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JX18-59 【JX18-59】码垛机器人结构设计二维+三维+论文

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长江师范学院 本科毕业设计（论文）开题报告课题名称： 码垛机器人结构设计 姓 名： 卢奇 学 号： 20142455011221 专业年级： 2014级机械设计制造及自动化2班指导教师： 郑显华/张波 教务处制一、课题意义（包括课题的理论意义和现实意义）（一)理论意义随着我国人口结构的不断变化，人口红利正在逐渐消失。而人口红利消失带来的最直接的影响就是劳动力成本上升。外资撤离中国背后的原因有很多，但其中一条就是劳动力成本上升了。跨国公司追求的是在世界范围内占据地理优势以降低成本，实现利益最大化。中国过去以低廉的劳动力市场为外资企业带来了利益空间，现在成本上升，外资撤离也不足为奇。但是外资可以撤离，在中国的本土企业该如何应对劳动力成本上升带来的企业成本增加问题呢？工业码垛机器人就是一个好选择。据预计，到2020年我国机器人的使用量将达42.8万台。其中，搬运配送码垛等工业机器人将成为市场主力，码垛机的未来更加值得期待。据了解，工厂配备一条有工业码垛机器人参与的自动化生产线回本只需要一到两年，比起不断增长的用工费用，用工业码垛机器人自然要合适的多。而且现在一些工作因为较危险或较枯燥劳累，已经开始出现给钱也没人做的尴尬局面，这种时候工业码垛机器人的优势更是显露无疑。除了用工成本之外，工业码垛机器人相较于人工效率更高、准确度也好。种种优势之下，工业码垛机器人成为制造业发展新贵也就不足为奇。（二）理论意义除了用人成本外，工业码垛机器人需求增加的另一个原因来自制造业本身。随着智能制造的推进，制造业智能化发展已经成为大势所趋。在这个趋势下，未来自动化生产线、无人化工厂、智慧工厂等等只会越来越多，相应的工业码垛机器人的用武之地也会越来越多。而且随着产业升级，工厂的生产模式也会相应做出调整，在行业整体升级的情况下，即使个别企业不愿意换机器人，但在大形势下恐怕也独木难支。现在，我国的工业码垛机器人使用率远远低于发达国家。根据数据，2015年我国工业码垛机器人的平均密度约49台万人，仅达世界平均值的71，是日本和德国的六分之一、韩国的十分之一。在工业码垛机器人的使用上，我国仍有很大的发展空间。由此也可以预见，工业码垛机器人将成为推动我国制造业发展的一大助力1。综上可知，随着国家经济的提升，工种的角色单单由人扮演是远远不够的，也是为了低成本高效率的实现社会生产，码垛机器人不得不向各企业行业步步迈进从而促进国家经济的整体上升和劳动力的合理运用。2、 文献综述（包括：1.理论的渊源及演进过程 2.国内外对本课题的研究现状和有待解决的问题 3.本人对所查文献的评述等）1.理论的渊源及演进过程最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典2。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业3。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年,瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6,主要应用于工件的取放和物料的搬运。除此之外,德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟,日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作,相应推出了自己的码垛机器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德国的KUKA系列,瑞典的ABB系列等。 德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般为46轴机器人,主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成。机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式关节型的机构形式,均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计,具有较高的机械性能和抗震能力4。在码垛机器人结构设计优化领域，目前国外已经研发出来的结构主要有以下 5 种：直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；关节坐标型；SCARA 型5从整体结构上，又可分为串联型和并联型以及混联型。传统的码垛机器人主要采用串联机构，存在系统刚性差、运动耦合等问题，在高速、重载等方面的作业效果不理想；并联与混联机构的码垛机器人则可以弥补串联机构的不足。工况决定结构的布局，一个合理的结构也是控制系统等软件研发的前提，结构的合理性直接影响其动作速度与定位精度。结构的设计优化会贯穿整部机器人发展史，从最开始的尺寸优化到形状优化，再到现在的拓扑优化等；从传统的静态设计转到以现代设计方法为基础的动态设计。