多自由度直角坐标型码垛机器人结构毕业设计说明书

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

Body structure design of rectangular coordinate

palletizing robot with the multi-degree freedom

学生姓名学号

所在学院班级

所在专业机械设计制造及其自动化

申请学位学士

指导教师职称

副指导教师职称

答辩时间

目录

设计总说明 ............................................................... I INTRODUCTION ............................................................ II 1 绪论 . (1)

码垛机器人的发展状况 (1)

研究目的及意义 (1)

2 课题内容及要求 (2)

2．1 研究目标、内容及拟解决的关键问题 (2)

参数要求 (2)

3 总体机构设计 (3)

机械抓手设计 (6)

方案选择 (6)

力学分析 (7)

气缸选择 (9)

丝杆螺母副的计算与选型 (9)

Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (9)

x轴和y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (12)

各轴驱动电机选型 (12)

Z旋转轴电机的选择 (13)

Z轴步进电机的计算与选型 (15)

x轴和y轴步进电机的选用 (17)

直线滚动导轨副的计算与选型 (18)

轴承的选用 (20)

Z旋转轴轴承的选用 (20)

Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型 (20)

其他轴承的选用 (21)

锥齿轮传动的计算与选型 (23)

4 总体支架的受力分析 (25)

总结 (29)

鸣谢 (30)

参考文献 (31)

设计总说明

直角型码垛机器人是工业机器人的一种，通过对它的数控编程，它能实现可以在XYZ 三维坐标系中任意一点的移动和遵循可控的运动轨迹。可以实现很多种码垛的方式，在生产线上对替代人工，提高生产效率等具备显著的应用价值。

本课题设计的设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地码垛。可以通过快速替换机械抓手和重新编程对不同大小的物体进行快速码垛，可以适应不同的码垛对象，应用广泛。

第一步：是对国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况进行了解，并了解其研究目的及意义。

第二步:是对码垛机器人的总体方案的选择：通过进行了详细的对比与选择，找到最合适的设计方案，最后方案采用龙门式机构，主要采用是滚珠丝杆螺母副传动，驱动装置采用步进电机，可以通过数控编程改变码垛的路线。

第三步:是通过对履带机器人的使用情况与需求，对机构的选型与计算，主要机构有机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。

第四步:是通过Pro/E画出该码垛机的总体三维结构图，通过CAD画出码垛机总装配图和其零件图，最后通过Pro/E画出该码垛机运动仿真。

关键词：码垛机器人；丝杆螺母；步进电机

INTRODUCTION

Right angle type palletizing robot is a kind of industrial robot. Through the NC programming, it can move in the XYZ coordinate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of can palletize in so many ways in the production line to replace the workerl, improving production efficiency and having significant application value.

This time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom rectangular coordinate palletizing robot body structure design, the palletizing robot has four degrees of freedom, used in the production line of carton packaging of product palletizing in can compact stacking Can replace mechanical grip and re- programe of different size objects for rapid palletizing,and adapt to different palletising object, having a wide range of applications.

The first step of the design is to understand at home and abroad of palletizing robot in the field of the research background and development situation, and understand the purpose and significance of the research.

The second step is the selection of the overall scheme of the palletizing robot: through detaileing comparison and selection, finding the most suitable design. Finally,i chosed the gantry mechanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC programming change stacking line.

The third step is through the use condition and the demand of tracked robot, selectiing and calculating of the agency, main body with mechanical grip and rolling screw nut pair, linear rolling guideways, step motor, rolling bearing and so on.

The forth step is through the Pro/E to draw the palletizing machine overall three-dimensional structure, through the CAD to draw out the palletizing machine assembly drawing and the parts drawing. Finally, through the Pro / E ,i draw the palletizing machine motion simulation.

KEYWORDS: Palletizing robot；Screw nut；Stepper motor

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

毕业设计说明书

1 绪论

码垛机器人的发展状况

目前欧、美、日的各种码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了90％，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。并且基本由他们垄断了全球市场。

我国的工业机器人在国家支持下，通过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并取得了长足的进步，国外码垛机器人在我国市场一统天下的局面正在被打破[16]。

但是，我国的工业码垛机器人其应用水平和技术与其他发达国家相比还有很大差距，如国外同类产品可靠性比我国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。生产线技术水平与国外相比仍有差距。和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小，我国还未发展成专门的产业。并且当前我国的码垛机器人生产品种规格多，批量小，零部件通用化程度低[16]。

