基于回转体构件的六坐标纤维缠绕轨迹规划

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011099916.9(22)申请日 2020.10.15(71)申请人 青岛本末岩控技术有限公司地址 266590 山东省青岛市黄岛区前湾港路579号(72)发明人 吴士良　孟保威　韩伟　(74)专利代理机构 青岛智地领创专利代理有限公司 37252代理人 陈海滨(51)Int.Cl.G01C 21/16(2006.01)E21F 17/18(2006.01)(54)发明名称一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法(57)摘要本发明提供了一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，涉及采矿工程技术领域，实现了由于采动而跌落的岩体运动轨迹的测量。

步骤包括：在回采巷道内的工作面煤壁前方设置钻孔；通过钻机或锚杆推送安装测量单元；测量单元通过三轴陀螺测量跌落过程的三轴角速度分量；结合三轴角速度分量和运动距离，通过框图算法对测量数据进行处理；将数据处理结果传输至地面，并根据处理结果调整采煤工作面参数。

其中测量单元包括电源模块、传感器模块、主控单元和数据传输模块，测量单元获取加速度三轴方向上的分量以及三轴角速度分量。

该方法结合6轴惯性测量单元能够确定采动影响覆岩的初始状态运动轨迹，从而方便分析矿压及老顶的运动。

权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 112344926 A 2021.02.09C N 112344926A1.一种基于6轴惯性测量单元监测采动覆岩运动的方法，其特征在于，步骤包括：A.在回采巷道的内工作面煤壁前方设置钻孔；B.通过钻机或锚杆推送安装多个测量单元；C.测量单元通过三轴加速度计测量确定顶板跌落过程中加速度在三轴方向上的分量，测量单元通过三轴陀螺测量跌落过程的角速度在三轴方向上的分量；D.获取测量单元的测量数据，通过框图算法对测量数据进行处理；E.将测量数据和数据的处理结果传输至地面，并根据处理结果进行预警或调整采煤工作面参数。