国外在这方面的理论成果很多，主要集中在优化算法的改进与实际问题的结合上。比如 Saravana 等以机构参数为优化变量，可操作性指标和关节力矩为优化目标，结合机器人变形和结构等约束条件，通过比较 3 种不同的算法来选择最合适的优化算法，得到了最佳杆件几何参数6。2.国内外对本课题的研究现状和有待解决的问题国外目前欧、美、日的码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了90，绝大多数码垛作业由码垛机机器人完成。并且基本垄断了全球市场。国外先进的工业机器人技术和高度发达的机器人产业，促使针对码垛机器人的研究不但进步和完善，并研制出各具特色的码垛机器人，如瑞典的ABB系列如图1.1（），德国的KUKA系列如图1.1（），日本的FANUC如图（）和FUJI系列如图（），瑞士的Staubli如图1.1（），美国的Adept Technology，意大利的Comau如图1.1（）等。这些发达国家的码垛机器人一般为四轴驱动关节式机器人，主要由机构本体、控制系统和末端执行器等组成，机构本体由基座、腰部、臂部及腕部等部分组成，如图1.1所示7。 图1.1国外码垛机器人国内我国在上世纪70年代才开始对工业机器人研究与应用，但发展较慢，在改革开放后才开始进入快速发展阶段。考虑到搬运码垛机器人应用广泛，且未来仓储物流智能化及智慧工厂快速发展，未来搬运码垛机器人市场有望继续保持快速增长，预计到2020年市场规模有望达到166.8亿元8。 搬运与上下料机器人市场需求进一步释放。从应用领域看，2016年上半年国产工业机器人的应用领域有60.1%的国产工业机器人应用在搬运与上下料领域，其中用于金属铸造的搬运与上下料机器人是今年的一个新亮点，上半年销量同比增长近8倍；码垛机器人和材料搬运机器人增速也分别达到185%和117%。焊接和钎焊是国产机器人应用的第二大领域，约占总销量的13.8%9。我国目前的码垛机器人大多为直角坐标型、关节型。直角坐标型码垛机器人为4轴机器人，具有定位精度高、控制简单、空间轨迹方便求解等优点，但码垛能力有限。码垛机器人的工作能力与其机械结构、工作空间、灵活性有关。笨重复杂的机械结构必然导致机器人活动空间和灵活性能大大下降。目前,国内外码垛机器人多采用2个并联平行 四边形机构控制腕部摆动的关节型机器人,这样取消了腕部电机,减少了一个关节的控制,同时四边杆起到平衡作用,但机器人前大臂、后大臂以及小臂构成的四边 形限制了末端执行器工作空间的提高;而且四连杆机构也增加了机器人本体结构的复杂性和重量,降低了机器人运动的灵活性,必然会影响工作效率。 在国内码垛机器人结构设计优化领域，一般是以测绘国外同类产品为参考，然后再结合自身的实际要求来设计，在后期的优化处理中，一般用 CAE 分析软件对关键部位进行仿真分析，来验证是否满足工作要求。比如赵伟等用 CAE 分析软件对机器人大小臂进行静力学分析，然后对薄弱结构进行优化，取得了不错的效果10。我国待解决的实际问题是适应能力有待提高，可靠性、稳定性需提高。智能化程度有限。机器视觉技术需不断完善。成本高、品种繁多。码垛机器人在特殊环境下的应用技术有待提高11。哈尔滨博实自动化设备有限公司开发的RB300 型码垛机器人12如图1.2，码垛机器人从输送机上抓取料袋，按照预定的码放方式，将料袋逐个逐层码放在托盘上，最后将码好的满垛输出。该码垛机器人结构简单，占地面积小，具有灵活的设备布置方式；编组方式灵活，适用于各种包装料袋的码垛需求。码垛能力最大 1000 袋/h（最大负载 300 kg）码垛层数最大 10 层/垛（高度约1800 图1.2哈尔滨RB300 型mm）垛形尺寸（长宽）最大1600 mm1600 mm。沈阳新松机器自动化股份有限公司主要研究工业机器人与工业自动化技术及产品的开发，其全新 RB360/500A 系列机型如图1.3作为重载级的机器人提供了非常大的作业空间13。采用钢性的手臂设计，提升了手臂负载能力，扩大了适用范围。水平搬运能力重达 500 kg，作用半径长达约2525 mm。在作业空间、动力状态等方面皆具有优异的性能参数。RB360/500A 系列图1.3沈阳RB360/500A机型凭借其更高的模块化、灵活性和质量而保持技术领先。在满足柔性设计要求的同时，在汽车工业中轻松承担焊钳等重负载或操作重组件，在锻造时可精确从事体积庞大的重型部件的操作。该产品专门为完成重负荷的作业而设计开发，尤其适合重负载高效的铸造、焊接、搬运、码垛等领域。上海交通大学机器人研究所携手沃迪包装科技有限公司开发出了新一代 TPR 系列码垛机器人如图1.4。机器人采用的是线性四连杆机构和基于 PC的控制系统，还能对码垛现场进行 3D 仿真以及自动干涉检查，可以大大提高机器人的各项性能，其工作能力可以达到 1600 包/h14。 余晓明15研究设计了在米袋码垛系统中运用的四自由度圆柱坐标型码垛机器人，其主运动控制器采用英国TRIO MC206X运动控制器，具有较高的控制运算水平，采用PC控制和管理软件。该研究控制器所采用5.5轴数字运动控制器结构，给控制器制造提供了借鉴。机 器人采用独特控制算法对末端执行器的位置进行较高精 图1.4上海TPR系列度控制；同时采用半闭环位置伺服系统，统一运用了位置、速度和电流结构。徐雪萌、张永宇、张映霞等设计研制的瓦楞纸箱板自动码垛机机械手设计方案采用AHP 法，结合企业的要求和生产现场的状况，选择机械式码垛。