工业机器人用碳纤维复合材料上臂设计

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工业机器人是汇集机械、材料、电子、控制和计算机技术等一系列学科形成的高新技术集合体，已经广泛应用于机械制造、化工生产、道桥施工、矿物开采、国防军工、太空探索等领域。工业机器人代替人类从事繁重单一的工作，在减轻人类劳动强度、提高生产自动化水平、提高生产效率等方面意义重大。近年来，工业机器人的轻量化技术已经在国际上受到越来越广泛的关注。在满足工业机器人高速度高精度等基本性能要求的基础上，通过轻量化设计，可减小工业机器人自重，提升机器人整体动力学性能，同时可以降低能耗，减小环境污染。 上臂是工业机器人主要执行机构之一，也是机器人的主承力构件，对机器人整体性能有着显著的影响。本文以工业机器人上臂为研究对象，采用有限元方法对T700碳纤维复合材料工业机器人上臂进行了优化设计。研究内容表明使用碳纤维复合材料机械臂替代原有铸铁机械臂能满足工业机器人在喷涂、焊接等轻载荷工作情况下的性能要求。为下一步进行的碳纤维复合材料工业机器人整体的设计优化提供了理论支持和实验指导。 本文主要工作如下： 1.对铸铁工业机器人上臂在不同工况下进行有限元静力分析，，得到上臂在实际工作情况下的最大主应力以及应变，验证了铸铁上臂设计的合理性，为后续碳纤维复合材料工业机器人上臂设计提供参考准则。 2.以工业机器人上臂刚度为标准对碳纤维复合材料上臂铺层进行优化设计，采用有限元软件对碳纤维复合材料上臂进行强度校核，确定了碳纤维复合材料机械臂的合理性与安全性。 3.对碳纤维复合材料工业机器人上臂进行动力学分析，根据前10阶模态振动特性和振型，与铸铁上臂动态分析进行对比分析，研究了碳纤维复合材料上臂振动特性，进一步确定碳纤维复合材料机械臂的合理性与安全性，为避免其发生共振提供了优化设计参数依据。 4.对碳纤维复合材料上臂进行了成本估算，与铸铁上臂制造成本对比分析，分析了复合材料上臂的应用潜力。