一种高速重载码垛机器人的设计开发

摘要

本文针对杭州娃哈哈集团数十条饮料生产线码垛工序的自动化实现问题,在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“高速搬运机器人及其物流生产线关键技术与示范应用”的资助下设计开发了一种四自由度关节式高速重载码垛机器人,深入研究了其静力学分析、伺服电机参数预估、控制系统设计几个方面,全文取得了以下研究成果:
　　1.针对码垛机器人静刚度问题,对其重要零部件与整机进行了静力学分析。利用Solidworks Simulation有限元分析工具完成了模型中零件腰部、腕部的受力分析并根据分析结果优化结构;然后对整机在满载情况下的几个典型位姿进行分析,得到了整机在工作空间内的应力、应变、位移分布云图,并进一步优化了杆类零件壁厚。对零件的优化提高了码垛机器人的静刚度和动力学性能,对整机的分析得到了码垛机器人在工作空间内的静刚度分布特性。
　　2.利用D-H法对码垛机器人进行运动学分析,建立了其位置正逆解矩阵,然后采用S型曲线运动规律,针对娃哈哈公司果奶生产线的现场布局和速度、加速度要求对码垛机器人进行了笛卡尔坐标空间轨迹规划,最后通过Solidworks Motion分析平台对规划的轨迹进行了运动仿真,并根据仿真结果预估伺服电机参数,为伺服电机的选取提供了理论依据。
　　3.根据码垛机器人的控制功能需求与软件功能需求分析,提出了基于Simotion D435的控制系统的硬件总体方案,完成了控制系统硬件平台搭建,并开发了码垛机器人控制软件,同时设计出相关的人机界面。
　　4.根据娃哈哈公司果奶生产线的现场布局与码垛方式,针对两种不同箱型的产品进行了码垛调试,调试结果使码垛过程中的载荷、速度、精度等参数都满足生产要求。

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2国内外研究状况

1.3本文主要研究内容

第二章 静刚度分析

2.1引言

2.2高速重载码垛机器人简介

2.3有限元分析原理与Solidworks Simulation简介

2.4腰部与腕部的静力学分析

2.5整机典型位姿下静力分析

2.6小结

第三章 伺服电机参数预估

3.1引言

3.2运动学分析

3.3运动仿真与电机选择

3.4小结

第四章 控制系统设计

4.1引言

4.2控制系统硬件设计

4.3控制系统软件设计

4.4小结

第五章 工程应用

5.1引言

5.2生产线上的应用

5.3现场码垛调试

5.4小结

第六章 全文结论

6.1结论

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