滚丝机上下料机械手的设计、轨迹规划及控制研究

摘要

伴随着工业4.0时代的发展，各国制造业自动化和智能化水平得到了极大的提高，这与工业机器人的设计和使用息息相关。然而，目前国内中小企业无力购买大量工业机器人，尤其滚丝工艺的上下料任务仍由人工完成，存在效率低下、安全系数低以及自动化水平低的问题。在这一研究背景下，本文在了解了国内外滚丝机及上下料机械手的最新发展情况的基础上，通过掌握滚丝机的各项技术参数和轨迹要求，在考虑成本的前提下，设计出经济、适用的机械手系统，并对其进行理论研究和仿真分析。
　　首先，本文介绍了上下料机械手的研究背景、意义和国内外研究现状，根据滚丝机实际的工艺要求，在Solidworks中对上下料机械手主要零部件的结构、驱动系统和传动系统进行了设计，包括所用步进电机和减速器的选型，完成了上下料机械手机械系统部分的设计，为下文运动学和动力学仿真提供了一定的基础。
　　然后，通过机器人的三维模型建立其D-H坐标系，运用代数法计算机器人的正、逆向运动学方程，在MATLAB中运用SimMechanics工具箱对其进行虚拟杆件建模，通过仿真计算得到机器人的工作空间，从而有利于机器人位置的合理布置。运用MATLAB中的Robotics Toolbox工具箱对其进行正、逆向运动学仿真，验证了运用代数法求得运动学方程的正确性。选取一段路径对其进行关节空间轨迹规划，为下文整条路径的轨迹规划提供了参考意义。
　　再次，根据机械手与滚丝机的空间布局求出了机械手上下料轨迹中一些关键点的坐标，通过MATLAB求出其逆解，运用3次B样条曲线对各关节角度进行插值，得到的角度与时间的曲线作为ADAMS动力学仿真中的驱动函数，通过动力学仿真得到机械手末端的轨迹曲线、运动学和动力学参数。其中，运动学参数表明机械手能满足滚丝机的上下料要求；动力学参数表明机械手能平稳运行以及各关节电机选型合理。
　　最后，通过绘制机械手详细的动作流程图来确定机械手控制系统的I/O数，在此基础上对其进行地址分配及PLC选型，运用STEP7-Micro/WIN软件对其进行编程，给出了主程序和部分自动运行程序的梯形图，实现了上下料机械手的托盘规格的柔性化，从而为后续物理样机的实现提供一定的控制基础。
　　总体来说，本文通过对机器人学的理论研究，设计出一种由电气驱动的4自由度机械手。通过对其进行仿真分析和软件编程，表明该机械手能顺利地完成滚丝工艺的上下料任务，为后续物理样机的制造提供了宝贵的基础。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 滚丝机与上下料机械手的研究现状

1.4 本文主要研究内容和结构框架

第二章 上下料机械手的机械系统的设计

2.1 确立工作对象

2.2 上下料机械手机械结构的设计

2.3驱动系统方案的设计及选型计算

2.4本章小结

第三章 上下料机械手的运动学分析与仿真

3.1机器人学的数学基础

3.2机械手的运动学分析

3.3 基于Robotics Toolbox的机械手运动学仿真

3.4本章小结

第四章 上下料机械手的轨迹规划

4.1 关节空间的轨迹规划

4.2 笛卡尔空间的轨迹规划

4.3 上下料机械手的任务流程

4.4 机械手各关节变量的B样条插值

4.5 小结

第五章 上下料机械手轨迹规划的仿真分析

5.1 机械手仿真模型的建立

5.2 机械手模型的动力学仿真

5.3机械手仿真结果分析

5.4 小结

第六章 机械手控制系统的设计

6.1 机械手的动作流程

6.2 确定控制系统I/O数

6.3 机械手程序的设计

6.4小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