自动化发展的机械设计论文提纲

论文题目：新型木建筑榫卯节点及其智能建造技术研究

摘要：近十年来,计算机软件技术和智能机器人技术飞速发展,其对建筑设计方法和建造技术也影响巨大。借助强大的开源硬件技术和六轴机械手臂高灵活性的特点,可实现从设计到制造高效的自动化流程。木材作为一种天然可再生绿色建材,在生态节能方面具有较大优势。在现代木结构产业和生产方式快速发展的背景下,机器人木构技术能够作为一种有力的支撑,为木结构的发展带来源源不断的创新动力。本文通过对传统榫卯节点连接形式的改进和优化,提出了一种新型木建筑榫卯梁柱节点连接。这种新型的榫卯节点连接将燕尾榫与箍头榫相结合并加以改进,单调加载试验研究表明,该类榫卯节点呈半刚性,具有较好的承载能力,能够将梁柱进行牢固连接。适用于边柱、角柱和中柱的梁柱节点,并且各种梁柱节点构造形式均相同,从而有利于该类榫卯节点的工业化、标准化生产。在硬件装配方面,通过分析基于机械臂铣削木构件的加工要求,设计了可应用于机械臂的铣削工具头,并根据梁柱构件的加工特点,研发了一种通过开源硬件控制,能够调整和固定木构件位置的自动化固定装置。由机械臂、铣削工具头、自动化固定装置组成了完整的基于机械臂的木构件加工系统。在软件设计方面,利用Rhino、Grasshopper、KUKA|prc等参数化设计工具,建立了新型榫卯梁柱节点模型,并对机械臂铣削刀具加工路径进行了参数化设计和基于可视化编程的仿真模拟。在IDE环境中编写了可导入开源硬件Arduino的控制程序,用于控制自动化固定装置。最后,通过KUKA|prc及Arduino导出的程序对基于机械臂的木构件加工系统进行控制,加工出所需要的榫卯梁柱构件,装配出了一个采用新型榫卯梁柱节点连接的木框架模型。证明了机器人木构加工系统及新型榫卯梁柱节点符合设计要求,具有工程应用价值。

关键词：智能建造;榫卯节点;机械臂;参数化设计;铣削加工

学科专业：建筑与土木工程（专业学位）

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 国内外研究现状

1.3.1 木结构建筑研究及应用现状

1.3.2 建筑机器人技术研究及应用现状

1.3.3 机器人木构技术研究及应用现状

1.4 论文研究内容及创新点

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 论文创新点

1.5 研究目的及意义

第二章 木建筑榫卯梁柱节点的设计

2.1 木建筑榫卯连接技术刍议

2.1.1 榫卯连接技术

2.1.2 常见的榫卯连接形式

2.2 新型榫卯梁柱节点连接

2.2.1 榫卯梁柱节点连接形式

2.2.2 榫卯梁柱节点建构过程

2.2.3 榫卯梁柱节点自身特征

2.3 榫卯节点静载试验研究

2.3.1 试件设计及加工

2.3.2 试验加载方式及量测方案

2.3.3 试验现象及破坏过程

2.4 榫卯节点力学性能分析

2.4.1 数值模型建立

2.4.2 结果分析验证

2.5 本章小结

第三章 机器人木构加工系统的设计

3.1 总体设计方案

3.2 系统硬件组成

3.2.1 机械臂的应用

3.2.2 铣削用工具头

3.2.3 自动化固定装置

3.3 系统控制方法

3.3.1 基于Arduino的控制方法

3.3.2 加工系统的整体运行方式

3.4 系统扩展应用

3.5 本章小结

第四章 协同控制及路径的仿真模拟

4.1 协同控制整体方案

4.2 协同控制流程设计

4.2.1 转动机构与夹持机构的编程控制

4.2.2 自动化固定装置的协同运行流程

4.2.3 机械臂与固定装置协同运行流程

4.3 铣削刀具路径的参数化设计

4.3.1 木材铣削加工工艺浅析

4.3.2 铣削刀具路径设计方法

4.3.3 梁端榫头铣削路径设计

4.3.4 柱端榫头铣削路径设计

4.4 基于可视化编程的仿真模拟

4.4.1 自动化固定装置的仿真模拟

4.4.2 机械臂铣削过程的仿真模拟

4.5 本章小结

第五章 基于机械臂的木构智能建造

5.1 木构体系的模型生成

5.2 加工系统的前期准备

5.2.1 硬件的组装与校核

5.2.2 程序的编写与调试

5.3 木框架的加工与装配

5.3.1 木材选用及分析

5.3.2 加工参数的确定

5.3.3 构件的加工过程

5.3.4 榫卯框架的装配

5.4 可行性分析与性能评估

5.4.1 木构体系可行性分析

5.4.2 加工系统的性能评估

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