三自由度并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】
三自由度并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】,說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS,三自由度并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】,自由度,并聯(lián),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,說(shuō)明書(shū),CAD,SOLIDWORKS
分 類(lèi) 號(hào)
密 級(jí)
寧( )學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
三自由度并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
所在學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
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誠(chéng) 信 承 諾
我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）《三自由度并聯(lián)機(jī)器人三自由度并聯(lián)機(jī)器人XX》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。
承諾人（簽名）：
年 月 日
目錄
摘 要 IV
Abstract V
第1章 緒論 6
1.1論文概述 6
1.2 并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3本文研究?jī)?nèi)容 11
第2章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 12
2.1設(shè)計(jì)主要思想 12
2.2三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 18
2.3固定支架的選用 12
2.4本章小結(jié) 18
第3章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì) 19
3.1直線電機(jī)選型 19
3.3拉緊螺栓強(qiáng)度校核 21
3.3.1 螺栓扭矩 21
3.3.2預(yù)緊力的確定原則 22
3.4銷(xiāo)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.4.1銷(xiāo)軸連接形式 24
3.4.2銷(xiāo)孔拉板的強(qiáng)度計(jì)算 25
3.4.3強(qiáng)度計(jì)算 26
3.5 軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 27
3.5.3軸承的選用及校核 29
3.6 本章小結(jié) 29
第4章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人三維建模 30
4.1 Solidworks三維建模技術(shù) 30
4.2 三自由度并聯(lián)機(jī)器人三維建模 30
4.3 三自由度并聯(lián)機(jī)器人裝配 36
4.4 本章小結(jié) 38
第5章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人關(guān)鍵部件ANSYS仿真 40
5.1ANSYS-Workbench軟件介紹 40
5.2 靜力學(xué)分析基礎(chǔ) 40
5.2.1靜力分析控制方程 40
5.2.2有限元法收斂性 42
5.2.3靜力分析邊界條件 44
5.3 有限元前處理 45
5.3.1靜力分析材料屬性 45
5.3.2模型導(dǎo)入 45
5.3.3網(wǎng)格劃分 46
5.3.4定義約束 46
5.4 連桿后處理 47
5.4.1應(yīng)力分析 47
5.4.2位移分析 47
5.5 本章小結(jié) 48
結(jié)論 49
參考文獻(xiàn) 49
致謝 50
摘 要
隨著科技水平的進(jìn)步與發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，為設(shè)備的研發(fā)和制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了能夠開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人，對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人的選型設(shè)計(jì)有著重要的研究意義。當(dāng)今是自動(dòng)化時(shí)代，三自由度并聯(lián)機(jī)器人對(duì)于工業(yè)化4.0的發(fā)展非常重要，因此它們也促進(jìn)了三自由度并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械行業(yè)的內(nèi)在潛在價(jià)值還有待強(qiáng)有力的挖掘，三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械的進(jìn)一步研究將會(huì)給個(gè)人乃至集體和社會(huì)帶來(lái)重要的積極意義，在研究的同時(shí)還可以讓學(xué)生的綜合能力得到開(kāi)發(fā)與鍛煉，最為重要的是總體設(shè)計(jì)就體現(xiàn)了這一點(diǎn)。第一，我們要讓現(xiàn)在畢業(yè)的學(xué)生打好專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)并以此得到知識(shí)的提升，提升對(duì)知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用和實(shí)踐的綜合素質(zhì)，從而在以后工作中能夠游刃有余。第二，可以讓他們?cè)谡n題中能夠用發(fā)展性的眼光看待問(wèn)題，充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，攻破現(xiàn)實(shí)難題。對(duì)于三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)這一課題，它的涵知識(shí)面較廣，具有極強(qiáng)的綜合性，學(xué)生則必須要憑借過(guò)硬的專(zhuān)業(yè)能力和海量的知識(shí)，加上要有一定的在計(jì)算機(jī)上繪制圖表的能力。因此，學(xué)生可以積極主動(dòng)的思考和鉆研這個(gè)設(shè)計(jì)課題，這樣學(xué)生便可以在問(wèn)題的分析解決上得到能力的提升，從而也能夠積累對(duì)未來(lái)有幫助的工作經(jīng)驗(yàn)。
這篇論文會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)三自由度并聯(lián)機(jī)器人的歷來(lái)的情況進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要的概述，而且加上了三自由度并聯(lián)機(jī)器人工作的理念簡(jiǎn)述，綜述國(guó)內(nèi)外三自由度并聯(lián)機(jī)器人的現(xiàn)在的發(fā)展情況后，也綜合了它的裝置構(gòu)造是如何設(shè)計(jì)概念。論文中，做好了三自由度并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)造與設(shè)計(jì)的方案，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，，校對(duì)其強(qiáng)度，分析其運(yùn)動(dòng)，三維建模，三自由度并聯(lián)機(jī)器人的每個(gè)機(jī)械構(gòu)造和尺寸分別得到確定和定位。
關(guān)鍵詞: 三自由度并聯(lián)機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模
Abstract
With the progress and development of science and technology, many new mechanical design methods have emerged, laying a solid foundation for the R & D and manufacture of equipment. In order to develop more advanced three degree of freedom parallel robot, it has important research significance for the design of three degree of freedom parallel robot. Today is the era of automation, three degrees of freedom parallel robot is very important for the development of industrial 4, so they also promote the development of three degrees of freedom parallel robot. At present, the inherent potential value of the three degree of freedom parallel robot in our country still needs to be excavated strongly. Further research on the three degree of freedom parallel robot will bring important positive significance to the individual, even the collective and the society. At the same time, the comprehensive ability of the students can be developed and exercised. The most important thing is the overall design. First, we should make the students who are now graduating well on the basis of professional knowledge and get the promotion of knowledge, improve the comprehensive quality of the application and practice of knowledge, so as to be able to work easily in the future. Second, they can make them look at problems in a developmental perspective, give full play to their ability to innovate and break through practical problems. For the design of three degree of freedom parallel robot, it has a wide range of knowledge and very strong comprehensiveness. Students must rely on the excellent professional ability and mass knowledge, plus the ability to draw a graph on the computer. Therefore, students can actively think and study the design topic, so that students can improve the ability to solve the problem in the analysis, and thus can also accumulate useful work experience for the future.
