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机翼自动涂胶机运动系统研究 Research on Motion System of Airfoil Automatic Gluing Machine 摘要 摘 要 近年来，CAD/CAM 一体化三维软件大量出现，在机械、航空航天、汽车、造船等领域广泛应用。这些软件推动了数字化制造技术在我国飞机行业中的发展，并逐步取代一些落后的传统制造技术。涂胶是飞机制造中的一个重要工艺，这一传统工艺也要求不断更新技术实现自动化涂胶。但是，由于飞机的结构和飞行环境工作状态的特殊性等原因，目前在航空制造业中，仍然普遍采用人工密封涂胶作业。所以，急需研究开发出适应飞机特点的密封涂胶装备，以降低工人劳动强度、改善工人工作环境、提高密封涂胶质量和控制涂胶重量。 该论文研究目的是根据校企合作项目的技术要求，研究开发一款适用于航空制造业的密封涂胶机样机。根据课题组的人员的分工，论文主要研究了涂胶机的运动控制策略和方法，并从以下方面做了具体研究： （1） 从国内外工业机器人的发展现状，论述了开发成本低，通用性高的涂胶机器人的目的和意义。从自动化涂胶技术的功能实现的角度，提出了利用涂胶机器人代替传统人工涂胶的可行性。 （2） 根据机翼涂胶的功能需求，提出了选型合理的多自由度涂胶结构。根据涂胶机整机传动方案和工作性能需求，对涂胶机主要构件进行了选型和配置，合理选取了有关构件的技术参数。通过一系列优化分析，改善涂胶机器人的动力学性能，实现快速、稳定、安全的涂胶作业。 （3） 通过对工业机器人的插补算法进行研究，选择并推导出适合自动涂胶机的插补原理和算法。插补的目的是计算如何控制各个驱动件的运动，实现实际涂胶轨迹的同时，尽量使涂胶点的速度均匀，以减小对胶枪出胶量变化的的要求，提高涂胶质量，降低对胶枪出胶量的控制要求，简化控制方法。 （4） 通过对涂胶机功能和控制需求的研究，设计了以 PLC 为主的直角坐标机器人运动控制系统。硬件方面，详细介绍了系统硬件的各部分功能和结构，重点介绍了伺服控制方案。软件方面，介绍了系统软件的整体结构，控制流程，重点介绍了 PLC 的端口分配、系统的插补过程和通信模式等。 关键词：涂胶机器人，插补原理，坐标变换原理，PLC，运动控制 II ABSTRACT ABSTRACT In recent years, 3D CAD/CAM software is widely used in machinery, aerospace, Automobile, shipbuilding and other fields. This promoting the development of digital manufacturing technology in aircraft industry, and some backward traditional manufacturing technology are gradually replaced. Glue is an important technology in manufacturing of aircraft, also requires a constantly updated technology. However, because of the structure and the working state of the aircraft, artificial seal coating operation is still widely used in the aircraft industry. So it is urgent to design a automatic coating equipment. So that we can reduce the labor intensity of workers, improve the working environment, improve the quality of seal coating and control the coating weight . The purpose of this paper is to design a general automatic glue robot for aircraft wing. According to the work arrangement, This paper mainly studies the gluing machine motion control strategies and methods. The specific work is as follows. 1. The objective and significance of this research have been analyzed, as well as the domestic and overseas status of the industrial robot development. This paper described the feasibility about replace the traditional manual gluing by glue robot. 2. Based on the glue spreading robot work demand, put forward the reasonable glue structure of multi DOF. To meet the requirements of automatic glue movement in the selection and configuration aspects of the hardware. Through a series of optimization analysis, can improve dynamic performance of robot and achieve rapid, stability, safety gluing operation. 