（机械制造及其自动化专业论文）层码垛机器人结构设计及动态性能分析.pdf

硕 学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪曼曼曼量曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼! ! ! 鼍蔓! 曼曼曼曼! 曼! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼! i i ；二i 皇曼! 曼曼蔓曼曼曼苎曼! 量曼曼曼曼曼曼曼曼 摘要 近年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域得到广泛 的应用。于此同时，码垛技术也获得了飞速发展，尤其是机器人码垛发展更为迅 猛，这种发展趋势是与当今制造领域出现的多品种小批量的发展趋势相适应的。 铝锭层码垛机器人是整条铝锭连铸生产线中重要的环节，它的动静态性能直接影 响着整条生产线的生产效率。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比 还有一定的差距，因此研究和设计各种机器人特别是工业机器人是有实际意义的。 本文的工作是围绕一个关节型层码垛机器人的设计和分析进行的。 本文首先根据铝锭连铸生产线的工作要求确定机器人的各项基本技术指标， 为机器人的结构设计提供依据。在参考多种相关机器人的基础上，设计了机器人 的整体方案和机械结构，层码垛机器人是四自由度关节型串联机器人，所有关节 均采用转动关节，确定了采用伺服电机和r v 减速器的传动方案。在对机器人关键 工作状况进行分析的基础上，选取了各关节电机、减速器的具体型号，给出了主 要零部件的结构参数图。 采用d h 法建立层码垛机器人的数学模型，推导了机器人的运动学方程，对 其运动学和雅可比矩阵进行求解，此外，对机器人的工作空间进行了分析并对机 器人关节速度和加速度进行了分析。在此基础上，运用拉格朗日法对层码垛机器 人进行了动力学分析，推导出各个杆件的动力学方程，求出各个关节的驱动力矩。 应用a d a m s 软件对层码垛机器人进行了运动学和动力学的仿真，验证了理论推导 的正确性。最后运用a n s y s 软件对机器人进行了静力和动态力的有限元分析，目 的是为了检验设计的机器人结构在强度和刚度上是否能够满足工作的要求。 关键词：码垛；机器人；动态性能；ada ms a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er o b o tt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gv e r yf a s t ，v a t l o u su s e s o f r o b o t sa r ew i d e i ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s m e a n w h i l e ，p a l l e t i z i n gt e c h n o l o g ya l s o w o nt h er a p i dd e v e l o p m e n t ，p a r t i c u l a r l yt h ed e v e l o p m e n t o fr o b o t i cp a l l e t i z i n gm o f e r a p i d l ya n dt h i st r e n di st h ee m e r g e n c eo ft o d a y s s m a l lq u a n t i t i e so fm a n yv a r i e t i e s m a n u f a c t u r i n gs u i t e d t ot h ed e v e l o p m e n tt r e n d a l u m i n u mi n g o tl a y e fp a l l e t i z i n g r o b o ti sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l ea l u m i n u mi n g o tc a s t i n gl i n e i t sd y n 锄l c a n d s t a t i cp e r f o r m a n c ed i r e c t l y a f f e c t st h e p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y c o m p a r e d w i t h i n d u s t r i a l i z e dc o u n t r i e s ，c h i n ah a sac e r t a i ng a pi nt h er e s e a r c ha n da p