This paper will give a brief overview of the three degree of freedom parallel robot in China, and add the concept of three degrees of freedom parallel robot, and summarize the development of the three DOF parallel robot at home and abroad, and how to design the concept of its device structure. In this paper, a scheme for the construction and design of a three degree of freedom parallel robot is done. The structure of the device is designed, the strength of the robot is checked, the motion of the robot is analyzed, the 3D modeling is analyzed, and each mechanical structure and size of the three degree of freedom parallel robot are determined and located respectively.
Keywords: Three degree of freedom parallel robot, structural design and 3D modeling
第1章 緒論
?1.1論文概述
最近幾年來(lái)，中國(guó)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)取得了很大的成績(jī)，但與國(guó)外產(chǎn)品相比之下仍存在多年的技術(shù)差距。本課題對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，目的在于使我們更深層次的了解三自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)作過(guò)程及設(shè)計(jì)的原理，從而能夠?qū)ζ浼右愿倪M(jìn)完善，并且考核我們4年來(lái)所學(xué)的機(jī)械知識(shí)。伴隨著科技的進(jìn)步，涌現(xiàn)出很多新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，為設(shè)備的研發(fā)制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為了能夠研發(fā)出更為先進(jìn)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人，對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人的選型設(shè)計(jì)有著重要的研究意義。
在我們的國(guó)家，三自由度并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用起步雖然晚于西方歐美等發(fā)達(dá)國(guó) 家，但近年來(lái)的發(fā)展得非常迅速。一部分大型企業(yè)已經(jīng)逐步引入單三自由度并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到制造方面，以此來(lái)代替人工勞動(dòng)力。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是三自由度并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。三自由度并聯(lián)機(jī)器人是依據(jù)零部件裝配的需要，以及在機(jī)械電傳輸動(dòng)力的本質(zhì)上，采用少量特殊零件組成的一種床子。生產(chǎn)過(guò)程中的三自由度并聯(lián)機(jī)器人因?yàn)榫哂蟹浅８叩膶?shí)用性，可以在機(jī)械傳輸動(dòng)力的大小上產(chǎn)生不同種類(lèi)的移動(dòng)。本次設(shè)計(jì)主要是將他們學(xué)到的知識(shí)與輔助材質(zhì)結(jié)合起來(lái)運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，大大的鞏固以及深化了所學(xué)知識(shí)，掌握機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一般過(guò)程和方法，確定正確合理的執(zhí)行機(jī)制，使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械元件，熟練使用機(jī)械基本回路構(gòu)成滿(mǎn)足基本性能要求的 機(jī)械系統(tǒng)管理。設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是繪圖。這不僅可以清楚地顯示設(shè)計(jì)的內(nèi)容，而且還能干體現(xiàn)知識(shí)是否被充分理解掌握。
還是需要大力發(fā)展機(jī)械行業(yè)才能夠使得我國(guó)的生產(chǎn)力得到提高，我國(guó)的綜合國(guó)力也與此行業(yè)的發(fā)展有著重大的關(guān)系。在這個(gè)日新月異的社會(huì)當(dāng)中，研究發(fā)展才是進(jìn)步的墊腳石。
1.2 并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，各種三自由度并聯(lián)機(jī)器人制品出現(xiàn)在食品包裝、機(jī)械裝配、航天等現(xiàn)代工程領(lǐng)域的得到廣泛應(yīng)用，尤其在包裝上應(yīng)用非常普遍。在這個(gè)發(fā)展背景下，各種三自由度并聯(lián)機(jī)器人加工設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。三自由度并聯(lián)機(jī)器人加工設(shè)備的產(chǎn)生極大提高了三自由度并聯(lián)機(jī)器人制品的生產(chǎn)率，同時(shí)也有力地推動(dòng)了工業(yè)的發(fā)展。 三自由度并聯(lián)機(jī)器人是包裝行業(yè)應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，它在包裝行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行加工變成三自由度并聯(lián)機(jī)器人中的一個(gè)必不可少的組成部分。三自由度并聯(lián)機(jī)器人具有使用方便、操作簡(jiǎn)單、速度快等優(yōu)點(diǎn)。三自由度并聯(lián)機(jī)器人的出現(xiàn)降低了人工成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，適合于大批量生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)備有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
我們國(guó)家的發(fā)展與進(jìn)步的歷史基本上和西方發(fā)達(dá)國(guó)家一致，但是我們國(guó)家是屢敗屢戰(zhàn)中摸爬滾打起來(lái)的，所以我們自己也要銘記這一段歷史。也為我國(guó)未來(lái)的輝煌成績(jī)奠定了最為重要的基礎(chǔ)。