因此迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全面规划，整合资源优势，积极推进产业化进程。同时立足实际，完善码垛机器人相关的产品、系统及结构，努力提高我国的机器人发展水平。

研究目的及意义

人们在工业生产领域工作时，人们经常受到腐蚀、有毒气体等因素的危害，使的工人的工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。但是自从发明机械人以后，相应各种难题迎刃而解。码垛机器人就是作为机器人其中一种，码垛机器人是机、电一体化高新技术的产品。码垛机有很多种类，可以在不同的产量生产中发挥着巨大的作用。可按照要求的编组方式和层数，完成对各种产品的码垛。当码垛机器人的自由度越高，它能发挥的作用越大，但码垛机使用最优化的设计可以使得垛形紧密、整齐。作为工业机器人的典型一种，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大的作用。张机器人和包装线现结合，既提高了生产线的工作效率，有提高了生产线的工作效率，又增强了运行的可靠性，减少了人力资源开支，更让当代企业迅速适应不断变化的市场要求，产生巨大的经济效益[16]。

2 课题内容及要求

2．1 研究目标、内容及拟解决的关键问题

码垛机器人可以分为两类，分别是直角坐标型和关节型，如图2-1，而我要做的码垛机器人要求是直角坐标型的。

图2-1（a）直角坐标型码垛机器人图2-1（b）关节型码垛机器人直角坐标型码垛机器人是基于空间XYZ三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可重复编程反复应用，可以适合不同任务的自动化设备。它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。

本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个方向的移动和一个方向的回转，完成一个四自由度的直角坐标型码垛机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确定是何类形状的物体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具有较高的运动平稳性和重复精度。

主要内容是设计一具有四个自由度的直角坐标码垛机器人，4根运动轴对应直角坐标系中的 X轴、 Y 轴和 Z 轴, 以及 Z 轴上带有的一个旋转轴，能够实现自动装载和卸载功能。各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。

设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部分结构设计和手爪的设计。

在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有：1）机器人运动采用何种驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3）导轨布局的合理性等等。

参数要求

1）单箱重量≤15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量≤30KG。

2）托盘尺寸1600×1600，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面≤1700mm。

3）行程：X方向2200mm, Y方向1700mm, Z方向1700mm, 水平旋转：+90o.

4）最快码垛速度可达到1000mm/s，平均速度为500mm/s，码垛精度为1mm。

5)码放方式的要求是在托盘尺寸内每层尽可能多地摆放纸箱，托盘四周的纸箱尽可能平稳，要保证运输过程中平稳不倒。而码好的托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样，尽可能地相互压住和咬合，如图2-2单数层和双数层的摆放方式不一样。这样才可以保证码满纸箱的托盘（最高米）在运输过程中平稳。

图2-2（a）单层纸箱排放方式图2-2（b）双层纸箱排放方式

3 总体机构设计

设计方案初步有两种方案：一种是悬臂式的码垛机器人，第二种是龙门式的码垛机器人，如图2-3。

图2-3（a）悬臂式码垛机器人图2-3（b）龙门式码垛机器人因为在工作空间比较大的情况下，龙门式的码垛机器人机构比较稳定，机器人在工作的时候不容易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。

X轴和y轴可以近似看做xy工作台。主要方案选定是z轴。

Z轴是上下运动，有两个方案：方案一是采用丝杆螺母形式传动，方案二是采用齿轮齿条形式传动。但方案二抓手和物体的重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和齿轮要有很大的要求，而且因为齿轮的传动特性，会使下降和上升的速度产生齿轮的多边形效应。所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。

采用丝杠螺母形式也有两方案可以选择，第一种方案是丝杠不动，抓手和物体通过螺母座与丝杠螺母连接做上下运动。第二种是丝杠螺母通过螺母座固定在y轴的工作台上，而丝杠的底部与抓手连接做上下运动。但第二种方案做上下运动的重量比较大，会导致做很多无用功从而使码垛机器人的效率降低。所以通过比较后采取第一种方案。采用这种方案因为只受到竖直的载荷，所以不需要滚动导轨，只需要滚珠丝杆螺母副的计算与选型。

