本發(fā)明涉及機器人設(shè)計控制領(lǐng)域，尤其涉及一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

機械臂廣泛應(yīng)用在機械加工、上下料、噴涂、精密裝配等作業(yè)中，機械臂的動態(tài)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(yán)重影響精密加工領(lǐng)域的加工質(zhì)量、工作效率以及系統(tǒng)壽命。因此，在設(shè)計階段需要對機械臂的動態(tài)性能進(jìn)行分析。

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

結(jié)合部的剛度是一項重要的性能指標(biāo)，在機械臂的動態(tài)特性分析時經(jīng)常涉及。通常理論分析中所假設(shè)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(xiàn)的，在實際中只有當(dāng)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(rèn)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(tài)性能，還缺乏明確的指導(dǎo)和依據(jù)。如前所述，在機械臂的裝配或服役過程中還要保證螺栓結(jié)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(lián)接的剛性、密封性和防松能力，同時與理論分析結(jié)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(xiàn)過度約束，從而對螺栓以及機械臂結(jié)構(gòu)本身的疲勞強度都將產(chǎn)生不利影響。因此，如何對螺栓結(jié)合部的約束剛度進(jìn)行有效準(zhǔn)確的控制，使螺栓結(jié)合部的剛度處于最佳狀態(tài)，對保證和分析機械臂的動態(tài)性能具有重要的實際意義。

首先，在裝配過程中要準(zhǔn)確保證螺栓結(jié)合部的約束剛度?，F(xiàn)有關(guān)于螺栓聯(lián)接的緊固方法，通常是采取扳手?jǐn)Q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(yù)緊力大小，不能直觀反映和控制螺栓結(jié)合部的約束剛度，從而不能準(zhǔn)確控制螺栓結(jié)合部的約束剛度，也就不能有利保證機械臂的動態(tài)性能指標(biāo)。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(lián)接常發(fā)生松脫現(xiàn)象，螺栓結(jié)合部的約束剛度會發(fā)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(jié)合部的約束剛度進(jìn)行監(jiān)測。現(xiàn)有關(guān)于螺栓聯(lián)接的控制方法，僅是在裝配緊固環(huán)節(jié)控制預(yù)緊力大小，對機械臂服役過程中螺栓結(jié)合部的約束剛度還缺乏有效的監(jiān)測，難以及時的進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

專利CN201310001169.4公開了一種測試高強螺栓結(jié)合面法向靜態(tài)特性裝置及方法，專利CN201010264691.8公開了一種測試結(jié)合面動態(tài)特性裝置及方法，但是其裝置和方法是對裝配好的螺栓結(jié)合部進(jìn)行測試分析，而不是裝配過程中結(jié)合部的剛度變化，另外其得到的是結(jié)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(zhǔn)確快速地進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是實現(xiàn)一種集機械臂螺栓裝配剛度的控制和監(jiān)測功能于一體的系統(tǒng),在裝配環(huán)節(jié)，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(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠準(zhǔn)確快速地進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設(shè)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(jīng)電荷適調(diào)器輸送至監(jiān)測診斷系統(tǒng)，控制系統(tǒng)輸出控制信號至所述運動平臺。

設(shè)備設(shè)有用于模擬測試螺栓裝配剛度和所需施加的預(yù)緊力的建模分析系統(tǒng)，所述建模分析系統(tǒng)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(jié)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(jié)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(shù)和運動仿真的運動信號通過驅(qū)動模塊輸入給SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將運動仿真的結(jié)果通過傳感模塊導(dǎo)入Simulink模塊的FFT求解模塊。

所述的測試螺栓至少設(shè)有3個，每個所述測試螺栓的端面開有盲孔，所述盲孔內(nèi)部埋設(shè)有壓電片，所述測試螺栓的信號輸出端通過數(shù)據(jù)傳輸線與電荷適調(diào)器連接，所述電荷適調(diào)器通過數(shù)據(jù)傳輸線與監(jiān)測診斷系統(tǒng)連接，所述的監(jiān)測診斷系統(tǒng)包括監(jiān)測模塊、預(yù)警模塊和診斷模塊。