纸箱板自动码垛装置采用框架结构，有 4根柱子平衡受力。其优越之处在于使用双机械手，不仅能够完成局部码放、整层抓取码垛工艺，而且各项运行指标良好，功能完成平稳，满足码垛生产能力的需求。该码垛机器人适用高速、重载纸箱板码垛，并且采用了通用元件，节约了企业成本，提高了利用效率。上海纳丰机械设备有限公司打造的NFMD-180码垛机器人如图1.5所示整机PLC控制，全自动运行;低位进箱，占用空间少，生产能力大，适应多种垛型及瓶型，可在每2-5分钟内完成6层堆码，特别适应于码热收缩膜包装的产品16。 李成伟等人17研究设计了一种4自由度并联关节式搬运码垛机器人,只需更换手爪,即可对硬纸箱、塑料箱、袋状物盒装物等搬运码垛。控制系统设计采用了基于PC的模块化分布式控制结构,上位机采用普通工业PC,实监控和作业管理,下位机采用PMAC运动控制卡和PLC可编程控制器,实现运 图1.5上海NFMD-180动规划和控制。杨灏泉等人18研制了一种通用拆垛、码垛SCARA机器人,采用水平关节的机械结构形式,以基于PC的开放式DSP多轴运动控制器作为控制系统的核心,采用标准总线结构,使系统具有良好的可扩展性和网络通讯功能;使用面向对象的开发模式,自主开发了机器人控制软件,实现了机器人监控、示教、文件管理、参数设置、轨迹规划和伺服控制等。张宪民把固有频率作为约束条件，整84 包装工程2017 年 3 月体质量作为优化目标，进行优化后的系统具有了更好的动态响应性能19 。 图1.6杨灏泉SCARA系列在码垛机器人轨迹规划方面，我国学者也做了大量研究，比如徐海黎等以机器人运动过程中的总动作时间与能量消耗的综合最优为目标，提出一种工业机器人的最优时间和最优能量轨迹规划20。徐鹏飞、罗庆生等采用“4-3-4”法利用不同低阶多项式对各轨迹段进行插补，以实现流畅、连续、稳定自动码放货物的要求21。段朋等针对码垛机器人调试麻烦的问题，提出了一种矢量调节轨迹曲线的方法，来设计码垛机器人的控制系统，以便能够快速有效地调节机器人的轨迹22。曹波等为了提高机器人在码垛过程中的运动速度及其平稳性，以时间最短为优化目标，采用 3 次样条插补对机器人进行轨迹规划，以保证其速度与加速度的连续性；并在传统的 PTP 运动模式的基础上提出了一种基于时间最优的轨迹规划方法，对机器人整个工作过程进行再规划，经过试验，运动优化后的码垛速度得到大幅提高23。经过国内科研机构多年的技术攻关，我国已基本掌握了机器人本体的设计与制造及其装配工艺、控制系统的软硬件设计、机器人运动学与轨迹规划技术、传感技术等，并逐步形成了一套较完备的机器人理论体系24-37。3.本人对所查文献的评述对所查文献研究后发现：码垛机器人主要包括直角坐标式机器人、关节式机器人和极坐标式机器人直角坐标式码垛机器人优点：任意组合成各种样式,超大行程, 负载能力强, 高精度, 扩展能力强, 简单经济, 寿命长, 高动态特性缺点：占据空间大、相对工作范围小、灵活性差，相对关节式码垛机器人机身不够轻巧三、课题研究内容与方法1. 研究内容课题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、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。2. 研究目标参数1) 机器人手爪最大负载能力：0-50kg2) 行程范围:X方向最大行程20m,Y方向最大行程5m,Z方向最大行程4m3) 最大起升速度40m/min,大车速度50m/min,横移速度40m/min4) 工作对象:袋装粉末状物体5) 使用寿命10年,产品成本尽可能低,节能环保6) 参考图形如图1.7 图1.7直角坐标码垛机器人3.总体机构设计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1.8：图1.8结构简图4.工作原理停止搬运到指定位置夹具释放抓取Z轴旋转拍照查看袋子摆放方式机械手移动到袋上方开始 3.4.设计步骤1.绪论1.1 码垛机器人的发展状况1.2 研究目的及意义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2.2 参数要求3 总体机构设计3.1 机械手设计3.1.1 方案选择3.1.2 力学分析3.1.3 气缸选择 3.2 丝杆螺母副的计算与选择 3.2.1 Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 3.2.2 X轴和Y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 3.3 各轴驱动电机选型 3.3.1 Z旋转轴电机选择 3.3.2 Z轴步进电机的计算与选型 3.3.3 X轴和Y轴步进电机选用 3.4 齿轮和齿条的计算与选型 3.5 轴承的选用3.5.1.1 Z旋转轴轴承的选用3.5.1.2 Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型3.5.1.3 其他轴承的选用3.6锥齿轮的传动计算与选型4 总体支架的受力分析5 基于SolidWorks的运动学、动力学分析6 基于SolidWorks的动态仿真7 总结四、课题研究进度安排根据机械与电气工程学院2014级毕业设计实施方案，暂定进度计划如下：a）开题报告：2018年春期（2018.3.01-2018.3.10）。