机构简图如图2-4，三维视图如图2-5和图2-6。

图2-4 机构简图

图2-5 三维视图

图2-6 三维视图

机械抓手设计

方案选择

(1)、因为码垛机器人要求要准确的把物品放到指定的位置，要求物品能够紧密放置，所以机械抓手设计成一遍是固定的夹板，一边是活动的夹板。

(2)、为了能够有更大的夹紧力和更好的平衡性能，采用两个气缸提供夹紧力。 机械手的动作过程如图3-1所示：

图3-1 机械手的动作过程

机械抓手的三视图如图3-2和三维图3-3表示：

图3-2 三视图 原点 下降 抓紧 X,Y,Z 和Z 旋转方向运放松

X,Y,Z 轴和Z 旋转 方向的运动

图3-3 三维图

力学分析

当物体受到最少夹紧力还处于加紧状态时的受力分析如图3-4所示：

图3-4 受力分析

由受力平衡得 o o N a G a F F F G

F 45sin 45sin 212

1??=??== 解得2

2G F =, 即机械抓手要求最少的夹紧力是加紧物体重力的二分之一。题目要求加紧的物体重量最大是30kg ，30kg 物体重力为300N ，则这抓手要求的最少夹紧力为150N 。

由图可得mm F mm F 2379623?=?，解得3F =370N

由于使用双气缸，则一个气缸提供185N 的力即可，工厂里一般都有自己的压缩空气的装置，一般压缩空气的气压为，则由压力公式F=PS 得 m d Pa N 26)2

(108.032???=π 解得气缸的最少直径为d==

气缸选择

根据《机械设计手册单行本气压传动》P22-204表22-4-16选10A-5系列气缸，气缸实体如图3-5所示，该气缸主要零件用铝合金制造，重量轻。这里具体选用型号为10A-5LA50B50，该气缸为标准型，气缸直径为50mm，行程为50mm，安装尺寸符合ISO 国际标准。

图3-5 气缸

丝杆螺母副的计算与选型

需要使用丝杆螺母副的有z轴、x轴和y轴，x轴和y轴的丝杆螺母副使用环境差不多，可以选用同样的丝杆螺母副，但z轴使用情况不一样，需要单独计算。

Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷Fm的计算

Z轴滚珠丝杆螺母如图3-6所示，需要带动的部分包括机械抓手、z旋转轴和丝杆螺母与z旋转轴连接件，估计这部分重量不会超过800N，所以Fz=800N，除此之外，并没有收到其他方向的载荷。

图3-6 滚珠丝杆螺母

计算形式可按矩形导轨方式进行，查《系统设计课程设计指导书》表3-29，可以取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为 1.1=K ，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为0.005=μ。求得该工作环境的最大工作载荷为：

N 880= N 8001.1 =）G +Fy + Fz （μ+KFx = Fm ?

（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷Q F 的计算

z 轴的进给速度最快可达1000mm/s =v ，我们可以初选丝杠导程为mm 5=Ph ，则可以计算出丝杠最快转速3000r/min =r/s 500 =v/Ph =n 。我们可以取滚珠丝杠螺母副的使用寿命15000h =T ，代入计算公式660nT/10=L0，计算出其丝杠寿命系数2700=L 0（单位为：106 r ）。查书《系统设计课程设计指导书》表3-30，可取我们的载荷系数 1.2=fW ，滚道硬度为HRC60，则可以取得硬度系数为 1.0=f H ，则求得丝杆螺母副的最大动载荷： N F f f L F m H W Q 147053

0==

（3）丝杆螺母副型号的选择

（4） 最大动载荷和初选的丝杠导程根据上面已经计算出来，可查《系统设计课程设计指导书》表3-31，选择GD 系列的4005-4型滚珠丝杠副，该丝杆螺母副为济宁博特精密丝杠制造有限公司所生产，其导程为Ph=5 mm ，公称直径为40 mm ，为内循环固定反向器双螺母式，循环滚珠为4圈×2列，精度等级可以取5级，可查得其额定动载荷为15307N ，大于上式所计算出来的FQ ，则满足要求。

（5）（4）所选丝杆螺母副传动效率η的计算

（6） 从上可知公称导程5mm =Ph ，直径40mm =d0，代入公式)]/(π(arctan[P =λ0h ，计算得丝杠螺旋升角为′

17′2=λ。将导轨摩擦角′10=φ和丝杠螺旋升角，代入计算公式φ)+ / tan(λtan λ=η，计算可得其传动效率为93.5%=η。

（7）（5）滚动丝杆螺母刚度的验算

（8） 1）Z 轴上端采用一对面对面组配的推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采用一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承的中心距离计算出约为1700mm =a ；钢的弹性模量可查得为Mpa 102.1＝ES 5

?；查书《系统设计课程设计指导书》表3-31，可知该丝杆丝杠底径36.2mm =d2，直径 3.175mm =d ，据此可以计算出丝杠截面积为21029mm =S 。则可以计算出丝杠由工作载荷m F 作用下而引起的拉/压变形量

