碳纤维复合材料机械臂设计-陈丰

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1、4.一第13卷第期郑州工学院学报Vol13NO41992年12月Jo夕rnalofZhenZzhouInsrituteofTechnoloDeC.1992碳纤维复合材料机械臂设计’陈丰(郑州工学院数力系)..摘要:破纤维复合材料是新型的结构材料它的力学性能可通过设计进行妆钊改变本文采,,用结构有限元分析的方法对复合材料机械臂进行了力学分析计葬获得了满足设计要求的结构.,,关键词:破纤维复合材料机械臂力学分析户::·742中图分类号TP241TQ342,,碳纤维复合材料作为新型的结构材料防热材料和阻尼减震材料已

2、广泛地应用于航空航天工业中.国外一些新型工业机器人的手臂和底座也多有采用.碳纤维复合材料的优,,.点是重量轻比强度好比刚度大它与常规金属材料最显著的不同在于它的力学性能可通过设计进行控制改变,因此,它在力学性能方面给设计人员提供了自由度.我们正是利用碳纤维复合材料的这一特性,采用结构有限元分析的方法,对复合材料机械臂进行了力,,,学分析计算获得了满足设计要求的结构并在该计算结果的基础上用碳纤维复合材料加工制造机械臂.最后对机械竹进行了性能测试.碳纤维复合材料机械臂由于空间机器人的工作环境和工作性质要求该机器人

3、质量轻、刚度好、振动小、稳态.,,可采用几种方法:时间短和精度高为了满足这些要求如可调的弹性一质量一阻尼系统;机器人力函数的开环控制;粘弹性涂料在机器人结构件上的应用和用复合材料进行机器人的制造.用复合材料进行机器人的制造这一方法,提出了利用纤维状高分子材料制造机器人的机械臂,而不是用常规的金属材料.对于给定的机器人运动(具有一定的载荷,在一定的速度下),末端操作器的弹性动力学响应、机械精度、重复性、末端操作器的稳态时间等特性都受到结构部件的质量、刚、.,,度阻尼特性的影响由一般的力学性质可知减少质量将降低惯

4、量提高操作速度;增加刚度将降低挠度;增加材料的阻尼将减少稳态时间.这些特性的改进有利于提高控制精度。这些性质表明了要通过设计,合理地选择机械竹的材料特性和几何尺寸,通过适当选择这些变量,我们可以设计出满足所要求的机器人装置.复合材料不象常规的金属材料,对于金属材料,一旦选择了某种材料,就给定了强*日期.I卯2一01一02收稿郑州工学院学报l,92年度、密度和阻尼特性.而纤维状的复合层制品有更多的设计灵活性.必须对它进行细心的,,、选择以合成具有所期望的物理特性的材料这些物理特性依赖于纤维的类型基体的类型、层制

5、品中每一层片的纤维倾角、纤维的含量和层片的叠放顺序等.我们设计的机械臂是矩形空箱截面结构.臂壁厚为H,由N层纤维组成.机器人在运动时,机械臂的上下板面和两个侧面的纤维将受到不同程度的拉力、压力和剪切力.对于单向纤维的试样,沿着纤维方向将有最大的拉伸强度,但其阻尼是最低.,,,。的在偏离纤维轴的方向上拉伸强度将降低但阻尼值将增高当纤维接近45方向,.,,时剪切强度将是最好的由于机器人在运动时各个板面受力状态的复杂性我们取几。、。“,.种特定的纤维倾角045和90作为我们的选择以简化工艺加工过程2数值计算结果及分

6、析,:为了对机械臂结构进行数值分析计算我们首先对结构进行了如下简化,¹小臂内的电机支座很刚硬即与机座相连接的点为固定点;º将各关节轴(及轴上的零部件)简化成刚性的均布质量的等截面梁;»机械臂抓取的载荷为集中质量;,¼电机组件为刚性衔架结构视质量为质心处的集中质量;½大小臂安装轴承处,刚度很大,用加厚的压板代替,对于以上所简化的结构,我们采用四边形板壳元、三角形板壳元、梁单元、杆单元和,.,三维弹簧元对其进行有限元离散化共取节点634个应用EDAss程序在386微机上对机械臂在一定载荷作用下,纤维层压板的不同铺

7、设情况,进行了挠性变形和强度计算.对于一般的层压板,我们有:。于N}二[ABI于。}于M}=[BDI{K}其中:N一一薄膜力(kg/mm)·ZM一一弯矩(kgmm)A一一平而应力刚度矩阵(3x3)xB一一祸合矩阵(33)D一一弯曲刚度矩阵(3x3)。。一一而内应变K一一曲度.,,:对于对称的层压板[B1二O这时““fAI{￡{N}}子M}=ml于K冬为了简化计算,我们选用对称的层压板结构.即层压板有一中间层,中间层的上下层应具有相同的纤维倾角。,,,由上可知在一定截荷作用下要想减小变形应增大平面应力刚度矩阵[

8、A1和弯曲刚度矩阵旧】的值.下面我们对三种层压板厚度进行了计算.第4期陈丰:碳纤维复合材料机械臂设计97第一种,板的厚度为1.37m,由,5种:知1层组成铺层方式为o。。。。。““。。。¹º»¼0/90/0/90/0/90/0/90/0/90/0o。“。o。“。。。。/一45/+45/O/90/0/90/0/+45/一45/0o“0oo。。o。。/90/一45/+45/0/90/0/+45/一45/