20世紀(jì)爸十年代，哈爾濱工業(yè)大學(xué)制出三自由度并聯(lián)機(jī)器人，從此開(kāi)啟了中國(guó)三自由度并聯(lián)機(jī)器人制造工藝的發(fā)展。三自由度并聯(lián)機(jī)器人由于存在性能差，外觀差，自動(dòng)效果差，質(zhì)量差等缺點(diǎn)，只有較為少數(shù)的廠商會(huì)選擇使用我們的設(shè)備。只有少數(shù)幾個(gè)大城市和少數(shù)自動(dòng)情況下的制度和經(jīng)濟(jì)狀況，然而，我國(guó)歷史上的這種情況是比較少的。 我國(guó)成功研制出三自由度并聯(lián)機(jī)器人之后，拉近了我國(guó)和世界先進(jìn)國(guó)家的自動(dòng)化之間的距離，并成為了我國(guó)三自由度并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展歷史上的一個(gè)暫新的起點(diǎn)。恰巧當(dāng)時(shí)的中國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)文化飛速發(fā)展的階段，城市化建設(shè)發(fā)展迅速，為在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)引入較為合適的產(chǎn)品，所以制造出了三自由度并聯(lián)機(jī)器人，良好工作的時(shí)間是可重復(fù)的。到了二十世紀(jì)末，中國(guó)的工業(yè)化持續(xù)增長(zhǎng)，市場(chǎng)需求旺盛，迫使制造商不得不去面對(duì)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。許多制造廠商逐漸加入了生產(chǎn)線，他們?cè)谏a(chǎn)裝置，以及自動(dòng)汽車(chē)技術(shù)方面都得 到了高速發(fā)展。在中國(guó)，三自由度并聯(lián)機(jī)器人制造商的生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)發(fā)展到幾十種之多，并且包括了各種自動(dòng)化裝置?，F(xiàn)在我們市場(chǎng)中 ，三自由度并聯(lián)機(jī)器人的份額也迅速增加。當(dāng)前，在我國(guó)，改換汽車(chē)底盤(pán)的轉(zhuǎn)換速度很快，并且經(jīng)常主要城市和農(nóng)村地區(qū)投入使用。
開(kāi)發(fā)研究驅(qū)動(dòng)力、傳感以及操控硬件以及軟件技術(shù)不僅能夠地促進(jìn)三自由度并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，而且還需要開(kāi)發(fā)圓柱坐標(biāo)操縱機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用。三自由度并聯(lián)機(jī)器人具有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)。
1) 桿件只受拉壓, 不受彎曲應(yīng)力;
2) 剛度高, 承載能力與整機(jī)質(zhì)量比大;
3) 移動(dòng)部件質(zhì)量小, 可獲得很高的動(dòng)態(tài)特性;
4) 零件標(biāo)準(zhǔn)化程度高, 易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì);
5) 作業(yè)空間與機(jī)器尺寸比小;
6) 靈活性較差, 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)傾斜角度較小;
7) 作業(yè)空間存在桿件干涉和奇異位變形危險(xiǎn)。
國(guó)外研究現(xiàn)狀
發(fā)明并且學(xué)會(huì)使用各種新的工具減少人類(lèi)的工作量、降低勞動(dòng)程度是人類(lèi)進(jìn)步的標(biāo)志。在上個(gè)世紀(jì)80年代，瑞士學(xué)者Clavel設(shè)計(jì)了一種僅有三個(gè)移動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，即被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的Delta并聯(lián)機(jī)器人[8]。現(xiàn)如今，世界上對(duì)三自由并聯(lián)機(jī)器人的分析和設(shè)計(jì)基本上都是依據(jù)Delta結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)而設(shè)計(jì)的三自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)和3-RRR三自由度球面機(jī)構(gòu)[9]。三自由度并聯(lián)機(jī)器人是過(guò)去30年獨(dú)立開(kāi)發(fā)的典型的機(jī)電一體化自主工具。到現(xiàn)在，三自由度并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)被許多大型公司引入并用于工業(yè)生產(chǎn)。它主要體現(xiàn)在機(jī)械制造、汽車(chē)制造和化學(xué)工程等領(lǐng)域。三自由度并聯(lián)機(jī)器人的使用是我國(guó)機(jī)械 自動(dòng)化水平高低的體現(xiàn)。三自由度并聯(lián)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域可以替代人類(lèi)進(jìn)行各種高強(qiáng)度，高風(fēng)險(xiǎn)以及一些可能危害人體安全的工作。 它們?cè)诒ＷC工人的人身安全的同時(shí)，又能夠確保高效和有序地進(jìn)行。因此三自由度并聯(lián)機(jī)器人的研究以及設(shè)計(jì)是非常必要的。
ABB 公司于2008年推出集成了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的第二代FlexPicke機(jī)器人IRB360。IRB360的包裝與分揀速度創(chuàng)下了新的紀(jì)錄，其最高動(dòng)作頻率超過(guò)200次/分鐘，重復(fù)定位精度可達(dá)0.1mm，負(fù)載可達(dá)到8千克。1996年，燕山大學(xué)教授黃真，同時(shí)也是我國(guó)并聯(lián)機(jī)器人研究領(lǐng)域著名學(xué)者，提出了多種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型，并利用螺旋理論對(duì)它們的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析[10]。
因?yàn)槲鞣降戎T多國(guó)家率先發(fā)展工業(yè)革命，使得他們自己的工業(yè)技術(shù)上遙遙領(lǐng)先于我們國(guó)家，所以許多機(jī)械方面的應(yīng)用技術(shù)都比較我國(guó)先進(jìn)，雖然現(xiàn)在落后于西方國(guó)家，但是我相信在不久的將來(lái)，我們回趕上他們的技術(shù)，甚至超越他們。
1.3本文研究?jī)?nèi)容
（1）調(diào)研國(guó)內(nèi)外三自由度并聯(lián)機(jī)器人工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀。
（2）根據(jù)調(diào)研結(jié)果，針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用較多的三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行分析比較，綜合各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型方案。
（3）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)軸承、并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)、銷(xiāo)軸、銷(xiāo)軸等進(jìn)行選型計(jì)算，并進(jìn)行應(yīng)力校核。
（4）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用三維軟件solidworks軟件對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行三維建模。
（5）運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)鍵部件進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析。
第2章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)的主要思想
