基于3D打印的机械零件轻量化设计与制造

3D打印技术和轻量化技术是近年来发展较为快速的先进技术.为了研究机械零件轻量化的问题,以山地自行车结构部件中的一个连接件为例,采用概念设计工具Altair Inspire对连接件进行设计空间的几何重构及重构前后的强度对比分析,再采用3D打印中的子模型新技术和合理设置工艺参数的方法,进行了机械零件轻量化设计与制造.实验结果表明,在满足实际的刚度和性能要求、不改变模型主要结构的情况下,该研究所得结构连接件最终模型的优化结果,实现减重达38.46％,有效减轻了质量,节省了材料,解决了拓扑优化后的复杂结构难加工与支撑多的问题,为机械零件轻量化设计与制造提供了一种可行的方法.     

SCARA机器人大臂结构模态分析与拓扑优化

选择顺应性装配机器手臂(SCARA)在水平面内运动速度快、重复定位精度高。为优化SCARA机器人大臂机械结构性能,减轻大臂重量,采用了模态分析与拓扑优化相结合的方法。首先建立SCARA机器人大臂三维模型,导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中作静力学分析和模态分析,得到前6阶固有频率和振型结果;然后,利用拓扑优化方法为大臂去除材料的优化方向提出建议,重新设计大臂的优化结构并计算优化结构的模态参数;最后,对比优化前后模态参数结果,证明优化后的结构在减轻大臂重量的同时提高了大臂的机械性能。     

基于Ansys WorkBench的排爆机器人机械手静力学分析

现建立了一种排爆机器人六自由度机械手的模型。利用Ansys WorkBench软件建立了机械手的静力学模型,并对其进行了静力学分析,得出了机械手大臂和小臂等重要部件的应力、应变图。不仅证明了机械结构的可行性,也为相关数据的设计提供了依据。     

基于拓扑优化的多复合材料3D打印增强方法及实验研究

针对多复合材料3D打印制造中利用连续纤维增强模型强度问题,提出利用拓扑优化技术对模型进行增强的方法,提升其力学性能。基于变密度法中的固体各向同向材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization, SIMP)方法,引入体积分数常量,求解出模型的拓扑结构;建立采用增强材料填充拓扑结构、基础材料填充空洞结构的多复合材料3D打印材料分布模型,从而使得模型的整体结构得到强化。为验证该方法的可行性,以120 mm×80 mm×10 mm的矩形小板为例,利用ANSYS软件建立静力学仿真模型,与未增强模型力学分析结果进行对比,得到采用层间增强、轮廓增强和拓扑增强的模型在Y方向上的位移降低幅度分别为88.90%、87.10%和94.13%,采用拓扑增强的模型位移降低幅度最大;拓扑增强相对于轮廓增强和层间增强在Y方向位移上分别降低了50.79%和54.65%,表明该方法适用于多复合材料3D打印。根据仿真内容进行静力学实验分析,实验结果表明优化结构对比未优化结构在位移上减小了39.6%,证明了该方法对于复合材料3D增强打印具有实用价值。     

面向3D打印的码垛机械手小臂轻量化设计

针对码垛机器人的轻量化问题,设计了一种面向3D打印的码垛机械手小臂。通过SolidWorks建立机械手小臂原模型,利用ANSYS Workbench对原模型进行静力分析,并在此基础上进行机械手小臂模型的拓扑优化。在以满足机械手小臂力学性能的前提下,结合拓扑优化云图,利用Rhino Grasshopper模块进行机械手小臂中部设计区域的二次重构,设计了3种不同随机点数的镂空Voronoi结构,导入SolidWorks完成机械手小臂的模型重组。通过ANSYS Workbench对优化后的机械手小臂进行静力仿真分析,对比原模型在静力方面不仅满足使用性能要求,且降低了机械手小臂的总体质量。通过3D打印和数字化设计相结合,为机械手小臂新产品提供了一种可行的设计方案,并解决了拓扑优化后的复杂结构难加工的问题,缩短了研发周期,提高了制造效率。     

基于一种解析运动学模型的排爆机械臂联动遥操作技术

联动遥操作是排爆作业中对排爆机械臂的一种有效和便捷的操作方式,也是排爆机器人研制中的难点.本文在D-H方法基础上,针对所设计的排爆机械臂的机械结构,提出了一种简化实用的基于3臂杆6自由度机械臂的解析运动学模型,该运动学模型能得到解析的正运动学方程和逆运动学方程,从而能实现在控制系统中的实时计算.本文详细描述了基于该解析运动学模型的排爆机械臂联动遥操作控制系统的设计.实验表明,采用该解析运动学模型能大大提高对排爆机械臂操作的效率和排爆作业精细程度.     

