甘蔗收获机机械台架虚拟样机
结构优化设计
摘要：结构优化设计就是寻求满足约束条件下的最佳构建尺寸、结构形式以及材料配置方式。利用有限元方法对虚拟样机台架结构进行分析，并采用一阶方法对台架进行优化，预估出经验设计结构上的最危险点，并对结构进行改造和优化，可以保证结构综合应力在材料的许用应力范围内，对结构轻量化，合理分配材料，大大缩短研制周期，降低设计成本，为虚拟样机的创新设计可以提供一种新的设计及优化设计方法。
关键词：甘蔗收获机；优化设计；模态分析；一阶方法
引言：甘蔗作为重要经济作物在全世界范围内广泛种植，中国的种植面积在世界位居第三位，成为我国制糖，轻工，化工和能源的重要原料，对整个国民经济的发展都有重要的地位和作用。甘蔗收获包括切梢、切割、清理和装运等工序，为甘蔗生产过程中劳动强度最大，费工费时，成本最高的一个环节。在我国，甘蔗成产机械化程度低，随着人工收获成本的逐年增加，我国糖业面临着巨大的竞争压力，实现甘蔗收获机械化的要求愈加迫切。随着设计理论与设计理念的发展，对虚拟样机进行优化设计能改进凭经验设计出现的缺陷以及预估结构或机构的最危险点，从而对其进行改造和优化，对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员，实现了设计过程中的快速反馈，按照优化后的设计方案进行物理样机研制，可以避开预估的缺陷和危险点，从而使结构更趋于合理，降低了制造成本，大大缩短了设计和产品研制周期，还可以保证将错误消灭在萌芽状态。
虚拟样机技术[ 1]为这类创新产品的开发提供了强有力的手段。甘蔗收割机在工作过程中, 要经历扶蔗、砍蔗、输送、断尾以及剥叶等动作, 承受的都是动态载荷, 而结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数, 因此本文采用通用有限元分析软件ANSYS对甘蔗收割机机架结构部件进行模态分析, 根据机架结构的低阶模态和振型, 确定对机架结构是进行动力刚度优化还是静力强度优化。
1.机架结构模型建立
甘蔗收割机机架结构是收割机的关键集合部件, 它将扶蔗器、砍蔗刀盘、输送耙轮等功能部件集于一体, 可实现扶蔗、砍蔗、向后输送等一系列动作。在机架上有一水平放置的液压缸, 液压缸工作时能使机架抬起, 便于抬高扶蔗器和刀盘, 以便收割机在非工作状态下行走和在垄间拐弯1机架的运动、动力、动态特性对实现收获功能和优化部件性能, 保证甘蔗收获质量, 特别是降低甘蔗的破头率有较大的影响[ 2]。由初步的机架结构方案, 在三维建模软件Pro/E上建立机架模型各零件, 并通过自下而上的发散式部件的创新设计[ 3], 得到机架的三维模型如图1所示1通过mechpro接口模块将模型导入动力学分析软件ADAMS上, 对模型进行运动仿真分析[ 4], 分析样机的运动数据及动画结果, 力求使模型尽量接近实际状态, 正确表达设计要求[ 5]。对Pro/E三维图形进行形状合理性分析、结构尺寸是否合理、主要有哪些受力件、如何施加载荷和约束等。由于ANSYS参数化建模的严格性, 因而不允许有臆想的尺寸和结构, 而且还需对某些局部尺寸进行细化并对一些非重要部分结构进行简化。根据扶蔗辊工作时的受力情况简化了扶蔗辊上的螺旋, 代之以在扶蔗辊外表面加垂直于面上的梯度载荷。在ANSYS参数化建模中, 以结构尺寸发生改变但绝对不使结构产生干涉为原则, 定义这些可改变的尺寸作为设计参数。在绘制图形的过程中, 后台自动生成APDL数据流, 将有用的命令流记录下来作为log文件保存, 从而形成机架结构的参数化模型文件。机架结构的参数化模型在ANSYS前处理模块(PPREP7) 采用自底向上的方法建立并划分网格, 如图1所示。
图1.机架三维模型图
2.机架结构模态分析
模态分析可用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性, 它也是更详细动力学分析的起点, 用户可以通过模态分析确定结构部件的频率响应和模态。对于动力加载条件下的结构设计而言, 频率响应和模态是非常重要的参数。
2.1步骤
Step1. 建立模型1在前处理模块(PPREP7) 采用自底向上的方法进行参数化建模。在模态分析中, 只有线性行为是有效的。如果在分析中指定了非线性单元, 在计算中将被忽略并作为线性处理,而且必须指定杨氏模量EX( 或某种形式的刚度) 和密度DENS( 或某种形式的质量) , 材料的性质可以是线性的、各向同性的或正交各向异性的、恒定的或与温度有关的。
Step2.加载并求解定义分析类型和分析选项、施加载荷、指定加载阶段选项, 并进行固有频率的有限元求解。如选择分析类型为模态分析(modal); 模态提取方法可选默认的兰索斯法, 它适用于大型对称特征值求解问题,比子空间法具有更快的收敛速度。模态分析中唯一有效的/ 载荷0是零位移约束, 如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束或者加了其他类型载荷, 如力、压力、温度和加速度等,则以零位移约束替代该DOF处的设置并忽略载荷1加载完后便可以进行模态求解, 求解器的输出内容主要是固有频率,并将其写到输出文件crop1OUT和振型文件crop1MODE中。
Step3.扩展模态从严格意义上来说, 扩展意味着将缩解扩展到完整的DOF集上, 而缩减解常用主DOF表达。如果需要在后处理器POST1中观察计算结果, 则必须首先扩展振型1由模态扩展可看到各阶模态的相对位移图和相对应力图, 但模态分析中的应力并不代表结构中的实际应力,而只是给出一个各阶模态之间相对应力分布的概念。
Step4.查看结果和后处理扩展模态处理的结果写入结构分析crop1RST 文件中,其中包括固有频率、已扩展的振型、相对应力和力分布。可以在普通后处理器POST1中查看模态分析结果。
2.2结果
五阶模态分析, 图3中表示了五阶模态振型相对位移云图。从图中可以看出, 最低的一阶模态是耙轮绕耙轮轴旋转摆动, 它和耙轮工作时输送甘蔗的转动方向
一致, 对甘蔗输送无不利影响; 二、三阶模态分别是机架左、右扶蔗辊以轴为中心沿直径方向的振动, 并且振幅小于2mm1由于扶蔗过程本身就是一个动态过程, 扶蔗辊沿直径方向的小振幅振动并不影响辊上的螺旋对甘蔗的支撑扶起作用;四、五阶模态分别是左、右2个刀盘绕自己的轴旋转摆动, 和砍甘蔗的方向一致, 对砍蔗过程无不利影响。