這次的課題畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目為三自由度并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)造設(shè)計(jì)，所以在開(kāi)始進(jìn)入本次課題畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們更加深入的研究三自由度并聯(lián)機(jī)器人，才能夠理解它的工作原理，以及每一種三自由度并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用方式方法，要知道三自由度并聯(lián)機(jī)器人的所有的優(yōu)勢(shì)以及劣勢(shì)，對(duì)它有一個(gè)準(zhǔn)確的定位，在設(shè)計(jì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人的時(shí)候，還需要考慮到它的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，還有一定要便于售后維修。
2.2 三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案
圖2.1 三自由度并聯(lián)機(jī)器人總體方案
該機(jī)構(gòu)由三個(gè)支鏈將固定支架和動(dòng)平臺(tái)相互連接組成。支鏈由兩個(gè)連桿，一個(gè)移動(dòng)副，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組合而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)其中的移動(dòng)副上的移動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)。主要由固定支架、動(dòng)平臺(tái)、三個(gè)直線電機(jī)、三個(gè)機(jī)械臂支鏈組成。本文根據(jù)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行接下來(lái)的設(shè)計(jì)。
2.3固定支架的選用
機(jī)架是各種機(jī)械地基本部件，它主要起支承作用，機(jī)械的其他部件一般固定在機(jī)架上，有些部件是在機(jī)架的導(dǎo)軌面上運(yùn)動(dòng)。機(jī)架起基準(zhǔn)作用，以保證各部件間正確的相對(duì)位置，并且使整個(gè)機(jī)器組成一個(gè)整體。在其他部件及工件本身的重量與工作過(guò)程中的載荷（包括各種沖擊力）作用下，機(jī)架要有足夠的強(qiáng)度，而且變形部超過(guò)允許值。此外還應(yīng)考慮機(jī)架的動(dòng)剛度，阻尼，熱變形性，尺寸穩(wěn)定性，疲勞強(qiáng)度等。對(duì)于移動(dòng)式機(jī)器的機(jī)架則要求重量輕；對(duì)于在寒冷、酷熱、潮濕等環(huán)境下工作的機(jī)架分別要求耐高溫、耐低溫、抗銹燭等性能。機(jī)架采用45鋼型材焊接而成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，美觀大方，耐用牢靠。型材可以選用45鋼80X80X3mm。
2.4本章小結(jié)
本章首先對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，給出了三自由度并聯(lián)機(jī)器人傳動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行比較，總體設(shè)計(jì)方案里分別傳動(dòng)原理、系統(tǒng)組成進(jìn)行闡述。
第3章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)
3.1直線電機(jī)選型
直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。
由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱(chēng)為初級(jí)，由轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)稱(chēng)為次級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初級(jí)和次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變。直線電機(jī)可以是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)，也可以是長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)?？紤]到制造成本、運(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。直線電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例：當(dāng)初級(jí)繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，次級(jí)在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)動(dòng)；反之，則初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)一個(gè)直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機(jī)，還必須具有能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的控制系統(tǒng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)與微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來(lái)越多。對(duì)直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個(gè)方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊(yùn)涵動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。在對(duì)象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運(yùn)行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡(jiǎn)單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場(chǎng)合，就必須考慮對(duì)象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運(yùn)行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定因數(shù)，才能得到滿(mǎn)意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機(jī)控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。近年來(lái)模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以獲得更好的控制性能。
確定運(yùn)動(dòng)要求
名稱(chēng)
符號(hào)
單位
質(zhì)量
ML
10kg
行程
S
300mm
最大速度
VM
1
加速時(shí)間
Ta
0.1
運(yùn)輸時(shí)間
Tb
0.5
減速時(shí)間
Tc
0.1
周期時(shí)間
T
1
運(yùn)動(dòng)時(shí)推力計(jì)算：
加速時(shí)間：
加速推力
減速推力：
實(shí)際推力：
根據(jù)已知條件可以計(jì)算實(shí)際推力為46.37N,小于電機(jī)的連續(xù)推力62N,滿(mǎn)足實(shí)際的工作要求。
3.3 拉緊螺栓強(qiáng)度校核
已知條件：
螺栓的ss＝730MPa
螺栓的擰緊力矩T=49N.m
3.3.1 螺栓扭矩
為了增強(qiáng)螺紋連接的剛性、防松能力及防止受載螺栓的滑動(dòng)，裝配時(shí)需要預(yù)緊。
其擰緊扳手力矩T用于克服螺紋副的阻力矩T1及螺母與被連接件支撐面間的摩擦力矩T2。裝配時(shí)可用力矩扳手法控制力矩。
公式：T=T1+T2=K** d
擰緊扳手力矩T=49N.m
其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預(yù)緊力N d為螺紋公稱(chēng)直徑mm
