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垃圾车导轨式机械手动力学仿真及结构优化

作　者: 陶有朋
导　师: 卿启湘; 陈南
学　校: 湖南大学
专　业: 机械工程
关键词: 导轨式机械手结构设计动力学仿真有限元分析结构优化
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着我国城市现代化建设和乡镇城市化进程明显加快，城市生活垃圾日益增多。环境保护意识的增强催生了国家和地方的环保政策不断出台，促进了垃圾自动收集的快速创新发展。现有的垃圾收集模式主要是“垃圾桶一环卫工人手推车—垃圾收集点一垃圾中转站”一垃圾处理场，效率低，人工劳动强度大，其中垃圾收集站或中转站直接影响城市环境质量和城市建设。垃圾收集技术方面，国内主要采用人工移动垃圾桶到垃圾车边，上挂钩，半自动升降垃圾桶倾倒垃圾；国外出现采用机械手自动抓取垃圾桶，但存在机械手撞倒垃圾桶、不能自动实现手爪对准垃圾桶动作等问题。本文针对机械手撞倒垃圾桶、不能自动实现手爪对准垃圾桶动作等问题，提出抓取垃圾桶导轨式机械手方案，并应用虚拟样机技术、有限元技术，以ADAMS、HyperWorks软件为工具，对导轨式机械手进行设计与优化，主要内容如下：(1)基于垃圾桶自动收集的功能要求和技术指标，以及国内外现有垃圾车机械手的优缺点，提出导轨式机械手的总体设计方案，并完成详细的结构设计和接口设计；(2)应用动力学仿真软件ADAMS，建立导轨式机械手虚拟样机模型，在各种典型工况下，对机械手抓取垃圾桶的过程进行仿真分析，得出相应的夹紧力、支座反力以及机械手复合运动的液压缸驱动力，并应用结构静力学理论对仿真数据进行验算；(3)应用HyperWorks软件，建立导轨式机械手有限元模型，在各种典型工况下，对机械手进行有限元分析，得出机械手不同工况下的应力变形云图，并进行静强度刚度校核；(4)基于OptiStmct平台，利用结构优化方法对导轨式机械手进行轻量化设计，以主要部件的板厚为设计变量，全伸臂工况下各个部件的最大允许应力为约束条件，机械手质量最轻为目标函数，对主要部件板厚进行合理的优化设计，得出一款满足一定工程要求，且质量最轻的导轨式机械手。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 选题背景及意义  11
  1.2 国内外垃圾车机械手研究现状  11-15
  1.3 现有垃圾车机械手存在的问题  15-16
  1.4 课题来源及主要研究内容  16-17
第2章导轨式机械手部件的结构设计  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 设计依据  17-19
    2.2.1 坐标系定义  17
    2.2.2 功能要求  17-18
    2.2.3 驱动形式  18-19
    2.2.4 技术指标  19
  2.3 工作原理  19-21
  2.4 主要部件设计  21-26
    2.4.1 末端手爪  21-24
      2.4.1.1 方案设计  22-24
    2.4.2 导轨机构  24-26
      2.4.2.1 X向导轨机构  24-25
      2.4.2.2 Y向导轨机构  25
      2.4.2.3 Z向导轨机构  25-26
  2.5 液压系统设计  26-29
    2.5.1 液压系统组成  26
    2.5.2 确定系统工作压力  26-27
    2.5.3 计算液压缸流量  27-28
    2.5.4 设计液压系统原理图  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章机械手抓取垃圾桶过程的动力学仿真与分析  30-54
  3.1 引言  30
  3.2 虚拟样机技术  30-31
  3.3 导轨式机械手虚拟样机模型  31-35
    3.3.1 建立几何模型  31-32
    3.3.2 施加运动约束  32-34
    3.3.3 驱动及外载荷  34-35
  3.4 主要工况  35-36
  3.5 导轨式机械手动力学仿真分析  36-49
    3.5.1 典型工况1仿真分析  37-41
    3.5.2 典型工况2仿真分析  41-45
    3.5.3 典型工况3仿真分析  45-49
  3.6 仿真数据验算  49-52
    3.6.1 末端手爪夹紧力理论计算  49-50
    3.6.2 X、Y向导轨接口处支座反力理论计算  50-52
  3.7 本章小结  52-54
第4章导轨式机械手的有限元力学性能分析  54-72
  4.1 引言  54
  4.2 有限元理论  54-55
  4.3 箱式节臂危险截面及滑块应力计算  55-56
  4.4 导轨式机械手有限元模型  56-60
    4.4.1 网格划分  57-59
    4.4.2 接触连接处理  59
    4.4.3 载荷及边界条件  59-60
    4.4.4 计算参数  60
  4.5 计算工况选取  60-61
  4.6 静强度刚度校核  61-69
    4.6.1 基本臂工况校核  62-63
    4.6.2 中长臂工况校核  63-65
    4.6.3 全伸臂工况校核  65-69
  4.7 结果分析  69-70
  4.8 本章小结  70-72
第5章导轨式机械手的结构优化  72-80
  5.1 引言  72
  5.2 结构优化  72-74
    5.2.1 结构优化的数学模型  72-73
    5.2.2 OptiStruct结构优化技术  73-74
  5.3 机械手结构优化模型  74-75
    5.3.1 设计变量的选取  74
    5.3.2 约束条件的确定  74-75
    5.3.3 目标函数的定义  75
  5.4 优化结果  75-79
  5.5 本章小结  79-80
总结与展望  80-82
参考文献  82-85
致谢  85

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