基于桁架结构的多工位冷镦机换模机械手优化设计与仿真分析

发布时间：2020-11-04 02:18

　　 随着“中国制造2025”全面实施,作为高端制造装备的高性能多工位冷镦机得到了快速的发展。对比国内外冷镦机换模水平,国外已形成自动化、智能化的成套换模技术,而国内企业通常采用人工换模,这大大降低了冷镦机产品的自动化程度和冷镦机工作效率,制约着我国高端装备制造业的快速发展。本文研发一款与DBP—206L冷镦机相配套的自动换模机械手,解决企业在实际生产中,工人劳动强度大、用工成本高、换模效率低、产品质量不稳定等一系列问题,提高国内冷镦机换模水平,缩短与发达国家之间的差距。首先,分析冷镦机换模工艺流程,总结机械手结构设计功能参数,并针对关键构件进行选型、计算、校核,通过Solid works软件建立机械手的三维模型。在ANASY Workbench软件中,通过修改材料属性、添加约束和边界条件,对机械手模架进行静态特性分析和模态分析,得到模架对应的变形图、应力云图以及模态振型图。通过分析静态特性下的模架变形图、应力云图,验证模架结构的刚强度条件满足设计要求;通过分析模架结构的各阶模态振型图,了解模架结构的动态特性,研究各阶振型对模架结构以及机械手换模精度的影响,避免因结构共振造成的精度低、稳定性差的不良结果,保证机械手较高的换模工作效率和换模质量。基于ANSYS Workbench有限元软件,对机械手模架进行结构优化,提出了用空心方钢结构替代钢板焊接结构的优化方案。通过分析设计变量与模架质量以及应力应变的关系曲线图、设计变量对目标函数敏感度等图像,得出最优样本方案,并验证优化方案的正确性。其次,应用机器人D-H法建立直角坐标机械手的运动学模型,得到机械手末端抓手的空间位置和各轴之间的运动关系;应用拉格朗日法求得机械手的动力学方程,为ADAMS仿真求解各轴方向上的质量、惯性矩、重力矢量提供理论依据。应用SolidWorks2016三维建模软件和ADAMS软件进行联合仿真,求得末端执行气缸和气动手抓在整过换模过程中的位移、速度、加速度随时间变化的曲线图以及机械手各轴向相对应的运动及力矩关系图,对机械手的运动过程进行系统的分析研究。并针对机械手在换模过程中可能存在的抖振现象提出了若干条相应的预防措施,确保整个机械手换模工作的平稳运行。然后,对机械手的换模动作进行详细分析,建立换模机械手的运动路径方程,确定机械手的轨迹规划目标函数和约束条件。结合机械手实际工况,编写基于“穷举法”思想的算法程序,使用MATLAB仿真软件,计算出机械手基于目标函数最优的换模路径,并绘制出换模路径顺序图,指导机械手自动化换模工作。最后,通过分析冷镦机换模机械手的动作要求和运动规律,总结了机械手控制系统的总体设计要求和系统组成;根据机械手控制系统工作流程,设计了气动回路控制系统和PLC电气控制系统,给出了各气缸动作梯形图以及PLC控制系统接线图,设计出换模机械手的人机操作界面系统。
【学位单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH69;TP241
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景与课题来源
    1.2 研究目的和意义
    1.3 国内外研究现状
    1.4 研究内容与论文结构
    1.5 本章小结
第2章 冷镦机换模机械手结构设计与有限元仿真优化
    2.1 冷镦机换模动作分析
    2.2 冷镦机换模机械手的设计要求
        2.2.1 机械手设计基本原则
        2.2.2 机械手功能参数
    2.3 冷镦机换模机械手结构设计
        2.3.1 单轴运动单元选择与计算
        2.3.2 驱动电机选型
        2.3.3 冷镦机换模机械手气动元件选型计算
        2.3.4 冷镦机换模机械手整机结构
    2.4 机械手关键零部件有限元仿真分析
        2.4.1 ANSYS Workbench有限元仿真软件简介
        2.4.2 模架静态结构分析
        2.4.3 模架模态分析
    2.5 基于ANSYS Workbench模架结构优化设计
        2.5.1 结构优化设计流程
        2.5.2 模架结构优化设计方案
    2.6 本章小结
第3章 基于动力学仿真的冷镦机换模机械手稳定性分析
    3.1 冷镦机换模机械手运动学分析
        3.1.1 冷镦机换模机械手空间坐标描述
        3.1.2 冷镦机换模机械手正解和逆解
    3.2 冷镦机换模机械手动力学分析
        3.2.1 基于拉格朗日方程的机械手动力学模型
        3.2.2 ADMAS环境下的机械手模型
        3.2.3 ADAMS环境下机械手仿真分析研究
    3.3 机械手抖振预防措施
    3.4 本章小结
第4章 多工位冷镦机换模路径优化设计
    4.1 冷镦机换模机械手的路径规划算法
        4.1.1 “穷举法”算法介绍
        4.1.2 “穷举法”在路径规划中的应用
    4.2 换模过程描述和路径规划数学模型
    4.3 MATLAB仿真分析
        4.3.1 运动路径计算
        4.3.2 运动路径优化
    4.4 本章小结
第5章 冷镦机换模机械手控制系统设计
    5.1 冷镦机换模机械手控制系统总体设计方案
        5.1.1 冷镦机换模机械手控制系统组成
        5.1.2 换模机械手工作流程
    5.2 冷镦机换模机械手PLC控制系统设计
        5.2.1 PLC选型与I/O分配
        5.2.2 PLC控制系统接线图
    5.3 冷镦机换模机械手气动回路控制系统设计
    5.4 冷镦机换模机械手触摸屏控制系统设计
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
附录1:路径规划穷举算法部分仿真程序
附录2:MATLAB路径绘制部分仿真程序
攻读硕士期间主要研究成果

【参考文献】

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1 张普行;严军辉;贾秋玲;;六自由度机械手的运动学分析[J];制造业自动化;2011年20期

2 张婷婷;张凤丽;盛建伦;;机组组合优化问题的穷举算法研究[J];青岛理工大学学报;2011年01期

3 胡磊;林示麟;徐建明;董辉;;S曲线加减速速度控制新方法[J];组合机床与自动化加工技术;2010年01期

4 王卫刚;周炳海;;快速换模技术的实践研究[J];机床与液压;2007年05期

5 许玲;优化穷举法求旅行商问题的近似最优解[J];微型机与应用;1998年10期

6 阳林;何德誉;;新型手动快速换模装置[J];锻压技术;1993年03期

本文编号：2869461