（集中第1周周六3月10日,二次答辩自行安排）b）课题研究：2018年春期第2周学生开展课题调研并初定设计步骤方案；指导教师进行毕业设计指导；3-4周：功能结构设计及计算；5-7周：三维参数化造型设计； 8周：装配及动态设计； 9-10周：编写毕业设计说明书。c）中期检查：2018年春期第7周，学院组织中期检查。d）完成课题：2018年春期第11周末之前（5月18日），毕业设计审核查重提交。e）毕业答辩：2018年春期第12周（5月19-20日）至第12周（5月21-26日）。五、主要参考文献目录1 国际能源网能源资讯频道.来源：光伏领跑者创新论坛日期：2018-2-26.2 胡洪国,高建华,杨汝清.码垛技术综述 J.组合机床与自动化加工技术,2000(6):7- 9.3 曾孔庚.工业机器人技术发展趋势J.机器人技术与应用,2006,(06)4 搜狐网 节能新时代 2016-12-15. 5 韩建海.工业机器人M.武汉:华中科技大学出版社, 2009.6 中国机械工业联合会机经网.发布时间：2018-02-09 15:51:037 工业机器人_焊接_喷涂_码垛的博客国外码垛机器人研究之路 (2017-08-23 13:37:13) 8 2018-01-26 09:28来源：新战略机器人网9 中国新闻网 原标题：3C与汽车制造业是中国国产机器人主要市场2016年12月15日08:1710 赵伟,殷国富,陈航,等.基于Solid Works 和 Ansys的机器人手臂性能分析与优化设计J.机器,2009, 36(12):11 作者：昱庄机械研究所 昱庄机械技术文集. 12刘培香全自动包装机器人码垛生产线走向产业化J.中国高校科技与产化，2004（11）：56-5713 陈佩云，金茂菁，曲忠萍我国工业机器人发展现状J.机器人技术与应用，2001（1）：2-5. 14 袁晗，李文艺，童上高，等.TPR码垛机器人系统Matlab-Solidworks 仿真平台设计J.自动化与仪器仪表，2014（8）：44-46. 15 余晓明.四自由度码垛机器人设计及其控制系统性能研究D.成都：西南交通大学，2008. 16 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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.KEYWORDS: Palletizing robot；Screw nut；Stepper motor 1 1 绪论1.1 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。度 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。 度 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。度 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。 1.2 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 2 课题内容及要求21 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货物（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。 3 2.2 参数要求1） 单箱重量50KG。2） 托盘尺寸 16001600，码垛完了托盘上货物最高处到地面1700mm。3） 行程：X 方向 20m，Y 方向 5m，Z 方向 4m。4） 最快起升速度 40m/min，大车速度为 50m/min，横移速度 40m/min。 4 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 轴行程要求有 20m。由于 X 轴的行程较长，又考虑到成本决定采用同步皮带传动。为了方便编程和控制系统的分辨率较高可用 1：1 的传动比。X 轴传动方案如图 2-4 所示。图 2-4 X 轴传动示意图图同步带传动通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。与摩擦带传动相比，皮带轮与同步带传动的传动带之间没有相对滑动，从而保证了严格的传动比。但同步带传动对中心距和尺寸稳定性提出了更高的要求。 5 同步带传动具有皮带传动、链条传动和齿轮传动的优点。由于皮带传动由啮合运动和动力通过啮合带驱动，皮带与皮带轮之间的相对滑动可以保证传动比准确。同步带通常采用钢丝绳或玻璃纤维绳作为拉伸体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，薄而轻，因此可用于更高的速度。传动时的线速度可达 50m/s，传动比可达 10，效率可达 98%。传动噪声小于带传动、链传动和齿轮传动。与摩擦带相比，具有良好的耐磨性、无油润滑性和更长的使用寿命。其主要缺点是制造安装精度高，中心间距离严格。因此，同步带广泛应用于中、小功率传动，传动比准确。