综上所述, 机架结构各构件的低阶频率虽然较小, 但其振型并未对甘蔗收割这一工作过程产生消极影响, 因此无需对结构刚度进行优化, 而可以对结构强度进行整体性优化。
3.机架组件结构优化
3.1优化模型及方法
对机架组件整体优化的思想是: 在保证结构综合应力不大于材料许用屈服应
力的前提下, 使机架整体的质量最轻。其相应的数学模型为
其中, x1, x..., xN 为结构优化设计变量, nai 表示角钢和槽钢梁的根数, nci 表示
板的数目; 机架组件的结构主要是矩形截面梁单元、圆截面梁单元和板单元, 故设计变量取为矩形截面梁和板的厚度以及圆截面梁的半径, W(X)为结构总质量, Li 1是矩形截面梁的长度, Li2是圆截面梁的长度, B为矩形截面梁角钢和槽钢的
腿高和腰高, Bxi 为梁的截面积,Ai 为板单元的面积; 190MPa为材料许用屈服应力R0, xi min和xi max分别为设计变量的下限和上限。R(X)为结构综合应力或特征应力, 一般取为k 次均方根包络函数。
本文采用一阶方法进行优化, 该方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,
较适合于精确的优化分析。对于有约束的优化问题, 一阶方法通过对目标函数逼近加罚函数的方法计入所加约束, 而将约束问题转化为无约束的优化问题, 它将真实的有限元结果最小化, 而不是对逼近数值进行操作。阶方法使用因变量对设计变量的偏导数, 在每次迭代中, 用最大斜度法或共轭方向法计算梯度而确定搜索方向, 并用线性搜索法对无约束问题进行最小化。因此, 每次迭代都由一系列的包括搜索方向和梯度计算的子迭代组成, 如此使得一次优化迭代有多次分析
循环, 所以一阶方法消耗的机时较多。对于收敛检查, 当目标函数值由最佳合理设计到当前设计的变化小于目标函数的允差时, 则停止迭代, 得到最优解; 同时要求最后的迭代使用最大斜度搜索,否则要进行附加的迭代。
3.2优化结果分析
本文取14个参数作为设计变量, 设计变量x1~x14分别对应结构的上三角架槽钢厚度、水平角钢厚度、耙轮撑板厚度、扶蔗辊下撑板厚度、悬挂刀盘槽钢厚度、竖直角钢厚度、扶蔗辊上撑板厚度、刀盘厚度、刀盘凸台厚度、刀片厚度、耙轮叶片厚度、耙轮轴直径、扶蔗辊上轴直径以及刀杆直径等。要求满足结构综合应力不大于材料的许用屈服应力190MPa,机架结构初始质量为275.168kg, 初始综合应力230.112MPa1图4所示为迭代26次后结构综合应力和重量的变化曲线。从图2中可以看出, 质量在前面5次迭代中有增加的趋势, 从初始的275.168kg增加到301.137kg。这是因为应力约束在前5次迭代中迅速进入约束界, 满足约束条件, 而目标和约束在某种情况下是互为对偶的条件; 为满足约束, 目标函数需适当作出让步, 因此目标函数有所增加1当约束已经满足的条件下, 再使目标函数下降逐步接近最优解。因此从第6次迭代开始目标函数有所回落, 逐步下降直到收敛,
质量降为256.129kg, 降低约7%; 而应力始终在约束界内, 直至最后收敛都小于190Mpa, 达到了设计要求。
图2.综合应力与质量变化曲线
4 结语
甘蔗收割机在工作过程中主要承受动载荷, 本文首次对机架结构部件进行模态分析, 发现其低阶模态振型对甘蔗收割过程并未产生不良影响, 因此在不超过材料许用屈服应力条件下, 以降低结构质量为目标, 对机架结构作静力强度优化。优化效果令人满意, 材料分配趋于合理。优化后构件尺寸的改变并没有影响机构的运动仿真, 因此在进行物理样机的研制时完全可作为可靠的参考尺寸, 从而大大减少了产品重复设计时间, 降低了成本, 提升了产品设计的一次成功率和产品质量，为虚拟样机提供一种新的设计及优化设计方法。
参考文献
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报, 2001, 13(1): 114-117
2.蒋占四, 李尚平, 邓劲莲1 甘蔗收割机械智能设计系统研究开发[J]1 计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 16(12): 1754-1757
3.邓劲莲, 李尚平, 梁式1 甘蔗收获机扶蔗机构的概念计与创新设计[J]1 农业机械学报, 2003, 34(6): 58-61
4.郑建荣1 ADAMS))) 虚拟样机技术入门与提高[M]1 北京: 机械工业出版社, 2003: 93-104
5.陈树勋, 裴少帅1 一种简明易用的结构优化的包络函[J]1 现代制造工程, 2004 (7): 89-92
宁波工程学院机械工程学院 机械优化设计大作业 班级 姓名 学号 教师
机械优化设计大作业 1.题目 行星减速器结构优化设计 NGW型行星减速器应用非常广泛。 1.1结构特点 (1)体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高； (2)传动效率高，工作高； (3)传动比大。 1.2用途和使用条件 某行星齿轮减速器主要用于石油钻采设备的减速，其高速轴转速为1300r/min；工作环境温度为-20℃～60℃，可正、反两向运转。 按该减速器最小体积准则，确定行星减速器的主要参数。 2.已知条件 传动比u=4.64，输入扭矩T=1175.4N.m，齿轮材料均选用38SiMnMo钢，表面淬火硬度HRC 45~55，行星轮个数为3。要求传动比相对误差02 ?u。 .0 ≤ 弹性影响系数Z E=189.8MPa1/2；载荷系数k=1.05； 齿轮接触疲劳强度极限[σ]H=1250MPa； 齿轮弯曲疲劳强度极限[σ]F=1000MPa； =2.97；应力校正系数Y Sa=1.52； 齿轮的齿形系数Y Fa 小齿轮齿数z取值范围17--25；模数m取值范围2—6。 注： 优化目标为太阳轮齿数、齿宽和模数，初始点[24，52，5]T
