球磨机是矿山工业中主要的矿料研磨设备,安装在其内部的衬板极易被磨损。在实际工作中,衬板是球磨机中更换量最大的零部件之一,更换的周期短,人工更换一次需要花费很长时间。某选矿厂长期使用葫芦吊的方式更换衬板,不仅效率低,而且需要人工辅助。为了提高更换衬板的效率,本论文针对该选矿厂某型号球磨机,设计与之配套的磨机换衬板机械手虚拟样机,并通过理论及仿真模拟验证该机械手的可行性,主要完成了以下研究工作:(1)确定球磨机筒体直径、长度,入口直径,最大衬板单重等实际数据,以及相关性能参数,在Solidworks中建立磨机换衬板机械手三维模型,设计的重点是在机械手腕部添加了三个自由度,使其具有偏航、滚动、俯仰三个方向的姿态调整能力,这三个自由度协同工作可以更加准确、快捷的更换衬板,而无需人工辅助,而末端夹持装置是采取伸缩液压缸驱动的方式来准确夹取衬板。然后,采用插值法对机械手的工作过程进行规划,在Motion插件中对机械手的工作过程进行模拟,结果表明机械手可以完成给定工作目标,验证了机械手结构设计的合理性。(2)为了验证机械手各个连杆参数设置的是否合理,采用D-H方法对机械手结构和连杆参数做出分析,构建了运动学方程。依据该方程,利用Matlab对磨机换衬板机械手进行运动学仿真,获取机械手末端从任意点到达某一特定位置的轨迹曲线以及关节位移、速度曲线,验证了运动学方程建立的正确性。在运动学方程的基础上,介绍了机械手雅可比矩阵、静态特性相关理论,计算出机械手在末端受载的静态情况下,为保持机械手平衡各个关节所受到的力及力矩。经过理论计算与仿真,证明了机械手各个连杆参数设置的合理性。(3)研究了有限元模态分析的理论基础、模态提取方法及分析过程,在不影响分析结果的前提下简化了机械手三维模型,导入Workbench中,对机械手进行了模态分析,提取前五阶模态,得到其固有频率和振型。通过对结果的观察可知,该机械手容易在40~50Hz的激振源下引发共振,且出现共振情况时容易在末端部位产生变形,为避免在工作中发生共振提供了理论依据。(4)在模态分析的基础上,对机械手进行了瞬态动力学分析。通过分析确定了机械手在动载荷最大的提升衬板瞬间的位移及应力响应,主要集中在机械手末端,其他部位影响较小,最大应力及位移响应发生在腕部位置,通过对结果的观察和分析,证明了该机械手强度满足设计要求。