CN108656091A - 一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人 - Google Patents

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赵云阁
李胜榴
李铭楠
朱颖
张瑞
徐志龙
乐文
曹楠楠
崔文豪
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Abstract

本发明公开了一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，涉及工业机器人技术领域，包括安装底板，所述安装底板的顶部设置有旋转底座和控制装置，所述旋转底座的顶部设置有旋转电机，所述旋转电机的输出轴对称安装有两组旋转大臂，两组所述旋转大臂之间设置有加强连接板，两组所述旋转大臂的顶端之间安装有旋转小臂，所述旋转小臂的侧壁设置有扭转电机，所述旋转大臂和所述旋转小臂的外壁均包裹有压电复合材料减振层，所述压电复合材料减振层通过导线与控制装置电性连接。本发明实现了对工业机器人进行主动振动控制，减少因为振动而对工业机器人的正常工作和使用寿命的影响，从而保证工业的生产效率。

Description

一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物(例如聚偏氟乙烯活环氧树脂)的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。
在一些特殊情况下，不必要的振动会给我们带来很多麻烦，甚至灾难性后果。智能结构通过感测外界环境及自身的状态的变化进行判断，发出控制指令和执行相应的动作，已被广泛应用于结构振动领域。
工业机器人在工业生产中占有非常重要的地位，但是工业机器人在工业生产过程中常常因为振动而造成工业机器人的损伤，从而影响工业机器人的正常工作和使用寿命，进而影响工业的生产效率。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人以解决上述问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是工业机器人在工业生产过程中常常因为振动而造成工业机器人的损伤，从而影响工业机器人的正常工作和使用寿命，进而影响工业的生产效率的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，包括安装底板，所述安装底板的顶部设置有旋转底座和控制装置，所述旋转底座的顶部设置有旋转电机，所述旋转电机的输出轴对称安装有两组旋转大臂，两组所述旋转大臂之间设置有加强连接板，两组所述旋转大臂的顶端之间安装有旋转小臂，所述旋转小臂的侧壁设置有扭转电机，所述旋转大臂和所述旋转小臂的外壁均包裹有压电复合材料减振层，所述压电复合材料减振层通过导线与控制装置电性连接，所述旋转电机和扭转电机均通过控制装置与外界电源电性连接。
进一步地，所述扭转电机的输出端设置有机器手臂。
进一步地，所述机器手臂的侧端设置有固定夹具。
进一步地，所述机器手臂的外壁包裹有压电复合材料减振层。
进一步地，所述安装底板的底部开设有安装插孔。
进一步地，所述控制装置为微程序控制器。
进一步地，所述所述旋转大臂与所述旋转电机和所述旋转小臂的连接处均设置有转动轴承。
进一步地，所述加强连接板与所述旋转大臂之间为一个整体，且所述加强连接板与所述旋转大臂之间为一体化焊接成型。
进一步地，所述压电复合材料减振层包括两组顶部交叉电极和两组底部交叉电极，且所述顶部交叉电极与所述底部交叉电极上下平行设置，两组所述顶部交叉电极之间相互交叉设置，所述底部交叉电极与所述顶部交叉电极的结构相同。
进一步地，所述顶部交叉电极与所述底部交叉电极之间设置有复合材料层，所述顶部交叉电极、所述底部交叉电极和所述复合材料层之间填充有环氧树脂。
在本发明的较佳实施方式中，提供了一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，通过控制装置和压电复合材料减振层的智能结构和集成技术相结合的技术手段，同时利用压电复合材料减振层重量轻、体积小、能耗低，响应快、刚度大的优良性能的同时，采用基体材料和压电材料复合的方法得到了压电复合材料，它克服了纯压电陶瓷在脆性、相容性、可靠性方面的缺陷，从而使得压电复合材料可以大面积使用和布置的特性，采用压电阻尼器对减振结构进行减振控制，将压电阻尼转化为等效的结构阻尼加到结构上，应用不同算法，以指定目标点的位移最小为减振指标，优化压电阻尼器的位置，对减振结构进行最优主动减振控制，实现对工业机器人进行主动振动控制，减少因为振动而对工业机器人的正常工作和使用寿命的影响，从而保证工业的生产效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人的压电复合材料减振层结构示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人的压电主动控制原理图。
其中，1-安装底板，2-旋转底座，3-控制装置，4-旋转电机，5-旋转大臂，6-加强连接板，7-旋转小臂，8-扭转电机，9-机器手臂，10-固定夹具，11-压电复合材料减振层，111-顶部交叉电极，112-底部交叉电极，113-复合材料层，114-环氧树脂，12-安装插孔。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，包括安装底板1，安装底板1的顶部分别设置有旋转底座2和控制装置3，且控制装置3设置在旋转底座2的一侧，旋转底座2的顶部设置有旋转电机4，旋转电机4的输出轴对称安装有旋转大臂5，两组旋转大臂5之间设置有加强连接板6，两组旋转大臂5的顶端之间安装有旋转小臂7，旋转小臂7的右侧壁设置有扭转电机8，扭转电机8的输出端设置有机器手臂9，机器手臂9的右端设置有固定夹具10，旋转大臂5、旋转小臂7和机器手臂9的外壁均包裹有压电复合材料减振层11，安装底板1的底部均匀开设有安装插孔12，压电复合材料减振层11通过导线与控制装置3电性连接，旋转底座2、旋转电机4、旋转小臂7和扭转电机8均通过控制装置3与外界电源电性连接。
