带锯床底座专用焊接机械臂结构设计及优化

摘要

焊接机械臂是工业机器人中应用最广泛的机器人之一，可以在恶劣工作环境下进行工作，降低作业风险，提高了加工质量稳定性和工作效率，对工业生产制造过程具有重要作用。本文针对卧式带锯床的底座箱体焊接工作，设计了一台专用焊接机械臂，并系统地分析了结构特性及其运动特性。具体研究内容及成果如下:
　　首先，根据带锯床底座箱体的结构特点，对焊接机械臂的功能需求及性能需求进行了详细分析，并依此确定焊接机械臂自由度;比较分析几种常用的关节构型选择最优结果，确定了整体构型方案结构并确定相关参数。
　　其次，研究机械臂位姿变换矩阵，运用D-H法建立焊接机械臂的连杆坐标系，通过运动学模型，求解机械臂运动学的正逆解;运用MATLAB和蒙特卡洛法对焊接机械臂的工作空间进行仿真。
　　然后，根据机械臂原理方案，确定各个关节的驱动方式及整体传动方案，对各个关节部件进行详细结构设计，对大小臂体的几种结构形态用ANSYS进行分析比较，选择较优结果，并运用Solidworks建立了机械臂三维实体模型。
　　最后，基于Isight并结合ANSYS分析文件，对焊接机械臂进行参数化优化分析;并对优化后的结构进行了详细的有限元分析;基于ADAMS软件对焊接机械臂进行了动力学仿真，对平面单直线的焊接形式进行分析比较，确定更优焊接形态;对同平面相连两段式焊缝进行了分析，得到各关节的动力学特性参数;最后根据设计优化结果完成了机械臂样机制造。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 工业机器人发展及应用

1．1．2 带锯床底座背景

1．2 国内外工业机械臂研究现状

1．2．1 国外工业机械臂研究现状

1．2．2 国内工业机械臂研究现状

1．3 专用焊接机械臂及优化方法现状

1．3．1 专用机械臂的研究

1．3．2 结构优化发展现状

1．4 研究意义及内容

1．4．1 带锯床专用焊接机械臂研究的意义

1．4．2 研究内容

第2章 专用焊接机械臂需求分析及构型设计

2．1 焊接机械臂设计需求分析

2．1．1 焊接机械臂的主要作业对象

2．1．2 焊接机械臂功能需求分析

2．1．3 焊接机械臂性能需求分析

2．2 焊接机械臂构型设计

2．2．1 自由度确定

2．2．2 手臂关节构型设计

2．2．3 手臂关节构型分析确定

2．2．4 腕部关节设计

2．2．5 焊接机械臂构型方案

2．3 小结

第3章 焊接机械臂运动学建模及工作空间仿真

3．1 焊接机械臂位姿描述及坐标变换

3．1．1 焊接机械臂位置及姿态表示

3．1．2 焊接机械臂坐标变换

3．2 焊接机械臂运动学分析

3．2．1 焊接机械臂D-H建模

3．2．2 焊接机械臂正运动学分析

3．2．3 焊接机械臂逆运动学分析

3．3 焊接机械臂工作空间仿真分析

3．4 小结

第4章 焊接机械臂结构设计

4．1 焊接机械臂传动方案设计

4．1．1 各关节运动参数及电机选型

4．1．2 传动方案设计

4．1．3 电机及减速器选型

4．2 焊接机械臂各关节设计

4．2．1 焊接机械臂底座设计

4．2．2 焊接机械臂大小臂关节设计

4．2．3 焊接机械臂Z轴-腕部设计

4．3 焊接机械臂结构形态分析与优化

4．3．1 臂体结构分析形态与选型

4．3．2 机械臂优化后的整体结构

4．4 小结

第5章 焊接机械臂结构优化及动力学特性研究

5．1 基于Isight的臂体结构参数优化

5．1．1 Isight优化理论

5．1．2 臂体结构参数优化

5．1．3 机械臂优化结果

5．2 机械臂静刚度有限元分析

5．2．1 ANSYS功能简介

5．2．2 机械臂有限元建模型

5．2．3 网格划分及边界条件

5．2．4 分析结果

5．3 焊接机械臂动力学特性分析

5．3．1 ADAMS功能概述

5．3．2 虚拟样机动力学建模

5．3．3 平面单直线焊缝仿真

5．3．4 连续直线焊缝仿真

5．4 焊接机械臂样机制造

5．5 小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果