Y 与 Z 轴行程分别为 5m 和 4m，打算将这两者传动方式作为一样。传动方式有两个方案：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 2-5，三维视图如图 2-6 和图 2-7。 6 图 2-5 机构简图图 2-6 三维视图 7 图 2-7 三维视图3.1 机械抓手设计3.1.1 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：原点下降抓紧X,Y,Z 和 Z 旋转方向运动放松X,Y,Z 轴和 Z 旋转 方向的运动 8 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 9 图 3-3 三维图3.1.2 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： 10 图 3-4 受力分析由受力平衡得 ooNaGaFFFGF45sin45sin2121解得， 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22GF 求加紧的物体重量最大是 50kg，50kg 物体重力为 500N，则这抓手要求的最少夹紧力为 250N。由图可得，解得=370NmmFmmF23796233F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 0.8MPa，则由压力公式 F=PS 得 mdPaN26)2(108 . 032解得气缸的最少直径为 d=0.0343m=34.3mm 11 3.1.3 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3.2 同步带传动设计同步轮选用传动如下可调行程图 3-6 传动示意图由于同步皮带需要张紧和为了装配方便。故一个同步轮做成可以调节即可。固定方式可做成如下结构。为了平稳可用两条直线滑轨支持，同步带位于两条滑轨之间。滑轨选用示间图如下： 12 图 3-7 示间图每台机器都要整机复位，选用一个欧姆龙的槽形光电感应器和不锈钢割制的 1.5 厚的感应片就可满足复位要求为了防止撞机和滑块滑出滑轨故在导轨一端做一个用聚氨酯做成的限位装置。由于 X 轴要带动整个 Y 轴移动，上边所做的同步轮可调节机构可能会出现同步轮移动，造成同步带没有张紧，影响操作精度。可用螺栓加螺母来定位。结构如图下图 3-8 定位结构图3.3 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。3.3.1 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 3-9 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。 13 图 3-9 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，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为1.1K 。求得该工作环境的最大工作载荷为：0.005 1.1 800 880 FmKFxFzFyGNN（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷的计算 QF z 轴的进给速度最快可达，我们可以初选丝杠导程为40/ min667/vmmm s，则可以计算出丝杠最快转速。我们可以取5 hPmm/ 133 /3000 / minhnv Pr sr滚珠丝杠螺母副的使用寿命，代入计算公式，计算出其丝杠15000Th6060/10LnT寿命系数（单位为：106 r）。查书系统设计课程设计指导书表 3-30，可02700L 取我们的载荷系数，滚道硬度为 HRC60，则可以取得硬度系数为，则 1.2wf1.0Hf求得丝杆螺母副的最大动载荷： 3014705QWHmFL ff FN（3）丝杆螺母副型号的选择 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 14 15307N，大于上式所计算出来的 FQ，则满足要求。（4）所选丝杆螺母副传动效率 的计算 从上可知公称导程，直径，代入公式，5hPmm040dmm0tan/()harcPd计算得丝杠螺旋升角为。将导轨摩擦角和丝杠螺旋升角，代入计算公2 17 10式，计算可得其传动效率为。)+ / tan(tan=93.5%=（5）滚动丝杆螺母刚度的验算 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；钢的弹性模量可查得为；查书系统设计1700amm52.1 10 SEMpa课程设计指导书表 3-31，可知该丝杆丝杠底径，直径，据236.2dmm3.175dmm此可以计算出丝杠截面积为。则可以计算出丝杠由工作载荷作用下而21029SmmmF引起的拉/压变形量 1/880 1700/ 2.1 105 1029 0.006FmaESmmmm 2）可以根据计算公式 ，求得单圈滚珠数；滚珠的圈数列-30( /)wZdD37=Z数为 42，则可计算出得滚珠总数量。