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 .IINTRODUCTION .II1 绪论 .11.1 码垛机器人的发展状况 .11.2 研究目的及意义 .12 课题内容及要求 .221 研究目标、内容及拟解决的关键问题 .22.2 参数要求 .33 总体机构设计 .33.1 机械抓手设计 .63.1.1 方案选择 .63.1.2 力学分析 .73.1.3 气缸选择 .93.2 丝杆螺母副的计算与选型 .93.2.1 Z 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .93.2.2 x 轴和 y 轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .123.3 各轴驱动电机选型 .123.3.1 Z 旋转轴电机的选择 .133.3.2 Z 轴步进电机的计算与选型 .153.3.3 x 轴和 y 轴步进电机的选用 .173.4 直线滚动导轨副的计算与选型 .183.5 轴承的选用 .203.5.1 Z 旋转轴轴承的选用 .203.5.2 Z 轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型 .203.5.3 其他轴承的选用 .213.6 锥齿轮传动的计算与选型 .234 总体支架的受力分析 .25总 结 .29鸣 谢 .30参考文献 .31I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IIINTRODUCTIONRight 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 controllable.It 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 tray.It can compact stacking quickly.It 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本科生毕业设计 1 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。 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。 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。本科生毕业设计 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。2.2 参数要求1） 单箱重量15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量30KG。本科生毕业设计 3 2） 托盘尺寸 16001600，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：+90 o.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 1.7 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。本科生毕业设计 4 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