其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預(yù)緊力N d為螺紋公稱(chēng)直徑mm
摩擦表面狀態(tài)
K值
有潤(rùn)滑
無(wú)潤(rùn)滑
精加工表面
0.1
0.12
一般工表面
0.13-0.15
0.18-0.21
表面氧化
0.2
0.24
鍍鋅
0.18
0.22
粗加工表面
-
0.26-0.3
取K＝0.28，則預(yù)緊力
＝T/0.28*10*10-3＝17500N
承受預(yù)緊力螺栓的強(qiáng)度計(jì)算：
螺栓公稱(chēng)應(yīng)力截面面積As（mm）=58mm2
外螺紋小徑d1=8.38mm
外螺紋中徑d2=9.03mm
計(jì)算直徑d3＝8.16mm
螺紋原始三角形高度h=1.29mm
螺紋原始三角形根部厚度b=1.12mm
緊螺栓連接裝配時(shí)，螺母需要擰緊，在擰緊力矩的作用下，螺栓除受預(yù)緊力F0的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T1的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。
螺栓的最大拉伸應(yīng)力σ1(MPa)。
剪切應(yīng)力：
由第四強(qiáng)度理論得：
強(qiáng)度條件：
3.3.2預(yù)緊力的確定原則
擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過(guò)其材料的屈服極限的80%。
傾覆力矩
傾覆力矩 M 作用在連接接合面的一個(gè)對(duì)稱(chēng)面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預(yù)緊力F0。作用在底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡。
考慮沖擊載荷，傾翻力矩M為：
M=W1*(1+6.7)*0.22-W2*(1+6.7)*0.118=190*7.7*0.22-36*7.7*0.118=319.64N.m
L1=0.258m
L2=0.238m
L3=0.166
L4=0.099m
螺栓最大工作載荷：
式中：
M……螺栓組承受的總傾覆力矩（N.m）
i……每行螺栓數(shù)量
L……螺栓到接合面對(duì)稱(chēng)軸到距離(m)；
z……螺栓數(shù)量；
承受預(yù)緊力和工作載荷聯(lián)合作用螺栓的強(qiáng)度計(jì)算：
螺栓的最大拉力F=
＝17500＋0.3*167.26＝17550N
螺栓的最大拉伸應(yīng)力σ2(MPa)。
剪切應(yīng)力：
在預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力:
強(qiáng)度條件：
預(yù)緊力的確定原則：
擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過(guò)其材料的屈服極限的80%。
3.4銷(xiāo)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1銷(xiāo)軸連接形式
圖3-1 銷(xiāo)軸連接示例
(a) 臂架根部； (b) 拉桿。
銷(xiāo)軸計(jì)算
銷(xiāo)軸抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算
式中 M─銷(xiāo)軸承受的最大彎矩；
銷(xiāo)軸抗彎截面模數(shù)；
──許用彎曲應(yīng)力，對(duì)于45號(hào)鋼
銷(xiāo)軸抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算
式中 Q──把銷(xiāo)軸當(dāng)作簡(jiǎn)支梁分析求得的最大剪力；
──銷(xiāo)軸許用剪應(yīng)力，45號(hào)鋼=125MPa。
銷(xiāo)孔拉板的計(jì)算
銷(xiāo)孔壁承壓應(yīng)力驗(yàn)算
式中 P──構(gòu)件的軸向拉力，即銷(xiāo)孔拉板通過(guò)承壓傳給銷(xiāo)軸的力；
d──銷(xiāo)孔拉板的承壓厚度；
d──銷(xiāo)孔的直徑；
──銷(xiāo)孔拉板的承壓許用應(yīng)力，
3.4.2銷(xiāo)孔拉板的強(qiáng)度計(jì)算
首先根據(jù)銷(xiāo)孔拉板承受的最大拉力P求出危險(xiǎn)截面
1. 內(nèi)力計(jì)算
拉板承受的拉力P是通過(guò)銷(xiāo)孔壁以沿孤長(zhǎng)分布?jí)毫的形式傳給銷(xiāo)軸，假定P沿弧長(zhǎng)按正弦規(guī)律分布，即
根據(jù)拉板的平衡條件可得
則
根據(jù)拉板結(jié)構(gòu)和受力的對(duì)稱(chēng)性，可知拉板上反對(duì)稱(chēng)的內(nèi)力（即剪力）等于零。若沿銷(xiāo)孔中心線截開(kāi)拉板，則截面上只有軸力Nb及彎矩Mb。
根據(jù)平衡條件，得
由于根據(jù)平衡方程解不出Mb，故是一次超靜定問(wèn)題，須根據(jù)變形條件求Mb。為此需列出與水平線成a角的任一截面的彎程方程：
將及
代入上式，得
令
，截面的彎矩：
因?yàn)槔宓慕Y(jié)構(gòu)和受力是對(duì)稱(chēng)的，故a-a截面的轉(zhuǎn)角qa應(yīng)等于零，即
代入上式
則
得
根據(jù)平衡條件，得
3.4.3強(qiáng)度計(jì)算
應(yīng)用彈性曲梁公式求危險(xiǎn)截面的應(yīng)力
式中 A──計(jì)算截面積，對(duì)于矩形面積；
K──與計(jì)算截面形狀有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于矩形截面
b—b截面：
代入得內(nèi)側(cè)應(yīng)力
代入得外側(cè)應(yīng)力
a—a截面：
代入得內(nèi)側(cè)應(yīng)力
代入得外側(cè)應(yīng)力
根據(jù)已知條件，所選銷(xiāo)軸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3.5 軸承設(shè)計(jì)計(jì)算
3.5.1軸承組成
軸承是軸組件的重要組成部分，它的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了軸組件的工作性能。常用的軸承有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以欲緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承有專(zhuān)業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便，在各個(gè)領(lǐng)域上被廣泛采用。滾動(dòng)軸承噪聲大，滾動(dòng)體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差，但總體來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動(dòng)軸承，在用滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑在一些立式結(jié)構(gòu)中，以避免漏油。由于滾動(dòng)軸承有許多優(yōu)點(diǎn)，加之加工精度的提高，所以，一般情況下數(shù)控機(jī)床應(yīng)盡量采用滾動(dòng)軸承，只有要求加工表面粗糙度數(shù)值和小時(shí)用滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類(lèi)。軸支承分徑向和推力支承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承，兼起徑向和推力支承的作用。軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。
軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。為了提高精度和剛度，軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。下面簡(jiǎn)述幾種常用的數(shù)控機(jī)床軸軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍。
3.5.2軸承特點(diǎn)及應(yīng)用范圍
