复杂环境下可移动铸造机器人结构设计与性能分析

发布时间：2020-04-08 03:16

【摘要】：铸造在工业生产中占有举足轻重的地位,铸件已被普遍应用于航空、航天、汽车、电子等领域,机器人技术在铸造行业的应用是实现绿色铸造、智能铸造的关键举措,但现采用的串联机器人普遍存在负载小、误差较大以及柔性度不足等缺陷,工作范围受到严重限制,难以满足中大型铸件和异型铸件的作业要求。本文提出以混联机构为主体结构的移动式铸造机器人,可同时满足工作范围灵活,负载大和定位精度高等要求。确定了移动式铸造机器人的总体结构和作业原理,运用螺旋理论求解并联工作臂的运动自由度,确定2RPU-2RRPR并联工作臂可实现一平移两转动三自由度运动,根据驱动副选取原则确定四个移动副作为主动副。基于矢量方程法建立2RPU-2RRPR并联工作臂输入和输出之间的位置方程,运用MATLAB得到不同运动状态下各个杆长随时间的位移变化曲线,并结合ADAMS虚拟仿真证明了数值计算与仿真结果的正确性。在运动学位置反解的基础上,通过求导法得到并联工作臂驱动副与动平台的速度和加速度之间的映射关系,根据雅克比矩阵的降秩类型,分别计算三类奇异位形发生的几何条件,为铸造机器人运动中奇异的规避提供理论基础,同时,基于蒙特卡洛法得到了并联工作臂在执行浇注作业时工作空间的三维图和截面图。基于虚功原理法分析了平衡状态下驱动力和负载之间的映射关系,建立了重力作用下的力学模型,运用拆杆法得到上下铰链受到的约束力;求出惯性力作用下并联工作臂动力学方程,通过结构优化设计和理论计算搭建铸造机器人实验样机。基于TRIZ理论设计一种铸造机器人全向多指异步抓手,完成异型铸件和中大型铸件的搬运和抓取任务,运用ANSYS Workbench对抓手进行静力学和模态分析,完成部分结构与尺寸优化,为抓手样机设计和制造提供依据。最后,通过铸造机器人实验样机完成相关实验,验证了理论计算和模拟仿真的正确性。图[80]表[8]参[86]
【图文】：

应用领域,铸件

铸造是通过高温使金属熔化获取金属液体，再把液体金属通过浇注、压射等方式将其注入与铸件质量、体积和外轮廓等相适应铸件型腔内，等待其降温、冷却、凝固过后而获取零件的工艺方法。铸造工艺是制造业中最重要的生产技术之一，与机加工、锻造等加工工艺相比，，铸造可以远远降低生产的成本，且能够实现其他加工无法完成的工艺过程，无论是结构复杂或是形状轮廓不规整的零件都能通过铸造的方式获得，且通常不会被零件的体积大小影响，适应性强，目前，铸件已经在机械、航空、汽车、船舶、铁路和兵器等各个领域广泛应用[1]，其发展的水平不仅影响到整个装备生产的效率，而且直接关乎于零件产品的质量，是国家经济甚至是全球经济的重要组成部分。近年来，铸造业大力发展，我国的铸件产量早已经名列世界首位，超过了全球总量的 40%左右，但是出口量仅仅约为 10%左右，反映出我国铸造整体技术水平和先进国家还有一定的差距[2-3]，主要的原因包括铸件的质量较差、铸造工艺和装备落后等[4]，图 1-1 表示的是铸件在不同领域内所占有的比例，图 1-2 表示的是不同材料的铸件比率，图 1-3 表示的是 2002 年至 2017 年铸件变化规律。

比例图,铸件,铸造行业

图 1-2 不同材质铸件比例图Fig.1-2 Scale diagram of castings of different materials前，铸造行业主要多数采用以人工为主的方式完成作业任务，劳动源耗费大，且工作效率低、产品质量差和精度不足，严重影响到零同时铸造生产环境恶劣，存在高温、高粉尘等威胁人身安全的危险环人在铸造领域中的推广与应用不仅可以解放繁重的劳动力，还提高改善产品质量[6-7]。图 1-4 表示人工浇注作业现场，图 1-5 表示铸造场景。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG233;TP242

【参考文献】