信號至所述運動平臺。

設備設有用于模擬測試螺栓裝配剛度和所需施加的預緊力的建模分析系統，所述建模分析系統包括求解模塊、有限元仿真模塊和擬合工具箱，所述求解模塊和有限元仿真模塊的結果輸送至擬合工具箱，所述擬合工具箱輸出顯示測試螺栓的建模結果。

所述的求解模塊包括Simulink模塊和SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將機械臂實體模型的模型參數和運動仿真的運動信號通過驅動模塊輸入給SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將運動仿真的結果通過傳感模塊導入Simulink模塊的FFT求解模塊。