轧制零件转运机器人性能分析及结构优化

作     者：刘伟超 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘利刚

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：转运机器人 动力学分析 热防护 热力耦合分析 结构优化 

摘      要：随着国内以高铁为代表的轨道交通的快速发展,对高质量大型轴类零件的需求日益增加,轧制零件生产线的转运机器人成为了研究热点。轧制过程中的轴类零件具有温度高、质量大的特点,与此对应,对转运机器人提出了耐高温、高刚度、轻量化的研究目标。本文基于国家重点研发计划下的一种转运机器人进行了虚拟样机仿真工作,对机器人的工作空间、动力学性能、热力学性能、动态特性等进行分析,对热防护、轻量化等进行了优化,主要工作如下:(1)建立机器人的运动学模型,根据各个驱动的工作参数,求解工作空间。根据实际工况,确定笛卡尔空间的轨迹点,通过运动学逆解得到关节空间映射。利用五次多项式插值完成了轨迹规划,并对各个驱动的工作性能进行分析。(2)基于虚功原理建立机器人的动力学模型,分析各个驱动在工作轨迹下的力(力矩)输入曲线,并利用Adams进行动力学仿真,验证了动力学模型的正确性;建立钳臂与工件的力平衡方程,求解工件即将滑落时夹紧油缸的最小驱动力,并分析夹钳在不同姿态、夹取不同直径的工件时夹钳油缸驱动力的变化。为机器人各个驱动的选型与校核提供依据,并为子系统的有限元仿真提供了载荷条件。(3)利用Hypermesh手动划分机器人全局六面体网格,并在Workbench中建立有限元模型,根据稳态热分析结果,在热传导、热辐射和热对流三个维度对热防护进行优化。通过已确定的取料点、放料点姿态,进行了热力耦合分析,校核机器人定位精度,并与静力学分析下的强度对比,研究热应力与机械应力的分布规律,不同分析模式下机械应力分布变化较小,不同姿态下热应力变化较小,为刚柔耦合动力学分析提供依据,最后对动态特性进行了分析。(4)建立了刚柔耦合瞬态动力学模型,分析了在工作轨迹下传动零件的时域应力分布,对整周期的强度进行校核。利用变密度法得到摆臂底座的拓扑优化模型,并利用遗传算法得到摆臂的尺寸优化模型,实现了机器人的轻量化设计,优化后的整机模型在实现轻量化的同时,性能得到提升。