中科院首届职工技能大赛机械工程领域机械臂设计仿真试题
(总分 70 分)
一、研究背景
机械臂在智能制造、航天等领域得到越来越广泛的应用。机械臂 向着“稳、准”的趋势发展， 关节轴承部分刚度对运动轨迹的稳定性、 准确性有重要影响， 对其进行仿真分析具有重要的科研与工程应用价 值。
二、题目要求
图 1 机械臂立体图
机械臂由底座、 关节 1、大臂、关节 2、小臂、负载等组成，如 图 1 所示。底座与大臂通过关节 1 连接，关节 1 包括减速机、轴承、 轴套和轴向调整垫等，假设关节 1 是完全刚性的。大臂通过六个 M8
螺钉实现与关节 1 的连接。关节 2 由减速机、轴承、轴套、轴向调整 垫等组成，如图 2 所示, 实现小臂转动。关节 2 中减速机通过六个 M8 螺钉安装在大臂上，减速机通过轴套带动小臂转动。假设减速机对轴 套只提供沿轴向转动的约束且转动刚度无限大，不提供轴向和径向支 撑作用，关节 2 的轴向与径向支撑作用由大臂与轴套之间的轴承提 供。轴套通过六个M6 螺钉与小臂连接。减速机带动轴套与小臂转动， 实现负载(3kg)的运动。底座、大臂和小臂材料选用某铝合金材料， 密 度为 2.7 103 kg/m3，弹性模量为 70Gpa，泊松比为 0.3。减速机、 轴套 采用 45 钢，密度 7.8 103 kg/m3，弹性模量为 200Gpa，泊松比为 0.28 。 底座、大臂、小臂、减速机、轴承套尺寸见附件 (赛道 2- 1 附件、机 械臂模型)，单位为 mm。轴承采用 7212AC 型角接触球轴承， 背对背 使用，轴承施加 1440N 轴向预紧力。
1 )关节 2 中组配轴承刚度分析
根据给定的机械臂关节 2 设计，包括相关零件连接情况、轴承型 号、轴承预紧力等，利用有限元法等方法对组配轴承轴向和径向刚度 进行仿真分析，获得组配轴承刚度特性。
2)机械臂模态分析
图 3 机械臂 1=60 和 2=45 位姿示意图
底座底面固定约束，在 1=60 和 2=45 位姿下，建立机械臂有 限元模型，进行模态分析，获得机械臂前六阶共振频率和对应振型。
三、计分规则
1 )组配轴承刚度仿真分析过程的规范性 (70%)
单套轴承轴向刚度和径向刚度与轴向预紧力关系模型的合理性；(30%)
背对背组配轴承刚度模型的合理性； (20%)
预紧力下组配轴承轴向和径向刚度分析结果的准确性。(20%)
2)机械臂模态分析过程的合理性 (30%)
描述组配轴承刚度单元的准确性；( 15%)
零件之间连接关系处理模型的合理性。( 15%)
四、答案提交要求
1.按照题目要求，提供一份详细的仿真分析报告(PDF 文件)；
2.仿真分析报告文件以“单位+姓名+题目名称”命名；
3.各单位统一将选手仿真分析报告置于同一个文件夹中， 以“单位+姓名”命名，打包压缩后发送；
4.各参赛选手按要求答题， 在规定时间完成后， 于 11月11日下午17点前提发送至以下邮箱：gaojing@opt.ac.cn。
5.联系方式：
技术答疑联系人：王 炜，135 7188 2805 ，wangwei@opt.ac.cn
试卷提交联系人：高 静， 150 9118 2819，gaojing@opt.ac.cn
西安光机所工会
2022年10月31日
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