码垛机器人设计_毕业设计说明书

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目录

第一章绪论 (1)

1.1课题的背景、来源及意义 (1)

1.2码垛机器人的发展进程及发展趋势 (2)

1.3课题的设计内容 (2)

第二章码垛机器人总体结构设计 (4)

2.1方案的确定 (4)

2.2总体设计思路 (6)

第三章码垛机器人腕部和腰部设计 (7)

3.1码垛机器人腕部设计 (7)

3.1.1 减速机的计算与选型 (7)

3.1.2联轴器的计算与选型 (8)

3.1.3轴承的选型 (10)

3.2码垛机器人腰部设计 (11)

3.2.1腰部电机选型 (11)

3.2.2腰部联轴器计算选型 (12)

3.3本章小结 (13)

第四章码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计 (14)

4.1平面机构受力分析 (14)

4.2手臂关节轴承的选型与校核 (15)

4.3销轴校核 (16)

4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 (16)

4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核 (17)

4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核 (17)

4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核 (18)

4.3.5 其它销轴联接校核 (18)

4.4竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (19)

4.4.1 最大工作载荷的计算 (19)

4.4.2 最大动载荷的计算 (19)

4.4.3 初选滚珠丝杠副型号 (20)

4.4.4 传动效率计算 (20)

4.4.5刚度的验算 (21)

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书

4.4.6压杆稳定性校核 (22)

4.5水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (23)

4.5.1最大工作载荷的计算 (23)

4.5.2最大动载荷的计算 (23)

4.5.3初选滚珠丝杠副型号 (24)

4.5.4 传动效率计算 (24)

4.5.5刚度的验算 (24)

4.5.6压杆稳定性校核 (26)

4.6水平滚动导轨副的计算选型 (26)

4.6.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (26)

4.6.2额定行程寿命的计算 (28)

4.7竖直滚动导轨副的计算选型 (30)

4.7.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (30)

4.7.2.额定行程寿命L的计算 (30)

第五章 PRO/E建模和仿真 (32)

5.1主要部件建模及其简介 (32)

5.1.1轴承建模的主要过程 (32)

5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 (35)

5.2三维机构运动仿真的基本介绍 (37)

5.2.1 机构运动仿真的特点 (37)

5.2.2 机构运动仿真的工作流程 (37)

5.2.3 机构仿真运动装配连接的概念及定义 (37)

5.2.4 机构的仿真运动 (38)

第六章 ANSYS有限元分析 (40)

结论 (46)

参考文献 (47)

谢辞 (48)

第一章绪论

1.1课题的背景、来源及意义

近几十年来，随着我国经济持续发展及科学技术的突飞猛进，机器人在码垛机、弧焊、喷涂、点焊、搬运、涂胶、测量等行业有着越来越广泛的应用。机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现诸多拟人动作和功能的机器。工业机器人则是在工业生产上应用的机器人，是一种典型的机电一体化装置。工业机器人是用来搬运材料零件工具等可再编程的多功能机械手。它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果。

码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，所谓的码垛就是按照集成单元化思想，将一件件物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的搬运、装卸、运输、存储、等物流活动。在物体的运输过程中除了散装的物体和液体外，一般的物体都是以码垛的形式进行存储或组装，这样即可承载更多的物体，又可节省空间。随着物流的飞速发展以及科技的突飞猛进，码垛技术应用越来越广泛，尤其是在环境较恶劣或人工很难做到的情况下。包装的种类、工厂环境和客户需求，物体的安全性等，使得码垛成为越来越艰巨的任务，为了克服这些困难，码垛设备的各个方面都在不断地发展改进，如从机械手到操纵它的软件，现在对灵活性的需求也在不断增加。

码垛机器人是一种具有特殊功能的垂直多关节型机器人，广泛应用于石油、化工、食品加工、饮料等领域。可通过主计算机根据不同的物料包装、堆垛顺序、层数等参数进行设置实现不同型包装的码垛要求。而机器人码垛技术是自动化物料后处理成套设备中的关键技术之一，随着自动称重、包装技术的发展和性能指标的提高，对码垛技术也提出了更高的要求。码垛机器人手臂应具有一定的刚度和强度，防止弹性变形和断裂。手腕搬运的东西较重，这对其精度提出了更高要求。

