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第1章 绪论 1

1.1 搅拌摩擦焊的背景及意义 1

1.2 搅拌摩擦焊的原理及特点 4

1.3 搅拌摩擦焊设备现状介绍 5

1.3.1 国外搅拌摩擦焊设备 6

1.3.2 国内搅拌摩擦焊设备 9

1.3.3 国内外搅拌摩擦焊设备特点归纳 12

1.4 大型重载设备的相关理论研究现状 14

1.4.1 多体系统的运动学与动力学 14

1.4.2 机械结合部的等效建模方法 15

1.4.3 结构的静动态特性分析 18

1.4.4 参数化建模与结构优化 19

1.5 本章小结 20

第2章 搅拌摩擦焊机器人多体系统建模与仿真 21

2.1 引言 21

2.2 拟研究的搅拌摩擦焊机器人简介 21

2.2.1 机器人的系统构成 21

2.2.2 机器人的功能与指标 23

2.2.3 机器人的五种典型工况 24

2.3 搅拌摩擦焊机器人运动学研究 25

2.3.1 机器人的正向运动学 25

2.3.2 机器人的逆向运动学 27

2.3.3 雅可比矩阵及连杆速度和加速度 30

2.3.4 机器人典型工况下的运动学仿真 36

2.4 搅拌摩擦焊机器人动力学研究 39

2.4.1 机器人连杆的质心坐标和速度 39

2.4.2 机器人的拉格朗日函数 42

2.4.3 机器人的动力学方程 43

2.4.4 机器人典型工况下的动力学仿真 45

2.5 本章小结 50

第3章 搅拌摩擦焊机器人结合部建模和刚度分析 52

3.1 引言 52

3.2 滚珠-滚道的赫兹点接触理论 53

3.2.1 基本假设 53

3.2.2 滚珠-滚道的点接触理论模型 53

3.2.3 滚珠-滚道的点接触理论求解 56

3.3 角接触球轴承的刚度分析 58

3.3.1 角接触球轴承的几何参数 58

3.3.2 角接触球轴承的静刚度计算 61

3.3.3 角接触球轴承的静刚度有限元仿真 69

3.3.4 角接触球轴承的静刚度试验验证 72

3.3.5 角接触球轴承的动刚度计算 75

3.3.6 角接触球轴承的动刚度有限元仿真 82

3.4 滚珠丝杠副的刚度分析 89

3.4.1 滚珠丝杠副的几何参数 89

3.4.2 滚珠丝杠副的静刚度计算 92

3.4.3 滚珠丝杠副的静刚度有限元仿真 98

3.5 导轨滑块副的刚度分析 100

3.5.1 导轨滑块副的几何参数 101

3.5.2 导轨滑块副的静刚度计算 103

3.5.3 导轨滑块副的静刚度有限元仿真 110

3.6 本章小结 114

第4章 搅拌摩擦焊机器人机械结构设计 115

4.1 引言 115

4.2 XYZ轴系统设计 115

4.2.1 功能要求与设计指标 115

4.2.2 总体结构方案 116

4.2.3 零部件结构设计 119

4.2.4 关键零部件的有限元分析 124

4.3 AB轴系统设计 130

4.3.1 功能要求与设计指标 130

4.3.2 总体结构方案 131

4.3.3 零部件结构设计 132

4.3.4 AB轴结构的有限元分析 135

4.4 搅拌头主轴设计 137

4.4.1 功能要求与设计指标 138

4.4.2 总体结构方案 139

4.4.3 零部件结构设计 141

4.4.4 搅拌头主轴有限元分析 143

4.5 本章小结 149

第5章 搅拌摩擦焊机器人动态优化设计 150

5.1 引言 150

5.2 基于结构分解的动态优化设计方法 151

5.2.1 结构框架和结构单元的基本概念 151

5.2.2 复杂大件结构的参数化设计流程 152

5.3 X轴底座结构的动态优化设计 154

5.3.1 筋格出砂孔与筋格固有频率的关系 155

5.3.2 边长和壁厚与筋格固有频率的关系 158

5.3.3 筋格密度对底座固有频率的影响 159

5.3.4 X轴底座结构的最优方案验证 160

5.4 Y轴立柱结构的动态优化设计 163

5.4.1 拓扑优化的方法和流程 163

5.4.2 Y轴立柱结构的载荷和边界条件 166

5.4.3 Y轴立柱结构的拓扑优化分析 167

5.4.4 Y轴立柱结构筋板的合理配置 170

5.5 Z轴滑枕结构的动态优化设计 171

5.5.1 Z轴滑枕结构的受力分析 171

5.5.2 Z轴滑枕结构的拓扑优化分析 174

5.5.3 Z轴滑枕结构的尺寸优化分析 176

5.6 本章小结 179

第6章 搅拌摩擦焊机器人静动态特性研究 180

6.1 引言 180

6.2 搅拌头焊接过程中的受力分析 180

6.2.1 搅拌头的受力模型 181

6.2.2 焊接过程的数值模拟 183

6.3 搅拌摩擦焊机器人静力分析 185

6.3.1 结合部等效刚度模型的建立 185

6.3.2 搅拌摩擦焊机器人的空载分析 187

6.3.3 搅拌摩擦焊机器人的工况模拟 189

6.4 搅拌摩擦焊机器人动态特性分析 192

6.4.1 模态分析 192

6.4.2 模态试验 199

6.4.3 频率响应分析 205

6.5 搅拌摩擦焊机器人焊接精度分析 206

6.5.1 柔性体计算模型的建立 207

6.5.2 刚柔耦合动力学模型的建立 209

6.5.3 瓜瓣焊工况下机器人的焊接精度分析 210

6.6 本章小结 212

参考文献 214