（机械工程专业论文）基于疲劳分析的静电粉末喷涂机器人的反求设计.pdf

基于疲劳分析的静电粉末喷涂机器人的反 求设计 r e v e r s ed e s i g nf o rp o w d e r c o a t i n gr o b o t b a s e do n f a t i g u ea n a l y s i s 学科专业：机械工程 研究生：边浩 指导教师：陈永亮副教授 天津大学机械学院 二零零八年八月 中文摘要 本文首先简要介绍了静电喷涂的应用及发展现状，阐述了喷涂机器人的结 构、用途和原理，以及其在实际使用中存在的问题，从而提出了本课题的研究重 点。然后，详细介绍了静电粉末喷涂的工作原理、生产工艺和生产设备。 在实际研究中，本文主要在以下几个方面对静电喷涂机器人进行了研究与改 进： 针对传统失效分析中存在的分析周期长、计算工作量大、分析成本高等缺陷， 在静电喷涂机器人失效分析中引入了有限元分析方法，通过有限元分析结果和零 件失效照片的对比，得出了机械失效的原因。 运用反求工程的理论改进原方案，提出一些新方案，并设计出新的立柱及立 柱连接方式，根据理论计算，证实了新方案的可行性。新方案较原方案比较，在 抗弯曲强度方面明显改善，解决了其强度不够的问题。在静电喷涂机器人机械部 分设计中，不仅仅局限于简单的仿造，通过对其失效的分析，提出了改进方案， 并设计出了新的立柱和喷枪支架。 本设计利用a n s y s 软件对该喷涂机器人进行实体建模，完成整机结构设计； 根据机械装备理论以及对实体模型的参数分析进行结构改进；运用改进模型的参 数选择相应的支撑件、加强筋、滚动导轨、滚珠丝杠、交流进给伺服电机，并进 行了主要零部件的计算。 由此，在本文中，结合了有限元分析、c a d c a e 结构优化、以及p r o e n g i n e e r 机械结构设计等多种技术，来对静电喷涂机器人进行失效分析、改进方案选择、 结构改进等方面的研究结合以上各种技术的优点，综合提高了静电喷涂机器人的 性能。目前，已经投入实际运行，使用寿命提高了3 倍以上。 关键词：静电粉末喷涂；喷涂机器人；反求工程；有限元分析；结构优化 a b s t r a c t a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to fe l e c t r o s t a t i cp o w d e rc o a t i n g ；i n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o n ，f u n c t i o n a n dp r i n c i p l eo fs p r a y i n gr o b o t a n dt h e ns o m ep r o b l e m st ob es o l v e di na p p l i c a t i o n a r ep r e s e n tt od e d u c et h ef o c u so ft h i st h e s i s d e s c r i b et h ep r i n c i p l e ，w o r kp r o c e s s a n de q u i p m e n to f p o w d e rc o a t i n g i ng e n e r a l ，t h er e s e a r c hi sc a r r i e do u ti n f o l l o w i n ga s p e c t s ：f i n i t ee l e m e n t m e t h o di si n t r o d u c e dt ot h ef a t i g u ea n a l y s i so fe l e c t r o s t a t i cs p r a y i n gr o b o tt oa v o i d l o n gp e r i o d , h u g ec a l c u l a t i o na n dh i 曲c o s to ft r a d i t i o n a la n a l y s i s t h e n , t h e c o m p a r i s o nb e t w e e na n a l y s i sr e s u l t sa n dp h o t oo ff a t i g u ep a r ti sm a d et og e tt h e c a u s eo f f a t i g u e a f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o nw h yi tl o s e s ，w eb r i n gf o r w a r dan e wd e s i g no f s t r u c t u r e ，u s i n gt h et h e o r yi nr e v e r s ee n g i n e e r i n g a n dw ed e s i g nn e wp a r t sf o rt h e n e ws t r u c t u r e a f t e rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，w ek n o wi ti sao p t i m i z a t i o ns t r u c t u r e