p l l c a t l o n o f r o b o t s ，s os t u d ya n dd e s i g no fr o b o te s p e c i a l l y i n d u s t r i a lr o b o t si sp r a c t i c a l - t h i s w o i ki sc a r r l e do u ta r o u n dt h ed e s i g na n da n a l y s i so faj o i n tt y p el a y e rp a l l e t i z i n g r o b o t 1 nt h i sa r t i c l e ，t h eb a s i ct e c h n i c a li n d i c a t o r so fr o b o ta r ed e t e r m i n e da c c o r d i n g t o t h eo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t so fa l u m i n u mi n g o tc a s t i n gl i n e f i r s t l y ，w h i c hi sa st h e b a s i sf o r t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h er o b o t i nr e f e r e n c e t oav a r i e t yo fr e l a t e dr o b o t , t h ea r t i c l ed e s i g nt h eo v e r a l lp l a no ft h er o b o tp r o g r a ma n dm e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n d 1 a v e rs t a c k i n gr o b o tf o r4 - d o f j o i n tt y p es e r i e sr o b o t ，a d o p tt h er o t a t i o n a lj o i n t , a d o p s e r v om o t o ra n dr vr e d u c e rt r a n s m i s s i o np r o g r a m b a s e do nt h ea n a l y s i s0 nt h ek e y w o r k i n gs t a t u so ft h er o b o t ，s e l e c t e dt h ej o i n tm o t o r ，r e d u c e rs p e c i f i cm o d e l ，g i v e n t h e m a j o rc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ff i g u s i n gd hm e t h o dt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fl a y e rp a l l e t i z i n gr o b o t , a n dd e d u c et h er o b o tk i n e m a t i c se q u a t i o n s ，s o l v et h ek i n e m a t i c sa n dj a c o b lm a t r l x o nt h i sb a s i s ，u s i n gl a g r a n g em e t h o do nt h ed y n a m i ca n a l y s i s o fl a y e rp a l l e t i z i n g r o b o t d e d u c et h ed y n a m i c se q u a t i o no fe a c hp o l e s ，o b t a i nt h ed r i v i n gt o r q u eo fe a c h j o i n t s w i t h t h e a p p l i c a t i o n o fa d a m ss o f t w a r e t oo b t a i np a l l e t i z i n gr o b o t k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n ，t h ec o r r e c t n e s s o ft h et h e o r y i sv a l i d a t e d f i n a l l vu s i n ga n s y s s o f t w a r eo fs t a t i