3.数学模型的建立 建立数学模型见图1，即用数学语言来描述最优化问题，模型中的数学关系式反映了最优化问题所要达到的目标和各种约 束条件。 3.1设计变量的确定 影响行星齿轮减速器体积的独立参数为中心轮齿数、齿宽、模数及行星齿轮的个数,将他们列为设计变量，即： x=[x 1 x 2 x 3 x 4 ]T=[z 1 b m c]T [1] 式中：z 1ˉ￣ 太阳轮齿数；b―齿宽（mm）；m—模数（mm）;行星轮的个数。通常情况下，行星轮个数根据机构类型以事先选定，由已知条件c=3。这样，设计变量为： x=[x 1 x 2 x 3 ]T=[z 1 b m]T [1] 3.2目标函数的确定 为了方便，行星齿轮减速器的重量可取太阳轮和3个行星轮体积之和来代替，即： V=π/4（d 12+Cd 2 2）b 式中：d 1--太阳轮1的分度圆直径，mm；d 2 --行星轮2的分度圆 直径，mm。 将d 1=mz 1， d 2 =mz 2 ，z 2 =z 1 （u－2）/2代入（3）式整理，目标函数 则为： F（x）=0.19635m2z 1 2b［4+（u－2）2c］[1] 式中u--减速器传动比;c--行星轮个数 由已知条件c=3,u=4.64,因此目标函数可简化为： F（x）=4.891x 32x 1 2x 2
目录 摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.1 课题的来源及研究的目的和意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2 机械式停车库．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.3 机械优化设计相关知识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.3.1 优化设计概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.3.2 约束优化方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第二章立体车库总体结构的研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.1 机械立体车库的总体结构形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.2 立体车库的总体结构的选择与设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.3 立体车库的存取车方式的总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.4 立体车库主体建筑结构的总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第三章固定叉梳的优化设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1 横移叉梳和固定叉梳结构形式的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.2 固定叉梳的优化设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第四章立体车库钢结构骨架的优化设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.1 立体停车库钢结构骨架基本结构的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2 立体停车库钢结构骨架的模型化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.3 钢结构骨架的受力情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.4 进行受力分析的基本假设．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.5 钢结构骨架的受力分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.6 钢结构骨架的变形分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.7 结构优化设计模型的建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.8 优化结果及分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 参考文献(References)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
甘蔗收获机机械台架虚拟样机 结构优化设计 摘要：结构优化设计就是寻求满足约束条件下的最佳构建尺寸、结构形式以及材料配置方式。利用有限元方法对虚拟样机台架结构进行分析，并采用一阶方法对台架进行优化，预估出经验设计结构上的最危险点，并对结构进行改造和优化，可以保证结构综合应力在材料的许用应力范围内，对结构轻量化，合理分配材料，大大缩短研制周期，降低设计成本，为虚拟样机的创新设计可以提供一种新的设计及优化设计方法。 关键词：甘蔗收获机；优化设计；模态分析；一阶方法 引言：甘蔗作为重要经济作物在全世界范围内广泛种植，中国的种植面积在世界位居第三位，成为我国制糖，轻工，化工和能源的重要原料，对整个国民经济的发展都有重要的地位和作用。甘蔗收获包括切梢、切割、清理和装运等工序，为甘蔗生产过程中劳动强度最大，费工费时，成本最高的一个环节。在我国，甘蔗成产机械化程度低，随着人工收获成本的逐年增加，我国糖业面临着巨大的竞争压力，实现甘蔗收获机械化的要求愈加迫切。随着设计理论与设计理念的发展，对虚拟样机进行优化设计能改进凭经验设计出现的缺陷以及预估结构或机构的最危险点，从而对其进行改造和优化，对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员，实现了设计过程中的快速反馈，按照优化后的设计方案进行物理样机研制，可以避开预估的缺陷和危险点，从而使结构更趋于合理，降低了制造成本，大大缩短了设计和产品研制周期，还可以保证将错误消灭在萌芽状态。 虚拟样机技术[ 1]为这类创新产品的开发提供了强有力的手段。甘蔗收割机在工作过程中, 要经历扶蔗、砍蔗、输送、断尾以及剥叶等动作, 承受的都是动态载荷, 而结构的固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数, 因此本文采用通用有限元分析软件ANSYS对甘蔗收割机机架结构部件进行模态分析, 根据机架结构的低阶模态和振型, 确定对机架结构是进行动力刚度优化还是静力强度优化。 1.机架结构模型建立