c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lp r o j e c t ，n e wp r o j e c t sh a v eb e e ni m p r o v e do b v i o u s l yi n i n t e n s i t ya n dt h em a c h i n e sl o n g e v i t y d u r i n gt h ep r o c e s so fm e c h a n i c a ld e s i g n , s o m ei m p r o v e m e n t sa r ep r e s e n t e db yf a t i g u ea n a l y s i ss u c ha st h ed e s i g no fs t a n d i n g m a s ta n ds p r a y e rf r a m e t h i sd e s i g nu s e sa n s y ss o f t w a r ef o rt h es p r a y i n gr o b o t sc o m p l e t ew h o l es e t s o fs t r u c t u r a ld e s i g n ；a c c o r d i n gt ot h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n tt h e o r ya n dt h e s t r u c t u r a l d e v e l o p m e n t o ft h em o d e le n t i t i e s a n a l y s i sp a r a m e t e r s u s et h e i m p r o v e m e n tm o d e lp a r a m e t e r st oc h o o s et h ec o r r e s p o n d i n gr o l l i n gs l i d ea w a y , b a l l s c r e w , e x c h a n g ei n t o t h es e r v o m o t o r ，a n dt h ec a l c u l a t i o na n dt h em a j o r c o m p o n e n t s i n s h o r t ，t h i st h e s i si sa i m e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o s t a t i c s p r a y i n gr o b o tb yc o n d u c t i n gt h er e s e a r c ho ff a t i g u ea n a l y s i s ，p r o j e c td e s i g nc h o i c e ， a n dc o n s t r u c t i o ni m p r o v e m e n ta n de l e c t r o n i cc o n t r o lw i t ht h ea p p l i c a t i o no ff i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，c a d c a es t r u c t u r eo p t i m i z e s k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp o w d e rc o a t i n g ；s p r a y i n gr o b o t ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t r u c t u r eo p t i m i z e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：如建签字日期： d 占年口月1 o e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：之坠港 签字日期：p 苫年矿月矽曰 导师签名：了车缎哮 签字日期： 形年缪月7 沙日 第一章概述 第一章概述 1 1 静电粉末喷涂应用及发展现状 静电粉末喷涂是传统的喷涂与静电效应相结合的一项技术，是一门新兴的学 科，2 0 世纪4 0 年代随着石化工业行业的迅速发展，聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺 等热塑性树脂产量快速增长，人们开始研究将树脂熔融涂敷于金属表面，因此相 继出现了辊涂、散布和火焰喷涂等工艺方法【i 】。 传统的喷漆工艺使用的涂料是油漆，油漆是一种溶剂型涂料。溶剂型涂料的 生产施工是以有机溶剂作为分散介质，其涂层在形成过程中伴有大量有毒的有机 物挥发。有机溶剂中含有多种有毒物质，它们的溶剂对人体有一定的毒性。另外， 油漆在生产、运输、施工过程中容易引起火灾和发生爆炸。油漆施工中，油漆喷 涂利用率最高为5 0 ，也就是说有一半的涂料喷不到工件上，不仅浪费原材料，而 且也对环境造成了污染。 粉末涂料是一种1 0 0 固体成份的，以粉末形态进行喷涂形成涂膜的涂料。它 与一般溶剂型涂料和水性涂料不同，不使用溶剂或水作为分散介质，而是借助空 气作为分散介质。 