ca n dd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s l so nr o b o t , t h ep u r p o s ei st ov e r i f yw h e t h e rt h er o b o t s t r u c t u r ed e s i g nc a ns a t i s f yt h ej0 b r e q u i r e m e n t si ns t r e n g t ha n d s t i f f n e s s k e yw o r d s ：p a l l e t i z i n g ；r o b o t ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；a d a m s l i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 妁虏 日期：2 o 夕年多月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：2o o 年多月9 日 日期：1 晰6y j r p 日 硕一卜学位论文 曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! 舅! i i；i ii_lm m m _ _ - - 一t 一- - 一一- - 第1 章绪论 1 1 课题的背景、来源及意义 近2 0 年来，机器人技术发展迅猛，机器人技术是集合了机构学、自动控制技 术、计算机技术、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感器技术、仿生学 等多学科和技术应用的一门综合性技术，它代表了高科技的发展前沿，是当前科 技研究的热门方向。机器人广泛应用于各行各业，主要进行焊接、装配、搬运、 加工、喷涂、码垛等复杂作业，机器人的研究与发展是一个国家高科技水平和工 业自动化程度的重要标志和体现。据专家预测，到2 0 1 2 年，国内市场实际拥有量 将达到1 7 3 0 0 0 台，年销售额为9 3 1 亿元。根据发达国家产业发展与升级的历程 和工业机器人产业化发展趋势，到2 0 1 5 年，国内市场容量更将增) b n ) u 几十万台。 从应用环境出发机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业 机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。我国工业机器人的 市场主要在汽车、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业，企业对技术进步 的需求非常强烈，其中主要的机器人用户仍在汽车制造行业、工程机械行业及电 机、电子行业，我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。据专家预 测，在工业机器人的需求上，我国也将同国际市场需求趋势基本一致，即以机器 人化的生产系统取代单台机器人，这是因为工业生产所用的机器人大多数是在生 产线上使用，组成机器人化的生产系统。 码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，所谓码垛就是按照集成单 元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实 现物料的存储、搬运、装卸、运输等物流活动1 1 】。在物流过程中，产品码垛是个 极其普遍的现象。除了像散装水泥、原煤、工程机械、汽车、原油等产品外，很 多产品和物料都可以垛的形式进行搬运。码垛后的产品有占地面积小、易于存放、 搬运效率高、便于仓储和防护等优点。随着现代物流的飞速发展，在生产领域， 越来越多的工厂采用立体仓库来存放原材料和成品；在流通领域，出现了越来越 多的配送中心和超市；在运输领域，码垛也带来了越来越多的好处l l 引。近年来， 随着国民经济的发展和生产规模的扩大以及机械自动化水平的提高，码垛技术， 特别是机器人码垛技术以其在机械结构、适用范围、设备占地空间、灵活性、成 本以及维护等方面的优势使其应用渐为广泛，并成为一种发展趋势。目前，码垛 机器人已经广泛应用于医药、石化、食品、家电以及农业等诸多领域。 由于码垛机器人或机械手都需要快速准确的搬运重物，因此对它们提出了一 层5 1 垛机器人结构设计及动态性能分析 些基本的要求，即它们必须具有高精度，能快速反应，具有一定的承载能力，足 够的工作空间和灵活的自由度以及任意位置都能自动定位。其中运动速度和定位 精度是两项基本性能指标。而提高定位精度与提高运动速度总是存在矛盾，提高 运动速度必然导致定位精度的降低。而在实际生产中这两个因素是同样重要的： 提高运动速度可以减少定位时间，提高工作效率；提高定位精度则可以保证系统 的可靠性，从而提高工作质量i ) j 。