课程考试复习题及参考答案 一、名词解释题： 1. 自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。 2. 机器人工作载荷：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。 3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀的机器人手部结构。 4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。 5. 机器人运动学：从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系称为运动学。 6. 机器人动力学：机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系， 即机器人机械系统的运动方程。 7. 虚功原理：约束力不作功的力学系统实现平衡的必要且充分条件是对结构上允许的任意位移（虚位移） 施力所作功之和为零。 8. PWM 驱动：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ）驱动。 9. 电机无自转：控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转。 10. 直流伺服电机的调节特性：是指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。 11. 直流伺服电机的调速精度：指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差，与给 定转速之比。 12. PID 控制：指按照偏差的比例（P, proportional ）、积分（I, integral ）、微分（D, derivative ）进 行控制。 13. 压电元件：指某种物质上施加压力就会产生电信号，即产生压电现象的元件。 14. 图像锐化：突出图像中的高频成分，使轮廓增强。 15. 隶属函数：表示论域U 中的元素u 属于模糊子集A 的程度，在[0, 1]闭区间内可连续取值。 16. BP 网络：BP (Back Propagation)神经网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络。 17. 脱机编程：指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教的方法编程。 18. AUV ：Autonomous Underwater Vehicle 无缆自治水下机器人，或自动海底车。 二、简答题： 1.机器人学主要包含哪些研究内容？ 答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(1) 空间机构学；(2) 机器人运动学；(3) 机器人静力学；(4) 机器人动力学；(5) 机器人控制技术；(6) 机器人传感器；(7) 机器人语言。 2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？ 答：目前常用的有如下几种形式：(1) 横梁式。机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。(2) 立柱式。多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。(3) 机座式。可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。(4) 屈伸式。臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂，可以实现平面运动，也可以作空间运动。 3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？ 答：拉格朗日运动方程式一般表示为： d d L L τt q q ????- = ????? & 式中，q 是广义坐标；τ是广义力。L 是拉格朗日算子，表示为 L K P =- 这里， K 是动能；P 是位能。 4.机器人控制系统的基本单元有哪些？ 答：构成机器人控制系统的基本要素包括： (1) 电动机，提供驱动机器人运动的驱动力。(2) 减速器，
机械结构优化设计 ——周江琛2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立
目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算
机械结构优化设计 ——周江琛 2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立
目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算
收稿日期: 1995211213 第一作者 男 58岁 教授 100083 北京 1996年 8月第22卷第4期 北京航空航天大学学报Jou rnal of Beijing U n iversity of A eronau tics and A stronau tics A ugu st 1996V o l 122 N o 14关节型机器人主连杆(手臂)参数的优化设计 孙杏初 (北京航空航天大学机电工程系) 摘 要 提出一种适用于工程设计的关节型机器人的主连杆(手臂) 几何参数的确定方法,建立了工作空间正逆问题的数学模型,并用优化技术,求得最小包容工作空间的主连杆几何参数,方法简便实用. 关键词 工业机器人;机构学;机构综合;几何参数;连杆 分类号 T P 242.2 1 问题的提出 机器人本体设计中,很重要的问题之一是确定连杆机构的参数,包括杆臂的长度及其转角范围等.根据机器人的结构分析,为实现机器人手臂端部在空间任意位姿,需要机构具有6个自由度,一般机构设计成两个连杆系统:前3个自由度构成的连杆称“主连杆”系统,又称“手臂”;其尺寸较大,用来实现手臂末端的空间位置;后3个自由度的杆臂尺寸较小,用来实现手臂末端的姿态,称为“次连杆”系统,又称“手腕”.按国家标准[1]机器人的工作空间是由“主连杆”的几何参数决定的. 1)研究对象与问题 本文所研究的对象为图1所示的典型关节型机器人机构,其相应的几何参数定义如图所 图1 关节型机器人主连杆机构