静电粉末喷涂具有许多油漆无法实现的优点： 1 静电粉末喷涂使用的是固体粉末状涂料，固体粉末状涂料主要有环氧粉末涂 料、聚酯一环氧粉末涂料和聚酯粉末涂料三种，这些粉末涂料中不含有机溶剂，不 挥发有毒气体，无毒无味，对工人健康无危害，不污染环境。 2 由于粉末涂料不含有机溶剂，避免了有机溶剂带来的火灾、中毒和运输中的 不安全问题。 3 粉末涂料是1 0 0 的固体，可以采用闭路循环体系，喷溢的粉末可回收再用， 回收率可达9 5 以上，大大节省了涂料。 4 静电粉末喷涂提高了工件涂层质量。涂层非常牢固、受撞击不会脱落；涂层 持久可保持2 0 年；粉末涂料有各种颜色，直接从厂家购进，不用自己配色，且颜 色鲜艳美观。 5 静电粉末喷涂在喷涂时，涂层厚度可以控制，一次喷涂可达至j j 3 0 5 0 0pm 厚 度，相当于溶剂型涂料几次甚至十几次涂装的厚度，减少了施工的次数。既有利 于节能，又提高了生产效率。 第一章概述 6 静电粉末喷涂利用“静电附着”原理，不必从物件的每个方向去喷涂。对于 不容易处理的部件和隐蔽位置只要从一边喷涂就可喷好。比如在喷涂栅栏、管道、 带孔洞物件，可节省3 0 的作业时间。 7 在施工应用时，选配性能好的喷粉室和回收装置，可以避免粉尘污染。 8 施工时，不需要随季节变化调节粘度，施工操作方便，对工人操作水平要求 低。厚涂时也不易产生流挂等弊病，容易实现自动化流水生产。 9 粉末涂料不用溶剂，是一种有效的节能措施。因为大部分原料是来自石油原 油，这样直接节省了原有的消耗。 改革开放加速了我国粉末涂料行业的发展，粉末涂料产量直线上升，迅速占 领了洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电风扇等的表面涂装市场。 国内粉末涂料的市场开发，最初以家用电器产品为主要对象，逐步推广应用 到机械设备、仪器仪表、医疗器械、电子元器件、建筑行业、汽车零部件、邮电 通讯、航空航天、船舶、轻工、自行车、摩托车、金属家具、办公用品、道路标 志等各个领域【2 】。目前粉末涂料在石油、天燃气及船舶管道内外壁的涂装也取得了 广泛应用，金属制品的粉末涂装技术己趋于成熟，并且制定了相应的涂装标准。 1 2 自动化喷涂机器人的应用介绍 随着现代化建设进程的快速发展，各种基础设施( 如输油管道设施、输气管 道设施、灯杆设施等) 和各种家用消费品( 如空调、冰箱、微波炉等) 日益丰富， 数量越来越庞大。而所有这些设施和消费品为了达到实用、商品化，具有市场竞 争力，有一个重要环节是必不可少的，就是对这些产品外包装进行喷涂。要进行 大批量喷涂作业，就必须发展高效自动化喷涂机设备。 目前常用的喷涂设备有固定式、高压无气喷涂机、往复式项喷机、往复式侧 喷机、移动龙门式仿形喷涂设备及各类自动喷涂工业机器人等，它们适用于大批 量、连续化工业喷涂 根据作业对象的不同，喷涂机的结构形式有固定式和移动式等不同形式。固 定式适用于各种箱体类工件的室内喷涂作业，如固定式的汽车覆盖件模具喷涂机 器人，依靠特别设计的手腕结构运动轨迹实现喷管和覆盖件的配合。移动式结构 形式种类较多，通过各种组合连接的方式，可以达到实际喷涂过程中旋转工作台、 机器人和工件运动协调、位姿正确。 当对几何形状复杂的工件进行静电喷涂时，由于电场强弱变化大，漆膜的均 匀性很差。手工操作的静电喷枪，基本能满足形状复杂的工件的喷涂要求，可是 操作者手持数万伏的高压喷枪，比较危险，而且涂料挥发物对人体也有很大危害。 这正为喷涂机器人的发展提供了良好的契机。 2 第一章概述 采用自动喷涂机的主要优点是提高产品质量和稳定性，减少废品的数量，同 时减少涂料和能量的消耗，实现涂装生产作业的自动化，提高劳动生产效率。因 此，工业机器入技术在汽车及其零部件、各类塑料件及消费类家电和电子产品等 喷涂方面的应用不断增加。 同时，自动喷涂机具有可重复且稳定的喷涂质量、随产品型号改变的高灵活 性和适应性、有效组织多品种产品混线生产以及可减少对人的安全和健康的危害 等因素。另外，企业的耗材和能源使用可以更有效地、稳定地得到控制，还可以 进行长期的、多班制的生产计划安排，从而提高企业生产率和固定资产利用率。 在汽车喷涂领域，最新的喷涂工艺可保持油漆雾化装置即旋杯在其最佳路径 而尽可能减少非喷涂时间。对机器人而言，该新工艺则要求其具备高速度和高加 速能力。a b b 公司研制的i r b 5 5 0 0 喷涂机器人具有独特的运动和加速特性，允许喷 漆室更窄更短，使整个车身的喷涂可以在一个更加紧凑的喷漆室内进行，从而有 效改善油漆流量和传递效率，并能省去喷漆室内的轨道轴【2 】。 在小零件的喷涂方面，a b bi r b 5 2 机器人提供了另外一套完整的解决方案， 它具有更轻的质量( 仅2 5 0 k g ) 、更灵活的安装方式( 倒挂、壁装、倾斜安装和地 面安装) 、更大的手腕荷重( 7 k g ) 及相对较大的工作范围，使得该机器人能够用 于绝大多数中小型零部件的高效喷涂，如手机外壳、便携电脑外壳、数码相机外 壳等消费类电子产品。 1 3 反求工程的应用介绍 反求工程，也成为逆向工程，是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指 导，以现代设计理论、方法、技术为基础、运用各种专业人员的工程设计经验、 知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计， 这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂【3 j 。 