近年来，机器人本体结构更新加快：随着技术 的进步，机器人本体结构近十年来发展变化很快。以安川m o t o m a n 机器人产品为 例，l 系列机器人持续l o 年，k 系列持续5 年时间，s k 系列持续3 年时间，1 9 9 8 年底安川公司推出了最新的u p 系列，其突出的特点是：大臂采用新型的非平行四 边形的单连杆机构，工作空间有所增加，本体自重进一步减少，变得更加轻巧。 随着技术的发展，对码垛机器人的承载能力、工作范围及性能等提出了更高的要 求，在高速、重载情况下如何进行精确的点位及连续运动控制，特别是极限位置 的运动控制等都是需要重点考虑的问题【o j 。总体来说，高可靠性、高速、高性能、 重载是码垛机器人的发展趋势。 在电解铝行业中，机器人码垛的需求越来越广泛。以铝锭连铸生产线为例， 它是集机、电、光、液和气于一体的自动化成套冶金装备，可自动完成铝锭的铸 造、冷却、堆垛、打包和成品运输等生产工序。其中，码垛技术是高效铝锭连铸 生产线的核心技术，主要完成铝锭的堆码成垛，其效率和可靠性是衡量铝锭连铸 生产线技术水平的最重要指标，寻求高效率和高可靠性是铝锭连铸生产线的研究 方向。由于铝锭的重量大、码垛的节奏比较快、工作的环境差、重复性强，因此 高速重载的层码垛机器人将越来越多的应用在铝锭连铸生产线中l 7 - 8 j 。铝锭码垛 是铝锭连铸生产线的关键环节，其发展速度受制于码垛技术的发展，结合本课题 组的发展需求，需要研发具有自主产权的码垛机器人。本文参考多种类似的机器 人，如北京莫托曼公司的m o t o m a n e p l 3 0 0 型码垛机器人和上海f a n u c 公 司的f a n u cm - - 4 1 0 i b 3 0 0 型码垛机器人等机器人，研究开发了层码垛机器人， 为机器人的设计开发提供了技术方案，为国内码垛机器人的发展打下了一定的基 础。 1 2 码垛机器人的发展现状及趋势 1 2 1 码垛机器人国外发展现状 工业机器人按基本结构可分为五种：直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标 形式，关节坐标形式及平面关节坐标形式。 1 ) 直角坐标式机器人具有三个移动关节，能使手臂末端沿直角坐标系的x 、 y 、z 三个坐标轴作直线移动。 2 硕 ：学位论文 2 ) 圆柱坐标式机器人具有一个转动关节和两个移动关节，构成圆柱形状的工 作范围。 3 ) 球坐标式机器人具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作 范围。 4 ) 关节坐标式机器人具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，构成 较为复杂形状的工作范围。 5 ) 平面关节式机器人可以看成是关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩 关节和肘关节，关节轴线共面p j 。 本课题主要以关节型机器人作为研究对象，该类型机器人的手臂机构特点是 工作空间大，动作灵活，结构紧凑，且与不同的手腕机构组合可以形成多种形式 的多关节型机器人，是机器人中使用最多的一种结构形式p j 。虽然关节型机器人 具有很多的优点，而且操作功能很强，通常可以完成很多工作，但是这种机器人 的结构刚性比较差，操作精度较低( 一般重复定位精度低于0 1m m ) ，因此对 于一些高精度的操作，这种机器人难于完成任务。工业机器人除了具有良好的可 靠性、一定的作业空间外，其整体结构还必须有很好的静态和动态性能，尤其是 动态性能，将直接影响着机器人的工作效率、稳定性和可靠性【ju 。工业机器人由 机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置组成。关节型机器人的本体结 构是指其机体结构和机械传动系统，也是机器人的支撑基础和执行机构。关节型 机器入主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本机构，因此本体结构通常包括关节 型机器人的机座结构及腰部关节转动装置、大臂结构及大臂关节转动装置、小臂 结构及小臂关节转动装置、手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器。 在国外，工业机器人技术已经成熟。目前，国际上的工业机器人公司主要分 为日系和欧系，日系中主要有安j i i 、o t c 、f a n u c 等公司。欧系中主要有德国的 k u k a 、瑞典的a b b 等公司i 1 1 1 。 瑞典a b b 公司在1 9 7 4 年研发了世界第一台全电控式工业机器人i r b 6 ，主要 应用于工件取放与物料搬运。1 9 9 9 年开发出r b 6 4 0 码垛机器人，可完成每小时 1 2 0 0 个码垛循环，码垛重量可达1 6 0 k g ，同时开发出了p a l l ew i z a r d 码垛软件， 该软件可以自动生成进行码垛作业时的程序。