角接觸球軸承多用于高速軸，水接觸角的不同有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，多用于車(chē)、鏜、銑等軸；α=15°的轉(zhuǎn)速可更高一些，打扮軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小、轉(zhuǎn)速較高的磨床軸或不承受載荷的車(chē)、鏜、銑軸后軸承。這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組的方法。
軸承的精度，分為2、4、5、6、0五級(jí)，其中2級(jí)最高，0級(jí)為普通精度級(jí)。軸軸承以4級(jí)為主(記為P4)。高精度軸可用P2級(jí)。要求較低的軸或三支承軸的輔助支承可用P5級(jí)。P6級(jí)和P0級(jí)一般不用。此外又規(guī)定了2種輔助精度等級(jí)SP(特殊精密級(jí))和UP(超精密級(jí))。由于軸承的工作精度主要決定于旋轉(zhuǎn)精度，箱體孔和軸軸頸是根據(jù)一定的間隙和過(guò)盈要求配作的。因此，軸承內(nèi)、外徑的公差即使寬些也不影響工作精度，但卻降低了成本。
不同精度等級(jí)的機(jī)床，軸軸承的精度可參照表選用。數(shù)控機(jī)床，可按精密級(jí)或高精度級(jí)選用。
表3-3 軸承精度
機(jī)床精度等級(jí)
前軸承
后軸承
普通精度等級(jí)
P5或P4（SP）
P5或P4（SP）
精密級(jí)
P4（SP）或P2（UP）
P4（SP）
高精度級(jí)
P2（UP）
P2（UP）
軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整。多數(shù)軸承，還應(yīng)能夠在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的欲緊。
根據(jù)上述軸承選用的要求結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求，軸承選用如下：后支承：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(NN3000K型)精度等級(jí)相當(dāng)于P5級(jí)，前支承：兩個(gè)推力球軸承(51000型)和一個(gè)圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(NN3000K型)組配精度等級(jí)相當(dāng)于P5級(jí)，并且軸承為中欲緊，
3.5.3軸承的選用及校核
軸承均選用深溝球軸承，查參考文獻(xiàn)[10]選軸承型號(hào)為6238 GB/T276-94。
軸承壽命校核：
查參考文獻(xiàn)[1]知軸承壽命計(jì)算公式為：
查表知：，當(dāng)量動(dòng)載荷為
。
對(duì)于球軸承，
，，
代入數(shù)據(jù)得：
可知軸承壽命足夠長(zhǎng)，選擇符合要求。
軸承潤(rùn)滑
由于傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速比較低，故軸承采用脂潤(rùn)滑即可，在軸承座內(nèi)加入足夠的脂潤(rùn)滑即可，對(duì)承受較大載荷來(lái)說(shuō)此種潤(rùn)滑方式十分適宜。
3.6 本章小結(jié)
對(duì)pvc管進(jìn)行選型計(jì)算，其次根據(jù)受力情況，對(duì)銷(xiāo)軸進(jìn)行理論計(jì)算，最后對(duì)螺栓、軸承、進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
第4章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人三維建模
?4.1 Solidworks三維建模技術(shù)
Solidworks軟件涉及到航空航天、移動(dòng)平臺(tái)等個(gè)領(lǐng)域，越來(lái)越多的被人們接受，它倡導(dǎo)三維CAD軟件的易用性、高效性。 他不僅能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的三維建模，也能夠進(jìn)行二維圖的繪制，同時(shí)還可以與各種軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，不僅可以完成運(yùn)動(dòng)仿真，而且還可以進(jìn)行有限元分析。
4.2 三自由度并聯(lián)機(jī)器人三維建模
三自由度并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的三維模型如圖4.1所示。
圖4.1 Solidworks三維模型
底座建模如下首先選取前基準(zhǔn)面，進(jìn)行草繪。操作過(guò)程如下：
1、運(yùn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊草繪按鈕，選取前視基準(zhǔn)面繪制草圖如下圖所示
圖4.2 繪制草圖
2、繪制好該特征的草圖之后，點(diǎn)擊拉伸按鈕進(jìn)行特征生成，拉伸按鈕里面具有參數(shù)選擇的功能，可以設(shè)置厚度20，選取不同類(lèi)型尺寸的生成，其拉伸菜單如下圖所示。
圖4.3 拉伸菜單示意圖
3、建立肋板。
建立滑動(dòng)架，首先建立草繪模型，完全貫穿，選取該特征的底部為參考面，然后繪制草圖—拉伸，該過(guò)程與上圖的繪制基本一致。最后通過(guò)拉伸，即可求得。
圖4.4支架
同理，其他零件支架、軸承固定座、懸臂、框架等主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的三維模型，方法基本一致，只是使用的特征按鈕不一樣，操作方法基本相同。底板如下圖所示。
圖4.5 軸承固定座
立柱的模型如圖所示，通過(guò)拉伸切除命令得出。
圖4.8 框架
直線電機(jī)的三維建模如圖4.9所示，通過(guò)拉伸切除、陣列命令即可得到。
圖4.9 活塞桿
滑塊的模型如圖4.10所示，孔通過(guò)陣列掃描命令，即可求得所得模型。
圖4.10 滑塊
副臂三維模型如圖4.11所示。
圖4.11 副臂
傳動(dòng)臂的模型如圖4.12所示，通過(guò)草繪圓形，經(jīng)等距命令，拉伸即可求得。
圖4.12 傳動(dòng)臂
動(dòng)平臺(tái)的三維建模如圖4.13所示。
圖4.13 動(dòng)平臺(tái)
軸承的三維建模如圖4.14所示。
圖4.14 軸承
4.3 三自由度并聯(lián)機(jī)器人裝配
在Solidworks軟件里面，配合主要有重合、平行、垂直、相切、同軸心、鎖定、及距離、角度等配合功能，根據(jù)具體的配合要求選取不同的配合來(lái)完成機(jī)器的裝配，使之成為一個(gè)裝配體。裝配的配合界面如下圖所示。
圖4.15配合界面示意圖
根據(jù)該機(jī)器的裝配特點(diǎn)，其裝配主要是轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)計(jì)配合，及面與面的重合，因此只需用到同軸心配合及重合兩種裝配方式。
下面將以裝配配合進(jìn)行介紹。
首先在Solidworks軟件里面建立裝配體組裝界面。打開(kāi)裝配體文件夾，具體操作過(guò)程如下：
點(diǎn)擊新建，里面有文件夾形式的選取，包括零件及按鈕，選取裝配體文件，打開(kāi)裝配體界面。
圖4.16 裝配示意圖
各個(gè)部件之間的組裝用到的命令有同心、重合、距離命令。
運(yùn)用Solidworks 渲染功能，渲染效果圖如下圖4.17所示。
圖4.17 三維渲染效果圖
4.4 本章小結(jié)
采用三維軟件SOLIDWORKS對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了各個(gè)關(guān)鍵部件，最后還設(shè)計(jì)了其他附屬零件，并對(duì)其進(jìn)行了組裝，同時(shí)對(duì)各個(gè)部進(jìn)行建模，最后將所有的零部件組裝在一起，將裝配屬性中的剛性變成柔性。
第5章 三自由度并聯(lián)機(jī)器人關(guān)鍵部件ANSYS仿真
5.1ANSYS-Workbench軟件介紹
Workbench由ANSYS公司提出了協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的異構(gòu)問(wèn)題的CAE軟件。面對(duì)制造業(yè)信息化潮流,仿真軟件的雙刃劍,企業(yè)知識(shí)資本儲(chǔ)備和其他各種工業(yè)需求,ANSYS公司的觀點(diǎn)是:保持在同一時(shí)間,核心技術(shù)的多元化協(xié)同仿真環(huán)境的建立。
5.2 靜力學(xué)分析基礎(chǔ)