图2 问题的简化处理示.图中l 1、l 2、l 3分别为立柱、大臂、小臂的长度;Η2m in ～ Η2m ax 、Η3m in ～Η3m ax 分别为大、小臂的转角范围;Ηi 定义逆时针 旋转为正;Η2以y 轴为基准零位;Η3以垂直大臂的轴线为基 准零位. 本文研究的问题是如何根据给定的工作空间要求,最 优地确定上述主连杆的几何参数. 2)处理问题的思路 设所要求的工作空间为任意立方体,其大小与相对位 置如图2所示的(阴影线部分).经分析,可知满足立方体 b ×w ×h 的问题可简化为在纵平面内(ox z )满足b 1×h 的问 题.因为满足b 1×h 之后,只需利用立柱绕z 轴回转某相应 Η1角度,即可实现要求的工作空间b ×w ×h .立柱回转的最 小角度Η1应满足 Η1≥2arctg [(w 2) r ](1)因此,此后只需研究在纵平面内如何满足b 1×h 的平面工作空间(图1中E 1F 1G 1H 1)的最优连杆参数的问题了 .2 工作空间正问题的几何分析 设给定l 1、l 2、l 3、Η2m in 、Η2m ax 、Η3m in 、Η3m ax ,确定工作空间, 即确定手臂端点P 的各特征点坐标,便可确定工作空间.根据图1所示的机构,手臂端点的坐标可表示为一般形式: x =l 2sin Η2+l 3co s (Η2+Η3)y =l 2co s Η2-l 3sin (Η2+Η3 )(2) 所构成的工作空间A B CD 是由四段圆弧所构成:以“O ” 点为圆心的A B 与CD 圆弧;“E ”点为圆心的A D 圆弧以及“F ”点为圆心的B C 圆弧.对应的特征点有:A 、B 、C 、D 、E 、F .其中A 点对应Η2=Η2m in ,Η3=Η3m in ,代入方程组(2),得A 点坐标为 x A =l 2sin Η2m in +l 3co s (Η2m in +Η3m in ) y A =l 2co s Η2m in -l 3sin (Η2m in +Η3m in ) 同理可得B 、C 、D 、E 、F 等点的坐标为: x B =l 2sin Η2m ax +l 3co s (Η2m ax +Η3m in ) y B =l 2co s Η2m ax -l 3sin (Η2m ax +Η3m in ) x C =l 2sin Η2m ax +l 3co s (Η2m ax +Η3m ax ) y C =l 2co s Η2m ax -l 3sin (Η2m ax +Η3m ax ) x D =l 2sin Η2m in +l 3co s (Η2m in +Η3m ax ) y D =l 2co s Η2m in - l 3sin (Η2m in +Η3m ax )x E =l 2sin Η2m in y E =l 2co s Η2m in x F =l 2sin Η2m ax y F =l 2co s Η2m ax 求出各特征点之后,很容易求出各段圆弧的半径值,如A B 圆弧的半径为 015北京航空航天大学学报第22卷
机械结构优化设计分析 摘要：机械结构优化设计具有综合性和专业性的特点，在设计过程中涉及方面很多，对设计人员的综合素质很高。因此，本文就结合实际情况，如何做好机械结构优化设计展开论述。 关键词：机械结构；设计流程；优化设计 一、机械设计的流程 机械的设计是开发和研究重要组成部分。设计人员在设计过程中，要提高自身设计水平，加快技术创新，为社会发展设计出质量优良的生产和机械。第一，要确立良好的设计目标。机械设计与开发要满足实际需要，能够发挥其自身的功能。第二，要严格遵守设计标准和要求，对具体的内容进行提炼，从而有效的设计任务和目标。第三，在承接设计任务书以后，要坚持合适的原则，明确设计责任；还要组织设计方案，对设计方案进行讨论，重视设计样品机械的关键环节和重要步骤，从而形成最初的设计。第四，要组建优秀的项目团队，对方案进行深入讨论，不断优化设计方案，控制方案变更。第五，要组织专家对设计图纸进行严格的审核，保证设计质量，在图纸完成交付以后，要针对存在的问题做好记录，为以后设计提供借鉴和帮助。第六，在机械创建完成后，要做好机械的验收，设计师要对机械进行检查，保证在发现问题能够及时有效的解决，只有在质量验收合格后，才能进行最后的交付使用。第七，在进行机械安装过程中，设计人员要在安装现场进行全程的监督和控制，做好技术指导。第八，为了保证机电和安装质量，要进行生产鉴定和调试，根据机械使用的效果进行合理的评价和鉴定。在以上设计流程中，缺一不可，需要设计人员不断提高自身设计水平，采用先进的设计理念，保证设计质量。 二、机械设计过程中需要注意的问题 为了保证机械设计质量，设计人员要不断总结经验教训，根据实际情况，树立质量第一的理念，实现机械结构的优化设计。 （一）在机械制造阶段，设计水平直接影响到预期的效果，甚至导致机械不能正常投入使用。因此，在设计过程中，设计人员要与制造人员进行协调，多深入生产现场，认真听取制造工人和设计人员的意见、建议，不断优化机械结构，提高机械的精密度。
基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计 晨怡热管 (新疆大学化学化工学院，新疆鸟鲁木齐830008) 侯静张亚新韩维 涛 2010-3-4 1:28:12 摘要：介绍了基于ANSYS的蛄构优化设计的基本原理和方法，用ANSYS软件对u型管换热器的管板厚度进行了优化设计，得出了管板参数的最佳组合，为换热器的设计提供了理论依据。 关键词：ANSYSl优化设计；目标函数；管板 中圈分类号：TQ051．5文献标志码}A文章编号：1005—2895(2006)010026—04 0引言 结构优化是结构设计的一个重要方面。在结构优化中，有限元方法是重要方法之一。2O世纪6O年代以来，随着计算机技术的蓬勃发展，有限元方法迅速发展成为一种新的高效的数值计算方法，并很快广泛应用到弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。ANSYS 系统是第一个通过ISO9001质量认证的大型工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础[1]。 换热器管板是换热器中的重要部件。