在机械领域中，逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 【4 】是在没有设计图纸或者设计 图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，按照现有零件的模型( 称为零件原形) ， 利用各种数字化技术及c a d 技术重新构造原形c a d 模型的过程。逆向工程是近年 来发展起来的消化，吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合， 其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力，是制造业的最 新模式。世界各国在经济技术发展中，普遍应用逆向工程消化吸收先进技术经验， 给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作 为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生 产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高， 具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况： 第一章概述 在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，在对零件 原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为依据生成数控 加工的n c 代码，加工复制出一个相同的零件。 当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方 法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设 计模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符合要求的产品模型， 这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及 反求其模具的依据。 在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或 泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视 图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。 另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需 要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想， 指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。 逆向工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在逆向工程中，按 照现有的零件原形进行设计生产，零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形 中；在传统的设计制造中，按照零件最终所要承担的功能以及各方面的影响因素， 进行从无到有的设计。此外，从概念设计出发到最终形成c a d 模型的传统设计是 一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原形数字元化后在形成c a d 模型的逆向 工程是一个推理，逼近的过程。反求工程的常规设计程序如图1 1 所示。 明确设计要求 反求分析( 实物、软件或影像) 上 i 测绘仿制开发设计变形设计 变参数设计适应性设计 j， 原理方案设计 0 技术设计 施工设计 0 投产 图1 1 反求工程设计流程图 4 第一章概述 反求工程一般可分为四个阶段： 1 零件原形的数字元化，通常采用三坐标测量机( c m m ) 或激光扫描等测量装置 来获取零件原形表面点的三维坐标值。 2 从测量数据中提取零件原形的几何特征，按测量数据的几何属性对其进行分 割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。 3 零件原形c a d 模型的重建，将分割后的三维数据在c a d 系统中分别做表面 模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的c a d 模型。 4 建c a d 模型的检验与修正，采用根据获得的c a d 模型重新测量和加工出样 品的方法来检验重建的c a d 模型是否满足精度或其它试验性能指针，对不满足要 求者，重复以上过程，直至达到零件的设计要求。 1 4 有限元分析方法与应用介绍 绝大多数机械零件都工作在循环变化的载荷下，这导致疲劳破坏成为机械零 件的主要破坏形式。一般而言，零件发生疲劳破坏时，应力水平往往远小于材料 本身的屈服应力和强度极限。机械零件的疲劳破坏往往突然发生，导致灾难性事 故。因而疲劳破坏和疲劳分析方法引起工程界的高度重视。 1 4 1 有限元疲劳分析方法 疲劳现象发生的原因在于金属在应力或应变的反复作用下发生了性能变化。 