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一、课题的研究背景
广泛应用于基础设施建设以及其他工业与民用建设领域的工程机械行业，是中国机械行业的重要组成部分，在最近的20年期间实现了跨越式发展，特别是2009年以来，中国工程机械产销量已多年位居世界第一，成为世界工程机械大国。但是，我国工程机械行业的发展并未止步，未来，随着新农村建设、城市改造、新型城镇化的稳步推进，加上非洲、中南美洲等发展中国家拥有的巨大市场，中国工程机械行业必将迎来更大发展。在工程机械行业良好发展态势的带动下，一大批工程机械零配件企业也实现了飞速发展，特别是在工程机械上广为应用的液压油缸企业。
随着工程机械企业对液压油缸需求的与日俱增，油缸生产企业迫切希望提高产能以满足市场需求，提升企业竞争力。而生产液压油缸活塞杆，需首先对原材料进行矫直，之后剥皮切段，成为油缸活塞杆坯料后再进行下一步加工。要想提高液压油缸活塞杆产量，油缸活塞杆坯料的供应必须满足生产需求。在此情况下，油缸企业希望通过实现自动化生产以提高生产能力。要实现自动化生产，就需要提高现有设备的自动化程度。而根据生产流程和现有设备情况，一条自动化的油缸活塞杆坯料生产线所含有的矫直设备、剥皮切割设备已实现了自动化操作，但在生产线末端尚没有合适的自动搬运设备将活塞杆坯料自动搬运并按顺序码放进物料框，因此需要依据生产需求进行设计制造。
这里的自动搬运设备，因其工作的方式，可称之为搬运机器人，是工业机器人的一种。经过了几十年的发展，搬运机器人已广泛应用于汽车加工生产、化工、机械制造、包装码垛、数码电子等多个行业中，特别是在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染等不适合人类工作的恶劣环境下，搬运机器人的应用更为广泛。在此背景下，许多国家认识到搬运机器人的强大作用，投入了大量的人力物力来进行研究和应用，国外已开发出负载可达 1300kg 的搬运机器人。但是，在面对如上所述的油缸活塞杆坯料等质量较大的中大型工件的重载搬运需求时，国内传统搬运机器人无法满足要求，而选用国外机器人则成本较高。因此，研制可承受重载荷的搬运机器人特别是运行迅速、稳定可靠、控制简单的重载搬运机器人迫在眉睫。
二、国内外研究现状
重载搬运机器人是工业机器人类别中搬运机器人的一种。搬运机器人不仅能够像人一样完成某些工作，有时甚至能比人做的更好，不仅能够在特殊环境下运行，还可以 24 小时甚至更长时间连续工作。因此，搬运机器人实现了人体局部功能的延伸。自动化生产线或自动化加工机床上应用的搬运机器人，是为主机服务的，由程序驱动，用以完成机床上下料和工件传送的自动化等任务。目前在世界上投入使用的搬运机器人已达 20 多万台，这些机器人被广泛应用于自动装配流水线、机械加工生产线、锻造、码垛搬运、汽车冲压件生产线、建材等企业生产现场以及港口码头的集装箱自动搬运等场合。
三、课题来源
所选课题源自中科院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所与江苏恒立高压油缸股份有限公司的企业合作项目，以面向油缸活塞杆坯料自动化生产线开发的重载荷、大行程、高可靠性的搬运机器人为研究目标，以虚拟样机技术、有限元分析法、刚柔耦合的多体动力学分析法以及机械系统动力学振动理论等分析方法和理论为研究手段，系统研究其整体结构设计和动态性能，进而依据分析结果对其结构进行改进，最终设计制造出满足企业需求的可长时间高效稳定运行的重载搬运机器人，为以后的机械设备研发提供一种可供参考的科研方法。
四、课题的研究内容
本课题以重载搬运机器人为设计研究对象，以虚拟样机技术、有限元分析法、刚柔耦合的多体系统动力学以及机械系统动力学振动理论为基础，以三维建模软件 Solidworks、有限元分析软件Ansys、动力学分析软件Adams 和数据处理软件Matlab 为平台，完成重载搬运机器人的结构设计和相关驱动的选型计算，对其进行关键部件的静力校核以及搬运码放过程中机器人关键部件应力变化的求解，并对搬运机器人进行动态性能研究，完成搬运机器人的动态特性分析，对重载搬运机器人进行基于刚柔耦合模型的动态仿真分析，进而依据分析及仿真结果改进搬运机器人结构，最终加工制作出重载搬运机器人样机。
具体的研究内容如下：
（1）根据功能要求对重载搬运机器人进行结构设计，完成相关驱动系统的计算选型；