根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情况及应力分析对整个管箱结构的应力分析起着决定性的作用。本文采用ANSYS有限元分析软件，建立换热器管板的有限元模型，加载求解，利用其优化功能模块进行优化处理，给出了管板参数的最优组合，为换热器的设计提供了有价值的理论依据。 1优化设计基本原理 优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，通过满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。在一个设计优化工作之前，用3种变量来阐明设计问题，优化问题的数学模型可表示为[2]。 2ANSYS优化设计概述 2．1优化变量 优化变量是优化设计过程中的基本变量，包括设计变量(DV)、状态变量(SV)和目标函数设计变量(DV)是优化设计中的自变量，通常包括几何尺寸(如截面面积、宽度、高度等)、材质、载荷位置、约束位置等。优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。 状态变量(SV)是指约束设计的数值，通常包括内力、弯矩、应力、位移等。它们一般
河南理工大学本科毕业设计(论文开题报告 题目名称 工业机器人机械结构设计 一、选题的目的和意义: 工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与产量,而且可以保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本。因此,研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性,能适应多品种中、小批量的生产, 70年代起,常与数字控制机床结合在一起,成为柔性制造单元或柔性制造系统的组部分。 二、国内外研究综述: 20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人; 60年代初,美 国研制成功两种工业机器人,并很快地在工业生产中得到应用; 1969年,美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后,各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个阶段: 70年代的萌芽期, 80年代的开发期和90年代的适用化期。我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件,开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上;一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人
服务机器人轻量化手臂的优化设计 李桂琴王燕徐新虎金国军李明何斌 上海大学上海市机械工程与机器人重点实验室上海200072 摘要：针对服务机器人手臂轻量化要求，设计一种新型的5自由度服务机器人手臂，并用CAD／CAE软件完成从建模到分析的全过程。结合实际使用要求，设计采用了5自由度的关节型机器人结构方案；根据选用的电机和减速器进行UG参数化建模；并在此基础上，运用HyperWorks分析了该机器人手臂关节连接件的强度和刚度，并得到了拓扑优化方案。在方案设计阶段对设计进行分析和验证，得到很好效果，并做出实验样机。 关键词：轻量化，有限元分析，拓扑优化，HyperWorks 1 引言 机器人是机械、传感器、计算机、通信和自动控制等多项技术集成的机电一体化产品。目前，世界各国在机器人研究方面有一个共同的趋势：那就是把机器人产业由工业机器人向服务机器人推进，力争使机器人更多地融入家庭和人们的生活。 在服务型机器人领域，轻量化设计扮演了一个非常重要的角色。这些机器人系统通常工作在人类的生活环境中，比如厨房和病房等。与传统的工业机器人被限定在一个工作空间里相比，它需要与人协同来完成工作，因此轻量化设计在多个方面便体现出其优势。例如，轻型的手臂发生碰撞时比质量大的手臂会造成较小的危害。另外，轻量化的另一结果就是能够提高能量效率，减少机器人执行任务时能量的消耗。对于依靠自身有限能源来维持日常工作的服务机器人而言，能量效率的问题对其显得尤为重要。 一般而言，设计这类轻量化手臂需要用机电一体化的思想，并使其具有质量轻、载重比大、体积小、控制灵活、通用性好的特点。轻量化结构手臂样机需要具有自身动作功能，并具有与机器人本体集成后完成相应功能的能力。 目前一般机器人手臂采用常规的与工业机器人相似的结构形式，但从机器人的功能要求及其扩展需求来看，如何对其结构进行优化，实现轻量化是一个重要的研究课题，这里主要进行手臂结构的轻量化技术研究，采用5个手臂自由度，手部抓重2KG。 2 自由度轻量化手臂研究 设计的机械手臂采用模块化的轻型旋转关节，使服务机器人手臂动作灵活、运动惯性小，能安全、平稳、高效地执行服务动作。总体布局与示意如图1所示：
?48? 机器人技术 机械 2009年第12期 总第36卷 ——————————————— 收稿日期：2008－12－22 基金项目：成都市科技攻关项目（08GGZD089GX －007） 基于SolidWorks 和ANSYS 的机器人手臂 性能分析与优化设计 赵伟1，殷国富1，陈航1，周晓军2 （1.四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2.成都广泰实业有限公司，四川 成都 610165） 摘要：在国内外工业机器人的研究基础上，针对机械手的结构特点和性能要求，采用基于SolidWorks 的三维建模和基于ANSYS 的结构性能分析相结合的方法，对所开发的50 kg 工业机器人大臂进行了性能分析和结构优化设计，对解决产品结构性能设计中存在的问题、缩短产品设计周期具有指导意义，改变了传统工业机器人的设计方面的局限性，一定程度上丰富了工业机器人的设计方法。 