当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为592Z，由书系统设计课程设计指导书式（3-27）计算出滚珠与螺纹 /3293YJmFFN滚道间的接触变形量为。0.0004mm 2 3）以上算出的和可以代入，求得丝杠总变形量1212总。由书系统设计课程设计指导书表 3-27 知，5 级精度滚珠0.00646.4mmm总丝杠有效行程在时，行程偏差可允许达到 65m，则可见所选丝杆刚度2000mm1600足够。（6）滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核 失稳时的临界载荷可根据系统设计课程设计指导书式（3-28）计算出来。查kF系统设计课程设计指导书表 3-34，应该取其支承系数；由丝杠底径1kf 15 ，则可求得截面惯性矩为；当丝杆垂直安装时，压mm 36.2=d2mm 84295 64/42dI杆稳定安全系数 K 应取 2.5；已知滚动螺母至轴向固定处的距离，计算出1700amm得临界载荷，远大于工作载荷，则所选丝杠不会失稳。108N4.1 kF880N=mF 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 3-10 滚珠丝杠副3.3.2 Z 轴和 Y 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型Z 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 Y 轴所受垂直载荷比 Z 大，同样只需要进行对 Y 轴的受力分析即可，计算方式与 Z 轴差不多。图 3-11 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。已知移动部件总重量估计不大于，同样可以与 z1500N =Fz2000GN轴一样按矩形导轨进行计算，可选 K=1.1，=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： 16 1.1 0 0.005 ( 15002000 ) 17.5FmKFxFzFyGNN（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷 FQ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Ph=5mm，则丝杠寿命系数同样为 L0=2700（单位为：106 r）。则可求得最大动载荷： NFffLFmHWQ4 .29230（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。3.3 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。3.3.1 Z 旋转轴电机的选择 该电机主要克服机械抓手和货物旋转时的摩擦力矩，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。抓手和货物转动惯量很大，是电机设计需要考虑的主要对象。 17 图 3-12 电机装配图 （1）加在电机转轴上的总转动惯量 Jz 的计算 抓手最大质量为 10kg，容许抓取质量为 50kg，其转动惯量的计算可近似认为 40kg货物为 400mm100mm100mm 的长方体，则长方体绕 Z 轴的转动惯量为： Jz=m(a2+b2)/12 （3-1） 式中 a=40cm，b=10cm，m=40kg，则。220.4958.5667.Jzkg mkg cm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，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o0.9动惯量为，则可计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量为248kg.cm=Jm 25715.JepJmJzkg cm （2）加在电机转轴上的等效负载转矩 Tep 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 = （3-2）eqTmaxaT 在考虑传动链的总效率 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： （3-3）1602maxameqatnJT 18 式中 对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为 r/min；mn 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。at Z 旋转轴主要是带动着抓手和货物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，但平时工作/s100o的速度平均为。则换算电机的转速最高速度为。/s30o17r/min=nm 假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为=0.4s，传动链总效率。at0.9=则由式（3-3）计算得： mNTTaxa.83. 29 . 