3. Through the research of various interpolation algorithm, selection and derived algorithm for automatic glue machine interpolation principle. Through interpolation calculation can obtain a uniform speed, improve the coating quality, Simplified control method. 4. Through the research on the coating machine function and control requirements, design the right angle coordinate robot motion control system based on PLC. This paper details the hardware about system function and structure, Mainly introduces the servo control system. Software aspect, introduces the system software structure, the flow control, mainly introduces PLC port assignment, interpolation process and communication pattern. KEYWORDS: Gluing machine, Interpolation algorithm, Coordinate transform, PLC, Motion control III 目 录 目 录 VII 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 V 第一章 绪论 1 1.1 课题背景及选题意义 1 1.2 工业机器人的发展趋势及发展现状 2 1.2.1 工业机器人国外发展趋势 2 1.2.2 工业机器人国内发展趋势 3 1.2.3 工业机器人的发展现状 3 1.3 涂胶技术简介 5 1.4 课题研究的主要内容 6 第二章 涂胶机运动机构总体设计 7 2.1 自动涂胶机设计要求和指标 7 2.2 涂胶机运动机构设计与计算 7 2.2.1 主运动传动方式选择 8 2.2.2 滚珠丝杠参数的计算 9 2.2.3 导轨选择实例 14 2.3 运动系统驱动方式的选择与计算 15 2.3.1 驱动方式的选择 15 2.3.2 伺服电机选择计算与校核 16 2.3.3 伺服电机选择结果 19 2.4 本章小结 20 第三章 自动涂胶机插补算法 23 3.1 插补计算原理 23 3.1.1 数字积分法 23 3.1.2 数据采样插补法 24 3.2 NURBS 插补原理 25 3.2.1 NURBS 方法介绍 25 3.2.2 NURBS 曲线的定义 25 3.3 NURBS 曲线插补算法 28 3.3.1 进给步长的计算 28 3.3.2 轮廓误差的控制 29 3.3.3 进给加速度对步长的控制 30 3.4 本章小结 31 第四章 涂胶机运动系统坐标变换 33 4.1 机器人空间描述与坐标变换 33 4.1.1 空间点的坐标描述 33 4.1.2 空间坐标变换 33 4.2 定点位姿调节器介绍 35 4.3 涂胶机运动系统介绍 36 4.3.1 四点定位方式介绍 36 4.3.2 涂胶机运动系统模型 37 4.3.3 涂胶机运动系统精度分析 38 4.3.4 实验验证 43 4.4 涂胶机快速定位界面介绍 43 4.5 本章小结 44 第五章 涂胶机控制系统设计 45 5.1 PLC 控制系统的设计原则 45 5.2 涂胶机的控制系统构架及硬件组成 45 5.2.1 涂胶机控制系统设计要求 45 5.2.2 涂胶机控制系统构架 46 5.2.3 涂胶机电气控制系统设计 47 5.3 PLC 控制系统软件设计 49 5.3.1 涂胶机软件系统组成 49 5.3.2 PLC 端口设计 50 5.3.3 插补计算 50 5.3.4 PLC 通信处理 52 5.4 PLC 程序设计 55 5.5 本章小结 57 结论与展望 58 参考文献 59 附录 62 第一章 绪论 1.1 课题背景及选题意义 数字化制造技术的发展推动了自动化设备的不断更新。工业机器人是当代自动化设备的重要成员，它集成了机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科， 多种技术于一体的现代化智能装备[1]。目前，工业机器人在诸多领域得到广泛应用， 主要包括弧焊、点焊、装配、搬运、切割、喷漆、喷涂、检测、码垛、研磨、抛光、上下料和激光加工等领域[2]。工业机器人技术又反向的促进了数字化制造的发展，两者相互促进，在制造业领域发挥的作用越来越大。数字化制造技术可以精确的预测和评价产品方案的可行性，缩短生产制造周期，降低生产成本，最大限度的发挥企业的各种资源优势，制定出最合理的生产方案[2]。随着自动化技术的不断发展，工业机器人在制造业中的作用也越来越大，我国正在有劳动密集型国家向着科技密集型国家转变[3]。国际机器人联盟发布的报告显示