关键词：SolidWorks ；ANSYS ；机械手；结构分析；优化设计 中图分类号：TP241，TP391.77 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 12－0048－03 Property analysis and structure optimization of robotic arm based on SolidWorks and ANSYS ZHAO Wei 1，YIN Guo-fu 1，CHEN Hang 1，ZHOU Xiao-jun 2 (1.School of Manufacturing Science and Engineering ，Sichuan University ，Chengdu 610065，China ； 2.Chengdu Great Industrial co. Ltd.，Chengdu 610165，China) Abstract ：On the basis of national and international industrial robot’s study productions. Given the sturcture and properties requirements of the manipulator, 3D modeling and performance analysis based on the SolidWorks and ANSYS were utilized to optimize the dimension as well as the structure of 50 kg industrial robotic arms which were newly developed. These two methods efficiently resolve the problem during the product design processing and greatly shorten the design period.It solves the problem of limited design and increases industrial robot’s design methods to a certain extent. Key words ：SolidWorks ；ANSYS ；robotic arm ；structural analysis ；optimization 机器人技术在现阶段是一种前沿技术，它与生物技术、大型计算机技术、纳米技术等一起被认为是未来科技发展的方向。工业机器人是一种集人工智能、计算机、电子通信、机械制造等先进技术于一体的自动化装备。广泛应用于现代化生产中的自动化生产线上，很大程度地提高了生产效率。 机械手臂是机器人的一个重要组成部分，一直是研究的重点，但是机械手臂的结构设计不是一个唯一性设计。现在世界上一些先进的机器人制造厂商，如瑞典ABB 、日本FANUC 和Yaskawa ，德国KUKA 等公司都设计出了具有各自特色的机器人手臂，并且都形成系列化的产品。国内工业机器人的研发、生产尚处于行业初期，还没有形成商品化、 系列化。机械手臂的结构设计大多采用相似设计，处于经验设计阶段，其结构的合理性、科学性没有理论依据，致使设计出来的机械手臂，一方面可能存在局部结构太结实、手臂的重量和惯量增加的问题，给机械手的运行带来负面影响，另一方面，局部结构的强度可能又不够，影响整体刚度，并有可能在使用中提前损坏。为了验证机械手臂结构设计的合理性，就必须生产样机，再做大量强度试验来验证，然后再对结构进行改进，之后才能小批生产形成商品，这样使整个开发周期延长，开发成本也相应增加。 本文以三维建模软件SolidWorks 和有限元分析软件ANSYS 相结合，进行了机械手臂的三维设计
机器人机械手技术综述 一、引言 机器人是现代高科技技术高度集成和融合的产物，它涉及机械、电子、控制、传感器、计算机、仿生学、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具代表性的机电一体化技术之一[1]。 机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序流程和技术要求实现自动抓取、搬运（码垛）或操作（装配、喷涂等）的自动机械装置。随着我国工业自动化生产的迅速发展，可实现工件的加工、装配、传递等操作的自动化，已引起了人们广泛的重视。在生产中应用工业机器人机械手可以提高自动化的生产水平和劳动生产率，可用工业机器人逐渐取代人工做某些单调、重复、繁重、危险的劳动。 针对工业机器人机械手结构进行深入研究，为了设计出结构最佳的机械手，对其进行力学分析是非常必要的。对工业机器人机械手结构进行有限元建模及静力学和模态分析，这也是结构设计和分析所要研究的重要内容。 有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解[2]。有限元分析是目前应用最多，也是应用最广的结构优化设计。有限元分析方法有较高的实用性,为工业机器人机械手结构的优化提供了理论基础。本文采用有限元法进行机器人机械手结构的优化设计。 机器人的受力分析可分成静态分析和动态分析两大类，静态分析主要是研究关节处驱动扭矩与机械手臂杆之间的静力关系[3]。动态分析的主要任务是讨论驱动力和机械手臂杆之间的运动关系，研究的主要目的是为了实现对机器人机械手的控制[3]。对机器人进行有限元分析是为了检验机器人的结构设计是否满足强度和刚度要求，验证机器人机械结构设计振动稳定性要求，及时避免因结构设计不合理而造成的共振。 二、背景 2000年日本HONDA（本田）公司诞生的“ASIMO”智能机器人，经过短短十多年发展迅速（如图1.1所示）。ASIMO身高1.2m，可以双腿行走、跑步、爬楼梯，识别各种声音，还能够通过头部的照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序进行图像处理[6]。此外，他还具有基本的记忆与辨识本领。本田公司将ASIMO定位为家用服务型智能机 第 1 页