0.006m m ≈m m ]）1029×105× 2.1（1700/×

[880=）ES （Fm a/=δ1 2）可以根据计算公式 -3w 0)/D d π(＝Z ,求得单圈滚珠数37=Z ；滚珠的圈数×列数为4×2，则可计算出得滚珠总数量592=Z ∑。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为

293N =/3F = F m YJ ，由书《系统设计课程设计指导书》式（3-27）计算出滚珠与螺纹滚

道间的接触变形量为0.0004m m ≈

2δ。 3）以上算出的1δ和2δ可以代入21δδδ+=总，求得丝杠总变形量

6.4μ.=0.0064mm =总δ。由书《系统设计课程设计指导书》表3-27知,5级精度滚珠丝

杠有效行程在2000mm ~1600时，行程偏差可允许达到65μm ，则可见所选丝杆刚度足够。

（6）滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核

（7） 失稳时的临界载荷Fk 可根据《系统设计课程设计指导书》式（3-28）计算出来。查《系统设计课程设计指导书》表3-34，应该取其支承系数1=k f ；由丝杠底径

m m 36.2=d 2，则可求得截面惯性矩为

m m 84295 ≈64/42d I π=；当丝杆垂直安装时，压杆稳定安全系数K 应取；已知滚动螺母至轴向固定处的距离1700mm a =，计算出得临界载荷108N 4.1 ≈?k F ，远大于工作载荷880N =m F ，则所选丝杠不会失稳。

综上所述，所选择的GD 系列4005-4型滚珠丝杠副可以满足使用要求，其实体如图3-7所示。

图3-7 滚珠丝杠副

x 轴和y 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型

X 轴和y 轴可以选用同样规格的滚珠丝杆螺母副，如图3-8所示，因为x 轴所受垂直载荷比y 大，同样只需要进行对x 轴的受力分析即可，计算方式与z 轴差不多。

图3-8 滚珠丝杆螺母副

（1）丝杆螺母的最大工作载荷Fm 的计算

当抓手抓起限定最重的物品码垛机器人以最大速度运行时，其只受到与工作台面垂直垂向的载荷1500N =Fz 。已知移动部件总重量估计不大于2000N =G ，同样可以与z 轴一样按矩形导轨进行计算，可选K=，μ=。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： 17.5N = N ] ) 2000+1500 ( × 0.005 + 01.1 [ = ）G +Fy + Fz （μ +KFx = Fm ?

（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷F Q 的计算

x 轴工作时的最快进给速度同样可达到为v=1000mm/s ，丝杠导程同样可选P h =5 mm ，则丝杠寿命系数同样为L 0=2700（单位为：106 r ）。则可求得最大动载荷： N F f f L F m H W Q 4.2923

0==

（3）型号选择

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，以及x 轴的丝杆比较长，主要受到径向载荷，为了保证其刚度，选择直径比较大的丝杆，可以选择与z 轴相同的济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD 系列2005-3型滚珠丝杠副，其额定动载荷为15307 N ，远远大于FQ ，满足要求。

刚度的验算与压杆稳定性校核与z 轴的方式一样，通过计算得出选择的滚珠丝杠副满足使用要求。

各轴驱动电机选型

各轴都要求有一定的精度，而且需要电机自锁，所以电机类型可以选择为步进电机，各轴所承受的载荷都有些不同，z 旋转轴没有起动负载而且转速很低，z 轴有起动负载

而且移动速度快，x 轴和y 轴没有起动负载而且移动速度快，则电机的选型要分开计算。 Z 旋转轴电机的选择

该电机主要克服机械抓手和纸箱旋转时的摩擦力矩，如图3-9所示，而根据该部分设计的机构知摩擦力矩为轴承的滚动摩擦，数值较小。抓手和纸箱转动惯量很大，是电机设计需要考虑的主要对象。

图3-9 电机装配图

（1）加在电机转轴上的总转动惯量J z 的计算

抓手最大质量为10kg ，容许抓取质量为30kg ，其转动惯量的计算可近似认为40kg 纸箱为400mm ×100mm ×100mm 的长方体，则长方体绕Z 轴的转动惯量为：

J z =m(a 2+b 2)/12 （3-1）

式中a=40cm ，b=10cm ，m=40kg ，则225667kg.cm ≈0.4958kg.m =Jz 。

可以初选z 旋转轴的步进电机型号为130BYG2502，该电机为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为o 0.9，查《系统设计课程设计指导书》表4-5查到该型号电机转子的转动惯量为248kg.cm =Jm ，则可计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量为

