注塑机械手的结构设计与力学性能分析

摘要

随着塑胶行业的发展，注塑机械手与注塑机的配套使用成为行业发展的必然。注塑机的生产效率在很大程度上取决于注塑机械手的工作效率，当前大多数注塑企业仍然采用气动、单轴注塑机械手，不能很好的适应注塑企业的发展需求，大型注塑企业逐渐将全伺服驱动、多轴注塑机械手应用于企业生产中。
　　基于以上情况的考虑，本文的研究重点是五轴伺服注塑机械手的结构设计及其力学性能分析。相比目前国内常见的注塑机械手，本文所设计的机械手有以下特点:结构设计方面，机械手的横梁、悬臂梁均采用薄壁空心的高强度铝合金材料，轻质高速，噪声更小;机械手的前后臂利用双节倍速的原理，采用内外臂嵌套的方式，既提高了机械手的工作效率又降低了机械手的整体高度;机械手的各轴的运动均采用交流伺服电机与减速器结合的驱动方式，增大了各轴的运动速度，提高了运动的平稳性;机械手的横行、引拔及上下行均采用高扭矩同步带惰轮组传动，代替传统的滚珠丝杠传动，解决了采用齿轮齿条高速运行时的噪声问题，克服了其在转动时易产生共振而磨损加剧的不良影响。力学性能分析方面，利用ANSYS对机械手进行有限元分析，根据分析结果，应用ANSYS的拓扑优化功能改进机械手的结构，提出三种拓扑优化方案，即横梁的结构优化、悬臂梁的结构优化、横梁与悬臂梁的综合结构优化。经分析比较，综合优化方案的减振效果最佳，三个自由度的最大振幅均大幅降低，x方向振幅下降40％，y方向振幅下降87％，z方向振幅下降76％，改善了机械手动态性能，减小了机械手在工作过程中的振动。具体的研究过程如下:
　　首先，根据注塑机械手的工作原理及技术指标，提出设计要求，确定设计方案，依据设计方案，运用SolidWorks进行机械手各部分的结构设计，完成机械手结构设计部分的工作。其次，运用ADAMS对所设计的机械手进行运动学仿真，得出机械手的运动学参数，测试机械手的运动能否满足设计的要求。再次，运用ANSYS软件对机械手进行有限元分析，通过静力学分析，检验机械手的结构刚度是否满足工作要求，通过动力学分析，检验机械手的振动是否符合工作要求。最后，针对有限元分析的结果，应用ANSYS的拓扑优化功能，对所设计的机械手的关键部件进行拓扑优化，提高了机械手的振动特性。最终完成了注塑机械手模型的建立，并验证了模型的合理性，完成了注塑机械手结构的设计工作。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的来源、研究背景及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究背景

1．1．3 课题的研究意义

1．2 注塑机械手概述及国内外发展现状

1．2．1 注塑机械手的分类与组成

1．2．2 注塑机械手的国内外发展现状

1．3 课题的主要研究内容

1．4 本文的组织结构

1．5 本章小结

第二章 注塑机械手的总体设计

2．1 注塑机械手的总体方案描述

2．1．1 注塑机械手功能要求

2．1．2 注塑机械手性能参数及结构设计要求

2．1．3 注塑机械手控制系统的设计要求

2．1．4 注塑机械手的总体结构

2．2 注塑机械手执行系统的结构设计

2．2．1 前臂和后臂

2．2．2 横梁的结构设计

2．2．3 悬臂梁的结构设计

2．2．4 手部的设计

2．3 注塑机械手驱动系统的结构设计

2．3．1 驱动方式的选择

2．3．2 横行结构的驱动设计

2．4 伺服电机与减速器的计算

2．4．1 减速器的计算

2．4．2 伺服电机的计算

2．5 注塑机械手底座的结构设计

2．6 注塑机械手的装配

2．6．1 装配体的结构及特点

2．6．2 注塑机械手的干涉检查

2．7 本章小结

第三章 注塑机械手运动学仿真分析

3．1 ADAMS中模型的设置

3．1．1 ADAMS中模型的导入

3．1．2 零件属性的设置

3．1．3 运动副的添加

3．1．4 驱动的设置

3．2 运动曲线的分析

3．2．1 前臂在横行方向上的位移速度仿真曲线

3．2．2 前臂在上下行方向的位移、速度仿真曲线

3．2．3 前臂在引拔方向的速度、位移仿真曲线

3．2．4 后臂在引拔方向的速度、位移曲线

3．3 本章小节

第四章 注塑机械手的有限元分析

4．1 有限元方法与软件

4．1．1 有限元方法

4．1．2 有限元软件的选择

4．2 ANSYS有限元建模

4．2．1 结构体的简化原则

4．2．2 网格划分的原则

4．2．3 约束及载荷的设定原则

4．3 注塑机械手的静力学分析

4．3．1 约束和载荷的添加

4．3．2 分析结果

4．4 注塑机械手的动力学分析

4．4．1 动态特性

4．4．2 模态分析

4．4．3 谐响应分析

4．5 本章小结

第五章 注塑机械手的改进设计

5．1 横梁的拓扑优化与分析

5．1．1 横梁的拓扑优化

5．1．2 优化结果的分析

5．2 悬臂梁的拓扑优化与分析

5．2．1 悬臂梁的拓扑优化

5．2．2 优化结果的分析

5．3 注塑机械手的综合优化和分析

5．3．1 静力分析

5．3．2 振动模态分析

5．3．3 谐响应分析

5．4 优化方案的对比

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