機(jī)械工程畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告

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題目:基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑振系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    一、本課題的研究意義、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
    1、課題的來(lái)源和意義
    機(jī)器人抑震系統(tǒng)的產(chǎn)生是為了解決因機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生有害震動(dòng)的問(wèn)題,為了滿足設(shè)計(jì)師把機(jī)械臂設(shè)計(jì)得更加靈巧,減小機(jī)械臂的重量的要求,導(dǎo)致機(jī)械臂的剛度減小,撓性增大,機(jī)械臂在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)候產(chǎn)生有害而強(qiáng)烈的震動(dòng)。壓電分流阻尼技術(shù)可以很好解決這個(gè)問(wèn)題。
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分就是壓電分流阻尼技術(shù),這個(gè)技術(shù)的主要元器件包括壓電陶瓷、電阻、電感,電阻和電感我們都很熟悉,這里我們著重了解一下壓電陶瓷這一電子元器件。
    1880年皮埃爾•居里和雅克•居里兄弟發(fā)現(xiàn)電氣石具有壓電效應(yīng)。1946年美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn),某些材料在機(jī)械應(yīng)力作用下,引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化,導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷的現(xiàn)象,稱為壓電效應(yīng)。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷。
    設(shè)計(jì)一種成熟的機(jī)器人抑震系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人高效、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)功能具有很大幫助。不能很好地控制機(jī)器人的震動(dòng),將會(huì)給機(jī)器人帶來(lái)很多危害,甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能。比如,空間站第一階段的裝配約需遙控機(jī)器人工作 47 小時(shí),其中等待消除殘余振動(dòng)的時(shí)間約占總時(shí)間的 20%-30%,高速激光切割機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中末段操作器大加速度可達(dá) 3-5g,而軌跡精度卻要求在±0.2mm范圍內(nèi),航天器的柔性附件在展開(kāi)過(guò)程中誘發(fā)的振動(dòng)可使航天器的姿態(tài)失穩(wěn),一些系統(tǒng)的展開(kāi)過(guò)程竟達(dá) 6-8 小時(shí),需要如此長(zhǎng)時(shí)間的原因是避免造成大的振動(dòng),因此,機(jī)器人抑震系統(tǒng)的研究對(duì)如何在提高速度,減小機(jī)械臂重量的同時(shí)保證精度、效率和可靠性十分必要。
    2、 課題的研究現(xiàn)狀
    隨著科技日新月異的發(fā)展,機(jī)器人在生活、生產(chǎn)以及航空航天領(lǐng)域的廣泛使用,使得對(duì)機(jī)器人抑震系統(tǒng)的研究顯得十分必要和有意義,機(jī)器人抑震系統(tǒng)的核心技術(shù)就是壓電分流阻尼技術(shù)20世紀(jì)90年代以來(lái),壓電分流阻尼(shuntpiezoelectric damping)技術(shù)在結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制中的應(yīng)用越來(lái)越引起專業(yè)研究者們關(guān)注。Hagood等首先提出了壓電分流阻尼的概念。該方法的基本原理是通過(guò)壓電式作動(dòng)器把振動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,然后通過(guò)分流電路中的電阻把電能消耗掉。
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)設(shè)計(jì)之所以被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人抑震系統(tǒng)中,是因?yàn)樗斜姸嗥渌鼨C(jī)器人抑震系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),其優(yōu)點(diǎn)主要集中于以下幾點(diǎn):
    1、原理簡(jiǎn)單明了,易于理解
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)的核心技術(shù)是壓電分流阻尼原理,就是利用震動(dòng)引起壓電陶瓷的變形,從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),在分流阻尼電路中形成電流而發(fā)熱,實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械能以熱能的形式消耗掉,達(dá)到抑震的作用。
    2、結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間小、無(wú)復(fù)雜電路
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)有壓電陶瓷和分流阻尼電路兩部分組成,壓電陶瓷體積非常小,分流阻尼回路主要由導(dǎo)線、電阻和電感三部分組成,電感和電阻主要有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,所以說(shuō),整個(gè)壓電陶瓷分流阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊,占用空間也十分小,電路也很簡(jiǎn)單。
    3、自動(dòng)化程度高
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)只要設(shè)計(jì)無(wú)誤,正確安裝在需要抑震的機(jī)器上,即可實(shí)現(xiàn)抑制震動(dòng)的功能,在實(shí)現(xiàn)抑震的過(guò)程中無(wú)需人工操作。
    4、節(jié)能,不需要外接電源