矿用装载机工作装置有限元分析及结构优化

工作装置是装载机的核心部位,同时大臂和小臂又是工作装置中的主要受力部分,但大臂和小臂受力复杂,边界条件难以确定,单独进行分析比较困难。故以某款小型装载机的整个工作装置为研究对象,利用Hyper Works软件建立有限元模型,并对工作装置的两种典型危险工况进行静力学强度分析。依据计算结果,对工作装置中的大臂进行了基于变密度法的的拓扑优化设计。优化后的大臂减重了34%,同时最大Von misises应力下降了36%。这表明该优化方案满足强度要求,具有可行性,对其他工程机械的设计具有一定的指导意义。     

3D打印排种盘的设计与性能研究

为解决排种盘研发时间长和生产成本高等问题,设计了一种3D打印排种盘并满足排种精度要求。介绍了3D打印技术核心理念和工作原理,分析了3D打印技术的重要性及其作用,建立了排种盘的三维模型并进行ANSYS仿真分析,各项指标结果符合排种盘的许用范围。采用单因素试验方法进行了3D打印和传统排种盘的对比试验,分析结果表明:3D打印与传统排种盘试验中各项评价指标相差不大,浮动不超过3%。3D打印排种盘能够满足农艺播种要求,促进农业机械制造快速发展。     

基于拓扑优化的工业机器人结构设计

结合串联型工业机器人的结构特征,针对其薄弱零部件采用多目标的拓扑优化方法进行优化设计,从而获得最优设计方案。首先通过对大臂进行拓扑优化来提高其结构的刚度、固有频率并达到轻量化的目标;其次依据拓扑优化结果并综合考虑其制造工艺等要求,对大臂的结构进行优化设计;最后对大臂最终设计模型进行结构分析和模态分析,结果表明:静态刚度和动态性能均有较大的提高且轻量化效果明显。     

基于Solidthinking Inspire活扳手的拓扑优化设计

采用Solidthinking Inspire软件对扳手进行结构优化，首先用Solid Works软件对活扳手建模，再将CAD模型导入到Inspire中进行优化分析，将优化后的模型导入到Solid Works中进行模型重构，再次导入到Inspire中进行强度分析。通过拓扑优化，活扳手的质量减轻了15%，最大米塞斯等效应力下降了10%，既减轻了质量，节省了材料，又提升了操作的简便性，达到了拓扑优化的设计需求。     

基于HyperWorks的注吹机上模板的拓扑优化设计

根据传统的设计方法,初步确定模板的尺寸,再基于软件HyperWorks对模板进行有限元分析并采用拓扑优化方法设计模板结构。建立了模板的有限元模型并对其进行静力学分析。对模板进行拓扑优化设计并根据拓扑优化分析结果、模板的设计和制造工艺要求,获得了拓扑优化后的模板结构。拓扑优化方法为模板的创新性设计提供新的途径,能有效地解决工程设计中的实际问题。     

基于ANSYS Workbench的冲压机械手机座优化设计

为了改善已研发的冲压机械手机座质量较大的情况,采用ANSYS Workbench建立了机座的参数化模型,以机座的极限工况为条件,对其进行模态分析和静力学分析。在模态分析和静力学分析的基础上,利用ANSYS Workbench的目标驱动优化( GDO)模块以质量最小为优化目标对机座进行优化设计,优化过程采用拓扑优化和形状优化相结合的方法。优化改进后,在刚度、强度满足设计要求的情况下,机座质量减少了34.1%,优化效果显著。     

锚杆钻车的伸缩臂有限元分析及拓扑优化

针对目前煤矿巷道支护效率低下的特点,提出了一种具有分度功能的锚杆钻车,在锚护精度和效率上有所提高。采用相关软件对锚杆钻车伸缩臂拓扑优化,并对优化前后伸缩臂进行静力学分析和模态分析。结果表明:锚杆钻车伸缩臂满足强度要求,不会发生共振;拓扑优化后伸缩臂最大等效应力减小了2.45%,质量减小了29.55%,达到了优化目的。     

平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析

采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization, SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。     