第20期2023年10月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.20October,2023作者简介:王亚芳(1990 ),女,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生;研究方向:图形图像处理㊂基于STEP 的回转叶片体的曲面路径规划算法研究王亚芳,叶㊀飞,胡㊀哲(延安大学西安创新学院,陕西西安710100)摘要:近年来,随着五轴加工技术的发展,对数控软件路径生成功能提出了更高的要求,尤其是对自由曲面加工的刀具路径规划方面㊂文章基于STEP 格式的回转叶片模型,利用Ultimate Eyeshot 实现回转体的目标特征信息提取并进行曲面路径规划㊂本算法研究为回转叶片模型的增材制造提供了新方法,对自由曲面加工具有借鉴意义㊂关键词:STEP 模型;回转叶片;曲面路径规划中图分类号:TG659㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言㊀㊀回转叶片(Rotating Blade)是一种可绕自身轴线回转的叶片,多被装配到诸如燃气涡轮㊁蒸汽涡轮㊁喷气发动机以及相类似物的涡轮部件,或燃气涡轮和喷气发动机的空气压缩机的回转机械上,并以整体方式与主轴一起旋转[1]㊂这类零件表面形状复杂,已经不能通过传统的参数曲面进行表示了,取而代之的是复杂的自由曲面㊂自由曲面具有外观精美㊁自由度高㊁动力学性能优良等优点,在汽车㊁航空㊁造船㊁能源等领域得到了广泛的应用㊂经过将近几十年的发展,自由曲面的造型技术已经比较成熟,而传统三轴数控机床对复杂自由曲面的加工却表现出了诸多弊病,迫切需要发展新的理论和方法㊂五轴联动数控加工技术应运而生,成为解决这类复杂曲面加工问题的重要手段㊂近年来,随着五轴加工技术的发展,对数控软件路径生成功能提出了更高的要求,尤其是对自由曲面加工的刀具路径规划方面[2]㊂路径的规划需要先完成对曲面信息的提取与处理,再制定合理的加工策略来生成符合加工要求的刀具路径信息㊂本文针对基于STEP 文件格式的回转叶片模型,利用Ultimate Eyeshot 库分析㊁提取特征信息,并对单叶片或多叶片加工曲面进行zigzag 路径规划㊂1㊀STEP 标准㊀㊀STEP(Standard for the Exchange of Product ModelData)是一个关于产品数据计算机可理解的表示和交换的国际标准㊂这里的产品数据包括几何㊁拓扑㊁公差㊁关系㊁属性和特征等整个产品生命周期中所包含的全部产品信息[3]㊂现有应用比较广泛的三维CAD软件,如UG㊁Solid works㊁Pro /E 等采用基于STEP 标准的方法,通过对STEP 中性文件中数据模型的特征信息提取,自动规划零件的制造工艺路径㊂本文通过研究㊁分析回转体类叶片的形状特征及工艺特点,按照STEP 规范进行合理的抽象㊁分类,为后期曲面路径规划及数控加工提供有力的支撑㊂2㊀Ultimate Eyeshot㊀㊀Ultimate Eyeshot 是基于.NET Framework 的CAD控件㊂它包括4个不同的Visual Studio 工具箱项目:用于2D 和3D 几何创建的 设计 ㊁用于自动2D 正交视图生成的 绘图 ㊁用于使用线性静态分析进行几何验证的 模拟 和用于CNC 的 制造 刀具路径生成和仿真㊂除此之外,该产品还可以使用CAD 交换文件格式导入和导出几何模型,如IGES㊁STEP㊂但该控件的版本需要与Visual Studio 版本进行匹配,否则无法正常使用,本文实验使用的版本是Eyeshot 11.0和Visual Studio 2017㊂3㊀回转体目标特征信息提取3.1㊀导入STEP 模型㊀㊀本研究利用Ultimate Eyeshot 库ReadSTEP 函数导入基于STEP 的回转体类叶片模型,检查其合法性并将数据存储㊂存储的数据模型不是一个整体,而是多个独立的曲面㊂STEP 模型导入如图1所示㊂3.2㊀设置回转轴㊀㊀根据导入的STEP 模型,需要设置回转轴x /y /z ,回转轴选择与回转体曲面的偏置方向垂直的轴㊂图图1㊀利用Eyeshot导入STEP模型1中STEP模型的回转轴设置为x轴㊂3.3㊀生成回转基面㊀㊀一般回转体零件的表面由诸多基本曲面构成,选择其中一个曲面即可,但要确保其沿回转轴方向延伸㊀㊀后生成的回转曲面能够覆盖所有加工区域㊂依据选取的基本曲面,利用Ultimate