基于虚拟设计技术的全自动宝石磨抛机的设计与研究

摘要

为了解决我国现有宝石加工行业生产效率低、产品质量不稳定和自动化程度低的问题，本文使用虚拟设计技术设计并研究了一款全自动宝石磨抛机床和其相应的上下料机器人，全文主要开展了以下几个方面的工作：　　（1）根据设计要求和标准，对磨抛机的主轴系统、垂直升降系统和机床箱体进行了设计和有限元分析，得到了各主要部件的静动态分析结果，从而验证了设计的可行性。并且在这一过程中提出了一种使用弹簧单元代替主轴轴承的立式主轴的有限元建模方法；　　（2）利用APDL语言编程，建立了主轴的参数化模型，将附加质量和轴承刚度作为变量，同时改变两个变量，对主轴静动态特性的变化情况进行了分析，从而得到了主轴的优化方案，可使主轴的静位移量减小0.007％，第一阶固有频率提高34%， X向谐响位移减小40%，Y向谐响应位移减小23%，能够有效地提高机床的加工精度；　　（3）对上下料机器人的自由度数量、关节分布、驱动和传动方式以及各部件的结构进行了设计，针对机器人的小臂和大臂进行了有限元静态和模态分析，从而验证了本次设计的合理性。并且在这一过程中还计算得到了小臂和大臂的静位移量结果，通过与仿真结果的对比验证了本次仿真建模的正确性；　　（4）使用 APDL语言编写相关程序，对机器人的小臂和大臂进行了尺寸优化和结构拓扑优化，不仅使小臂和大臂的重量分别减轻了72.5%和60%，使小臂的第一阶固有频率提高了98.3%，最大静位移量和最大应力集中值分别减小了19.8%和24.4%，还使大臂的第一阶固有频率提高了44.6%，从而有效地提高了机器人的性能。

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第一章 绪 论

§1.1课题背景和研究意义

§1.2虚拟设计技术的发展及研究现状

§1.3论文主要工作和内容

第二章 磨抛机总体设计和分析

§2.1主轴系统设计

§2.2垂直升降系统设计

§2.3磨抛机箱体设计

§2.4有限元法及相关软件介绍

§2.5静动态分析相关理论

§2.6主轴有限元分析

§2.7丝杠有限元分析

§2.8机箱有限元分析

§2.9本章小结

第三章 主轴优化设计

§3.1 APDL语言简介

§3.2主轴参数化建模

§3.3主轴静动态优化设计

§3.4优化方案及结果对比

§3.5本章小结

第四章 机器人总体设计和分析

§4.1机器人关节设计

§4.2机器人手爪设计

§4.3机器人各部件结构设计及相关设备选型

§4.4机器人手臂有限元分析

§4.5本章小结

第五章 机器人手臂结构优化设计

§5.1 ANSYS参数化优化理论

§5.2机器人手臂尺寸参数化优化

§5.3结构拓扑优化

§5.4机器人小臂结构拓扑优化

§5.5小臂拓扑优化后静动态特性分析

§5.6大臂拓扑优化后静动态特性分析

§5.7机器人手臂优化结果及对比

§5.8本章小结

第六章 总结与展望

§6.1全文总结

§6.2未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果