虽然从微观角度，疲劳裂纹的产生与发展都与微观塑性变形有关；但从宏观上， 人们仍然根据疲劳破坏发生时的应力循环次数，将疲劳破坏分为高周疲劳和低周 疲劳【5 j 。其中，高周疲劳受应力幅控制，循环应力的水平较低，弹性变形居主导地 位；低周疲劳受应变幅控制，循环应力水平很高，往往越过材料的屈服极限使材 料发生屈服，塑性变形居主导地位。根据不同的疲劳破坏形式，有着不同的疲劳 分析方法。工程中常用的疲劳分析方法有三种：名义应力法、局部应力应变法和 损伤容限法【6 j 。其中名义应力法适用于高周疲劳；局部应力应变法适用于低周疲劳； 而损伤容限法则是随着断裂力学的应用和发展，将断裂力学中临界裂纹长度和裂 纹扩展速度综合考虑而形成的一种疲劳分析方法】。 1 名义应力法 名义应力法认为两个不同形状的零件只要满足以下条件则他们的疲劳寿命相 同。 ( 1 ) 零件的材料相同；( 2 ) 零件的载荷谱相同；( 3 ) 零件最危险部位的应力 集中系数相同；使用名义应力法进行疲劳寿命计算时，首先需要根据载荷谱确定 零件危险部位的应力谱；而后采用材料的s n 曲线，经过计算结构危险部位的应 第一章概述 力集中系数，结合材料的疲劳极限图，通过插值将材料的s n 曲线转换为零件的 s n 曲线：最后根据由载荷谱确定的应力谱根据m i n e r 线性损伤累积规则计算零 件的寿命。名义应力法主要用于对弹性变形居主导地位的高周疲劳寿命进行计算。 由于名义应力法没有考虑危险部位局部塑性变形和不同载荷顺序对疲劳寿命的影 响，因而无法适用与塑性变形居主导地位的低周疲劳情况。 2 局部应力应变法 局部应力应变在计算疲劳寿命时基本假设如下：如果不同结构形式的零件材 料相同，且最危险部位应变变化过程相同，则两零件具有相同的疲劳寿命。使用 局部应力应变法进行疲劳寿命计算时，首先确定零件的危险部位，并根据载荷谱 和材料的循环应力一应变曲线计算零件危险部位的应变过程；根据材料的应变过 程一寿命曲线确定载荷谱中各级载荷造成的损伤；最后根据损伤累计规则计算零 件的寿命。 局部应力应变法主要用于对塑性变形居主导地位的低周疲劳寿命进行计算。 但是局部应力应变法在对弹性变形为主的疲劳失效进行寿命计算时，往往会有很 大误差。 3 损伤容限法 损伤容限法以断裂力学为基础，假设零件中存在初始裂纹；该方法将初始裂 纹长度扩展至临界裂纹长度所需的时间作为零件的疲劳寿命。常用的裂纹扩展速 度公式有帕里斯公式和佛曼公式。 采用损伤容限法进行疲劳寿命计算时，首先根据材料的断裂韧度确定材料的 临界裂纹长度；而后通过无损检测等方法确定零件中裂纹的初始长度。再根据裂 纹扩展速度公式确定载荷谱中各级载荷造成的裂纹扩展速度确定在载荷作用下零 件的疲劳寿命。由于疲劳现象本身的复杂性，也有很多学者在大量实验的基础上 提出了其它的疲劳分析方法，如能量法和应力场强法等。 第一章概述 1 4 2 有限元疲劳分析过程 图12 痘劳分析过程 图卜2 给出了对机械零件进行疲劳分析的过程。其中，方形框代表了设计人 员需要进行的工作：其余部分则代表疲劳分析过程中可能产生的数据以及需要用 到的规则与公式。虽然不同的疲劳分析方法有着不同的适用范围，然而疲劳分析 却都要经过咀下通用的步骤： 1 处理载荷，形成载荷谱：2 进行材料试验，获取材料的疲劳性能；材料的 疲劳性能包括材料的循环应力一应变曲线和载荷寿命曲线。3 对零件进行结构 分析，寻找零件的薄弱部位的应力或应变：4 根据实际零件的可能的疲劳破坏形 式，采用一定的疲劳损伤累积规则。得到零件的疲劳寿命。每种疲劳分析方法都 要求对零件进行力学分析，计算零件危险部位的应力和应变历程。在名义应力法 中，需要在弹性范围内对结构进行分析计算以得到危险部位的应力：在局部应力 应变法中，需要采用材料的循环应力一应变曲线，根据修正的n e u b e r 方法对结构 进行弹塑性分析得到零件危险部位的应变历程；对于损伤容限法而言，则要计算 裂纹尖端的应力。 1 4 ，3 有限元在疲劳分析中的应用 从图卜2 所示的框图可知，对零件进行力学分析，找到载荷作用下零件的结 构薄弱部位的应力和应变是进行疲劳分析的基础。对于承受不同的载荷、具有不 同的结构形式的零件，很多文献都提供了近似计算公式。但由于工程实际中的零 件往往非常复杂，近似计算的结果往往与零件的真实情况相差较大。有限元法可 以对结构进行受力和变形分析。使用有限元法进行结构受力分析一般需要经过前 第一章概述 处理、求解和后处理三个阶段。有限元法的求解精度随着网格密度增加而升高。 如果前处理模型正确，有限元法的解与结构在载荷作用下的真实受力与变形情况 是一致的。 在不同的疲劳分析方法中，有限元法有着不同的应用。在名义应力法中，由 于该方法主要应用于弹性变形居主导的高周疲劳，因而只需采用有限元法对零件 进行弹性分析便可以得到零部件的危险部位的应力。如果零件同时承受多个准静 态载荷，则对每个准静态载荷都要进行单位力作用下的静载分析，然后将每个应 力结果与对应的准静态载荷谱相乘，而后通过线性组合，形成零件危险部位的应 力谱。即当载荷频率远在零件自身自振频率之下时，名义应力法中可以应用弹性 力学中的叠加原理对结果进行等效处理。如果载荷的动态效应不能忽略，文献指 出此时需要在频域对功率谱密度进行计算。在局部应力应变法中，危险部位的应 变谱是疲劳寿命的控制因素。得到应变谱需要对零件进行弹塑性分析。由于局部 应力应变法要考虑载荷历程和材料的循环应力一应变曲线对疲劳寿命的影响，所 以不能适用弹性叠加原理。