为满足自动化生产线产品搬运及码垛的要求,本课题要求设计一种码垛机器人的机械结构部分。结合机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对码垛机器人整体机械结构、传动系统进行分析和设计，提出了一套经济型设计方案。

1.2 码垛机器人的发展进程及发展趋势

自从２０世纪８０年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。按机器人的发展进程，分为三代机器人。第一代机器人，具有示教再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息。目前码垛机器人的应用主要在以下两个方面。恶劣工作环境，危险工作场合.这个领域的做业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业。例如在冲床上下料、采矿、锻造等。

第二个是自动化生产领域。码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。工业机器人具有减少劳动力费用、提高生产率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除了危险和恶劣的劳动岗位。目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达42亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向新的领域进军。我国工业机器人的应用前景十分宽广的。但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展带来一定的困难。只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。工业机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度，运动速度，减低成本和提高可靠性的重要途径。近几年各国注重发展组合式工业机器人。它是采用标准化的模块件或组合件拼装而成。除了工业机器人用的各种伺服电机，传感器外，手臂，手腕和机身也以标准化。随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精度，开发多关节，多自由度的手臂和手指及新型的行走机构，以适应日益复杂作业需求。

1.3 课题的设计内容

本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，主要工作内容有以下几点：

1) 了解搬运机器人发展历程、现状以及未来发展趋势，掌握码垛机器人的机械结构特点以及基本构成部分。

2) 对码垛机器人的总体方案进行设计。设计几种方案，对比选出最优方案。方案确定后，对各个细节进行设计。包括腕关节电机、轴承、联轴器的选择；臂部材料的选择、结构的设计、受力分析、关节处销轴的校核、关节轴承的选型；传动系统的设计：电机、联轴器、轴承的选型，滚动丝杠、滑动导轨的选型与校核；腰部电机、联轴器、轴承型号的选择。

3) 用Pro/E进行三维模型设计。设计各零部件的三维模型，并将设计好的零部件进行装配，装配完成后进行运动仿真。不断改变参数，观察机构的运动是否发生变化。

4) 利用ANSYS软件对主要受力构件进行有限元分析，生产应变、应力图。

第二章码垛机器人总体结构设计

2.1 方案的确定

码垛机器人工作过程是往复循环的，由于关节式手臂运动形式工作范围大、通用性强，因此本文采用平行四边形机构作小臂驱动器的关节式机械手。在此课题的研究中共设计出三种方案，即方案一、方案二、方案三。

方案一：如图2-1所示。后大臂沿着丝杠向上运动，前大臂沿着丝杠想向右运动；后大臂向下运动，前大臂向运动，实现码垛机器人码垛过程。此结构能基本满足设计要求，但是由于前大臂、后大臂与小臂间通过销轴连接，运动范围小，且前大臂与后大臂不相连接，使得机构运动精度低，运动不确定。

图2-1 方案一

方案二：如图2-2所示，此机构的前大臂与小臂通过移动副连接，前大臂通过滑块可以沿着小臂滑动，解决了方案一工作范围小的缺点。但是由于前大臂与小臂组成移动副，使得摩擦阻力增加，运动效率低，成本高。此机构中前大臂主要起支撑作用，机构的运动主要取决与后大臂，这使得此种方案的运动精度更低。

图2-2 方案二

方案三：如图2-3所示，机构运动原理与图2-1相同，此机构构成平行四边形，运动具有确定性，销轴处有关节轴承，减少摩擦力，方案三改善了方案一方案二的不足之处。

图2-3 方案三

2.2 总体设计思路

码垛机器人主要实现不同型包装的码垛物体的搬运功能。在对码垛机器人的运动形式简单了解以后，设计的思路还是很清晰的。。本文主要进行码垛机器人的机构设计，要实现码垛机器人在半径为1.5米的圆周内的码垛运动，必须由四个动作来实现，即腰部的旋转、后大臂的上下运动、前臂的前后运动和手腕的回转运动，而且这四个动作全部由交流伺服电机驱动。

由于腕部转速较低，特选用减速机来驱动，而且要选择重量轻的减速机。此时由于轴立起来以后就有往下窜动的趋势，而且还要转动，既要保证轴的正常转动，其次还要轴一定的支撑，由此引入了角接触轴承。轴承型号7305C。电机轴与传动轴之间用联轴器连接，选择A型平键套筒联轴器。