近几年，a b b 公司生产的多关节机 器人主要有以下特点：第一，用铸钢做机器人的本体结构，其刚性强，这样就解 决了以铝合金铸造的本体较轻，经久会发生弯折断裂的问题。虽然铸钢做的本体 较重，但安全性高，同时a b b 通过配重设计，使得铸钢机器人电力消耗功率比 铝合金机器人还要低。第二，2 0 0 6 年，a b b 公司开发了模块化i r c 5 控制器，它 代表了a b b 公司在机器人控制技术领域所做出的巨大贡献，该控制器具有m u l t i m o v e 和q u i c km o v e 两项主要的功能。m u l t im o v e 的功能是能使机器人定位以及 重复定位更加精确，在工作当中发生故障时可自动解决故障并重新继续工作。 3 层码垛机器人结构设计及动态件能分析 q u i c km o v e 的自动优化运动控制功能能够确保机器人的加速度始终处于最大状 态，从而最大程度地缩短工作周期，与传统机器人控制器相比，其工作周期缩短 达2 5 ，并且可以使机器人通过自调节功能来适应实际有效载荷。第三，2 0 0 6 年， a b b 公司开发了t r u em o v e 专利技术，该技术最大的特点是可以在整个工作范围 内均能保持平稳而快速的运动，而且不论速度快慢，a b b 机器人轨迹都相同。而 某些品牌的机器人在不同速度时走行轨迹有差异须修正程序，以确保相同轨迹。 在以上技术的基础上，a b b 公司的i r b 7 6 0 0 码垛机器人最大码垛重量可达6 5 0 k g ， 定位精度可达0 0 7 m m l ，1 。 德国的k u k a 公司在1 9 7 3 年制造出了自己第一台名为f a m u l u s 的工业机 器人，这是世界上第一台采用机电六轴驱动的机器人。1 9 9 6 年，库卡机器人开发 出世界第一台采用p c 控制器平台的机器人，从而使机器人技术取得质的飞跃。 现如今，该公司的码垛机器人具有以下特点：第一，在本体结构上，机器人机身( 除 臂部外) 是由聚碳纤维铸成、重量轻、扭力大、韧性强，具有较高的机械性能和较 强的抗震能力，可以使机器人在非常轻巧的同时具有更高强度，使其适用于高负 载作业。此外，机器人的本体机构上采用四轴倾斜式的设计从而降低了维护保养 的成本。第二，k u k a 公司在2 0 0 7 年开发了p cb a s e d 控制系统，该系统在微 软的w i n d o w s 界面下操作，通过简单的规划和设置，使其m t b f ( 平均故障间隔 时间) 超越7 5 ，0 0 0 小时，机器人平均使用寿命更长达1 0 1 5 年。第三，库卡机器 人的控制和编程系统装有库卡公司开发的”p a l l e tt e c h ”货盘处理软件，可离线编 程，具有不影响生产，快速调试和转换，优化摆放形式，节省工程量和运输成本 等优点。该系统反应迅速，无论什么样的卸码垛任务，库卡和其选择的辅助系统 都能提供最好的解决方案，并采用更快更灵活的结构来缩短启动时间。该公司在 2 0 0 8 年开发的6 轴机器人k r l 0 0 0 t i t a n ，其负载能力达到了1 0 0 0 k g ，水平方向 的工作半径长达3 2 0 0 m m ，垂直方向的工作高度可达5 0 0 0 m m 。从技术方面来说， 它的最大特点是坚实的基础刚结构和驱动方案，传统的6 个自由度的机器人使用 6 个伺服电机，而k r l 0 0 0 t i t a n 机器人使用了9 个伺服电机，其中机器人的1 3 轴采用双马达驱动，其中1 轴和3 轴采用两个马达同时驱动同一套齿轮机构，2 轴由于驱动方式的需要采用两个马达分别驱动两套不同的齿轮机构。采用这样的 驱动方案就解决了由于负载非常大对机器人的3 个基础主轴要求很高，普通电机 根本无法单独驱动的问题l l 川。 日本安川电动机公司与1 9 7 7 年研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而 此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式，与采用液压驱动的机器人相比，采 用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因 此，逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。近年 来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱 4 硕卜学位论文 lli,。- ih ii i 曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼鼍曼 动方式在许多应用领域也有了发展。此外，日本f a n u c 公司机器人特点主要有 两个：一是采用并联机构，将机器人技术向数控技术的拓展，实现机器人和数控 技术一体化。