此时，首先需要采用载荷计数法将载荷谱进行分级处 理， 而后对各级载荷结合材料循环应力一应变曲线进行弹塑性有限元分析，得到 与各级载荷对应的零件危险部位的应变谱。 一般而言，使用有限元法对零件进行塑性计算的时间要远大于只进行弹性计 算所需要的时间。但是零件在使用期限内，其疲劳载荷系列中往往只有很小一部 分使材料进入了塑性区；绝大部分的载荷序列都只使材料发生弹性变形，而弹性 有限分析的速度是很快的。所以，可以使用有限元法来完成局部应力应变法要求 的结构弹塑性分析。对于损伤容限法而言，有限元主要用于确定裂纹尖端的应力， 可以通过将裂纹尖端附件网格进行加密的方法得到较为精确的裂纹尖端应力分 布。 1 4 4 基于有限元和疲劳分析软件的零件疲劳分析过程 随着有限元方法理论研究的深入和计算机技术的发展，目前已出现很多大型 通用的有限元分析软件，如n a s t r a n 、a n s y s 等。这些有限元分析软件都具有很强 的弹塑性分析功能，能够完成零件疲劳分析所需要计算零件危险部位应力应变过 程的任务。另一方面，随着疲劳分析方法研究的深入和计算机软硬件技术的发展， 国外已出现了进行疲劳分析的商业化软件系统。 第一章概述 1 5 有限元分析软件a n s y s 介绍 1 5 1a n s y s 的应用范围 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法。 它是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单 元组合而成。有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据数学模式，进而得到 该有限元系统的解答，并通过节点、单元表现出来。随着计算机技术的迅速发展， 有限元方法现在已经广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及 海洋工程等领域，己成为现代设计理论中强有力的设计方法之- - 剐。目前国际上大 型的有限元分析程序主要有a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ，a u t o f o r m 、c f o r m 、 c t a d y n a f o r m 等。其中以a n s y s 为代表的有限元分析软件具有以下优点：减少设 计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计， 降低材料的消耗和成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；可以进 行模拟实验分析；进行机械事故分析，查找事故原因。其功能越来越完善，不仅 包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序，将 有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程学问题必不 可少的有利工具。 a n s y s 不但应用范围广，而且提供了功能强大的分析环境，借助于其提供 的优化设计功能，工程师们能准确地找到设计方案中潜在的设计缺陷或确定其最 佳的几何外形。例如：一家工程咨询公司应用a n s y s 设计优化功能，对汽车发动 机离合器中的弹性摩擦片进行优化，其目标为延长疲劳寿命并在摩擦片内达到应 力均布，而摩擦片仍受到几何及机械界面的制约。整个优化设计过程中，该程序 对参数化定义的摩擦片实体模型进行了一系列求解，每次求解过程中，程序自动 调节所选择的尺寸，直至达到最优化形式结果表明，摩擦片内最大与最小v o n m i s t s 应力之差值减少了2 0 ，最大应力值减少了2 0 ，疲劳寿命增加了3 5 。 a n s y s 设计优化功能可使使用者大大减少昂贵的样机数量，调整结构的钢性与 柔性，并在几何修改中找出合适的方案、具有竞争力的公司均在寻求这样的方法： 以最低的费用来生产最高质量的产品。现今由于a n s y s 版本不断提高，其功能 和稳定型越来越强，应用越来越广。我国压力容器行业推荐用a n s y s 作为该行 业的有限元分析软件。 1 5 2a n s y s 软件的使用方法 应用a n s y s 软件对产品进行模拟和分析时，一般要经历如图1 3 所示的步骤， 9 第一章概述 即前处理、求解计算和后处理。 图1 - 3a n s y s 分析流程图 1 前处理 这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。a n s y s 程序提供了两种 实体建模方法：自顶向下与自底向上。自项向下进行实体建模时，用户定义一个 模型的最高级图元，如球、棱柱，程序则自动定义相关的面、线及关键点，用户 利用这些高级图元直接构造几何模型；自底向上进行实体建模时，用户从最低级 的图元向上构造模型，即；用户首先定义关键点，然后再生成相关的线、面和体。 无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算( 如相加、相 减、相交、分割、粘结和重叠) 将各个独立的实体模型适当地连接在一起，从而 创建出一个实体模型。 a n s y s 提供了两种使用便捷、高质量的网格划分方法：即自由网格划分和映 射网格划分。自由网格对于单元形状无限制，并且没有特定的准n 。