机械手臂的材料和结构的选择。手臂材料要求强度高，弹性模量大，重量轻，阻尼大，价格低，故选择碳素结构钢或合金结构钢。手臂做成工字型或打孔以减小重量，减少加工面积。为保证机构运动的精度，将手臂设计成平行四边行机构。为减小摩擦，在手臂与手臂、手臂与支撑架之间的销轴处采用关节轴承。

为了使手臂传动准确，手臂驱动系统增加了直线滚动导轨作为导向装置，这就要考虑导轨的受力问题，由于负载和手臂的重量基本都加在了导轨上，因此要进行受力分析。手臂驱动系统采用低速交流伺服电机带动滚动丝杠副旋转从而实现前大臂的左右运动，后大臂的上下运动。此处驱动电机选择伺服电机。轴承选用角接触球轴承。

腰部旋转速度低，因此选用中低速电机。由于腰部以上所有构件的载荷都由腰部轴承来承担，故选用主要承受轴向载荷的推力球轴承。根据腰部所受总体载荷的大小选择推力球轴承型号。联轴器选择凸缘联轴器。

第三章码垛机器人腕部和腰部设计

3.1 码垛机器人腕部设计

3.1.1 减速机的计算与选型

本节减速机的型号是根据上海泰一传动设备有限公司的《R系列斜齿轮减速机选型手册》选用的。

1. 实际服务系数确定

减速机是按载荷平稳，每天工作时间一定和少量启停次数的情况设计的，而在实际情况使用中往往不是处于此种理想状态。减速机的实际服务系数必须按照实际情况的载荷类型、运行时间、使用频率来确定工作机系数f1、原动机系数f2和启动系数f3，使其三者的乘积小于或等于服务系数fB。具体参数值参见表3-1，3-2, 3-3。

表3-1 工作机系数f1

表3-2 原动机系数

f2

表3-3 启动系数

f3

由表确定本机构的工作系数f1 = 2.5，原动机系数f2 = 1.0，起动系数f3 =1.3，那么f1?f2?f3 =2.5?1.0?1.3 =3.25。

2. 确定减速机型号

根据《R 系列硬齿面斜齿轮减速机》选型手册，由f1?f2?f3≤fB ，由表1-4选择fB = 3.4的减速机，型号为RF37-Y0.18-4P-48.08-M4-I 。减速机竖直安放，其具体参数如表2-4所示：

表3-4 减速机的具体参数

3.1.2联轴器的计算与选型

联轴器计算选型所使用的公式和某些参数值的选择参考《机械设计手册第五版》和《机械设计课本》。

1. 联轴器的理论转矩

n

P T 9550

= (3-1)

式中 T ——理论转矩（m N ?）；

P ——传递的功率（kW ）；

n ——工作转速（mi n r ）。

带入数据得 m N T ?==276.5929

18.09550。 2. 联轴器的计算转矩

t z w C K KK TK T = (3-2)

式中：w K ——动力机系数，电动机透平机的w K =1.0；

K ——工况系数，

由《机械设计书册第五版第2卷》表6-2-2，查得K=1.5； z K ——起动系数，由制造商确定，与启动频率f 有关，选取z K =1.0；

t K ——温度系数,由《机械设计书册第五版第2卷》表6-2-3查得，

t K =1.0。

带入公式得m N T c ?=????=914.880.10.150.10.1276.59。

联轴器选用A 型平键套筒联轴器，查《机械设计手册第五版第3卷》，因联轴器的许用转矩要大于计算转矩，而且减速机输出轴的轴径为25mm ，所以由表15,1-10确定联轴器的有关参数如下：

表3-4 联轴器的具体参数

套筒联轴器与轴间的定位靠平键连接，紧定螺钉也起定位作用。套筒联轴器与轴的装配如图3-1所示。

图3-1 II 型平键套筒联轴器与轴的装配图

3. 验算套筒的扭矩强度和键的挤压强度

套筒的扭转强度：

????????? ??-=43116D d D T c T πτ (3-3)

式中 D ——套筒外径，由表3-4得到mm D 40=；

d ——轴径，mm d 25=。

将数值带入公式得到

MPa T 0083538.0402514014.3914.881643=????????? ??-???=τ

由套筒的材料为45号钢，由《机械设计》课本表15-3查得，许用切应力为25～45Mpa ，则所选套筒满足强度要求。

平键的挤压强度：

kdl T c P 3102?=

σ (3-4)