結(jié)構(gòu)靜力分析是用來(lái)計(jì)算不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用在結(jié)構(gòu)或者部件上時(shí)引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假設(shè)，也就是假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨著時(shí)間的變化非常緩慢。靜力分析所加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)定的慣性力和位移載荷等。
5.2.1靜力分析控制方程
在有限元分析的過(guò)程中，靜力分析的控制方程為：
{K}{U} = {F}
其中，{K}——結(jié)構(gòu)剛度矩陣
{U}——位移向量
{F}——載荷向量
在用有限元法進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜力分析時(shí)，其基本原理是一樣的：用矩陣形式表示整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程，得
{K}{δ}={R}
其中，{K}——整個(gè)剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元?jiǎng)偠汝嚱M成
{δ}——整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移陣列，由單元節(jié)點(diǎn)位移陣列組成
{R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力陣列組成
結(jié)合求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算出各個(gè)單元的力，并加以整理得出所要的結(jié)果。
[σ]=[D][B][σ]
其中，[σ]——材料的許用應(yīng)力陣列
[D]——與單元材料有關(guān)的彈性陣列
[B]——單元應(yīng)變陣列
[ δ]e ——單元的節(jié)點(diǎn)位移陣列
通過(guò)上式可以計(jì)算得到連桿的應(yīng)力和變形結(jié)果，變形可以由后處理中的模塊將模型的變形直觀的變現(xiàn)出來(lái)，應(yīng)力的分布則以應(yīng)力云圖或者應(yīng)力圖的等高線表示。節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力是與之相連的單元應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)位置的算數(shù)平均值。通過(guò)連桿的強(qiáng)度要求和材料的特性，選擇最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或者綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核的基準(zhǔn)，材料的失效是以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志的，所以連桿的靜態(tài)強(qiáng)度校核可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論，用Vonmiss等效應(yīng)力來(lái)校核連桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。
Vonmiss等效應(yīng)力可以表示為：
強(qiáng)度條件為：
σ≤[σ]
基于有限元的變分原理和加權(quán)殘余法,基本認(rèn)為解決計(jì)算域劃分為有限數(shù)量的非重疊的單元,在每個(gè)單元內(nèi),選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn),變量的微分方程改寫(xiě)的變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值并選擇插值函數(shù)的線性表達(dá)式,通過(guò)變分原理或加權(quán)余量法,離散微分方程的解決方案。使用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式,構(gòu)成不同的有限元方法(fem)。
設(shè)問(wèn)題的控制微分方程為：
在V域內(nèi)
在S邊界上
式中 :
L、B——分別為微分方程和邊界條件中的微分算子；
f、g ——為與未知函數(shù)u無(wú)關(guān)的已知函數(shù)域值；
u——為問(wèn)題待求的未知函數(shù)
應(yīng)變能量:作用在對(duì)象外部負(fù)載會(huì)導(dǎo)致變形,變形力在工作彈性能量的形式存儲(chǔ)在對(duì)象,是應(yīng)變能。
由n個(gè)單元和m個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的物體的總勢(shì)能為總應(yīng)變能和外力所做功的差：
最小勢(shì)能原理：對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，相對(duì)于平衡位置發(fā)生的位移總會(huì)使系統(tǒng)的總勢(shì)能最小，即：
，i=1,2,3,……,n
5.2.2有限元法收斂性
有限元法的收斂性是指：當(dāng)網(wǎng)格逐漸加密時(shí)，有限元解答的序列收斂到精確解；或者當(dāng)單元尺寸固定時(shí)，每個(gè)單元的自由度數(shù)越多，有限元的解答就越趨近于精確解。
應(yīng)該指出，協(xié)調(diào)單位,有時(shí)甚至比配合相應(yīng)的單元,其原因在于近似解的性質(zhì)。假定位移函數(shù)相當(dāng)于把單位在約束條件下,下屬單位變形添加約束,這只是一些替代結(jié)構(gòu)相比,真正的結(jié)構(gòu)。但由于近似結(jié)構(gòu)允許細(xì)胞分離、重疊,變得柔軟,單元的剛度或形成(如輪連續(xù)板單元的單元之間的度,和角落是不連續(xù)的,只是為了銷(xiāo)點(diǎn))協(xié)調(diào)單元,這兩個(gè)影響錯(cuò)誤取消的可能性,所以有時(shí)使用協(xié)調(diào)單元也將得到一個(gè)好的結(jié)果。在工程實(shí)踐中,協(xié)調(diào)元必須通過(guò)使用“小塊后測(cè)試”。
有限元法的靜態(tài)分析理論
單元位移與節(jié)點(diǎn)之間的函數(shù)關(guān)系：
他表示單元之間的變化關(guān)系
將節(jié)點(diǎn)位移帶入上式，求出a1……a6，
將上式寫(xiě)成矩陣的形式
其中:N為型函數(shù)矩陣，為單元節(jié)點(diǎn)矩陣。
單元應(yīng)變與應(yīng)變矩陣
簡(jiǎn)化為：
其中B稱(chēng)作應(yīng)變矩陣。
單元應(yīng)力與應(yīng)力矩陣：
其中：
彈性矩陣為：
它的取值決定于材料的泊松比和彈性模量。
表征彈性體的彈性模量也可以用常數(shù)G和表示。
G稱(chēng)為剪切彈性模量
應(yīng)力的另一種表達(dá)方式
其中C是G的逆矩陣
5.2.3靜力分析邊界條件
邊界條件：
在彈性力學(xué)和有限元分析中，邊界條件可分為位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件、混合邊界條件，應(yīng)力邊界各點(diǎn)
位移邊界條件為
SOLID186具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)（例如通過(guò)不同的CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型）。
圖5.1 solid186單元
SOLID186 輸入數(shù)據(jù)，單元的幾何，棱柱單元可以通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)K, L,和 S; 節(jié)點(diǎn) A 和 B; 并且 節(jié)點(diǎn) O, P, 和 W采用同一個(gè)節(jié)點(diǎn)號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，四面體單元和棱錐單元同樣可以如圖上圖"SOLID186 Geometry".所示實(shí)現(xiàn)，SOLID187是一個(gè)簡(jiǎn)單的10節(jié)點(diǎn)四面體單元。