Eyeshot库提供的函数直接提取uv控制点㊂同时,分辨u/v作用方向,此方向决定基本回转基面的延伸方向㊂原来的uv控制起点和终点分别沿u/v作用方向延伸一定距离,最终整合成一条完整的NURBS曲线㊂最后,对NURBS曲线进行投影生成最终的回转基面[4]㊂3.4㊀选择加工叶片㊀㊀根据加工需求可以选择一个或多个叶片㊂叶片的表面同样是由多个基本曲面构面的㊂在选取时,务必保证叶片的基本曲面与回转曲面能够构形成闭合的区域,否则在进行曲面路径规划时无法判定有效地加工区域㊂图2分别列出了错误和正确的选取叶片基本曲面㊂图2㊀加工叶片的选取4㊀曲面路径规划㊀㊀提取回转体目标特征后,需要设置光斑直径㊁层高㊁搭接率㊁法向偏置㊁填充路径方向角㊁包围路径起始角及路径填充类型等参数㊂从上一步生成的回转基面开始,沿叶片加工方向进行偏置,求偏置曲面与叶片的交线,判断交线是否能够形成闭合的加工区域㊂根据层高参数设置每层叶片会产生一个甚至多个加工区域,直至偏置曲面与叶片无交线或者无法形成闭合的加工区域则结束循环[5]㊂图3为单叶片多层加工区域,其中层高设置为5mm,共需要加工5层,第1㊁2㊁3㊁5层只产生一个闭合的加工区域,而第4层产生2个闭合的加工区域㊂对每层闭合的加工区域进行处理,利用等步长插补获取加工区域轮廓插补点[6-7]㊂对于加工区域轮廓点的获取,需计算加工区域曲线的边界点,因为加工区域曲线在数据存储时不是一条完整的曲线,而是由多条曲线构成的闭合曲线㊂因此需要对边界的起点和终点进行特殊处理,最终获得加工区域的uv边界点㊂在此基础上,采用等步长插补获取每条加工曲图3㊀单叶片多层加工区域线的插补点,如图4所示㊂利用加工区域轮廓曲线,沿着u或v方向进行切片,计算每一截线的u㊁v范围,并对每一截线进行点离散㊂在离散过程中采用增加离散点密度的方式改善锯齿等距的形态㊂为了后续快速判断,减少往复计算,先将所有加工区域内部路径点存储,再依据光斑直径等参数设置对内部的路径点进行侵蚀,去掉不需要的点,最后可得到单向路径规划点㊂若针对zigzag 填充类型需要增加之字路径规划点[8]㊂图4㊀单叶片多层加工区域轮廓点生成CLS文件㊂CLS文件是由UG生成并可以被多种软件使用的刀具轨迹文件㊂CLS文件记录了刀具位置和其他相关信息,如刀具路径名称㊁刀具名称㊁刀具切削加工时的进给速度㊁刀具轨迹的显示颜色㊁GOTO命令以及辅助说明等[9]㊂其中,GOTO命令的结构如下:GOTO/x,y,z,i,j,k其中,x㊁y㊁z指的是刀具参考点在加工坐标系中的坐标值;i㊁j㊁k指的是刀具在这个刀位点时的刀轴矢量㊂5　结语㊀㊀本文提出利用Ultimate Eyeshot处理基于STEP 文件格式的叶片模型,并实现叶轮叶片的增材制造,试验表明,在合适的工艺参数下,增材制造的叶片完整,成形良好㊂参考文献[1]刘国田.回转面刀具侧铣叶轮叶片曲面的刀位规划研究[D].大连:大连交通大学,2015.[2]王国先.五轴联动加工中自由曲面的刀具路径规划研究[D].无锡:江南大学,2022.[3]孙家坤.基于iMAN的产品信息组织与处理[D].济南:山东大学,2002.[4]胡盼旺.复杂回转类零件自动特征识别算法研究[D].武汉:华中科技大学,2019.[5]孙立镌,梁颖,孙大松.自由曲面特征的定义与识别技术的研究[J].计算机工程与应用,2011(16): 204-206,234.[6]江本赤,王建彬,苏学满.一种双NURBS曲线的参数迭代插补算法[J].机械科学与技术,2019(5): 754-760.[7]王朝琴,石玗,王小荣.基于双NURBS曲线的叶轮叶片工业机器人GMAW增材制造[EB/OL].(2023-01-20)[2023-08-04]./kcms/ detail/44.1259.th.20230119.1611.001.html.[8]李丽,房立金,王国勋.NURBS曲面五轴加工刀具路径规划技术研究[J].机械制造,2014(2):5-9. [9]于桂欣,张定华,单晨伟,等.叶片螺旋铣加工中的刀具轨迹动力学分析与优化方法研究[J].新技术新工艺,2006(4):47-50.(编辑㊀姚㊀鑫)Research on surface path planning algorithm of rotary blade based on STEPWang Yafang Ye Fei Hu ZheXi an Innovation College of Yan an University Xi an710100 ChinaAbstract In recent years with the development of five-axis machining technology higher requirements have been put forward for the path generation function of CNC software especially for the tool path planning of free-form surface machining.Based on the rotary blade model in STEP format this paper uses Ultimate Eyeshot to extract the target feature information of the rotary body and carry out surface path planning.The research of this algorithm provides a new method for the additive manufacturing of rotary blade model and has reference significance for free-form surface machining.Key words STEP model rotary blade surface path planning。