式中 k ——键工作高度； l ——键工作长度。

由表15,1-10确定mm k 4=，mm l 28=，d=25mm ，带入公式得到

MPa P 51.632825410914.8823

=????=σ，

由《机械设计》课本P106,许用挤压应力应为键，轴，轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，由表6-2，取许用挤压应力为120～150Mpa 。

因此平键满足强度条件。 3.1.3轴承的选型

由于腕部的转速并非高转速，并且承受的载荷为轴向载荷，因此选用角接触球轴承，且成对使用。由《机械设计课程设计指导手册》中国标准出版社，选择轴承型号为7305C,具体参数如下表：

表3-5 轴承的具体参数

轴承的布置形式选用预紧布置，用以提高轴承的旋转精度，增加刚性和减小

轴的振动。

3.2 码垛机器人腰部设计

3.2.1腰部电机选型

因为腰部的回转速度较低，所以此处的驱动电机选用一般的电机转速太大，而选择中低速电机较为合适。选择淮安正福科技有限公司的YD系了电机，电机型号为YD112，其额定功率为1.1kW，额定转速为17.5r/min，额定扭矩为600N.m。由于电机要竖直安装，因此电机的外形图如图3-2。

图3-2 电机的外形图

YD系列低速电机的安装尺寸如表3-6。

表3-6 电机的安装尺寸

YD系列低速电机的性能参数如表3-7。

表3-7 电机的性能参数

3.2.2腰部联轴器计算选型

1. 联轴器的理论转矩

n

P T 9550= (3-5) 式中 T ——理论转矩（m N ?）；

P ——传递的功率（kW ）

； n ——工作转速（min r ）。

带入数据得 m N T ?==2857.6005

.171.19550。 2. 联轴器的计算转矩

t z w C K KK TK T = (3-6)

式中 w K ——动力机系数，电动机、透平机取w K =1.0；

K ——工况系数，由《机械设计手册第五版第2卷》表6-2-2查得，取K=1.5。

z K ——起动系数，取z K =1.0；

t K ——温度系数。由《机械设计手册第五版第2卷》，表6-2-3查得，取t K =1.0。

带入公式得m N T c ?=????=42857.9000.10.150.10.12857.600。

由《机械设计手册第五版第2卷》选用凸缘联轴器，由表6-2-8选型号为GYS7，公称扭矩为1600 N·m。凸缘联轴器结构原理，如图3-3。

图3-3 GYS7型-凸缘联轴器结构原理图

GYS7型-凸缘联轴器基本参数和主要尺寸如下表：

表3-8 GYS7型-凸缘联轴器基本参数和主要尺寸

3.3 本章小结

搬运机器人腕部的运动相对简单，只有一个旋转运动。设计的关键是要保证轴的转速和旋转精度。通过本章对腕部的详细设计计算，确定了腕部采用减速机，联轴器选用套筒联轴器，轴承选择角接触球轴承轴承。

腰部的设计计算主要是为了实现腰部带动整个搬运机器人的回转运动。由于腰部回转速度较低，选用YD 系列低速电机.通过对电动机的选择、联轴器的计算选型，最终确定了搬运机器人腰部的设计方案。

第四章码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计4.1 平面机构受力分析

搬运机器人在实现搬运的运动过程中，水平方向的滚珠丝杠副主要承受摩擦力，而垂直方向的滚珠丝杠副主要承受Z轴方向的载荷。则当机构的小臂处于水平方向、前后大臂与之垂直时，两个方向的滚珠丝杠副受力最大。具体位置如图4-1所示。

图4-1 码垛机器人运动位置

根据搬运机器人运动学分析，可设各臂长分别为：AB=1170 ，BC= 260mm ，CD =1080mm ，DE =240mm，A点到图4-1中心线的距离d = 150mm 。处于图4-1位置时小臂的受力情况见图4-2。

图4-2 小臂受力图

图4-2中，G1为负载和电机的重力，搬运的负载最大为100N，腕部减速机的重力约为100N，则G1 = 200N ；M为负载和电机共同的转矩，=-30

10

?

13；小臂材料为45号钢，重量约为50N；

=

200

150

m

d

N

G

M?

?

=

?