所述運動平臺包括平移機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。

基于所述機械臂螺栓裝配剛度的控制設(shè)備的控制方法，其特征在于：

步驟1、仿真獲得測試螺栓裝配剛度和所需施加的預(yù)緊力；

步驟2、根據(jù)仿真結(jié)果施加預(yù)緊力，完成測試螺栓裝配剛度的設(shè)置：

步驟3、監(jiān)測步驟2中測試螺栓裝配過程以及機械臂的運動過程，，實時輸出測試螺栓的裝配剛度。

所述步驟1中將機械臂與運動平臺之間的測試螺栓結(jié)合部位等效為線性直簧，建模分析系統(tǒng)獲得線性直簧不同剛度下機械臂的固有頻率；機械臂與運動平臺之間的測試螺栓結(jié)合部位設(shè)置不同的預(yù)緊力，建模分析系統(tǒng)獲得不同預(yù)緊力下機械臂的固有頻率；獲得剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程。

剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程通過以下步驟得到：

1)將剛度和對應(yīng)的固有頻率、預(yù)緊力和對應(yīng)的固有頻率輸入到擬合工具箱，確定約束剛度與固有頻率之間，以及預(yù)緊力與固有頻率之間的擬合曲線和關(guān)系方程，同時得到方程系數(shù)的取值置信區(qū)間；

2)根據(jù)各階固有頻率分析時所占的比重，確定各階固有頻率的權(quán)重系數(shù)，以各階固有頻率的擬合誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，在方程系數(shù)的取值置信區(qū)間內(nèi)分別確定步驟1)中剛度與固有頻率之間的關(guān)系方程各系數(shù)的最優(yōu)值，以及預(yù)緊力與固有頻率之間的關(guān)系方程各系數(shù)的最優(yōu)值，最終確定剛度與固有頻率之間的關(guān)系方程，以及預(yù)緊力和固有頻率之間的關(guān)系方程；

3)根據(jù)步驟2)中確定的剛度與固有頻率之間的關(guān)系方程，以及預(yù)緊力和固有頻率之間的關(guān)系方程，確定剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程；

所述步驟2結(jié)合實際機械臂的結(jié)構(gòu)尺寸，計算出機械臂的各階固有頻率，并通過剛度與固有頻率和預(yù)緊力之間的關(guān)系方程，確定測試螺栓所需的裝配剛度，以及每個測試螺栓所需施加的預(yù)緊力，所述測試分析系統(tǒng)預(yù)設(shè)有測試螺栓預(yù)緊力與壓電片輸出的壓電信號之間關(guān)系曲線或表格。

所述步驟3中，預(yù)先設(shè)置測試螺栓裝配剛度的安全閾值，在機械臂靜止或運動的過程中，測試螺栓的輸出信號經(jīng)過電荷適調(diào)器傳遞到監(jiān)測診斷系統(tǒng)，通過監(jiān)測診斷系統(tǒng)的監(jiān)測模塊實時監(jiān)測螺栓的裝配剛度，當(dāng)螺栓的裝配剛度下降或小于所設(shè)置的安全閾值時，預(yù)警模塊發(fā)出警示信號；同時，診斷模塊對每個測試螺栓的輸出信號進(jìn)行比較分析，判斷出裝配剛度改變的具體的某個測試螺栓的編號，實現(xiàn)螺栓裝配剛度的監(jiān)測與反饋控制。

本發(fā)明的優(yōu)點在于:

本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能夠同時實現(xiàn)機械臂裝配環(huán)節(jié)對螺栓裝配剛度的精確控制，以及在服役過程中對螺栓約束剛度的實時監(jiān)測，實現(xiàn)了裝配控制與服役監(jiān)測的一體化，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且無需其他輔助測試傳感儀器和設(shè)備，實現(xiàn)過程簡單易行，成本低，能有效避免因人員操作帶來的誤差，減少了人為因素的影響和對人員素質(zhì)等因素的依賴。

