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新型铝锭码垛机械手动静态性能分析与优化

作　者: 马占义
导　师: 芮执元
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 锭码垛机械手有限元静态分析动态分析优化
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来码垛技术获得了飞速发展,尤其是机器人码垛发展更为迅猛,这种发展趋势是和当今制造领域出现的多品种小批量的发展趋势相适应的。铝锭码垛机器人是整条铝锭生产线中非常重要的环节,码垛机械手又是码垛机器人的执行机构,它的轻量化和动静态性能直接影响着整条生产线的生产效率,对其研究是及其必要的,因此,本文对机械手的动静态性能进行了系统的研究,并以轻量化为目标进行了结构优化,所取得的主要研究成果如下：(1)对铝锭码垛机器人的执行装置—机械手建立了三维实体模型,建模中充分运用了Pro/Engineer强大的实体建模功能与有限元软件ANSYS兼容的能力。对机械手进行了静力分析,得出了机械手在最大工作载荷作用下的应力和变形。经分析其结构的强度和刚度满足要求,但整体应力较低,设计偏于保守,有较大的设计余度。分析结果还得出机械手最大应力和变形分布情况,可为以后结构优化提供参考。(2)为了了解和掌握机械手在提升、运行过程中的动态性能,对机械手整体结构进行了模态分析,得出了机械手结构的固有频率和振型。再设计时如能使这些固有频率避开外激励的频率就能防止机械手发生共振。(3)铝锭码垛机码放的铝锭重量为100kg,另考虑到机械手自身重量属于重载荷,机械手码垛过程会对机器人整体结构产生惯性冲击。为了确定机械手在动态力作用下的应力和响应情况,本文选择了机械手从抓锭至最大高度这一典型工况对其进行了瞬态动力学分析,得出了机械手在这一过程中结构上节点的位移、速度和加速度随时间变化的响应图,为优化设计提供参考。(4)对机械手动静态分析发现,现有结构偏于保守,且过重的质量严重影响机器人可靠性和使用寿命。因此对机械手进行优化,其目的是在满足结构强度刚度和动态性能要求的条件下减小其本身重量。经优化所得新结构有更好的动静态性能,且总体质量减少了20%。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
图表索引  11-13
第1章绪论  13-27
  1.1 课题研究的背景及意义  13-14
  1.2 国内外码垛机的发展状况  14-20
    1.2.1 各种搬运码垛形式及优缺点  14-18
    1.2.2 国外码垛机的发展状况  18-20
    1.2.3 国内码垛机的发展状况  20
  1.3 国内外铝锭码垛技术的发展状况  20-22
  1.4 国内外码垛机械手的发展状况  22-25
    1.4.1 国内外码垛机械手的应用情况  22-24
    1.4.2 国内外铝锭码垛机械手优缺点  24-25
  1.5 本文研究的内容  25-27
第2章优化方法理论研究  27-35
  2.1 引言  27
  2.2 优化设计概念  27-33
    2.2.1 优化数学模型要求  27-29
    2.2.2 优化方法的分类与选择  29-30
    2.2.3 有限元优化方法  30-31
    2.2.4 有限元法的发展和应用  31-32
    2.2.5 有限元法的优越性与局限性  32-33
  2.3 铝锭码垛机械手有限元动力学分析流程  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章铝锭码垛机械手机构设计  35-39
  3.1 引言  35
  3.2 码垛机械手的作业技术要求  35
  3.3 机械手设计方案  35-36
  3.4 机械手的结构设计  36-38
    3.4.1 机械手的抓锭机构设计  36
    3.4.2 机械手夹锭结构的设计  36-37
    3.4.3 压锭结构的设计  37
    3.4.4 机械手整体结构  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章铝锭码垛机机械手有限元静力分析  39-57
  4.1 引言  39
  4.2 机械手结构的弹性力学分析  39-42
  4.3 机械手受力情况的分析与计算  42-44
  4.4 机械手的ANSYS静力分析  44-49
    4.4.1 静力分析有限元基础  44
    4.4.2 有限元计算原理  44-45
    4.4.3 利用ANSYS建模方法的选择  45-46
    4.4.4 机械手模型的建立  46
    4.4.5 确定单元类型  46-47
    4.4.6 材料属性的设置  47
    4.4.7 几种单元网格划分分析  47-49
  4.5 机械手结构的约束与载荷  49-51
  4.6 有限元的分析结果  51-53
  4.7 结构强度校核  53
  4.8 节点位移分布情况  53-55
  4.9 本章小结  55-57
第5章铝锭码垛机械手模态与瞬态动力学分析  57-75
  5.1 引言  57
  5.2 铝锭码垛机械手的模态分析  57-66
    5.2.1 动力学模态分析的理论基础  58-59
    5.2.2 模态分析技术的应用  59-60
    5.2.3 铝锭码垛机械的模态分析  60-66
    5.2.4 铝锭码垛机械手模态分析结果  66
  5.3 铝锭码垛机械手的瞬态动力学分析  66-73
    5.3.1 瞬态动力学分析理论  67-68
    5.3.2 瞬态动力学的求解方法  68-69
    5.3.3 铝锭码垛机械手在抓起铝锭提升过程中的受力分析  69-71
    5.3.4 施加荷载并求解  71-73
  5.4 本章小结  73-75
第6章铝锭码垛机械手上部框架及手爪重量优化  75-83
  6.1 引言  75
  6.2 机械手框架与手爪厚度的优化  75-80
    6.2.1 方案一  75-77
    6.2.2 方案二  77-78
    6.2.3 方案三  78-79
    6.2.4 方案四  79-80
    6.2.5 方案比较  80
  6.3 对机械手上部框架增加加强筋的优化  80-82
    6.3.1 框架加完加强筋的结构  80-81
    6.3.2 改进后的应力变形图  81-82
  6.4 机械手整体优化结果  82
  6.5 本章小结  82-83
结论  83-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  90

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