对小臂列受力方程如下：

｛

)(0=∑=∑A M F ｛0)2601170(22

2601170117010121=+?-+?-?+=---F G F M G G F F (4-1) 解得F1 = 1237.6154N ，F2 = 987.6154N

4.2 手臂关节轴承的选型与校核

码垛机器人的手臂结构设计要注意两点：一是应使手臂刚度大、重量轻；二是应使手臂运动速度快、惯性小。首先，因为刚度不够时，手臂会发生弯曲变形，则应选择相同条件下，弯曲刚度较大的截面形状。考虑完第一点，对于第二点减小惯性冲击，本章的手臂架选择了碳素结构钢材料。而且尽量缩短手臂的悬伸部分长度。图4-3对小臂进行了剪力与弯矩的分析，可知小臂的弯矩越靠近B 点越大，因此小臂的结构为末端窄，靠近B 点时逐渐加大尺寸，其它手臂结构则采用均匀尺寸。B 点为销轴联接，则弯矩和受力主要由销轴来承受，因此要考虑销轴的校核。其它的销轴联接同B 点一样进行校核，销轴的联接结构如图4-4。

图4-3 小臂剪力图和弯矩图

图4-4 销轴联接结构

图4-5中的关节轴承选用自润滑向心关节轴承，由上下轴套固定，在后机架绕销轴转动时，既能承受径向载荷，又能承受任一方向较小的轴向载荷。查阅《机械设计手册》第五版、单行本、轴承，由表7-1确定所选轴承的型号为GE25ES-2RS ，其中d =25mm ，轴承尺寸见表4-1。

表4-1 向心自润滑关节轴承参数

图4-5 向心关节轴承结构

4.3 销轴校核

4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核

1. 销轴抗剪强度：

[]τπτ≤?=422d

F t

(4-2)

销轴采用45号钢，其许用切应力[]MPa 80=τ，许用弯曲应力[]MPa b 120=σ，N F F t 6154.9872==，将以上值带入公式得 []mm F d t

8.280

26154

.98742=?=??≥

π

τπ 2. 销轴抗弯强度：

()[]b t b d b a F σσ≤?+≈3

1.045.0 (4-3) 其中mm a 25=，mm b 40=，带入公式得 ()[]()mm b a F d b t 747.9120

4.040

5.0256154.9874.05.033=??+?=?+?≥σ， 因此选择销轴的轴径d= 25mm ，满足强度要求。

4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核

1. 销轴抗剪强度：

销轴采用45号钢，其许用切应力[]MPa 80=τ，许用弯曲应力[]MPa b 120=σ，N F F t 6154.9872==，将以上值带入公式（4-2）得

[]mm F d t 8.280

26154

.98742=?=??≥

π

τπ

。 2. 销轴抗弯强度：

其中mm a 25=，mm b 40=，带入公式（4-3）得 ()[]()mm b a F d b t 747.9120

4.040

5.0256154.9874.05.033=??+?=?+?≥σ， 因此选择销轴的轴径d= 25mm 满足强度要求。

4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核

1. 销轴抗剪强度：

销轴采用45号钢，其许用切应力[]MPa 80=τ，许用弯曲应力[]MPa b 120=σ，

N F F t 6154.12371==，将以上值带入公式（4-2）得 []mm F d t 139.380

26154

.123742=?=??≥

π

τπ

。 2. 销轴抗弯强度：

其中mm a 25=，mm b 40=，带入公式（4-3）得 ()[]()mm b a F d b t 508.10120

4.040

5.0256154.12374.05.033=??+?=?+?≥σ， 因此选择销轴的轴径d= 50mm 满足强度要求。

4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核

1. 销轴抗剪强度：

销轴采用45号钢，其许用切应力[]MPa 80=τ，许用弯曲应力[]MPa b 120=σ，N F F t 6154.12371==，将以上值带入公式（4-2）得

[]mm F d t 139.380

26154

.123742=?=??≥

π

τπ

2. 销轴抗弯强度

由图9-3可知mm a 25=，mm b 40=，带入公式（4-3）得 ()[]()mm b a F d b t 508.10120

4.040

5.0256154.12374.05.033=??+?=?+?≥σ， 因此选择销轴的轴径d= 50mm 满足强度要求。

4.3.5 其它销轴联接校核

由于小臂和腕部联接与前大臂与小臂销轴联接校核的尺寸相同，可选用轴径为30mm 的销轴。

连杆与后大臂的销轴轴径为25mm ，前大臂、支撑架和连杆三者用销轴联接在一起，连杆与后大臂的销轴轴径为25mm 。