在機械臂裝配環(huán)節(jié)，系統(tǒng)直接監(jiān)測剛度的大小，而不是間接指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確直觀地完成裝配，使螺栓裝配剛度處于最佳狀態(tài)，保證機械臂的動態(tài)性能；在實時監(jiān)測過程中，能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果診斷出引起剛度變化的具體的某個螺栓，針對該螺栓準(zhǔn)確快速地進(jìn)行螺栓約束剛度的調(diào)節(jié)，避免盲目的重復(fù)性調(diào)節(jié)工作；同時系統(tǒng)的預(yù)警模塊能夠?qū)β菟s束剛度的變化進(jìn)行預(yù)警，不需人員定期檢測，節(jié)省了人力成本。

本發(fā)明的求解分析過程是將不同軟件的功能進(jìn)行模塊化集成，操作簡單，避免了復(fù)雜的理論建模計算和分析過程，可有效避免因大量計算而容易出錯的問題；

另外，本發(fā)明的測試螺栓內(nèi)部內(nèi)置的測試元件采用壓電片，對剛度變化具有較強的敏感性，可將極其微弱的變化轉(zhuǎn)換成壓電信號進(jìn)行輸出，測試精度高，與現(xiàn)有技術(shù)通常采用的應(yīng)變片測量系統(tǒng)相比，能夠滿足機器人領(lǐng)域等高精度場合的測試要求，具有明顯的優(yōu)勢。

附圖說明

下面對本發(fā)明說明書中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：

圖1為機械臂螺栓裝配剛度的控制設(shè)備組成框圖；

圖2為圖1中測試螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為機械臂螺栓裝配剛度的控制設(shè)備的控制方法流程圖；

圖4為圖3中的機械臂固有頻率求解方法；

圖5為圖3中求解約束剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程的流程圖；

圖6為機械臂螺栓裝配剛度的控制設(shè)備的實施例的系統(tǒng)圖；

上述圖中的標(biāo)記均為：1、建模分析系統(tǒng)；1-1、求解模塊；1-11、Simulink模塊；1-12、SimMechanics模塊；1-2、有限元仿真模塊；1-3、擬合工具箱；2、測試分析系統(tǒng)；2-1、測試螺栓；2-2、電荷適調(diào)器；2-3、監(jiān)測診斷系統(tǒng)；2-11、盲孔；2-12、壓電片；2-13、信號輸出端；2-31、監(jiān)測模塊；2-32、預(yù)警模塊；2-33、診斷模塊；3、控制系統(tǒng)；3-1、控制單元；3-2、驅(qū)動器；4、運動平臺；4-1、固定基座；5、機械臂；6、計算機。

具體實施方式

本發(fā)明能夠同時實現(xiàn)機械臂裝配環(huán)節(jié)中對螺栓裝配剛度的精確控制，以及在服役過程中螺栓約束剛度的實時監(jiān)測，能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確快速地進(jìn)行螺栓約束剛度的調(diào)節(jié)，避免盲目的重復(fù)性調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)了裝配控制與服役監(jiān)測的一體化，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)過程簡單易行，成本低，能有效避免因人員操作帶來的誤差，減少了人為因素的影響和對人員素質(zhì)等因素的依賴，節(jié)省了人力成本，具有明顯的優(yōu)勢。

如圖1所示，本發(fā)明的機械臂螺栓裝配剛度的控制系統(tǒng)，包括建模分析系統(tǒng)1、測試分析系統(tǒng)2、控制系統(tǒng)3、運動平臺4和機械臂5，建模分析系統(tǒng)1包括求解模塊1-1、有限元仿真模塊1-2和擬合工具箱1-3，求解模塊1-1和有限元仿真模塊1-2的結(jié)果輸入給擬合工具箱1-3；測試分析系統(tǒng)2包括測試螺栓2-1、電荷適調(diào)器2-2和監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3。