专利名称：应用于带有凹曲面的组合回转体的纤维缠绕方法及系统
专利类型：发明专利
发明人：祖磊,张骞,王相龙,陈世军,张桂明,吴乔国
申请号：CN202111310402.8
申请日：20211104
公开号：CN114043745A
公开日：
20220215
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种应用于带有凹曲面的组合回转体的纤维缠绕方法及系统，包括：根据凹面回转体部分任意位置的横截面的半径确定凹面回转体部分任意位置的最小缠绕角度；根据凹面回转体部分任意位置的最小缠绕角度确定凸面回转体部分任意位置的最小缠绕角度；根据凸面回转体部分任意位置的最小缠绕角度确定前极孔和后极孔的最小缠绕角度；根据凹面回转体部分任意位置的最小缠绕角度确定最小中心转角；根据凹面回转体部分任意位置的最小缠绕角度、凸面回转体部分任意位置的最小缠绕角度、前极孔和后极孔的最小缠绕角度以及最小中心转角，对带有凹曲面的组合回转体进行纤维缠绕。

本发明能在避免缠绕成型过程中发生纤维架空现象的同时，提高线型精度。

申请人：合肥工业大学
地址：230009 安徽省合肥市屯溪路193号合肥工业大学
国籍：CN
代理机构：北京高沃律师事务所
代理人：刘芳
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6自由度机器人机械结构设计及路径规划摘要近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。

我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。

典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合任务书的要求，设计了一种小型的实现移动的六自由度串联机器人。

首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D- H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解。

机器人广泛应用于工业、农业、医疗及家庭生活中，工业机器人主要应用领域有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。

总之，工业机器人的多领域广泛应用，其发展前景广阔。

关键词：机器人关节，运动学分析，工业机器人，自由度CONSTRUCTION DESIGN、KINEMATICS ANALYSIS OF SIX DEGREE OF FREEDOM ROBOTABSTRACTIn the past twenty years, the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study , design and applied different kinds of robots, especially industrial robots.Most typical industrial robots such as welding robot, painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project, the author have designed a kind of small-size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.First of all, several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time, The kinematics analysis was conducted, coordinate transformation matrix using D - H method was set up, and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced, robots are widely used in industry, agriculture, medical and family life, the main application areas of industrial robot are complex operations includes welding, spot welding, assembly, handling, painting, inspection, palletizing, grinding polishing and Laser processing etc. In one word, the development prospects of widely used in many fields of industrial robots are broad.KEY WORDS：Robot joints，Kinematics Analysis，Industrial robot，Degree of freedom.目录前言 (1)第1章工业机器人介绍 (2)§1.1工业机器人概述. (2)§1.2 工业机器人的驱动方式 (3)§1.3 工业机器人的分类. (3)第2章工业机器人结构方案确定 (4)§2.1机器人自由度分配和手臂手腕构形 (4)§2.2传动系统布置 (5)§2.3方案描述 (6)第3章机械设计部分 (8)§3.1底座旋转台设计. (8)§3.1.1 电机选择...................................错误!未定义书签。

复合材料构件手工成型时，根据铺放形面特征和预浸带宽度经剪裁后通过手工铺叠到模具表面完成复合材料构件的成型制造，其生产效率低、废料率高、产品质量也难以保证。

自动铺放技术（包括自动铺带技术和自动铺丝技术）利用专用铺放设备，采用数控技术，实现了铺叠的自动化和预浸带剪裁的自动化，突破了大型复合材料构件手工成型难以克服的瓶颈，具有高效、高质、高精度和高可靠性的优点，已广泛应用于大型飞机、运载火箭等各类航空航天飞行器中多种结构部件的制造，成为发达国家航空航天工业领域中大型复合材料构件的典型制造工艺（如图1所示）。

方向性要求：纤维铺放方向必须满足复合材料结构铺层设计方向。

复合材料既是一种材料也是一种结构，其突出优点之一是性能的可设计性，不同的铺层方向与铺层形式可以形成不同性能的复合材料。

因此，按结构工艺设计要求的纤维方向进行铺放是实现结构设计要求的基础，也是设计铺放轨迹规划算法的基本准则。

可铺性要求：铺放过程中预浸料不褶皱、不撕裂。

自动铺放技术采用一定宽度的预浸带：自动铺带技术采用75/150/300mm等3种宽度的预浸带，自动铺丝技术采用3.2/6.4/12.7mm 等3种宽度的窄带。

预浸带可变形范围很小，复杂曲面铺叠时只能沿特定的轨迹，否则会导致褶皱或撕裂，继而影响构件的铺放质量，甚至导致铺放过程无法顺利进行（如图2所示）。

在复杂曲面构件自动铺放轨迹规划时，其算法必须根据构件曲面外形综合考虑预浸帯在铺放过程中的变形因素。

间隙质量要求：单层铺放时满足间隙容差设计要求，满覆盖、不重叠。

自动铺放时，由于构件形面的复杂性，按照一定算法求解所形成的铺放轨迹并不一定能保证铺放轨迹中心线间的距离保持恒定，间隙可能过小或过大，如不进行适当处理，将导致材料局部重叠或空缺（如图3所示），从而降低制造精度，影响构件性能。