a n s y s 程序 的自由网格划分功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分。与自由网格相比， 映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格只包 含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。如果想要这种网格类 型，必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。 2 加载及求解 加载是用边界条件数据描述结构的实际情况。计算模型的边界条件处理，是 为了使所建的模型能够逼真地模拟所分析结构的安装、固定以及其与周围其他结 构之间的相互关系，同时能准确地模拟结构在各种工况下的受力情况。a n s y s 程 序提供了两种加载方式，一种是在实体模型上加载；另一种是在有限元分析( f e a ) 模型上加载。无论采取何种加载方式，a n s y s 求解前都将载荷转化到有限元模型 上，即加载到实体上的载荷将自动转化到经过网格划分后其所属的节点或单元上。 a n s y s 的求解就是解方程。a n s y s 通过各类求解器，求解由有限元方法建立的 联立方程组，其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。 3 后处理 用a n s y s 软件处理有限元问题时，建立有限元模型并求解后，并不能直观地 显示求解结果，必须用后处理器以图形形式显示和输出。例如，计算结果( 如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值( 如 1 0 第一章概述 应力值) 。浓泼图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应力范圈) ，清晰地反映了 计算结果的区域分布情况。另外还可以检查在一个时间段或子步历程中的结果， 如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或 多个变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。 1 6 课题提出的背景、本文研究的内容与意义 l g 微波炉生产车间喷涂生产线上的喷涂机器人是按照原始要求由日本生产 的喷涂机器人，9 6 年开始使用，由于其3 个自由度的联动柔性，能很好地适应生 产环境和生产线上产品的变化需求。随着市场需求的不断增加，为了提高生产效 率生产线速度从原来的45 r n i m i n 上升到6 t n m i n ，因此要求将机器人由原来的 每8 秒往复运动一次提高到每6 秒往复运动一次。其3 个自由度的独立马达丝杠 驱动机构的加速度增大，再由于机构本身具有的较大质量，从而产生很大的惯性 力冲击。在反复的惯性力冲击下，喷涂机立柱的下部出现应力疲劳断裂情况，严 重影响到了加工效果和生成效率，该喷涂机器人的现实场景机型如图1 4 所示， 断裂情况如图1 5 所示。 网 麟一 图1 - 5 实际断裂情况 第一章概述 针对本课题我们已经对其进行了两次相应的改进，也基本能满足其生产要求， 其中已经在生产线上工作的方案已经平稳工作一年时间，没有出现损坏迹象。对 喷涂机器入进行分析可以得出，原因在于此机器人的机械部分根部以上有喷枪杆， 轴承座及丝杠，丝杠固定板和电动机等部件，在机器人启动的过程中，机器人根 部以上的部分会产生较大的惯性力，会在根部的截面上产生较大的动弯矩，再加 上根部以上存在的静弯矩，超出了设计要求，容易造成根部横截面的疲劳，从而 产生断裂，虽然对其进行相应的加固可以延长其寿命，但仍然存在强度设计并非 优化选择问题。本课题要求对其进行重新分析设计，为了减少其疲劳断裂的可能， 要求对原方案做进一步改进，满足在运动可靠的前提下实现延长寿命的要求，提 高生产效率，降低生产成本，提高企业的效率。 1 2 第二章喷涂生产线工艺、设备及其布局 第二章喷涂生产线工艺、设备及其布局 2 1 静电粉末喷涂工作原理 静电粉末喷涂主要是利用高压静电电场的原理，将直流高压( - 3 0 - - 9 0 k v ) 接在喷枪喷嘴前的一个电极或接在喷嘴附近的多个电极上，负高压和接地的金属 工件之间构成静电电场。压缩空气将粉末从粉桶经输粉管、喷枪送至电场中，雾 状粉末即带上了静电荷。在静电场和压缩空气推力的双重作用下，粉末均匀的吸 附在金属工件的表面。然后加热使工件表面的固体颗粒融溶固化成均匀、连续、 光滑、平整的涂层。由于粉末涂料的体积电阻较高( 1 0 1 01 0 1 6q e r a 3 ) ，被吸附在 工件上的粉末粒子释放电荷速度较慢，因此带电粉末粒子能不断的吸附在工件表 面，直到绝缘破坏，不再增加膜层厚度拶j 。 在静电粉末涂装时，粉末粒子带电，借助于库仑力吸附到被涂物上面。库仑 力越大，静电吸附效果越好。库仑力可用式( 1 ) 表示： f = q 1 6 5 i h z 公式( 2 - 1 ) 式中：卜粉末涂料粒子带的电荷； s 一真空介电常数； h 一喷枪和被涂物之间的距离。 从上式可以看出，静电电压越高，粉末粒子带的电荷q 越多，库仑力f 越大，吸附 效果越好。所以在喷涂时一般选用- 8 0 k v 电压。另一方面库仑力又与喷枪和被涂物 之间的距离h 2 成反比，所以喷枪与被涂物距离越近，库仑力越大，吸附效果越好， 一般此距离为1 5 - - - 2 5 c m 。 