超大尺寸瓷板码垛机器人工作站系统设计与运动仿真研究

摘要

随着社会经济的日益发展，传统的人工码垛方式已不能满足现代制造业对产品质量和数量的要求，使用码垛机器人来代替传统人工码垛已是社会发展的必然趋势。但是，在陶瓷、物流、玻璃等制造企业中，仍然存在着大量的人工码垛作业。人工进行码垛时，劳动强度大，效率低，生产成本高，削弱了企业的市场竞争力。基于此种现状，针对超大尺寸瓷板的特性及码垛要求，设计了一套适用于瓷板码垛的机器人工作站系统。
　　结合瓷板的特性研究和作业要求，详细分析了码垛工作站系统的功能需求。并确立了由自动输送线系统、码垛机器人系统、自动托盘供给系统为主体组成的瓷板码垛工作站系统方案。通过分析工作站系统中相关设备的位置关系及布局原则，完成了工作站系统的布局，进而对码垛工作站各个系统部分进行了合理的设计。基于可靠性和成本方面的考虑，提出了以可编程逻辑控制器为核心的控制系统方案，并据此对控制系统硬件进行了选型设计，根据工作站工作任务流程，为控制系统接口信号进行了地址分配，并完成了控制系统 PLC程序的设计。对码垛机器人末端装置进行了结构设计，并利用有限元插件对其进行了强度校核，实现了机器人对瓷板抓取搬运的功能要求。
　　以KR100-2PA码垛机器人为研究对象，分析了机器人运动学基础问题。利用 D-H法建立了码垛机器人连杆坐标系及数学模型，并对码垛机器人进行了正逆运动学分析。根据齐次变换矩阵推导出机器人末端吸盘手爪运动参数方程，并利用数值法与MATLAB对机器人末端手爪的运动空间进行了仿真分析，这对作业现场布置，及对其它可实现的任务空间提供了一定的理论基础。
　　探究了码垛机器人在关节空间中的轨迹规划方法，并对两种多项式轨迹插值方法进行了对比分析，以及分析了笛卡尔坐标空间中的直线插补算法和圆弧插补算法。通过对轨迹规划方法的分析研究，对保证码垛机器人搬运码垛过程中的稳定性具有重要意义。最后通过 MATLAB中的Robotic toolbox工具箱对码垛机器人的正逆运动学进行了验证仿真。并结合码垛作业轨迹任务，完成了对轨迹规划的仿真验证，证明了码垛机器人轨迹规划的合理性、准确性以及运用机器人来完成此类瓷板码垛任务的可行性。

目录

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 课题来源及研究意义

1.3 码垛机器人技术研究现状与发展趋势

1.4 论文主要研究内容

第二章 瓷板码垛机器人工作站系统设计

2.1 系统功能需求分析

2.2 工作站系统方案设计

2.3 码垛机器人系统设计

2.4 工作站控制系统设计

2.5 本章小结

第三章 码垛机器人运动学分析

3.1 刚体空间位置和姿态描述

3.2 坐标系的变换

3.3 码垛机器人运动学方程的建立

3.4 码垛机器人逆运动学分析

3.5 码垛机器人工作空间仿真分析

3.6 本章小结

第四章 码垛机器人轨迹规划研究

4.1 轨迹规划概述

4.2 轨迹规划一般问题分析

4.3 关节空间轨迹规划

4.4 笛卡尔空间轨迹规划

4.5 本章小结

第五章 基于MATLAB机器人运动与轨迹规划仿真

5.1 仿真工具简介

5.2 机器人模型的构建

5.3 正运动学仿真

5.4 逆运动学仿真

5.5 轨迹规划仿真

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录

在读期间公开发表的论文

致谢