经济性要求：在满足上述要求的基础上尽可能节约材料、降低成本，提高效率。

根据铺放轨迹并按照铺放构件曲面边界特性进行预浸带边界形状规划，生成预浸带切割与预浸带输送（自动铺带）或丝束增减切断（自动铺丝）的特殊指令代码，同时根据铺叠顺序进行整合优化，降低成本，提高效率。

摘要在当今轮毂制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

本文设计和研究了一个六自由度的工业机器人，用于生产线的进送料和装配。

首先，本文对生产线布局进行改造设计，提高生产的工作效率，然后，根据设计要求设计了机器人的整体方案和具体的机械结构，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的底座、大臂、小臂和手部的结构；并且对机器人的传动结构进行设计，机器人为六自由度关节型机器人，全部采用转动关节，关节处采用电机，减速机，齿轮传动机构，蜗轮蜗杆传动机构来实现各个自由度，从而实现所需的运动。

在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，采用PC+DSP运动控制卡的控制方式，确定了控制系统的总体方案，设计了PCI 总线接口电路和DSP。

关键词: 六自由度工业机器人；生产线；结构设计；控制系统；各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩PPT）可加解。

AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take playback way.In this paper ,I will design an industrial robot with six DOFs.First, I will transform line layout and design the structure of the baseto improve the work efficiency of production ,and then, according to the design requirements ,I design the robot mechanical structure of the overall plan and specific ,and chose the right means of transmission and drive mode,Then ,I design the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot,and I design the transmission structure, This robot is a 6-DOF joint robot,These joints are all rotary joints, joints used motor, reducer, gear transmission, worm gear and worm drive mechanism to realize various degrees of freedom, so as to achieve the required movement.On this basis, this paper will design the control system of the robot, which controlled by PC and DSP motion control card, and determine the overall scheme of the control system, design DSP and PCI bus interface circuit .Keywords: 6-DOF industrial robot, line layout , structure design, the control system目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................. I I 第1章绪论 . (5)1.1 课题背景及研究的目的和意义 (5)1.2国内外在该方向的研究现状及分析 (6)1.3 本文的主要研究内容 (9)第2章生产线布局及总体方案的确定 (9)2.1 生产线布局方案 (9)2.1.1机械手 (10)2.1.2 工作流程 (10)2.1.3方案预期达到的目标 (11)2.2总体方案的设计 (11)2.2.1机构的选型 (11)2.2.2驱动方式的选择 (12)2.2.3 传动方案的选择 (13)2.2.4 总体结构方案设计 (14)2.2.5控制方案的设计 (17)2.2.6技术参数列表 (17)2.3 本章小结 (18)第3章结构的设计 (19)3.1 引言 (19)3.2 电机力矩的计算以及驱动电机的选择 (19)3.3减速器的设计 (21)3.4 腰部的设计 (21)3.5 手臂的设计 (22)3.5.1手臂的设计基本要求 (22)3.5.2大臂和小臂 (22)3.5.3连杆 (24)3.6手腕部的设计 (24)3.7末端执行器的设计 (24)3.8本章小结 (26)第4章传动系统的设计及校核 (26)4.1腰部蜗轮蜗杆设计及校核 (26)4.2 腕部传动系统设计及校核 (27)4.2.1传动方案 (27)4.2.2齿轮的设计及校核 (27)4.2.2.1齿轮组设计 (27)4.2.2.2 直齿圆锥齿轮的设计 (27)4.2.3 轴的设计 (27)4.3 本章小结 (29)第5章控制系统设计 (29)5.1 引言 (29)5.2 控制系统的设计 (29)5.2.1 控制系统的类型选择 (29)5.2.2 控制系统的硬件电路 (30)5.3 PCI的接口设计 (30)5.4 DSP的设计 (31)5.4.1 DSP概述 (31)5.4.2 DSP硬件电路 (31)5.4.3 DSP软件 (32)5.5本章小结 (32)结论 (32)参考文献 (34)致谢 (35)第1章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义轮毂制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。