（2）利用有限元分析软件Ansys 建立整个重载搬运机器人的有限元模型，对其进行关键部件的静力校核，并运用 Ansys 瞬态分析模块求解机器人搬运油缸活塞杆坯料过程中的应力变化情况；
（3）完成对整个搬运机器人的动态特性分析，得到搬运机器人的固有频率及对应的各阶振型等参数，分析结构刚度薄弱点；
（4）利用Ansys 软件与其它分析软件的接口，在Adams 软件中建立搬运机器人的刚柔耦合多体模型，并根据实际工况添加相应的约束和驱动，完成对重载搬运机器人基于刚柔耦合模型的多体系统动力学动态仿真，求解搬运机器人的振动幅值及输出特性曲线等数据；
（5）根据分析及仿真结果对所设计的机器人结构进行改进设计，优化其振型，对改进前后的结构进行对比分析，并在结构改进满足设计要求后加工制作出重载搬运机器人样机。
五、提纲
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 课题来源
1.4 课题研究意义
1.5 课题的研究内容
第二章 重载搬运机器人结构设计及驱动计算
2.1 引言
2.2 重载搬运机器人工作流程和设计指标
2.3 搬运机器人的结构形式分类
2.4 重载搬运机器人机械本体设计
2.4.1 主体结构设计
2.4.2 重载搬运机器人 Z 轴结构设计
2.4.3 末端执行装置设计
2.5 电机的计算和选择
2.6 本章小结
第三章 基于 Ansys 的重载搬运机器人力学分析
3.1 引言
3.2 分析软件 Ansys 简介
3.3 重载搬运机器人的静力校核
3.3.1 机器人底架结构的静力校核
3.3.2 机器人 X 轴的静力校核
3.3.3 末端执行件的静力校核
3.4 重载搬运机器人瞬态动力学分析
3.4.1 瞬态动力学分析基本理论
3.4.2 重载搬运机器人的瞬态动力学分析过程
3.4.3 重载搬运机器人的瞬态动力学结果分析
3.5 本章小结
第四章 重载搬运机器人动态特性分析及运动仿真
4.1 引言
4.2 重载搬运机器人动态特性分析
4.2.1 模态分析理论基础及分析步骤
4.2.2 重载搬运机器人底架模态分析
4.2.3 重载搬运机器人整机模态分析
4.3 基于刚柔耦合模型的重载搬运机器人动态仿真分析
4.3.1 基于刚柔耦合的多体系统动力学方程建立
4.3.2 重载搬运机器人刚柔耦合模型的建立
4.3.3 重载搬运机器人负载运动过程动态仿真分析
4.3.4 动态仿真结果分析
4.4 基于 S 曲线加减速的动态仿真分析
4.4.1 S 曲线加减速参数计算
4.4.2 基于 S 曲线加减速的动态仿真分析
4.5 本章小结
第五章 重载搬运机器人结构改进与样机制作
5.1 引言
5.2 重载搬运机器人的结构改进
5.2.1 改进方向和目标
5.2.2 改进措施
5.3 改进后搬运机器人的模态分析
5.3.1 改进后重载搬运机器人底架模态分析
5.3.2 改进后重载搬运机器人整机模态分析
5.4 改进后重载搬运机器人刚柔耦合模型动态仿真
5.5 重载搬运机器人样机的制作
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
六、课题研究意义
在现代工业生产中，随着人工成本和生产要求的提高，如何提高生产过程的自动化水平已经成为突出问题，尤其是机械工业中常见的不连续生产过程，例如加工、装配、搬运等过程。对于这类问题，已经发展了诸如柔性制造单元、柔性制造系统等多种设备和系统来实现切削加工过程的自动化。但是，除了切削加工本身外，还需要大量的自动化设备来实现工件的装配、搬运等非切削加工作业。而随着工业机器人技术的发展，工业机器人已广泛应用在生产过程的自动化中，像 KUKA、ABB 等公司所制造的搬运机器人已大量应用于上述所说的装配、焊接、搬运等生产过程。但是，当面对工业企业中质量大于 200kg,特别是动辄数百公斤的工件时，普通搬运机器人则显得力不从心，只能采用人抬车吊的传统搬运方式，不仅耗时耗力，更易发生碰撞损坏工件，伤及人员。因此，尽快开发设计重载荷搬运机器人显得尤为重要。
本课题所设计的重载搬运机器人处于油缸活塞杆坯料自动化加工生产线的末端，能够实现自动搬运码放油缸活塞杆坯料的功能，同时还可以通过更换末端执行装置实现一定的通用性。但是，由于其所搬运的工件质量大，工作速度高，当机器人运行不平稳时，极易造成设备损坏以及人员伤害，直接影响到生产线的高效稳定长时间运转。所以，不仅要设计出重载搬运机器人，还要对整个系统结构的动态性能进行分析，确保搬运机器人在保证高效率的同时具有安全性与稳定性。
因此，本课题的研究意义在于，采用虚拟样机技术设计制造出比传统搬运机器人承载能力更大
