【摘 要】
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本文针对汽车薄板件及复杂曲面零部件的焊接需求,研究设计了一种5自由度并联机构作为搅拌摩擦焊机器人的主要执行机构。对该并联机构进行了运动学建模与工作性能研究,首先建立其运动学正解、逆解,基于螺旋理论建立了雅可比矩阵,推导了其自由度,并求解了奇异位姿;运用运动/力传递性能指标,对该并联机器人进行尺寸优化;构建三维样机模型,对该机器人进行运动学、动力学仿真分析验证,求解其工作空间;在上述工作基础上,完成
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本文针对汽车薄板件及复杂曲面零部件的焊接需求,研究设计了一种5自由度并联机构作为搅拌摩擦焊机器人的主要执行机构。对该并联机构进行了运动学建模与工作性能研究,首先建立其运动学正解、逆解,基于螺旋理论建立了雅可比矩阵,推导了其自由度,并求解了奇异位姿;运用运动/力传递性能指标,对该并联机器人进行尺寸优化;构建三维样机模型,对该机器人进行运动学、动力学仿真分析验证,求解其工作空间;在上述工作基础上,完成了该类新型搅拌摩擦焊机器人机构的结构设计与静力学仿真,并完成样机搭建。本文主要内容包括:(1)分析汽车薄板件及复杂曲面零部件的搅拌摩擦焊特点、焊接需求、功能要求,提出并联机器人作为搅拌摩擦焊主执行机构的解决方案,针对汽车轮毂的结构特点与焊接要求,采用以一种5自由度4-SPRR-SPR并联机构作为并联搅拌摩擦焊机器人样机主要执行机构的设计方案。(2)机构运动学模型建立及奇异位型分析。确定了机构的构型并对其进行描述,运用螺旋理论对并联机构进行自由度求解,并对机构的运动学正解、逆解进行分析,建立了并联机构的速度雅克比矩阵,通过求解其行列式,得到了该并联机构的5种奇异位置。(3)根据搅拌摩擦焊工作具体要求,确定并联机构的运动性能评价指标——运动/力传递性能。通过螺旋理论,分析了并联机构的瞬时功率与最大功率,并对该机构最大功率的求解进行详细描述。以焊接汽车铝合金轮毂为实例,设定优化目标,并通过遗传算法得到并联机构的尺寸最优值,绘制其性能图谱。(4)建立三维样机模型,并进行运动学、动力学仿真,求解其工作空间。对搅拌摩擦焊机器人样机进行三维建模,并进行运动学仿真,验证并联机构逆运动学方程的正确性,并对并联机构进行动力学仿真,得到机构在工作时驱动杆的受力情况。对机构工作空间约束条件进行详细分析,得到机构的可达工作空间图谱,并分析了不同运动副对工作空间大小的影响。(5)结构设计、样机搭建及有限元静力学仿真。首先根据工作要求设定了结构的原始参数,并对机器人主要零部件如球副、动平台等进行详细描述设计,并根据实际工况进行静力学仿真验证,对主要零部件如主轴电机、电动缸进行选型,最终完成样机的搭建。
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