拱架安装机械手运动学、动力学研究

摘要

我国山岭隧道施工以钻爆法为主，当进行软弱围岩施工时，须采用钢拱架作为初期支护，以保证施工安全。而国内普遍采用的人工安装方式已难以适应隧道快速施工的要求，需要一种拱架安装专用设备。拱架安装机集钢拱架运输与安装等功能于一身，其核心工作装置是拱架安装机械手。拱架安装机械手的结构性能直接关系到整机的作业性能和制造、使用成本，对其进行深入研究具有重要意义。本文在分析我国隧道施工环境和钢拱架安装工艺的基础上，提出拱架安装机的设计方案，并对拱架安装机械手进行运动学和动力学进行研究。论文主要内容如下:
　　 首先对国内外现有的拱架安装设备性能和特点进行对比分析，结合我国隧道施工要求，提出拱架安装机的设计方案，介绍其主要结构和工作原理，并运用SolidWorks软件建立拱架安装机械手的三维模型，为后续的仿真分析作准备。
　　 其次结合拱架安装机械手的结构特点，运用D-H法建立拱架安装机械手的运动学方程，并验证运动学方程的正确性;采用蒙特卡洛法和Matlab软件求出拱架安装机械手的工作空间。
　　 采用牛顿-欧拉方程法对拱架安装机械手进行动力学分析，介绍其递推过程;运用ADAMS软件建立拱架安装机械手的虚拟样机模型，对其进行运动学和动力学仿真分析，得到小臂平衡机构的调平偏差以及各油缸和铰点的受力情况，为油缸的选型设计和有限元分析提供必要的参数。
　　 最后运用COSMOSWorks软件对拱架安装机械手的伸缩臂进行有限元静力分析。根据虚拟样机仿真结果提供的铰点力，校核伸缩臂在危险工况下的强度和刚度，为以后的结构优化、改进设计提供条件。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 拱架安装设备研制状况

1．2．1 国外研制现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究的意义与主要内容

第2章 拱架安装机的设计方案

2．1 钢拱架施工工艺

2．2 拱架安装机设计方案

2．2．1 拱架安装机基本结构

2．2．2 拱架安装机作业流程

2．2．3 拱架安装机械手结构与工作原理

2．2．4 工作平台结构与主要参数

2．3 多功能化设计思路

2．4 本章小结

第3章 拱架安装机械手运动学研究

3．1 机械手运动学概述

3．2 机械手位姿描述与齐次变换

3．2．1 位姿描述

3．2．2 齐次变换

3．3 D-H方法中相邻杆件的变换矩阵

3．4 拱架安装机械手运动学分析

3．4．1 运动学方程

3．4．2 运动学方程的检验

3．5 拱架安装机械手工作空间研究

3．5．1 工作空间的描述

3．5．2 工作空间的求解

3．6 本章小结

第4章 拱架安装机械手动力学分析与仿真

4．1 拱架安装机械手动力学概述

4．2 拱架安装机械手动力学方程

4．2．1 牛顿-欧拉方程法

4．2．2 动力学方程的递推

4．3 拱架安装机械手仿真分析

4．3．1 虚拟样机技术概述

4．3．2 虚拟样机模型的建立

4．3．3 调平机构运动仿真分析

4．3．4 动力学仿真分析

4．4 本章小结

第5章 拱架安装机械手有限元分析

5．1 概述

5．2 有限元模型的建立

5．2．1 模型简化与材料定义

5．2．2 约束与载荷定义

5．2．3 网格划分

5．3 运行与结果分析

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文