其次，f a n u c 公司是世界上唯一提供集成视觉系统的机器人厂商， f a n u c 的i r v i s i o n 视觉系统的软件和控制硬件系统完全集成在机器人控制器中， 用户可以方便地在一个标准机器人上实现二维和三维视觉功能，为用户实现高可 靠的视觉功能提供了技术保障。该公司的智能机器人f a n u cr o b o tm 4 1 0 i b 1 6 0 ， 其最大负载重量为1 6 0 k g ，最高的搬运速度可以达到每小时1 5 0 0 次，重复定位精 度为0 5 m m ，其主要特点是装设了视觉感测器的高智能化，一边确认移位的货 物情况，一边搬运。此外，为达到堆垛工作的最大装载效率，可使用r o b o g u i d e 动画模拟，轻松进行程序编辑。其控制箱采用的是嵌装于机器人基座的一体结构， 不需要电缆连接，设置起来十分方便。在机器人的手腕部为中空结构，这样就能 在布线时避免机械手电缆缠绕机械手腕的问题1 2 引。 1 2 2 码垛机器人国内发展现状 总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的 差距，主要体现在：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域 狭窄，生产线系统技术与国外相比仍有差距；在应用规模上，我国已安装的国产 工业机器人约2 0 0 多台，约占全球已安装台数的万分之四。近年来，虽然我国在 某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有我国知识产权的 工业机器人很少。在我国，主要的机器人公司有首钢莫托曼机器人有限公司、哈 尔滨博实自动化设备有限公司和中国新松机器自动化股份有限公司。 哈尔滨博实自动化设备有限公司1 9 8 9 年自行研制开发全自动包装机器人码 垛生产线，可达6 0 0 袋小时的效率。到1 9 9 3 年，码垛生产线的效率达到8 0 0 袋d , 时。2 0 0 6 年，基于开发了f f s ( f o r m f i l l s e a l ) 的高速高精度称重包装码垛 生产线的生产能力达到1 6 0 0 袋小时，称重精度达0 1 弘引。 首钢莫托曼机器人有限公司是一家中外合资的企业，该公司主要是引进日本 安川i 的技术，2 0 0 1 年引进的m o t o m a n u p 系列机器人，其在机器人本体的臂结 构上进行了细长优化，使杆件间的干涉最大限度的减少。在控制器中采用了a r m ( a d v a n c e dr o b o tm o t i o n ) 功能，首次在工业机器人控制技术中实现了实时动力 学控制技术，这样就使机器人的运动控制技术前进了一大步【o l 。2 0 0 5 年引进了 m o t o m a n h p 系列机器人，该系列的机器人是用于搬运、装配的垂直多关节型 机器人，该系列的机器人本体轻型化，与高轨迹精度及振动抑制控制的n x l 0 0 控制柜有机结合，减弱了机器人启动和停止瞬间的颤动，从而缩短了机器人的运 行周期，与旧的机型相比，m o t o m a n h p 系列机器人具有更快的轴动作速度； 其次由于的高性能机器人控制柜，运用高精度轨迹控制算则缩短了对命令响应的 5 层码垛机器人结构设计及动态作能分析 滞后时间，这是安川独有的“高级机器人动作 控制特点，与1 日机型相比，使得 机器人的轨迹重复精度提高5 0 ，还有误差补偿功能使机器人的绝对位置精度与 原来相比提高2 5 倍。m o t o m a n h p 系列机器人的负载能力可达1 6 5 k g ，重复 定位精度为0 2 m m 。 宝鸡新科机械制造有限公司于2 0 0 8 年研制出r m d 7 0 型机器人( 码垛机械 手) ，这是国内包装行业自主研发设计的产品。该机器人的最大搬运重量为4 5 0 k g ， 最大搬运能力为7 0 0 次d , 时。其设计的主要特点就是在机械设计上采用的是适用 于精密控制用的行星减速机，特别适用于重载机器人。同时，它配套德国等公司 的世界先进控制元器件，以保证机器人工作性能。 沈阳新松机器人自动化股份有限公司主要发展方向是工业机器人与工业自动 化技术及产品的研制开发，在研究开发自主机器人技术方面，解决了机器人控制、 操作机优化设计、机器人作业和工程应用中的一系列关键技术难题，攻克了控制 器体系结构、高精度插补、多轴协调、机器人语言、快捷示教、传感器控制等关 键技术，开发出了具有自主版权的高性能机器人控制器。 评判机器人码垛生产线的效能优劣主要有以下几个方面：工作的稳定性及操 控性、对包装目标和包装环境的扩展性、工作效率、计算误差、维护性和价格。 国内的码垛机器人技术与国外相比，码垛速度比较慢、效率低、可靠性不高、自 动化和智能化的程度比较低、整机的寿命短。 