| 题名 | 重载强扰动搅拌摩擦焊机器人动态特性分析与优化设计 |
| 作者 | 骆海涛 |
| 答辩日期 | 2013-12-04 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 王洪光 |
| 关键词 | 搅拌摩擦焊机器人 典型工况 结合部刚度 动态优化设计 数值模拟 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Optimal Design of Friction Stir Welding (FSW) Robot under Heavy-Load and Strong-Disturbance Conditions |
| 学位专业 | 模式识别与智能系统 |
| 英文摘要 | 搅拌摩擦焊是上世纪90年代以来发明的一种特别适用于低熔点高强轻质合金材料的先进固态焊接工艺，它优点众多且可以实现同种或异种低熔点合金材料的固态连接，尤其是那些用传统方法不能焊接的材料。如：高强铝合金、有色金属和复合材料等。为此，该种焊接工艺备受焊接领域的青睐，特别是航空航天领域对上述材料和复杂空间焊缝的焊接有强烈要求。搅拌摩擦焊首先是将一个旋转的焊头插入被焊工件，然后通过焊头与被焊工件之间接触产生的摩擦热来软化材料（材料不会熔化），最后焊头会沿着焊缝方向发生移动，焊缝区域的材料就会混合在一起（也叫搅拌）。在整个焊接过程中，焊头将会承受着巨大的力和力矩，并且这些外载是时刻发生变化的。因此，为了使焊缝焊后达到想要的机械强度和焊接质量，需要焊接设备本体具有优良的静动态性能的同时，又使重量增加最小化。而如何保证所研制的搅拌摩擦焊机器人既能实现给定任务的焊接作业又能满足焊后焊缝的焊接精度，这是我们所追求的最终目标。 本文以国家重大科技专项“大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究”（课题编号：2010ZX04007-011）为依托，针对我国目前尚无专用搅拌摩擦焊机器人的现状，通过采用机器人多体系统的相关理论和产品结构性能动态优化设计的分析方法，旨在研发出一种能够抗干扰、高刚性和满足复杂空间曲面焊接要求的机器人化搅拌摩擦焊设备，最终以达到增强机器人的动态性能，提高焊接精度和焊缝质量的目的。具体阐述如下： (1) 首先给出了搅拌摩擦焊机器人的总体构型，各部分系统组成和功能指标。介绍了机器人用于实际焊接任务的五种典型工况，为后续的机构分析和结构设计提供了边界约束。基于机器人理论的分析方法，建立了机构的运动学和动力学模型，并进行了典型工况下的仿真分析，获得了机器人在关节空间和末端工具空间内的各参数随机时间的变化关系。 (2) 建立了滚珠-滚道的赫兹点接触理论模型，给出了采用牛顿科特斯（Newton-Cotes）公式计算椭圆偏心率的求解流程，得到了接触区的弹性趋近量和最大接触应力。在此基础上，分别建立了角接触球轴承、滚珠丝杠副和直线导轨副的刚度计算模型，并以实际型号为例进行了理论计算。针对角接触球轴承，用模态测试的手段验证了基于有限元方法刚度分析的准确性。通过角接触球轴承动刚度的有限元仿真，得出了滚珠-滚道结合部在低速运行状态下的动态刚度近似等于静刚度的结论。三种结合部刚度计算的数学模型和分析方法具有普遍的适用性，所获得的结合部刚度数据是进行机器人整机静动态特性分析和刚柔耦合动力学仿真的前提条件。 (3) 提出了一种基于结构分解的动态设计优化方法，以组成结构的外部框架和内部单元为出发点，研究它们的材料分配、结构样式、几何尺寸与力学性能之间的关系。综合考虑结构的质量、应力、位移和固有频率等约束条件，合理配置材料的分布、结构框架尺寸和基本单元样式以其改善结构的静动态特性。分别对机器人的底座、立柱和滑枕大件结构进行了仿真分析，获得了以结构的柔度最小和一阶固有频率最高的多目标拓扑优化结果。通过对组成结构内部的筋格单元进行尺寸优化分析，找到了适用于加强不同大件内部结构的基本单元样式。最终，通过比较优化前后的分析结果，保证了从微观和宏观上所设计出的产品具有较优的动态性能。 (4) 建立了搅拌头的力学模型并进行了焊接过程的数值仿真，得到了作用于搅拌头上的各种机械载荷。精确地模拟了机器人空载以及在五种典型工况下的受载状态，获得了整机刚度和强度的结果数据。进行了整机的模态分析和频响分析，得到了用于评价整机动态性能的结果数据，其中模态试验验证了有限元分析的精度。最后，通过多体系统的刚柔耦合动力学仿真，得到了在考虑了结合部的刚度以及滑枕结构柔度条件下的搅拌摩擦焊机器人焊接精度，验证了整个结构设计方案的可行性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 190页 |
| 分类号 | TP242 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/14819]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_空间自动化技术研究室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 骆海涛. 重载强扰动搅拌摩擦焊机器人动态特性分析与优化设计[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2013. |
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