论文总字数：29136字

摘 要

随着我国的制造业的迅速发展，工业自动化成为主流发展趋势，在柔性智能制造生产线上，应用而生出了机床上下料桁架机器人，其性能将直接影响整条生产线的运行以及产品质量的稳定。本文开篇对上下料桁架机器人的研究现状和发展趋势进行了介绍，分析了上下料桁架机床机器人的总体结构、功能特点等，其次针对本课题的工况要求对桁架机器人的各部件进行了总体方案设计，确定本文所要设计的桁架机器人的总体布局，而后进行具体的设计计算，横梁结构的力学分析、进给系统的电机选型，导轨滑块的寿命计算、手爪夹紧力计算等，最后，依据总体方案和详细设计计算利用Solidworks三维软件进行建模、并导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中进行了静力分析和模态分析，验算了桁架机器人的刚度和强度，在前六阶模态分析中，比较了结构的固有频率与激振频率，分析得出了桁架机器人的薄弱环节，并进行了结构改进设计。

关键字：桁架机器人 机械设计 三维建模 有限元分析

100 kg mechanical design of loading and unloading truss robot

Abstract

With the rapid development of China's manufacturing industry, industrial automation has become the mainstream development trend, in the flexible intelligent manufacturing production line, the application of the machine tool unloading truss robot, its performance will directly affect the entire production line operation and product quality stability. This article introduces the research status and development trend of loading and unloading truss robots, analyzes the overall structure and functional characteristics of robots for loading and unloading trusses, and then makes overall plans for the truss robot components for the working conditions of the subject. Design, determine the overall layout of the truss robot to be designed in this paper, and then perform specific design calculations, mechanical analysis of the beam structure, motor selection of the feed system, calculation of the life of the guideway slider, calculation of gripping force of the paw, etc. Based on the overall plan and detailed design calculations using Solidworks 3D software modeling, and into the finite element analysis software ANSYS Workbench static analysis and modal analysis, check the truss robot stiffness and strength, the first six modal analysis Comparing the natural frequency and the excitation frequency of the structure, the weaknesses of the truss robot are analyzed and the structural improvement design is performed.

Key Words: truss robot; mechanical design; 3D modeling; finite element analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2桁架机器人研究和发展现状 1

1.2.1关于桁架机器人的研究现状 1

1.2.2关于桁架机器人的发展趋势 2

1.3上下料桁架机器人简述 2

1.3.1桁架机器人的结构形式 3

1.3.2桁架机器人的特点 3

1.4课题研究的意义 3

第二章 总体方案设计 5

2.1上下料工件工艺分析 5

2.1.1工件加工特点 5

2.1.2工件生产节拍 5

2.1.3桁架机器人工作范围与功能分析 6

2.1.4最大运动速度和加速度的确定 7

2.1.5定位精度分析 7

2.2结构方案设计 7

2.2.1自由度和坐标的选择 7

2.2.2承载结构方案选择 8

2.3运动部件方案选择 9

2.3.1坐标系确定 9

2.3.2导轨方案选择 9

2.3.3传动机构方案选择 10

2.3.4驱动系统类型确定 11

2.4末端执行器 12

2.4.1桁架机械手工作过程与要求分析 12

2.4.2工件结构形式分析 12

2.4.3自由度及其驱动源的确定 13

2.4.4末端执行器的结构方案 13

2.4.5附加装置 14

2.5桁架机器人的技术参数 14

2.6经济性分析 15

2.7本章小结 16

第三章 具体设计计算 17

3.1 横梁X轴的相关计算 17

3.1.1初始条件 17

3.1.2两种情况计算 17

3.1.3横梁弯曲强度校核 19

3.2导轨滑块承载能力与寿命计算 20

3.2.1初始条件 20

3.2.2承载能力计算 20

3.2.3直线滚动导轨副的寿命计算 21

3.3 X轴运行速度计算 22

3.3.1初始条件 22

3.3.2计算公式 22

3.4 X轴驱动电机扭矩计算与选型 22

3.4.1初始条件 22

3.4.2驱动齿轮扭矩分析 23

3.4.3传动系统扭矩分析与电机选型 23

3.4.4伺服系统惯量比分析计算 24

3.5进给系统的动态特性分析 24

3.5.1齿轮齿条的动态特性分析 24

3.5.2系统稳定系与快速响应性分析 26

3.5.3系统精度分析 27

3.6手爪夹紧力和扭矩的计算 27

3.6.1初始条件 27

3.6.2摩擦力型手爪夹紧力与扭矩计算 28

3.6.3菱形夹爪的夹紧力和扭矩计算 28

3.7本章小结 29

第四章 静动态特性的有限元分析 30

4.1模型简化处理 30

4.2静力分析 31

4.2.1有限元模型建立 32

4.2.2静刚度计算分析 33

4.3模态分析 35

4.3.1网格划分与约束确定 36

4.3.2固有频率分析 36

4.3.3振型图分析 36

4.4本章小结 40

第五章 总结与展望 41

5.1总结 41

5.2展望 41

参考文献 42

致谢 44

第一章 绪论

1.1课题背景

当今社会，工业机器在现代化智能制造工厂发挥着不可或缺的作用，其改变了传统的生产制造方式，生产效率和产品质量得以大大提高。上下料桁架式工业机器在柔性制造领域应用广泛，其合理地布置在数控机床组和料仓之间，根据设定好的控制程序，可实现工件自动化上下料动作，从而使自动化生产线的运送过程中实现的数字化、信息化、高效化的目标，促进了现代柔性制造技术的加速发展。

本课题主要研究关于上下料桁架机器人机械结构的设计，主要针对示教用的100公斤级桁架机器人的基本组成、结构特点、进给系统及辅助系统等进行相关设计计算，课题的研究设计对于桁架机器人在工业制造领域的普及和应用具有一定的参考价值和指导意义。为了本课题的顺利开展推进，收集参考了国内外近五年来关于上下料桁架机器人的相关论文、期刊、在线书籍和机械设计类教材等文献资料，重点检索了桁架机器人机械设计与研究、机械手受力分析与结构优化、桁架的强度设计、桁架式机床上下料机器人分析与改进设计、上下料机械手的总体结构设计及建模等，为课题研究设计的深入展开奠定了基础。

1.2桁架机器人研究和发展现状

在工业领域应用的机器人称为工业机器人，其具有简单记忆功能，通过可编程序控制器来实现自动化动作，可按人们设定好的程序指令进行工作，并能够代替人类在环境比较恶劣的条件下完成一些单一繁重的操作工作。工业机器人的种类很多，上下料桁架机器人是其重要的一种分类。它的出现，推动了制造业整体装备的巨大进步，提高了劳动生产率和产品质量。

1.2.1关于桁架机器人的研究现状

李秀琴，张以都在空载和负载两种情况下，用实验法测试了直角坐标机器人的动态响应特性。通过模态实验获得模态振型进行分析，得出863机器人结构设计的合理性以及在机器人设计时要尽可减小配合间隙的结论^[1]。

请支付后下载全文，论文总字数：29136字