棉桶更换机器人运动学分析及其关键零件有限元分析

摘要

码垛技术在现代化生产中具有重要的作用，它不仅可以降低工人的劳动强度，还可以提高码垛的工作效率和自动化水平。物流自动化行业中，机器人代替传统的人工作业已经成为新的发展趋势。纺织车间要求高温高湿的工作环境，传统的手工操作迫切需要机器人替代。针对棉纺车间前纺工序棉桶搬运与更换作业问题，提出了一种电伺服丝杠驱动的轻质型棉桶更换机器人，与AGV导引车构成了一种复合式作业机器人。
　　在对国内外码垛机器人的工作原理及其本体结构研究分析的基础上，根据棉桶更换机器人的作业要求和技术参数选定机器人整体设计方案，并运用SolidWorks软件建立了棉桶更换机器人的三维模型。其中，手臂整体采用两个平行四边形结构，前臂与后臂的驱动均采用滚珠丝杠驱动，抓手结构根据棉桶的外形特征以及更换要求设计，各关节的驱动根据负载要求及臂部结构进行选型设计。
　　对棉桶更换机器人进行运动学研究。首先对机器人进行了运动学方程建模，然后运用D-H矩阵方法建立机器人末端执行器坐标系与基座坐标系之间的变换矩阵，通过矩阵的齐次变换推导出其正解和逆解。通过对运动学方程的求解，为机器人运动学分析提供了理论依据。
　　根据棉纺车间棉桶的更换作业工艺要求，运用SolidWorks软件建立棉桶更换机器人与AGV的组合体模型。利用ADAMS作为具体的仿真工具，对组合体进行运动学与动力学仿真分析。在ADAMS虚拟环境中通过对组合体添加约束与驱动进行仿真模拟，并对机器人样机进行负载试验验证，结果表明机器人与AGV组合体设计方案可行性，同时验证了机器人作业过程中运动的稳定性。
　　对机器人的旋转底座、前臂、后臂这些重要零部件进行有限元分析校核，根据得到的应变云图和应力云图,对关键零部件的刚度和强度进行了评价。分析表明其应力值和变形大小都满足设计要求，确保了棉桶更换机器人的结构设计的可靠性。
　　总之，本文针对纺织车间棉桶更换机器人的结构设计问题，提出了基于丝杠驱动的棉桶更换机器人。根据具体要求设计机器人总统结构方案，对机器人运动学进行研究，同时运用ADAMS仿真软件对其进行运动学与动力学仿真分析。最后，通过ANSYS分析软件对机器人重要零部件进行强度和刚度的校核。这为AGV载机器人的结构设计提供了新的思路，为机器人真正走向工程应用提供了技术基础，有着重要的理论价值和实际意义。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 码垛机器人国内外发展现状

1.3 车载机器人国内外研究现状

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

2 棉桶更换机器人机械结构设计

2.1 机械结构性能分析

2.2 机器人结构设计及驱动

2.3 整体建模与干涉检查

2.4 本章小结

3 棉桶更换机器人运动学研究

3.1 刚体位姿的描述

3.2 D-H矩阵的简介

3.3 机器人运动学建模

3.4 机器人运动学求解

3.5 本章小结

4 机器人运动学与动力学仿真分析

4.1 基于ADAMS/VIEW模型的建立

4.2 ADAMS软件中的仿真模型

4.3 运动学仿真分析

4.4 动力学仿真分析

4.5 本章小结

5 机器人重要零部件的有限元分析

5.1 有限元方法

5.2 旋转底座的有限元分析

5.3 前臂的有限元分析

5.4 后臂的有限元分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况