铝合金浇铸机器人的结构优化研究

摘要

工业机器人作为一种高效的自动化生产工具在各行业得到了广泛应用,这也促使着人们对机器人进行更深入的探索;近年,中国汽车产业的繁荣,带动了汽摩配产业的发展,为工业机器人的应用提供了更广阔的舞台,浇铸机器人也承担了更多的现场作业,对浇铸机器人进行分析和优化研究具有积极的经济、学术价值。
　　本文主要对一款铝合金浇铸机器人进行了结构优化研究。
　　首先,利用Pro/E、ADAMS以及Mech/Pro接口建立了机器人的虚拟样机模型;接着,建立机器人 DH坐标系,求取了一、二阶影响系数矩阵,推导了机器人的拉格朗日和牛顿—欧拉形式的动力学方程;并采用叠加法对机器人的工作空间进行分析得到了机器人的工作空间。
　　然后,分析浇铸过程,得到机器人性能要求。推导出了机器人静刚度性能指标;提出了速度/加速度综合性能指标以及表征关节力矩—末端操作力的动力学指标,并利用平面二自由度串联机器人机构验证了其对机器人性能描述的可行性和正确性。
　　再后,以速度/加速度综合性能指标为目标函数,以机器人的静刚度指标、动力学指标的导出式以及甲方提出的工作空间等具体要求为约束函数,建立机器人机构尺寸优化模型。通过对目标函数耦合性的分析,结合优化模型的非线性和不可微性,选用NSGA-II法对优化模型进行求解,从Pareto解集中选择最佳的尺寸组合,通过理论计算证明了优化后的机器人速度、加速度性能得到了改善。
　　根据优化后的机构尺寸,更改了相关零部件,重新构建了机器人的虚拟样机模型,通过ANSYS和ADAMS建立了刚柔耦合模型,通过仿真获得了关键零部件在最坏情况下载荷数据,并在ANSYS中进行有限元分析校核,确保了更改后的机器人的可靠性。同时,对机器人加装浇铸器后的平衡性能进行优化,建立了平衡缸弹簧参数优化模型,利用遗传算法进行求解,得到了平衡效果更优的弹簧参数。
　　最后,利用优化前后的虚拟样机对两次优化结果进行仿真验证。让优化前后的机器人末端参考点沿着工作空间中同一轨迹运行,结果发现各关节角速度、角加速度幅值有了不同程度的下降,并且变化更加平缓,验证了机构尺寸优化结果。然后让机器人从蜷缩姿态伸展到最大臂展姿态,发现优化后的弹簧平衡力矩对重力矩的跟随性变得更好,平衡性能得到了提高。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题来源、背景与研究意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究背景与意义

1.2 国内外铝合金浇铸机器人简介

1.2.1 当今工业机器人发展现状

1.2.2 国外浇铸机器人简介

1.2.3 国内浇铸机器人简介

1.3机器人相关技术简介

1.3.1 机器人的相关性能指标研究

1.3.2 机器人的工作空间

1.3.3 机器人的结构优化简介

1.3.4 机器人虚拟样机技术简介

1.4 课题主要研究内容与目的

第2章 WF160铝合金浇铸机器人建模与分析

2.1 机器人虚拟样机的建立

2.2 机器人影响系数矩阵

2.2.1 机器人的DH坐标系

2.2.2 一阶影响系数矩阵——雅克比矩阵

2.2.3 二阶影响系数矩阵——Hessian矩阵

2.3 机器人动力学模型分析

2.4.1牛顿-欧拉方程动力学模型

2.4.2拉格朗日动力学模型

2.4机器人工作空间分析

2.5 本章小结

第3章 铝合金浇铸机器人的性能指标研究

3.1 WF160铝合金浇铸机器人作业分析

3.2 机器人刚度性能指标研究

3.2.1 讨论机器人刚度的必要性

3.2.2 机器人刚度性能指标

3.3 机器人速度/加速度综合性能指标研究

3.3.1 速度/加速度全域性能指标

3.3.2 速度/加速度全域性能波动指标

3.3.3 速度/加速度综合性能指标

3.4 机器人动力学性能指标研究

3.4.1力和力矩的传递性能分析

3.4.2 机器人的动力学性能指标

3.5 性能指标的验证

3.5.1 速度综合性能指标验证

3.5.2 动力学性能指标验证

3.6 本章小结

第4章 机构尺寸优化模型的建立与求解

4.1 优化模型的建立

4.1.1 优化目标函数

4.1.2 优化变量

4.1.3 优化约束条件

4.1.4优化模型的建立

4.2 优化模型分析

4.2.1 目标函数的耦合分析

4.2.2 优化算法的选择

4.3 基于NSGA-II的优化模型求解

4.4 优化结果的理论分析

4.5 本章小结

第5章 机器人关键部件分析与系统仿真验证

5.1 机器人关键部件有限元分析

5.1.1 基于刚柔耦合模型的有限元分析方法

5.1.2 零部件相关尺寸的确定

5.1.3 相关零部件的有限元校核分析

5.2平衡器弹簧参数的优化设计

5.3 系统仿真验证

5.3.1 尺寸优化仿真验证

5.3.2 平衡缸弹簧优化仿真验证

5.4 本章小结

结 论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