轻型机械臂的结构分析及优化设计

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机器人被广泛的应用到生产生活之中,为人类社会的进步起到了重要的推动作用。轻型机械臂是在《中国制造2025》的背景下快速发展起来的,不同于传统机器人,轻型机器人具有质量轻、占地小、精度高、负载自重比大以及安装方便等优点。本文以轻型机械臂为研究对象,对机械臂进行结构分析和设计,并在结构分析的基础上对机械臂进行优化设计,具体内容如下:首先对机械臂进行了模块化的设计分析,根据机械臂的关节分为大小两个模块,整个关节模块将电机、减速器、传感器等部件等集于一体。对机械臂的动力来源、电机、减速器、编码器等重要单元进行了选择;根据机械臂的三维模型对整臂进行了实体装配。对机械臂进行了优化设计,通过拓扑优化显示了机械臂找到了可以挖去的部分。在拓扑优化的基础上进行了参数优化,找到了在保证变形和强度的要求前提下找到了质量最轻的最优方案。其次,对机械臂的关键零部件以及整体进行了静力学分析。通过Ansysworkbench软件得到了关键零部件以及整臂的最大应力和最大变形的云图,通过模态分析验证了轻型机械臂结构的合理性,避免了共振现象的发生。再次,利用改进的D-H坐标对轻型机械臂进行了运动学分析,基于蒙特卡洛法分析了机械臂的工作空间。通过解析法对机械臂的逆解进行了求解,并通过RBF神经网络算法对机械臂的逆解进行了求解,为逆解的求解提供了一种新的思路。建立了雅可比矩阵来反映操作空间速度与关节空间速度的关系。利用拉格朗日法对机械臂的动力学进行了推导,得到了六自由度机械臂的动力学方程。利用ADAMS仿真软件对机械臂进行了动力学仿真分析,得到了各个关节的力和力矩的曲线图。最后,研究了机械臂的散热问题。根据设计方案设计了冷却回路的设计要素,而后对机械臂进行了冷却参数的设计,并在此基础上对电机进行了传热分析。利用有限元仿真软件对第二关节的电机外壳进行了热力学仿真分析。
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