建模分析系統(tǒng)中的求解模塊1-1包括Simulink模塊1-11和SimMechanics模塊1-12，其中SimMechanics模塊1-12用于建立機械臂5的實體模型并進(jìn)行模型參數(shù)的設(shè)置和運動仿真，Simulink模塊1-11用于設(shè)置機械臂5的運動信號，通過傳感模塊傳遞給SimMechanics模塊1-12中的實體模型，同時接收SimMechanics模塊1-12輸出的運動仿真信號，并對運動仿真信號進(jìn)行分析處理。

圖2所示，所述的測試螺栓2-1的端面開有盲孔2-11，盲孔2-11內(nèi)部埋入壓電片2-12，測試螺栓2-1的信號輸出端2-13通過數(shù)據(jù)傳輸線與電荷適調(diào)器2-2連接，電荷適調(diào)器2-2通過數(shù)據(jù)傳輸線與監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3連接，其中監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3具有監(jiān)測模塊2-31、預(yù)警模塊2-32和診斷模塊2-33，能實時顯示測試螺栓2-1的輸出信號，對測試螺栓2-1的輸出信號進(jìn)行分析，并具有預(yù)警功能。

控制系統(tǒng)3包括控制單元3-1和驅(qū)動器3-2，控制單元3-1發(fā)出控制信號給驅(qū)動器3-2，驅(qū)動器3-2通過數(shù)據(jù)傳輸線與運動平臺4相連；機械臂5通過測試螺栓2-1安裝在運動平臺4的固定基座4-1上。運動平臺4在計算機6的控制作用下能夠?qū)崿F(xiàn)平移運動、旋轉(zhuǎn)運動、平移與旋轉(zhuǎn)組合運動。

如圖3所示機械臂螺栓裝配剛度的控制方法如下：

步驟1：仿真求解，具體包括以下步驟：

(a)：將機械臂5與運動平臺4之間的螺栓結(jié)合部位等效為線性直簧，在SimMechanics模塊1-12中建立機械臂5的實體模型，設(shè)置機械臂5的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及線性直簧的剛度，在Simulink模塊1-11中設(shè)定運動平臺4或機械臂5的運動信號，通過驅(qū)動模塊輸入給SimMechanics模塊1-12，進(jìn)行運動仿真，并將運動仿真的結(jié)果通過傳感模塊導(dǎo)入Simulink模塊1-11的FFT求解模塊，通過FFT求解模塊得到線性直簧不同剛度下機械臂5的固有頻率，具體過程如圖4所示；

(b)：在有限元仿真模塊1-2中建立機械臂5的有限元模型，在螺栓結(jié)合部位設(shè)置不同的預(yù)緊力，仿真得到不同預(yù)緊力下機械臂5的固有頻率；

步驟(a)和步驟(b)中所述的固有頻率為前三階固有頻率或三階以上固有頻率；

(c)：將步驟(a)中的剛度和對應(yīng)的固有頻率，以及步驟(b)中的預(yù)緊力和對應(yīng)的固有頻率輸入到擬合工具箱1-3，確定剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程。

其中剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程如圖5所示，具體通過以下步驟得到如下：

(c1)：將步驟(a)中的剛度和對應(yīng)的固有頻率，以及步驟(b)中的預(yù)緊力和對應(yīng)的固有頻率輸入到擬合工具箱1-3，選取擬合函數(shù)類型，根據(jù)擬合函數(shù)曲線與仿真數(shù)據(jù)，判斷選取的擬合函數(shù)類型是否符合固有頻率仿真數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，否則重新選取擬合函數(shù)類型，初步確定約束剛度與固有頻率之間，以及預(yù)緊力與固有頻率之間的擬合曲線和關(guān)系方程，同時得到方程系數(shù)的取值置信區(qū)間；

