棉桶搬运机器人的静力学与动态特性分析

摘要

随着我国工业转型升级、劳动力成本不断攀升以及智能发展的需要，工业领域“机器换人”现象普遍。在棉纺行业，针对劳动力短缺的现状和棉纺车间高温高湿高噪音的状况，一款用于棉桶更换和搬运作业的机器亟待出现。研究资料表明，妥善解决这类技术的原理方法至今尚未报道。本文根据纺织车间棉桶搬运与更换的要求，研发了一种由AGV和四轴棉桶搬运机器人组合作业的特种复合机器人，并对四轴搬运机器人进行了重点分析。主要进行了对机器人本体结构设计与驱动电机选型、静力学分析、动态特性分析、动力学仿真以及系统的实验测试工作。
　　以棉桶搬运机器人为研究对象，对机器人进行了机械本体的结构设计。根据棉纺车间的工作特点，确定所要设计的机器人的结构类型是灵活性较高的四轴关节式机器人，给出了其驱动方式和驱动电机选型设计，建立了机器人各个部分的机械本体结构，运用Solidworks设计了其三维结构模型并对其进行了干涉检查，通过计算确定了机器人所用电机和减速器选型。
　　通过ANSYS Workbench软件对棉桶搬运机器人进行了静力学分析，指出了机器人的薄弱环节所在，并对机器人进行了优化设计，提高了强度和刚度；在静力学分析的基础上，对棉桶搬运机器人的三个典型位姿进行了模态分析，得到了其固有频率和振型，找出了强度相对较低的部分，并提出了通过改进结构、增加厚度或者更换材料来提高结构刚度特性的方案，为后续加工提供了理论参考。利用Adams进行动力学仿真，验证了各关节所受力的大小及所选电机的正确性，为以后进行关键零部件的有限元分析打下基础。
　　为进一步验证本课题设计方案的合理性和可靠性，对机器人进行了系统调试与测试。完成对机器人加工、安装和调试，验证了机器人结构设计及运行轨迹的合理性和可行性；对机器人位置距离准确度进行了测试，指出影响位置距离准确度的主要因素是机器人基坐标系与测量系统坐标系之间的坐标变换，提出可以通过建立机器人的距离误差标定模型的方式来提高距离准确度。
　　本课题在查阅大量中外密切相关技术文献的基础上，首次提出了一种由AGV与四轴搬运机器人组合作业的复合机器人的设计方案。通过对比选择、计算分析，确定了搬运机器人的机械本体结构；通过三维建模和静力学分析，对搬运机器人的结构进行了优化；通过对搬运机器人进行模态分析和动力学仿真，明确了影响机构动态特性关键模态所在的结构，验证了各关节受力大小及电机选型的正确性；通过对机器人的系统调试与试验测试，验证了本文设计方案的正确性，为改善棉纺车间的工作环境，减轻工人的劳动强度提供了有力依据，对于解决“用工荒”现象意义重大。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 国内外搬运机器人的研究现状

1.3 课题主要研究内容及创新点

1.4 本章小结

2 棉桶搬运机器人本体结构设计

2.1 机器人构型概述

2.2 机器人结构设计

2.3 机器人干涉检查

2.4 驱动系统选型设计

2.5 本章小结

3 棉桶搬运机器人的静力学分析

3.1 有限元方法

3.2 机器人的静力学分析

3.3 结构优化设计与分析

3.4 本章小结

4 动态特性分析及动力学仿真

4.1 机器人动态特性分析概述

4.2 机器人模态分析

4.3 机器人动力学仿真

4.4 本章小结

5 系统调试与性能测试

5.1 测试系统的安装

5.2 系统性能调试

5.3 位置距离准确度测试

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果

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