论文摘要
近年来,石雕制品在人们日常生活中的应用越来越广泛。石雕制品数量庞大,类别繁多,属于石材异型制品中的一个大类,但其加工的技艺要求和难度远高于其它类型的石材制品,石雕制品的雕刻加工已成为石材行业提高产品附加值、扩大国内外贸易的重要手段。发展机械化、自动化、智能化雕刻加工,加快传统艺术品的复制、传承,已成为石材行业的重要工作。当前,石材行业迫切需要石质工艺品等的自动化、智能化加工技术与装备,以满足行业迅速发展的需求。本文在借鉴国内外先进工业机器人技术,消化吸收关键零部件技术的基础上,立足国内石材行业的现状,合理规划了石材立体工艺制品的功能需求、功能模块、结构形式及加工特点,确定了石材雕刻机器人系统的总体设计方案；根据石材雕刻制品加工过程中产生的载荷特点,设计完成了机器人系统的立柱结构、回转工作台结构及腕部结构零部件的设计计算及选型；运用D-H参数法,确定了其连杆的关节坐标系及其齐次坐标变换矩阵,完成了石材雕刻机器人系统运动学数学模型的建立；利用solidworks软件完成了石材雕刻机器人系统的三维建模,利用ADAMS/View的运动学、动力学仿真功能对其进行了仿真分析,给出了典型运动状态下末端执行器及各个关节的位移、速度及加速度等特性曲线,为机器人运动控制及优化设计提供了依据；运用ANSYS软件对机器人系统中受力最复杂、结构尺寸最大的立柱结构进行了动静态特性分析计算,掌握了其应力、应变分布状况及其动态特性,为功能部件的性能修改和优化提供了参考依据,为保证机器人系统的加工精度及使用性能奠定了基础。本课题所研究的石材雕刻机器人是在通过继承创新研发的适合我国国情的先进设备,将填补国内石材工艺品立体雕刻机器人的空白,改变石材行业的生产结构和现状。其推广应用,必将有效拓展我国石材制品和石材雕刻设备的质量和档次,其市场和产业化发展前景十分广阔。本文得到山东省自然科学基金资助（项目编号：2009ZRB019JI）。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 市场背景1.1.2 技术背景1.2 石材雕刻制品类型和加工工艺分类1.2.1 石材雕刻加工方法1.2.2 石材雕刻常见加工设备1.3 项目概要及研究意义1.4 课题研究主要内容及章节结构第2章 石材雕刻机器人机械系统方案设计2.1 系统分析2.2 总体方案设计2.3 运动模块的方案设计2.3.1 自由度数目的确定2.3.2 结构形式的确定2.3.3 工作空间的确定2.3.4 驱动方式的确定2.4 机器人性能参数的确定2.5 本章小结第3章 石材雕刻机器人的结构设计3.1 立柱的设计3.1.1 立柱的结构设计3.1.2 进给系统部件选型及分析计算3.2 回转工作台的设计3.2.1 数控回转工作台的结构与工作原理3.2.2 关键部件的结构设计及分析计算3.3 腕部的结构设计3.3.1 电主轴的选型3.3.2 电主轴的装配设计3.3.3 腕部传动系统的分析计算3.4 本章小结第4章 石材雕刻机器人的运动学与动力学分析4.1 石材雕刻机器人运动学数学模型的建立4.1.1 石材雕刻机器人的运动关节分析4.1.2 石材雕刻机器人连杆D-H参数及关节坐标系的确定4.1.3 石材雕刻机器人的连杆齐次坐标变换矩阵的建立4.2 基于ADAMS的石材雕刻机器人运动学仿真4.2.1 基于ADAMS的石材雕刻机器人三维模型的建立4.2.2 基于ADAMS的石材雕刻机器人三维模型的约束添加4.2.3 基于ADAMS的石材雕刻机器人三维仿真模型的驱动添加4.2.4 运动学仿真结果分析4.3 基于ADAMS的石材雕刻机器人动力学仿真4.3.1 虚拟样机动力学仿真模型的建立4.3.2 石材雕刻机器人动力学仿真结果4.3.3 动力学仿真结果分析4.4 本章小结第5章 石材雕刻机器人的立柱结构的有限元分析5.1 石材雕刻机器人的结构简介及立柱受力分析5.2 石材雕刻机器人立柱结构几何模型的建立5.3 立柱有限元模型的建立5.3.1 定义单元类型5.3.2 定义材料属性5.3.3 立柱模型的网格划分5.3.4 模型边界条件的模拟5.4 立柱的有限元静力分析5.4.1 立柱所受载荷分析5.4.2 立柱所受载荷到立柱有限元模型的转换5.4.3 柱结构有限元模型的边界条件施加5.4.4 立柱结构模型的应力分析5.4.5 立柱结构模型的刚度分析5.5 立柱的有限元模态分析5.6 本章小结结论与展望参考文献致谢学位论文评阅及答辩情况表
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