(c2)：根據(jù)各階固有頻率分析時所占的比重，確定各階固有頻率的權(quán)重系數(shù)，以各階固有頻率的擬合誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，在方程系數(shù)的取值置信區(qū)間內(nèi)分別確定步驟(c1)中剛度與固有頻率之間的關(guān)系方程各系數(shù)的最優(yōu)值，以及預(yù)緊力與固有頻率之間的關(guān)系方程各系數(shù)的最優(yōu)值，最終確定剛度與固有頻率之間的關(guān)系方程，以及預(yù)緊力和固有頻率之間的關(guān)系方程；

(c3)：根據(jù)步驟(c2)中確定的剛度與固有頻率之間的關(guān)系方程，以及預(yù)緊力和固有頻率之間的關(guān)系方程，確定剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系方程，并繪制剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系曲線；

步驟(c)中所述的得到的擬合曲線和關(guān)系方程為每階固有頻率分別對應(yīng)一條擬合曲線和一個關(guān)系方程；

步驟2：施加預(yù)緊力，完成螺栓裝配剛度的設(shè)置，具體包括以下步驟：

(d)：根據(jù)圖6所示的具體實施例，結(jié)合實際機械臂5的結(jié)構(gòu)尺寸，在求解模塊1-1中輸入機械臂5的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出機械臂5的各階固有頻率，根據(jù)步驟(c)得到的剛度與固有頻率和預(yù)緊力之間的關(guān)系方程，確定螺栓所需的裝配剛度，以及每個測試螺栓2-1所需施加的預(yù)緊力；

(e)：使用前首先對測試螺栓2-1進(jìn)行標(biāo)定，測試不同預(yù)緊力下壓電片2-12輸出的壓電信號，得到測試螺栓2-1預(yù)緊力與壓電片2-12輸出的壓電信號之間關(guān)系曲線，用于預(yù)緊力施加過程中的實時監(jiān)測；

采用4個測試螺栓2-1將機械臂5與運動平臺4的固定基座4-1裝配，根據(jù)步驟(d)確定的裝配剛度和預(yù)緊力，對每個測試螺栓2-1施加預(yù)緊力，施加的過程中測試螺栓2-1的信號輸出端2-13輸出內(nèi)部埋入的壓電片2-12的壓電信號，經(jīng)電荷適調(diào)器2-2傳遞給監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3，根據(jù)標(biāo)定得到的測試螺栓2-1預(yù)緊力與壓電片2-12輸出壓電信號之間的關(guān)系曲線，實時顯示所施加的預(yù)緊力大小，根據(jù)剛度與預(yù)緊力之間的關(guān)系曲線，準(zhǔn)確完成螺栓裝配剛度的設(shè)置；

所述的監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3具有4個輸入通道，能夠?qū)γ總€測試螺栓2-1的輸出信號進(jìn)行顯示；

步驟3：螺栓裝配剛度的監(jiān)測與反饋控制，具體包括以下步驟：

(f)：設(shè)置螺栓裝配剛度的安全閥值，在機械臂5靜止或運動的過程中，測試螺栓2-1的輸出信號經(jīng)過電荷適調(diào)器2-2傳遞到監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3，通過監(jiān)測診斷系統(tǒng)2-3的監(jiān)測模塊2-31實時監(jiān)測螺栓的裝配剛度；當(dāng)螺栓的裝配剛度下降或小于所設(shè)置的安全閥值時，預(yù)警模塊2-32發(fā)出警示信號，提示裝配剛度的下降信息；同時，診斷模塊2-33對每個測試螺栓2-1的輸出信號進(jìn)行比較分析，判斷出裝配剛度改變的具體的某個測試螺栓2-1的編號，對該測試螺栓2-1的裝配剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)螺栓裝配剛度的監(jiān)測與反饋控制。

由于每個測試螺栓2-1是獨立安裝的，因此所述的監(jiān)測和反饋控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)每個測試螺栓2-1的預(yù)緊力或約束剛度進(jìn)行監(jiān)測和反饋控制，通過判斷出引起螺栓約束剛度改變的具體的某個測試螺栓2-1，使反饋控制更具針對性。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。