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)不需要外接電路驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng),十分節(jié)能,其只是將機(jī)器震動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能,以達(dá)到抑制震動(dòng)的目的。
    5、工作穩(wěn)定,反應(yīng)快
    基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震系統(tǒng)無(wú)復(fù)雜的電路,而且不需要復(fù)雜的軟件處理傳感器采集的信號(hào),抑制震動(dòng)是將機(jī)械能通過(guò)電能轉(zhuǎn)化成熱能從而達(dá)到抑制震動(dòng)的目的,這個(gè)速度十分迅速。
    3、發(fā)展趨勢(shì)
    柔性機(jī)械臂在震動(dòng)的過(guò)程中不可避免產(chǎn)生彈性震動(dòng),對(duì)機(jī)器人柔性臂的振動(dòng)抑制成為重要的研究課題,基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑震的方法也在不斷地發(fā)展和優(yōu)化,有關(guān)發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾種:
    1、對(duì)壓電陶瓷布置位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),讓壓電陶瓷位于柔性臂的不同位置,進(jìn)行抑制震動(dòng)實(shí)驗(yàn),分析壓電陶瓷在不同位置時(shí)候的抑震時(shí)間和效果,選取合理的位置。
    2、采用先進(jìn)的控制器,工程領(lǐng)域廣泛使用的PID控制器就是對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算,并將其運(yùn)算結(jié)果作用于受控對(duì)象,將壓電分流回路與PID控制器相結(jié)合,組成抑震效果更好的抑震系統(tǒng)。
    3、為了更好地抑制低頻震動(dòng),采用主動(dòng)控制方法,主動(dòng)控制是將作動(dòng)器和傳感器黏結(jié)或嵌入柔性機(jī)械臂中,并與控制器相連組成智能結(jié)構(gòu)機(jī)械臂,在一定的控制規(guī)律下,有作動(dòng)器產(chǎn)生的作用力來(lái)抵消機(jī)械臂的震動(dòng)能量。
    4、震動(dòng)控制更加智能,隨著科學(xué)技術(shù),一種所謂的智能梁被提出,它指內(nèi)嵌或外貼有分布傳感器和分布作動(dòng)器的柔性機(jī)械臂,通過(guò)這些材料產(chǎn)生的做動(dòng)應(yīng)變來(lái)實(shí)施震動(dòng)控制。
    二、研究方案及工作計(jì)劃
    在機(jī)器人逐漸普及的今天,國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人的研究投入也在迅速增加,對(duì)機(jī)器人的要求也越來(lái)越高,新一代機(jī)器人具有高速、重載、高精度、高的靈活性以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便的特點(diǎn),尤其在機(jī)械臂重量方面,為了減輕機(jī)械臂的質(zhì)量和體積,如今在很多場(chǎng)合的機(jī)械臂都使用柔性機(jī)械臂,相對(duì)于剛性機(jī)械臂,柔性機(jī)械臂的剛度大大減小,這就給機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶來(lái)了振動(dòng),為了解決機(jī)器人在工作中的的振動(dòng)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外都有比較深入地研究,但是,機(jī)器人抑振系統(tǒng)的研究絕不是一朝一夕的事情,直到機(jī)器人發(fā)展到如今地步,關(guān)于機(jī)器人由于高速運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題依然值得研究人員去深入研究。
    本課題將采用壓電分流阻尼技術(shù),把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能,然后通過(guò)壓電分流阻尼回路以熱能的形式消耗掉,已達(dá)到抑振的效果,為了更好地達(dá)到抑振的效果,我們將把機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成懸臂梁的模型,采用ANSYS有限元分析軟件,對(duì)模型的固有頻率進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果,對(duì)分流阻尼回路的電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使分流阻尼回路能夠在不同模態(tài)下對(duì)機(jī)械臂都能有很好的抑制振動(dòng)的效果。為了更好的設(shè)計(jì)分流阻尼回路,本文設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)測(cè)試了基于壓電陶瓷的機(jī)器人抑振系統(tǒng)在不同頻率和激勵(lì)強(qiáng)度下抑振系統(tǒng)的輸出參數(shù)。課題難點(diǎn)是對(duì)柔性機(jī)械臂建模并用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析,分流阻尼回路的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)于這兩個(gè)難點(diǎn)首先ANSYS分析將采用簡(jiǎn)化模型的方式解決;分流阻尼回路的優(yōu)化設(shè)計(jì)將采用加一個(gè)負(fù)阻抗變換器的方法,使其達(dá)到頻率自適應(yīng)的功能。
    三、工作計(jì)劃
    第一 二周 完成開(kāi)題報(bào)告
    第三周 查找資料。選擇方案
    第四周 完成方案的選擇
    第五周 完成前言部分
    第六周 進(jìn)行框架設(shè)計(jì),大體計(jì)算結(jié)果
    第七周 選擇參考文獻(xiàn),共十五篇,其中英文五篇,并選擇一篇翻譯
    第八周 完成說(shuō)明書(shū)的前半部分(草稿)
    第九周 完成說(shuō)明書(shū)的正文部分,并準(zhǔn)備中期檢查報(bào)告
    第十周 準(zhǔn)備計(jì)算及軟件分析
    第十一周 完成計(jì)算
    第十二周 熟悉軟件
    第十三周 完成軟件
    第十四周 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善
    第十五周 完成說(shuō)明書(shū)
    第十六周 完成后期檢查,并進(jìn)行修繕
    第十七周 修改設(shè)計(jì)中的不足之處,準(zhǔn)備答辯
    第十八周 進(jìn)行答辯
    三、閱讀的主要參考文獻(xiàn)
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