基于碳纤维与铝合金的轻型机械臂混合结构设计方法研究

发布时间：2024-04-22 03:05

　　机械臂是集机械、材料、控制技术于一体的机电一体化设备,已经被广泛应用在工业、航空、医疗服务等领域。但随着全球能源日益紧缺,传统机械臂由于质量大、能耗高使其发展受到制约。对机械臂进行轻量化设计提高能源利用率符合未来发展需求,其逐渐成为轻型机械臂领域的研究热点。相比于传统机械臂设计所用钢、铝合金(AA)等金属材料,碳纤维复合材料(CFRP)比刚度、比强度高、可设计性强,利用其设计机械臂能有效提高轻量化程度。考虑CFRP加工制造工艺不及常规材料成熟,本文设计CFRP与铝合金两种材料零件构成混合结构应用于轻型机械臂本体结构中;为了进一步提高负载/自重比,对机械臂中混合结构设计方法进行了探究。具体研究内容如下:首先,确定设计方案与流程。根据任务特点确定机械臂构型,再综合分析性能参数选择合适的轻量化材料。基于构型特点及静、动态性能确定连杆设计方案;参考铝合金机械臂改进其关节壳,且从关节紧凑性和任务特点出发设计了局部模块化关节。对于不同材料连杆、关节壳构成的混合结构,根据材料加工工艺和连接特点规划其连接方案。在此基础上完成混合结构机械臂轻量化设计流程。其次,建立优化模型并计算。选择混合结构相关参数作...

【文章页数】：100 页

【学位级别】：硕士

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中文摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外机械臂的轻量化研究现状
        1.2.1 驱动系统轻量化
        1.2.2 结构轻量化
        1.2.3 材料轻量化
    1.3 课题来源、拟解决的关键问题
        1.3.1 课题来源
        1.3.2 拟解决的关键问题
    1.4 主要研究内容
第二章 机械臂整体设计方案与混合结构确立
    2.1 机械臂设计指标
    2.2 机械臂构型设计
    2.3 混合结构机械臂整体设计方案
        2.3.1 材料选择方案
        2.3.2 连杆设计方案
        2.3.3 关节壳设计方案
        2.3.4 关节驱动系统设计方案
        2.3.5 混合结构确立与连接方案
    2.4 混合结构机械臂的轻量化实现
    2.5 本章小结
第三章 机械臂数学模型及混合结构分析
    3.1 机械臂运动学
        3.1.1 机械臂位姿描述
        3.1.2 D-H参数法
    3.2 机械臂动力学
    3.3 整体有限元分析模型
    3.4 混合结构层压板力学分析
        3.4.1 层压板本构
        3.4.2 层压板失效准则
        3.4.3 渐进损伤分析
    3.5 混合结构胶层分析
    3.6 本章小结
第四章 机械臂混合结构轻量化设计
    4.1 混合结构机械臂初始模型
    4.2 混合结构机械臂优化模型
        4.2.1 设计变量的选取
        4.2.2 约束条件的确定
        4.2.3 目标函数与优化数学模型确立
    4.3 ABAQUS 二次开发建模和分析
    4.4 基于 modeFRONTIER 优化流程实现
    4.5 四自由度混合结构机械臂算例
        4.5.1 连杆长度确定
        4.5.2 驱动系统参数确定
        4.5.3 优化模型确定和有限元模型建立
        4.5.4 优化结果分析
    4.6 关节驱动能力校验
    4.7 连杆渐进失效分析及校验
        4.7.1 用户子程序算例验证
        4.7.2 上臂失效校验
    4.8 本章小结
第五章 混合结构机械臂系统实验测试
    5.1 混合结构机械臂系统搭建
        5.1.1 样机制造
        5.1.2 控制平台构建
    5.2 混合结构机械臂静态性能测试
        5.2.1 性能指标选择
        5.2.2 静刚度测试
    5.3 混合结构机械臂动态性能测试
        5.3.1 机械臂本体模态分析
        5.3.2 机械臂末端振动测量
        5.3.3 机械臂动力参数测量
        5.3.4 关节温度分析验证
    5.4 本章小结
第六章 总结和展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究的不足与展望
致谢
参考文献
在攻读硕士学位期间获得的科研成果



本文编号：3961833