第二章喷涂生产线工艺、设备及其布局 2 2 静电粉末喷涂生产工艺 i ， 豳2 1 喷涂工艺流程图 基本工艺流程如图2 1 所示，首先将工件挂在传送链上，第一步经过前处理设 备( 喷淋或浸渍) ，达到除油、除锈、磷化的效果。第二步经过水分干燥炉将工件 上的水分烘干。第三步工件在喷粉室喷涂粉末，由空气压缩机给喷枪和回收装置 提供压缩空气，静电发生器产生3 0 k v 9 0 k v 高压，由喷枪进行喷耪。喷溢的粉 末由回收装置回收后再用。第四步工件喷好后，送至粉末固化炉进行固化，固化 完毕后下件。 2 3 粉末静电喷涂设各布局、种类及功能 图2 - 2 为粉末静电喷涂生产线设备布局示意图 j - 曼墨是l 麒l l # 2 1 # $ 1 j 图22 喷涂生产线设备布局示意图 主要设备包括：喷粉室、回收装置、喷涂机器人、喷粉设备( 包括：静电发 生器、喷枪、供粉器) 、水分干燥炉、粉末固化炉、前处理设各、纯水处理设备和 一，lhh上 1 一 虻 第二章喷涂生产线工艺、设备及其布局 工件传送悬链机等。 1 喷粉室和回收装置： 图2 3 为一个标准的喷粉室和回收装置简图。 图2 3 喷粉室和回收系统循环图 喷粉室的结构决定于喷涂方式、粉末的回收方式、被涂工件大小和形状、工 件的传送方式、喷枪的排列和生产量等条件。要求喷涂的粉末和喷溢的粉末不会 飞散到喷粉室外面，喷粉室各口的平均风速为0 4 0 。5 m s 。喷粉室的回收口倾斜 角为3 0 。 - - - 6 0 4 。喷溢的粉末易进入回收口。喷粉室的结构应容易清扫，占地面 积小，容易换色。 喷粉室可以用金属或玻璃钢制作。金属喷房力n - r _ 容易、牢固、易维修和具有 防火安全等优点。玻璃钢喷房粉末占壁量小，便于清扫，它对接地的工件没有妨 碍，能提高静电喷涂效率。 涂装流水线的涂着率为3 5 - 7 0 ，因而喷涂量的3 0 - 6 5 的粉末喷溢，需回 收。回收装置应具有捕集气体中的粉末并排出清洁空气的功能。速度良好的三级 回收装置，回收效率可达9 5 以上。一级为高效旋风分离器，二级为电控低压脉冲 纸芯过滤结构，三级为布袋过滤。抽风风道内风速一般为2 0 m s ，速度过慢会发生 粉末堆积，速度过快时粉末涂料的损耗则过大。 2 喷粉设备：静电发生器、喷枪、供粉器 静电发生器工作原理：将2 2 0 v 5 0 h z 交流电经整流滤波器变为可连续调整的直 流电压，此直流电压供给一个振荡器产生一个音频交流震荡电压，再经升压和多 级倍压产生3 0 k v 一9 0 k v 的高压。由升压器取出一个信号送保护电路，保护电路 输出信号控制整流滤波电路，保护电路输出信号控制整流滤波电路以实现高压自 动保护、自动回复和报警。 主要技术参数：输出电压3 0 k v - 9 0 k v 连续可调；最大输出电流2 0 0l aa ；消 耗功率5 0 w 。 主要特点：输出电压、电流数字显示，数据精确，便于观察。具有过热、过 电流自动保护。喷枪开关可同时控制高压通断和气路通断。喷枪开关由低压控制， 第二章喷涂生产线工艺、设备及其布局 保证操作者安全。具有高压自动保护、自动回复和报警装置，在喷涂过程中不产 生火花，没有火灾危险，安全可靠。采用温度补偿电路，高压稳定。喷枪中心和 周围喷涂厚度均匀，对复杂工件也可进行良好的喷涂。调整简单，使用方便，工 作寿命长。 标准的喷涂条件：喷枪电压通常控制在6 0 k v - 8 0 k v 。喷枪与工件距离以1 5 2 5 c m 为宜。自动保护距离为6 10 c m 。喷枪运行速度控制在1 0 - - 3 0 m m i n 。喷枪喷 粉量一般10 0 - - - 3 0 0 9 r a i n 为宜。 喷枪由环氧树脂等绝缘性高、强度大的塑料制成。经喷枪内部及出口处两次 带上电荷，能增加粉末涂料的附着率。 供粉器由贮粉桶、文丘里吸粉装置和气压调节装置组成。它的作用是利用压 缩空气把粉末涂料由贮粉桶送至喷枪。供粉器应能定量、连续的向喷枪供粉，以 保证喷涂工件涂覆均匀，供粉器应易于清理换色。新型供粉器采用流化床储粉桶、 二次进气文丘里吸粉装置和三路气压调节装置。 3 水分干燥炉和粉末固化炉 水分干燥炉有多种加热方式，一般温度在1 5 0 左右，干燥时间1 0 分钟左右。 有箱式和通道式两种。箱式用于手动生产，通道式用于自动化流水线生产。 粉末固化炉的作用是将喷好粉末的工件加热，使吸附在表面的固体颗粒熔融 固化成均匀连续、光滑平整、坚固的涂层。固化炉的温度在1 8 0 左右，固化时间 1 8 , - - v 2 0 分钟，也有箱式和通道式两种结构。 4 前处理设备 前处理设备有喷淋和浸渍两种，前处理设备所用的材料有不锈钢、玻璃钢和 塑料三种。设备要求耐酸、耐碱。手动生产一般用槽式结构、浸渍处理。自动化 生产线用喷淋式结构。喷淋处理或槽式结构浸渍处理。 5 纯水处理设备 目前大多数涂装流水线采用的是反渗透纯水处理设备，它具有流量大、效率 高、过滤效果好、易于维护等特点。 反渗透原理：自然渗透现象中，水分子从浓度低的溶液一侧透过半透膜往浓 度高的溶液中迁移。当我们在含有有机、无机离子的地表水或地下水上加上外来 的高压后，水分子在压力的驱动下由溶液侧透过半透膜往另一侧迁移，而离子、 细菌等穿透半透膜的数量极少，这种现象就是反渗透。根据这个原理我们就可以 从苦咸水中制取纯水。反渗透膜的脱盐率很高，单级反渗透的脱盐率大于9 7 。 反渗透装置主要由反渗透膜、压力容器、高压泵、流量计、阀门等组成。反 渗透膜是主要工作部件，而高压泵是提供高驱动压力。 6 工件传送悬链 1 6 第二章喷涂生产线工艺、设