25715kg.cm =Jz +Jm =Jep

（2）加在电机转轴上的等效负载转矩T ep 的计算

其最大的等效负载转矩为快速启动时电机转轴所承受的负载，则

eq T =max a T （3-2）

在考虑传动链的总效率η上，可以计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上的最大加速转矩我：

ηπ1602max ?=

a m eq a t n J T （3-3） 式中 m n ——对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为r/min ；

a t ——步进电机由静止到加速至最高转速所需的时间，其单位为s 。

Z 旋转轴主要是带动着抓手和纸箱沿电机中心的转轴运动，因为这部分的转动惯量过大，速度不宜过快，因此为了安全，最高的旋转速度可达到为/s 100o ，但平时工作的速度平均为/s 30o 。则换算电机的转速最高速度为17r/m in =n m 。

假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为a t =，传动链总效率0.9=η。则由式（3-3）计算得： m N T T ax a .83.29.04.0601710571524m eq ≈?????==-π

（2）步进电机最大静转矩的选定及电机的初选

当输入电压降低时，步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至可能堵转。因此，选择步进电机时，需要考虑安全系数。本工作环境可取安全系数K=4，计算出步进电机的最大静转矩应满足：

m 11.32N = m 2.83N ×4 ≥Tjmax ?? (3-4)

初步选择的步进电机型号为130BYG2502，查《系统设计课程设计指导书》表4-5得该型号电机的最大静转矩为m 40N = T jmax ? 。可见，所选的电机满足（3-4）式的使用要求。

（4）所选用步进电机的性能校核

1）最快转动电机输出转矩校核

给定工作台最快空载移动速度17r/m in =n m ，其步进角为）o （0.9/可求出电机对应的运行频率6800Hz = 17Hz ×360/0.9=max f 。由图3-10查得，此频率运行的电机输出转矩m 16N =Tmax ?，大于m 2.83N =1?eq T ，满足其使用要求。

2）最快旋转时电机运行频率校核

电机运行最高频率为6800Hz =max f 。查书《系统设计课程设计指导书》表4-5可知130BYG2502步进电机的极限运行频率为1500Hz ，则没有超出限度。

3）步进电机的起动频率计算

从上可以知道2

5667kg.cm =Jeq ，48=m J 2cm kg ?，当电机转轴不带任何负载时的最高起动频率为1500Hz =q f 。则可求出步进电机克服惯性负载的起动频率：

Hz J J f f m eq q

L 1381≈+=

则要想保证步进电机起动时保证不失步，任何时候的起动频率都要求必须小于138Hz 。要使起动频率选得更低，可以采用软件升降频，其通常只有100Hz 。

从上面一系列计算可知，z 旋转轴选用130BYG2502步进电机，可以完全满足设计使用要求。

图3-10 130B YG2502步进电机的运行矩频特性

Z 轴步进电机的计算与选型

Z 轴是电机是要求带负载快速启动，与z 旋转轴电机的选型计算不一样，如图3-11所示。

图3-11 z 轴电机装配图

（1）加在步进电机转轴上的总转动惯量eq J 的计算

滚珠丝杠总长l =1700mm ，移动部件总重量G=800N ，其他参数同z 旋转轴;同样算得

各个零部件的转动惯量如下：上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯0.51=W J 2cm kg ?，

滚珠丝杠的转动惯量 2.8=S J 2cm kg ?。因为z 轴的移动速度很快，不需要减速器，直径

与丝杆进行连接，又因为要承受着载荷起动，要选择转矩比较大的电机，初选可以与z 旋转轴相同的步进电机型号为130B YG2502，则加在步进电机转轴上的总转动惯量可计算得

=eq J +m J +W J =S J 22.8+0.51+48cm kg ?249.4=cm kg ?

（2）加在步进电机承受最大工作负载时快速起动时的负载的计算

负载转矩eq T 总共包括三部分：第一部分是移动部件在运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩f T ；第二部分是机器快速起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩max a T ；第三部分是负载折算到电机的最大工作负载转矩t T ，则有：

1eq T =max a T + f T + t T （3-5） z 轴移动速度最快为1000m/s ，选用的丝杆螺母导程为Ph=5mm ，则

nm=1000/5=200r/s=12000r/min 。

设步进电机由静止到加速至最快转速所需时间a t =1s ，传动链总效率

0.84=0.935×0.9=η。