04 . 0601710571524meq（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： (3-4)max4 2.83 11.32jTN mN m 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 。可见，所选的电机满足（3-4）式的使max 40jTN m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，其步进角为可求出电机对应17 / minmnr度o度0.9/的运行频率。由图 3-10 查得，此频率运行的电机输出转max360/0.9 17 6800fHzHz矩，大于，满足其使用要求。m16N=Tmaxm2.83N =1eqT 2）最快旋转时电机运行频率校核 电机运行最高频率为。查书系统设计课程设计指导书表 4-5 可知6800Hz=maxf130BYG2502 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 19 从上可以知道，当电机转轴不带任何负载时的25667kg.cm=Jeq48mJ2kg cm最高起动频率为。则可求出步进电机克服惯性负载的起动频率：1500Hz=qfHzJJffmeqqL1381 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 3-13 步进电机的运行矩频特性130BYG25023.3.2 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 3-14所示。 20 图 3-14 z 轴电机装配图（1）加在步进电机转轴上的总转动惯量的计算 eqJ 滚珠丝杠总长 l=4000mm，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=WJ，滚珠丝杠的转动惯量。因为 z 轴的移动速度很快，不需要减2cmkg 2.8=SJ2cmkg 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，则加在步进电机转轴上的总130BYG2502转动惯量可计算得 eqJmJWJSJ22.8+0.51+48cmkg249.4=cmkg （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eqT摩擦转矩；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；第fTmaxaT三部分是负载折算到电机的最大工作负载转矩，则有：tT =+ + （3-5）1eqTmaxaTfTtT 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=1s，传动链总效率at 21 。0.84=0.9350.9=则同样由式（3-3）求得： -4max249.4 10120007.4 .60 1 0.84aTN m （3-6）iPGFThf2)(m.0038. 0184. 02005. 0)0800(005. 0N 负载折算到电机转轴上的最大工作负载转矩： m.8 . 0.18 . 02005. 08002tfNmNiPFTh 最后由式（3-5）可以计算出： = + + =8.2N （3-7）eqTmaxaTfTtT 步进电机最大静转矩同样为负载转矩乘以安全系数 4，即为 (3-8)m32.8N= m8.2N4 Tjmax 130BYG2502 型号电机的最大静转矩 。则选用的电机满足（3-m40N =Tjmax 8）式的使用要求。 步进电机的性能校核同 z 旋转轴的校核方式一样，最后校核出该步进电机符合使用要求。3.3.3 y 轴步进电机的选用y 轴是水平放置，没有收到进给方向的负载，如图 3-15 所示。图 3-15 电机三维图 22 计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 eqJ 滚珠丝杠总长 l=2200mm，电机通过两副 90o锥齿轮传动给丝杆；移动部件总重量G=2500N。同样可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量=3.6SJ，上下运动的部分折算到丝杠上的转动惯=1.58，两斜齿轮估计传动2kg cmWJ2cmkg 惯量不会大于 JZ=80kg.cm2。初选步进电机型号为同样可以为 130BYG2502，则加在步进电机转轴上的总转动惯量为 = +2+=83.18eqJmJWJSJzJ230+23.6+1.58+48cmkg2cmkg 同理，根据 z 轴选用电机的方式进行计算，可以计算出得出加在步进电机上的最大等效负载转矩为 Teq=12.2N.m，因为 y 轴的受到的负载比 x 轴的要小，y 轴选用130BYG2502 的电机一样符合使用要求。 综上所述，各轴选用的电机型号都为 130BYG2502 步进电机，电机外形如图 3-16所示。图 3-16 电机实体图3.4 直线滚动导轨副的计算与选型 直线滚动导轨副用于 x 轴和 y 轴，承受垂直的载荷。