其中，控制装置3为微程序控制器，微程序控制器结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序，要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，旋转大臂5与旋转电机4和旋转小臂7的连接处均设置有转动轴承，减少旋转大臂5与旋转电机4和旋转小臂7之间的磨损，加强连接板6与旋转大臂5之间为一个整体，且加强连接板6与旋转大臂5之间为一体化焊接成型，提高旋转大臂5的结构强度。
如图2所示，压电复合材料减振层11包括两组顶部交叉电极111和两组底部交叉电极112，且顶部交叉电极111与底部交叉电极112上下平行设置，两组顶部交叉电极111之间相互交叉设置，底部交叉电极112与顶部交叉电极111的结构相同，顶部交叉电极111与底部交叉电极112之间均匀设置有复合材料层113，顶部交叉电极111、底部交叉电极112和复合材料层113之间填充有环氧树脂114，方便本发明对减振结构进行最优主动减振控制。
本发明在使用时，通过控制装置3控制旋转底座2的转动，使本发明能够进行水平方向上角度调整，通过控制装置3控制旋转电机4的转动，带动旋转大臂5进行竖直方向上的角度调整，通过控制装置3控制旋转小臂7的转动，使本发明能够进行竖直方向上的微角度调整，通过控制装置3控制扭转电机8的转动，带动机器手臂9的转动，方便对固定夹具10进行扭转操作，通过固定夹具10的设置，方便与外界零件之间的夹紧，通过控制装置3对压电复合材料减振层11中的顶部交叉电极111和底部交叉电极112进行通电，使复合材料层113和环氧树脂114能够在顶部交叉电极111和底部交叉电极112的电能作用下沿着极化方向上进行水平的伸长或缩短，采用压电阻尼器对减振结构进行减振控制，将压电阻尼转化为等效的结构阻尼加到结构上，应用不同算法，以指定目标点的位移最小为减振指标，优化压电阻尼器的位置，对减振结构进行最优主动减振控制，实现对工业机器人进行主动振动控制。
如图3所示，为压电主动控制原理图。当被控结构受到外界的干扰产生低频振动的时候，压电传感器接收到振动产生的力，并将力信号转化为电信号输出给控制器，控制器接收到压电传感器传来的电信号之后将电信号放大并及时的传递给压电作动器，压电作动器接收到控制器传来的电信号之后，将产生一个和扰动力反向的力，从而抑制被控结构的振动。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，包括安装底板，所述安装底板的顶部设置有旋转底座和控制装置，所述旋转底座的顶部设置有旋转电机，所述旋转电机的输出轴对称安装有两组旋转大臂，两组所述旋转大臂之间设置有加强连接板，两组所述旋转大臂的顶端之间安装有旋转小臂，所述旋转小臂的侧壁设置有扭转电机，所述旋转大臂和所述旋转小臂的外壁均包裹有压电复合材料减振层，所述压电复合材料减振层通过导线与控制装置电性连接，所述旋转电机和扭转电机均通过控制装置与外界电源电性连接。
2.如权利要求1所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述扭转电机的输出端设置有机器手臂。
3.如权利要求2所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述机器手臂的侧端设置有固定夹具。
4.如权利要求2所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述机器手臂的外壁包裹有压电复合材料减振层。
5.如权利要求1所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述安装底板的底部开设有安装插孔。
6.如权利要求1所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述控制装置为微程序控制器。
7.如权利要求1所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述所述旋转大臂与所述旋转电机和所述旋转小臂的连接处均设置有转动轴承。
8.如权利要求1所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述加强连接板与所述旋转大臂之间为一个整体，且所述加强连接板与所述旋转大臂之间为一体化焊接成型。
9.如权利要求1所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述压电复合材料减振层包括两组顶部交叉电极和两组底部交叉电极，且所述顶部交叉电极与所述底部交叉电极上下平行设置，两组所述顶部交叉电极之间相互交叉设置，所述底部交叉电极与所述顶部交叉电极的结构相同。
10.如权利要求9所述的一种基于压电复合材料可实现振动控制的工业机器人，其特征在于，所述顶部交叉电极与所述底部交叉电极之间设置有复合材料层，所述顶部交叉电极、所述底部交叉电极和所述复合材料层之间填充有环氧树脂。
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