一种基于D-H参数的7自由度机械臂机构精度综合方法研究

提出了一种基于最佳精度模型的机械臂机构精度综合的方法,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配,为机械臂的精度设计提供理论依据。以一种基于双电机伺服驱动关节的7自由度协作机械臂为研究对象,机械臂的几何定位精度的设计目标为1.4 mm,建立该型机械臂末端执行器的几何定位误差模型;对参数误差进行敏感性分析,找出对机械臂末端执行器几何定位误差影响相对较大的参数误差;根据最佳精度数学模型,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配;经过对误差仿真计算分析,机械臂的最大几何定位误差为1.226 7 mm,均值为0.485 9 mm,方差为0.216 5 mm,满足设计要求。为该机械臂的制造装配提供了理论参考依据。与基于最小成本模型的精度综合法相比,提出的精度综合方法不需要统计加工制造成本信息,能够确保机械臂的设计精度满足设计要求,可用于单个或者小批量生产制造机械臂的精度设计。     

具有接触力感知反馈的2R机械臂设计与控制

针对高端制造过程中机械臂与工件之间应具有接触力感知与控制要求的问题,设计一种具有接触力感知反馈的2R 机械臂(a 2R manipulator with contact force perception feedback,2RM-CFPF).首先,利用堆叠式压电陶瓷传感器设计一种具有接触力感知反馈的机械臂关节,建立关节3D模型并阐述关节结构.然后,基于所设计的关节搭建2RM-CFPF机械臂模型,探究其工作机理并推导出数学模型;结合2RM-CFPF机械臂自身特性,采用基于阻抗滑模控制的运动位置/接触力控制方法,实现2RM-CFPF机械臂的力-位混合控制.最后,进行2RM-CFPF机械臂运动控制仿真实验,仿真实验结果表明阻抗滑模控制法能够有效实现2RM-CFPF机械臂的力-位混合控制,满足高端制造中的接触力感知控制要求.     

某天线支架的拓扑优化设计与有限元分析

基于装机空间、安装、可制造性等要求,利用Inspire对某天线支架进行了多次拓扑优化。根据优化结果,采用CATIA软件设计了符合受载特点并满足安装、可制造性要求的支架结构。使用ANSYS Workbench软件计算了支架在承受正弦振动时的应力分布及其安全因子,结果表明支架满足振动要求。     

可装配式空间三平移柔顺机构拓扑构型研究

针对空间柔顺机构拓扑构型难以加工或加工成本过高的问题,提出一种可装配式空间柔顺拓扑设计方法。通过对空间3-PUU型并联机构运动学分析,得到其微分雅可比矩阵,建立空间三平移柔顺机构拓扑构型同构映射矩阵。采用同构映射矩阵与SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)插值模型相结合的拓扑优化方法,建立空间三平移柔顺机构拓扑模型并求解。通过对拓扑构型二次建模与静力学仿真对比分析,实时修正拓扑优化参数,采用3D打印实体模型进行相关试验分析。试验结果表明:文中所设计的空间三平移柔顺机构与3-PUU型并联机构具有同构性,为该类型柔顺机构精确建模与应用提供切实可行的途径。     

排爆机器人机械臂控制系统设计

针对远程控制排爆机器人机械臂能否精确定位并完成排爆任务的问题,将运动学、动力学分析方法与分布式控制理论应用到机械臂控制系统设计中,对机械臂的运动特征与实用控制原理进行分析研究,对机械臂控制系统的硬件、软件分别进行了具体设计,确定了总体结构与主要部件参数,硬件上采用以LPC2378为核心的主控制器、LPC2368为核心的协处理器架构的控制系统,软件上采用CAN 2.0B总线技术完成主控制器与协处理器间通讯,提出了一种基于模块化设计与多传感器信息融合的机械臂控制系统,并在多种条件下进行仿真测试。研究结果表明,该排爆机器人机械臂各项技术指标基本达到设计要求,能够较好地实现远程视频定位控制、拆除剪断引爆器和搬运爆炸物,具备一定的反恐排爆能力。     

考虑3D打印工艺约束的液压流道拓扑优化设计

为了解决传统液压阀块体积笨重、制造工艺繁琐且效率损失大的问题,使用3D打印和流体拓扑优化相结合的方法对液压流道进行优化设计。以入口和出口处压差最小为目标,通过流体拓扑优化对常见的液压阀体T形通道进行优化,得到更加符合流体特性的流道,并设计了可以无支撑进行3D打印的圆角正方形截面形状,进行了3D打印试验,优化后的流道3D打印成形效果较好。利用Fluent进行流体仿真,结果显示,当入口流速在2~5 m/s时,优化后的流道有效避免了气穴的形成,最大压力减小了40%以上,入口和出口处压差减小了28%以上,湍流改善了85%以上,流体性能得到显著提升。