: 课程考试复习题及参考答案 一、名词解释题： 1. 自由度：指描述物体运动所需要的独立坐标数。 2. 机器人工作载荷：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。 3. 柔性手：可对不同外形物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀的机器人手部结构。 4. 制动器失效抱闸：指要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。 5. 机器人运动学：从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系称为运动学。 6. 机器人动力学：机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系， 即机器人机械系统的运动方程。 7. [ 8. 虚功原理：约束力不作功的力学系统实现平衡的必要且充分条件是对结构上允许的任意位移（虚位移） 施力所作功之和为零。 9. PWM 驱动：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ）驱动。 10. 电机无自转：控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转。 11. 直流伺服电机的调节特性：是指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。 12. 直流伺服电机的调速精度：指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差，与给 定转速之比。 13. PID 控制：指按照偏差的比例（P, proportional ）、积分（I, integral ）、微分（D, derivative ）进 行控制。 14. 压电元件：指某种物质上施加压力就会产生电信号，即产生压电现象的元件。 15. 图像锐化：突出图像中的高频成分，使轮廓增强。 16. 。 17. 隶属函数：表示论域U 中的元素u 属于模糊子集A 的程度，在[0, 1]闭区间内可连续取值。 18. BP 网络：BP (Back Propagation)神经网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络。 19. 脱机编程：指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教的方法编程。 20. AUV ：Autonomous Underwater Vehicle 无缆自治水下机器人，或自动海底车。 二、简答题： 1.机器人学主要包含哪些研究内容 答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(1) 空间机构学；(2) 机器人运动学；(3) 机器人静力学；(4) 机器人动力学；(5) 机器人控制技术；(6) 机器人传感器；(7) 机器人语言。 2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些 ： 答：目前常用的有如下几种形式：(1) 横梁式。机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。(2) 立柱式。多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。(3) 机座式。可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。(4) 屈伸式。臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂，可以实现平面运动，也可以作空间运动。 3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义 答：拉格朗日运动方程式一般表示为： d d L L τt q q ????- = ????? 式中，q 是广义坐标；τ是广义力。L 是拉格朗日算子，表示为 L K P =-
123中国 设备 工程Engineer ing hina C P l ant 中国设备工程 2018.09 （下）桁架机器人作为一种多自由度以及用于各种任 务中的自动化设备，不仅可以进行自动化控制、还 可以在空间XYZ 直角坐标系基础上进行反复编程。 在桁架式机器人中使传统的物流方式发生了根本性 的转变，使其工作运行环境得到了有效地改善，使 其机械零部件在生产过程中，实现数字化、信息化 以及无人化生产管理，不仅使产品的生产质量得以 有效保障，还大大提升了劳动生产率，将工人从繁 重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一 个崭新的水平。 1?桁架机器人整体结构设计 桁架机器人的整体框架为龙门式结构，框架包括 立柱、滑台、横梁和竖梁。具体构造如图1所示。在 桁架机器人的立柱下方有物料输送台，在位于立柱大 约70mm 的位置安装安全防护网。图1显示，在整个 桁架机器人中运行期间的主要力量支撑来源于立柱， 当横梁和Z 方向工作部件(滑台、竖梁及末端负载) 发生重力作用后，其中Z 方向工作部件的重心距离立 柱中心距离505mm。从理论力学知识可以知道，立 柱产生的变形不仅与力的大小有关，而且与力到立柱 中心的距离有关，此时横梁及Z 轴运动部件的质量会 对立柱造成偏心倾覆力矩，造成立柱的变形，而这种 变形会在末端执行器上产生放大作用，影响末端运动 精度及整机的稳定性。因此，为了使桁架机器人的整 体刚度得以提升，增加桁架机器人的刚度及稳定性， 需要从以下两方面进行。（1）缩短横梁上Z 轴运动部件与立柱中心线的距 离以减小偏心力矩的大小。 （2）为了提升横梁的坚韧度，通过降低横梁的弯 度变形量，减少横梁因为扭转时对尾部精确值的影响， 对机器人的横梁采取优化设计。图1 改进后桁架机器人整体布局示意图图2?桁架机器人整体布局示意图2?桁架机器人立柱的结构预改进设计立柱可以保证桁架机器人中构造的稳定，一般采 桁架机器人关键部件结构优化设计 于美森，杜银明 （青岛科捷机器人有限公司，山东?青岛?266100） 摘要：在桁架机器人中前六阶固有频率和伺服电机的激振频率分别是15.9~52.6Hz 和50Hz 以内，其结构构造受到工作运动过程中的影响，发生共振的机率非常大；受到桁架机器人末端执行器运动影响，桁架机器人的结构框架和立柱都会受到一定的变形影响，因此对桁架机器人的结构和立柱进行了优化设计，提高桁架机器人本体结构的固有频率及刚度，进而提升桁架机器人的工作性能及运动精度。? 关键词：桁架机器人；关键部件；结构设计 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2018）09（下）-0123-02