（1）计算滑块承受工作载荷及选取导轨型号 影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素通常是工作载荷。本设计中的 x 轴和 y 轴都为为水平布置，y 轴是采用双导轨、四滑块的支承形式，如图 3-17 所示，而 x 采用左右两个导轨模块，每个也是采用双导轨、四滑块的支承。 23 图 3-17 直线滚动导轨副 x 轴和 y 轴采用相同规格的导轨副，因为 x 轴受到的载荷最大，则只需要 x 轴的选型计算即可。工作时，其不利的情况是一个滑块承担垂直于台面的全部工作载荷，可计算出这个单滑块所受的最大垂向载荷为： （3-9）FGPC4 其中，移动部件重量约为，外加载荷 F= Fz=1500N（z 轴上下运动时产生2000N度G的冲击）载荷，代入（3-9）式得最大工作载荷。查书本系统设2kN=1500N=Fmax计课程设计指导书表 3-41，可以初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的型，直线滚动导轨副的额定静载荷，其额定动载荷LG35-JSA47.2kN=C0a。由直线滚动导轨副标准长度，可以选取导轨的长度为。kN 35.1=Ca2200mm（2）计算距离额定寿命 初选的导轨副的滚道硬度可以取，在工作时，温度不会大于 100，每根导HRC60轨上配有两只滑块，其导轨副可取 4 级精度。查书本系统设计课程设计指导书表3-36 至表 3-40，得度1.5=度度度度 度0.9=度度度度0.81=度度度度度1.00=度度度度度1.0=度度度度则可以计算出其距离寿命： km3102550)f(3maxaFCffffLWRCTH计算结果远大于期望值 50km，则该选用导轨副符合其使用要求，其实如图 3-18 所示。 24 图 3-18 导轨副3.5 轴承的选用3.5.1 Z 旋转轴轴承的选用 Z 旋转轴只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所承受的最大轴向力，由于抓手和物体最大重量小于 40kg，则可认为其轴向当量动载荷 Pa=350N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为 51108，其轴承基本额定动载荷为 62.8kN350N。 其滚动轴承的基本额定寿命为 L10=3869893106rPC340062800 轴承安装形式如图 3-19 所示:图 3-19 单向推力球轴承装配图3.5.2 Z 轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型 同样，丝杆只受到轴向力的载荷，所以选择单向推力球轴承，其轴向当量动载荷Pa=Fa，Fa为轴承所承受的最大轴向力，可采用滚珠丝杆的最大动载荷，则可认为其轴向当量动载荷 Pa=14705N，为了适应其总体机构大小，选择轴承型号为 51203，其基本 25 额定动载荷为 27.2kN14705N。 其滚动轴承的基本额定寿命为 L10=6.3106rPC31470527200 其轴承的安装形式如图 3-20 所示和实体图片如图 3-21 所示：图 3-20 单向推力球轴承装配图图 3-21 单向推力球轴承实体图3.5.3 其他轴承的选用 每个丝杆螺母两端需要采用一对面对面组配的推力角接触球轴承，而经过通过以上方式的计算都可以采用 7305B 型号的角接触球轴承。同样，锥齿轮轴两端也要采用一对面对面组配的推力角接触球轴承，同样经过计算都可以采用 7305B 型号的角接触球轴承。则这里要用 16 个 7305B 型号的角接触球轴承，安装方式如图 3-22、图 3-23、图 3-24 所示： 26 图 3-22 轴承装配图图 3-23 轴承装配图图 3-24 轴承装配图 27 3.6 锥齿轮传动的计算与选型 Y 轴的简图如图 3-25 所示，锥齿轮的安装方式图 3-26 所示，和锥齿轮参数如图 3-27 所示。图 3-25 Y 轴简图 1、电动机； 2、锥齿轮 z1； 3、锥齿轮 z2； 4、丝杆图 3-26 齿轮装配图图 3-27 齿轮参数图 28 （1）锥齿轮的初定 已知电机的输出转矩最大为 12.2N.m，其最高转速 12000r/min，平均转速为6000r/min，由电机驱动，工作寿命为 10 年（设每年工作 300 天），两班制。 1）斜齿轮 z1和 z2的规格相同，所以传动比为 1:1； 2）选取齿轮齿数为 Z=40； 3）本码垛机工作速度、功率不高，选用 6 级精度； 4）选择材料为 40Cr，调质处理，硬度 HBS=241286。（2）按齿面接触疲劳强度计算： 1）因为锥齿轮以大端参数为标准值，依据齿宽中点处的当量齿轮作为强度计算来进行计算。 初拟齿宽系数，取载荷系数，节锥角为 =45o，HBS=260，查机0.3R 1.2K 械设计P211 图 10-25 得 Hlim=539Mpa。 2）由书本机械设计P203 图 10-20 可以查到得齿轮区域系数 ZH=2.5，同样由机械设计P202 表 10-5 得材料的弹性系数影响系数为 ZE=189.8MPa1/2 3）选取接触疲劳强度寿命系数。取安全系数为 S=1.0 计算应力循环次数 N=60n1jLh=6060001（2830010）=1.7281010查机械设计P208 图 10-23，得 KHN=1。 4)计算接触疲劳许用应力 许用接触