有限元網(wǎng)格劃分，對(duì)于二維平面、三維曲面和三維實(shí)體網(wǎng)格有以下幾種劃分方法：
(1)覆蓋方法:基于四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格的要求切削表面平面或曲面應(yīng)該完成,它必須從一個(gè)表面邊界曲線;
(2)前沿方法:由彎曲等參變換到二維空間進(jìn)行網(wǎng)格,然后映射到三維空間曲面,表面被劃分為一個(gè)完整的四邊形單元或三角形單元;
(3)德勞內(nèi)三角形法:主要用于至少一個(gè)封閉曲線單連通域或多連通域內(nèi)產(chǎn)生形成的三角形單元,往往是一個(gè)等邊三角形。充分考慮的幾何形狀的幾何特性好,和小特性成更小的單位,不需要細(xì)網(wǎng)格,使用稀疏網(wǎng)格單元;
(4)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展方法:根據(jù)規(guī)則的表面幾何是幾何區(qū)域的網(wǎng)格,網(wǎng)格生成速度,網(wǎng)格質(zhì)量高。線路單元的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展,從線路單元生成一個(gè)二維單元,從2 d單元生成的三維單元。它不僅用于3 d網(wǎng)格生成,同時(shí)對(duì)一維、二維網(wǎng)格和一代的幾何形狀,包括移動(dòng)、鏡子,拉伸,旋轉(zhuǎn),縮放掃描3 d實(shí)體,膨脹系數(shù)和方向。本文使用網(wǎng)格映射。
5.3 有限元前處理
5.3.1靜力分析材料屬性
設(shè)置連桿材料的屬性，如圖5.2所示。
圖5-2材料參數(shù)
5.3.2模型導(dǎo)入
在solidworks里面建立連桿的三維模型，將三維模型轉(zhuǎn)換成parasolid_（X_T）格式，導(dǎo)入ansys-workbench軟件中，設(shè)置材料為steel。導(dǎo)入模型如圖5-3所示。
圖5-3導(dǎo)入模型
5.3.3網(wǎng)格劃分
根據(jù)workbench自帶的網(wǎng)格劃分工具，按照默認(rèn)的網(wǎng)格劃分屬性，對(duì)連桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5.4所示。
圖5-4網(wǎng)格劃分
5.3.4定義約束
添加約束：打開(kāi)VIEW菜單，顯示分析流程，點(diǎn)擊support-fixed support，然后通過(guò)選擇面特征，選擇連桿桿上下端，將其固定，同時(shí)施加100N的力在連桿下端，在圖5.5左側(cè)的對(duì)話(huà)框顯示出來(lái)。
圖5-5添加約束
5.4 連桿后處理
5.4.1應(yīng)力分析
首先研究連桿的主應(yīng)力，所有參數(shù)設(shè)置完成后，右擊solution選擇里面的solve進(jìn)行求解，主應(yīng)力的最大值為8.8MPA,而材料的設(shè)計(jì)需用應(yīng)力為550Mpa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。主應(yīng)力如圖5.6所示。
圖5-6主應(yīng)力圖解
5.4.2位移分析
連桿總變形如圖5-7所示。
圖5-10 總變形圖解
由上圖可以看出總位移的最大位移0.02mm?，變形很小，滿(mǎn)足實(shí)際的生產(chǎn)需要。
5.5 本章小結(jié)
首先對(duì)ansys軟件進(jìn)行介紹，對(duì)連桿參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行約束設(shè)置，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。
結(jié)論
大學(xué)短暫時(shí)期在這里匆匆要走向末端，然這對(duì)我的僅僅是人生其中的一個(gè)里程碑，新的旅途已然在前方向我揮手。大學(xué)期間的學(xué)識(shí)歷程都有著老師長(zhǎng)輩、朋友以及親人的鼓勵(lì)，旅途雖然艱辛但也會(huì)收貨許多許多，于論文即將劃上一個(gè)完美的句號(hào)時(shí)，又開(kāi)始對(duì)這完美猶豫，此時(shí)五味陳雜。 我會(huì)仰慕許多名人，但是我卻急迫想要把我心中無(wú)限仰慕送給一個(gè)普普通通的人，那就是我的師長(zhǎng)。我也許在你眼中并不出類(lèi)拔萃，但是你在我心中卻又重要的地位。您教學(xué)負(fù)責(zé)，您的思想和博學(xué)都無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響這我，讓我有了一個(gè)上升的積極態(tài)度。您能夠讓我受到了創(chuàng)新的思維觀念的影響，創(chuàng)建了偉大的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)，明白了最基礎(chǔ)的考量方式，由課題題目的斷定至論文寫(xiě)作的學(xué)習(xí),通過(guò)您耐性的解說(shuō),進(jìn)而通過(guò)考量后的心領(lǐng)神會(huì),往往使我豁然開(kāi)朗。
這次的課題設(shè)計(jì)就要完了，六月畢業(yè)季里，是有很多的內(nèi)心感觸。我進(jìn)行死板的學(xué)習(xí)知識(shí)，其實(shí)在實(shí)際的運(yùn)用中行就是一 片空白。這次的課題畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我明白，實(shí)際做要比說(shuō)起來(lái)難的多。 回頭看看畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，我感覺(jué)到這個(gè)過(guò)程是非常困難的，好的是，還是取得了一定的成效。第一我需要感謝我的 指導(dǎo)老師，在畢業(yè)的課題設(shè)計(jì)當(dāng)中，我會(huì)遇到許多許多的困難，在遇到困難后，我想到的第一個(gè)辦法就是找我的指導(dǎo)老師，讓指導(dǎo)老師給我建議，讓我可以解決我所遇到的問(wèn)題。 由這次的課題畢業(yè)設(shè)計(jì)，我也是很清楚的明白了自己的不足和自己需要改正的地方，只有理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，才能夠發(fā)現(xiàn)自 己的知識(shí)缺乏的程度，其實(shí)我們都懂得一個(gè)道理就是在理論跟實(shí)際之間是由很大的差距。這次課題設(shè)計(jì)相比較對(duì)我而言是一次 很好的檢驗(yàn)也是一次很好的開(kāi)始。有了很系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，是擁有很完整的知識(shí)架構(gòu)，這次的課題畢業(yè)設(shè)計(jì)并不是結(jié)束，在我看來(lái) 就是一個(gè)很好的開(kāi)始。以后的我需要獨(dú)立的進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，面對(duì)未來(lái)，就要我自己能夠更好的運(yùn)用我自己所學(xué)的知識(shí)。 最后，希望各位老師能給我的課題畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠提出更多的建議跟指導(dǎo)，讓我能更好的運(yùn)用自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
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致謝
致謝我的父母親，感謝他們含辛茹苦的養(yǎng)育我，在每個(gè)艱辛歲月都會(huì)支持鼓勵(lì)我，此時(shí)論文就要完成了，仍然難以平復(fù)自己的心情，在最開(kāi)始通過(guò)課題開(kāi)啟到結(jié)束，有許多可愛(ài)令人敬仰的老師長(zhǎng)輩、同學(xué)、朋友賦予我最大的財(cái)富是無(wú)聲的支持，我將以我負(fù)責(zé)的行動(dòng)來(lái)表示最大的感謝！
此刻還要致謝于學(xué)院給了我優(yōu)質(zhì)的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文課題的環(huán)境。
在此我將再一次
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