100KG四自由度码垛机器人底座设计及分析.

100KG四自由度码垛机器人底座设计及分析

（……，…….，……..，…….）

摘要：本文主要设计和研究了一个抓重为100KG的四自由度的码垛机器人，用于企业

生产中的码垛物品。首先对机器人的整体方案和具体的结构按要求进行了分析，接着主要设

计了机器人底座和腰部结构并进行了建模和装配。最后,利用分析软件（UG）对机器人底座和

腰部进行有限元仿真分析。

关键词：码垛机器人；结构设计；建模；有限元分析

Design and Analysis of 100KG 4-dof Palletizing Robot Base

… … …

（School of Transportation，Institute of Transportation Mechanical Design Manufacturing and Automation，jixieben1104 ，

20112814726）

Abstract:In this paper, the design and research of a catch weight of 100KG of 4-dof palletizing robots for the production of stacking items.At first, the overall program and the specific structure of the robot were analyzed according to the requirements, then the main work is to design the base and waist of the robot and carry on the modelling and analyze.Finally, this paper uses the analysis software (UG) to make finite element analysis of it.

Key words: Palletizing robot；Structural Design；Modeling；Finite Element Analysis

1引言

随着科技的不断发展和进步，企业越来越重视自动化生产。[1]在这种背景下，机器人的使用越发普及，码垛机器人就是其中之一。效率高，适用性强，能耗低，占地面积少等诸多优势让它在各个领域大放异彩。

2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，尤其是底座和腰部设计，主要工作内容有以下几点:

1.了解码垛机器人发展近况以及未来发展方向，并掌握码垛机器人的基本构成部

分。

2.对码垛机器人的底座和腰部进行设计。机器人腰部旋转部分电机和减速器的选择和校核以及结构的设计。

3.用UG进行三维模型设计。设计底座和腰部的三维模型，并将设计好的底座和腰部进行装配。

4.利用UG对主要受力构件进行有限元分析。

3码垛机器人总体结构

本课题设计的码垛机器人属于关节型机器人，共有四个自由度，分别是底座1的旋转，大臂2和小臂3的转动，还有前爪4的旋转。

总体结构如图3-1所示。

图3-1 码垛机器人结构

4码垛机器人底座和腰部设计

4.1腰部电机和减速器的选择

4.1.1 电机选择

码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或者低速电机。

设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为J ，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂极限长度L ，可得其转动惯量为：

3

2

ML J

=

（4-1）

其中M 是腰部所要承受的重量，为200Kg ，L 为1m ，通过计算得其转动惯量为

66.72m Kg ⋅ 电机转矩

α⋅=J T （4-2） 回转加速度

22s rad πα=

（4-3） 带入求出力矩：

41927.66=⨯==παJ T N·m

电机的转动惯量

2

2i

J

J G =

（4-4）

取减速比i=153，带入求出电机的转动惯量

0028.0153

7.66i 2

2

2==

=

J

J G Kg ·m 2

电机的转矩

i

T

T =

d （4-5） 带入求出电机转矩

7.2153

429

i

d ==

=

T

T N·m 根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参数，选取Σ-V 系列的SGMGV-20A 型电机，额定输出为1.8KW ，额定转矩为11.5N·m ，瞬时最大转矩为28.7N·m 。

4.1.2 减速器的选择

码垛机器人腰部的旋转需要克服的负载转动惯量比较大，所以在负载和驱动电机之间要用有比较大传动比的减速装置。[2]考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性等要求，本文设计的机器人减速装置采用RV 减速器。RV 减速器具有传动比较大、结构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点，能够满足码垛机器人的各种要求。 选减速器所需各种数据如表4-1所示

表4-1 减速器选型条件

启动时（max ）

稳定时

停止时（max ） 紧急停止冲击时

负载转矩(N·m ) T 1=1000 T 2=0 T 3=1000 T em =3000 转速(r/min) N 1=5 N 2=10 N 3=5 N em =20 时间(sec)

t 1=0.5

t 2=4.2

t 3=0.5

t em =0.05

确定负载特性

求出平均负载转矩 3

103

322113

103

33310222310111m N t N t N t T N t T N t T N t T ++++=

（4-6）

510= N·m

求出平均输出转速

3

213

32211t t t N t N t N t N m ++++=

（4-7）

min r 9=

暂时选定RV-80E-10

计算减速机寿命是否满足要求的规格值

.

31000h ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⨯⨯=m m T T N N K L （4-8） h h 2000041862>=

h L 远大于20000小时

求出输出转速

最大输出转速10r/min<75r/min （RV-80E 减速器允许最高输出转速） 求出启停转矩 T1=1000N·m<1960N·m （RV-80E 减速器的启动时允许转矩） T3=1000N·m<1960N·m （RV-80E 减速器的停止时允许转矩） 求出紧急制动力矩