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装填机械臂动力学与有限元分析

发布于:2018-02-26 18:00
有限元分析
       大口径自行压制火炮作为陆军地面的主要火力压制力量和支援力量,其自动化水平、战斗机动性和火力机动性越来越引起各军事强国的关注。其爆发射速和持续射速成为火炮的重要战技指标,而装填自动化是提高这项指标的有效途径之一。弹药自动装填技术是大口径自行火炮武器系统的关键技术之一,是世界各国竞相研制和发展的重点。
       目前国外先进的自行火炮有俄罗斯1988年装备的2C19式152mm自行榴弹炮,自动装填弹丸,发射药由半自动装填机装填,最大发射速度为达8发/分钟;德国19%年开始列装的PzH2000自行火炮,实现10发/分钟或20发/分钟的理想发射速率,但为纯手工装填发射;瑞典2008开始装备的“弓箭手”FH-77BW式155毫米自行榴弹炮,能进行3发/15秒的急促射,2.5分钟内发射完20发弹;美军2009年开始装备的新型M109A6-PIM自行榴弹炮采用了为“未来战斗系统”非直瞄火炮NLOS-C研制的自动装弹机,最高射速超过12发/分钟。本研究所针对的某型自行火炮的药筒装填方式仍为人工装填,极大限制了火炮的发射速度。提出设计一种药筒装填机械臂,以实现该型自行火炮弹药装填的自动化,提高自行火炮弹药装填效率。在对装填机械臂运动学、静力学有限元分析、本体结构设计及轨迹规划分析的基础上,通过构建装填机械臂虚拟样机,对其进行动力学仿真,从而得到各关节参数,为关节电机选型提供依据,将仿真结果反馈给结构设计,进而建立交互式设计模式。
       总体结构设计依据机器人设计手册并结合机械臂的实际任务要求确定机械臂驱动系统、驱动器、驱动方式、本体材料、电机布置等机构方案,运用CAD二维画图App画出机械臂各部结构图及总体装配图。
       三维实体模型建立依据机械臂本体结构设计采用3DMAX建立装填机械臂三维实体模型。
       依据轨迹优化结果,确定各关节转角范围,最大转速、最大角加速度,依据本章动力学分析结果,确定各关节最大转知、最大功率,并依据以上参数选取合适的电机。
       1.根据对机械臂本体结构的设计,建立机械臂三维实体模型,导入ADAMS中构建虚拟样机,再对各关节添加运动副,对末端实行器添加载荷,对各关节添加motion,并在motion中输入优化后的关节空间轨迹函数。2.仿真得到各关节以时间为变量的力矩变化曲线,用该结果对运动学和静力学分析结果进行修正,再反馈给结构设计,从而形成一种交互式结构设计模式。3.将动力学分析得到的小臂关节受力和力矩动态变化值添加到小臂两端关节处,对小臂的应力和应变进行有限元分析,校核小臂的强度和刚度,结果表明小臂最大应力为101MPa。3.101MPa远小于合金钢许用应力值,且应变也可忽略不计。
       因此,通过动力学分析和有限元校核证明了结构设计符合操作任务对其强度和定位精度的要求。


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