码垛机器人的关键结构设计与控制系统研究

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作为现代物流与工业机器人技术的有机结合体，码垛机器人在社会生产中正发挥着越来越重要的作用。随着生产规模的扩大以及机械自动化水平的提高，码垛技术，特别是机器人码垛技术的应用范围越来越广，需求也越来越大。通过深入调研和分析码垛机器人的市场前景与研究现状，结合当前国内工厂物流自动化的实际情况，本文研发出了一种堆垛效率高、结构简单、维护方便、成本低廉的自动化、智能化码垛机器人，重点对机器人主杆机构的结构设计、机器人的运动学和动力学分析、主杆机构的模态分析和优化设计以及控制系统软硬件的设计进行了比较深入的研究。具体内容和主要的工作成果可概括为以下几个方面：首先，分析确定了码垛机器人4自由度串并混联式圆柱坐标型的机械构型，进行了机器人的理论运动学分析；对码垛机器人的关键结构，包括小臂、前大臂和后大臂进行了机械设计，并详细阐述了各关节的运动特点；分析了码垛机器人的工作空间，运用ADAMS软件建立起机器人的虚拟样机并进行了运动学仿真分析。通过分析和比较相关的运动曲线，进一步验证了理论运动学分析的正确性以及构型设计的合理性。其次，建立码垛机器人主杆机构的力学模型并进行静力分析，得出该构型的机器人具有良好的平衡性等结构特点；运用ADAMS软件对机器人进行动力学仿真分析，得到机器人在最恶劣工况下作业时主杆机构的受力情况和腰部电机、腕部电机、水平关节电机以及垂直关节电机的输出扭矩，相关数据和曲线可以为杆系设计、电机选型提供数据支持和计算验证；针对机器人的动态特性，运用ANSYS软件对臂展最大状态下的主杆机构进行了模态分析，并根据分析结果对主杆机构进行了优化设计。最后，分析确定了码垛机器人控制系统的总体方案，包括硬件方案和软件方案，其中详细设计了系统硬件的分布式控制结构、软件的模块化组织结构和总体运行流程，并分析了核心控制模块、运动控制驱动模块、交流伺服模块以及I/O控制模块之间的通信原理；通过分析PLC和伺服驱动器可能存在的干扰源，有针对性地提出了系统的抗干扰措施；基于PMAC运动控制卡设计了垂直关节电机的回零控制流程，并据此进行了相关的回零重复定位精度实验，取得了比较理想的实验数据。本码垛机器人已在温州华联机械股份有限公司的高速生产线上运行数月，工作情况良好。论文最后对课题的研究内容进行了总结，并提出了下一步工作的研究方向。

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