1 2 3 码垛机器人发展趋势 工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为： 1 、对机器人的本体探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比，同 时机构向着模块化、可重构方向发展； 2 、高速化、重载化、高精度化； 3 、控制技术的开放化、p c 化和网络化； 4 、伺服驱动技术的数字化和分散化： 5 、多传感器融合技术的实用化； 6 、低成本、小型和轻量化。 1 3 本文主要工作 在铝锭连铸生产线中，本文以层码垛机器人为研究对象，在参考多种相关机 器人的基础上，如北京莫托曼公司的m o t o m a n e p l 3 0 0 型码垛机器入和上海 f a n u c 公司的f a n u cm 一4 1 0 i b 3 0 0 型码垛机器人等机器人，以高速重载为目 标，研究开发四自由度关节型层码垛机器人，主要做以下几方面的工作： 1 、针对层码垛机器人码垛铝锭的重量大、码垛的节奏比较快、工作的环境差、 6 硕十学位论文 重复性强的工作特点，设计开发关节型层码垛机器人，对其本体结构进行设计， 对电机以及减速器进行计算和选择。 2 、针对机器人运动空间等问题，利用d h 法建立层码垛机器人的运动学方 程，并对机器人运动学逆解进行分析，推导机器人的雅可比矩阵。对机器人工作 空间和机器人关节的速度和加速度进行分析。 3 、为了验证机器人的设计是否能满足工作的要求，利用拉格朗日法推导层码 垛机器人的动力学方程，得到各个关节的驱动力矩，验证电机和减速器的设计是 否合理。 4 、利用p r o e 三维软件建立机器人的三维实体模型，利用a d a m s 软件对其 进行运动学与动力学仿真分析，对理论推导进行验证。 5 、采用有限元法对机器人进行静力和动态力分析，对关键零件进行强度和刚 度分析，校核其安全性。 本文的研究内容对机器人的结构设计和分析提供帮助，有助于分析机器人本 体结构的运动学和动力学的合理性，对国内码垛机器人的发展具有指导意义。 7 层码垛机器人结构设计及动态件能分析 2 1 引言 第2 章层码垛机器人结构设计 在进行机器人具体结构设计之前，首先要确定机器人的合理结构，考虑机器 人的工作要求等问题。机器人主要是由机械本体结构、驱动、控制系统和传感系 统等部分组成。 2 2 总体设计要求 本文研究的层码垛机器人主要应用于搬运领域，具体运用在铝锭连铸生产线 上，现将其工作过程简单描述如下： 机器人的层码垛速度为8 s 循环，在生产线上的码垛效率可达到每小时2 8 吨。 机器人在初始位置时的末端执行器到铝锭层的距离为1 0 0 0 m m ，在层码垛的一个 工作循环中，主要分为铝锭抓取、铝锭旋转、铝锭堆垛和返回初始位置四个部分： 铝锭抓取：首先从初始位置到达铝锭层需要1 s ，然后抓取铝锭需要1 s ，接 着在1 s 内返回初始位置。 铝锭旋转：以腰部为旋转轴在1 s 内将抓取的铝锭旋转9 0 。到达堆垛位置 上方。 铝锭堆垛：末端执行器用1 s 的时间下移1 0 0 0 m m ，到达铝锭堆垛的位置然 后将铝锭摆放整齐用时1 s 。 返回初始位置：末端执行器在1 s 内上移1 0 0 0 m m ，然后用1 s 的时间以腰 部为旋转轴旋转9 0 。返回初始位置。 机器人工作基本要求总结： ( 1 ) 机器人的工作对象及负载 弋三i 。 图2 1铝锭 机器人的工作对象为铝锭，如图2 1 所示，每块铝锭的重量约为2 5 k g ，每次 抓取的铝锭数量为4 - 5 块，因此机器人每次抓取的铝锭总重量大约为1 2 5 k g 。此 外，机器人夹具的重量约为l o o k g ，处于安全性的考虑，在本文的分析中将机器 8 硕十学位论文。 人的码垛重量定为3 0 0 k g 。 ( 2 ) 机器人的工作空间 如图2 2 所示，机器人的腰部旋转中心到铝锭传送带的距离为2 0 0 0 m m ，机 器人的末端执行器距离铝锭传送带的高度为1 0 0 0 m m ，铝锭堆垛位置与铝锭传送 带夹角为9 0 。因此，机器人的垂直到达距离应达到2 5 0 0 m m ，水平到达距离应 达到2 3 0 0 m m ，回转半径应达到2 0 0 0 m m 。 码垛机器 人测 硒- 且 ；| 影) | _ t l m嘞 ，、-f、 t 了 l 一 h | 铝锭堆垛位置 水平距离2 m 一铝锭传送带 i 阱 | | 图2 2 机器人工作空间 ( 3 ) 机器人速度要求 由于机器人层码垛的速度比较快，因此机器人的末端执行器的移动速度应达 到1 0 0 0 m m s ，腰部回转速度应达到9 0 。s 。 2 3 机器人总体机构设计 本课题设计的层码垛机器人属于关节型工业机器人，关节型机器人具有以下 几方面优点： 机构紧凑，工作范围大，自身空间小。 具有很高的可达性，例如机器人的手部可以进入像汽车车身这样的一个封 闭的空间进行工作。 没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，轴承类摩擦小，惯 性小，可靠性高。 9 层6 5 垛秽l 器人结构设汁及动态性能分折 所需的关节驱动力矩小，能量消耗小。 机器人的本体结构主要由底座、腰部、大臂、小臂、腕部和末端执行器等部 分组成。它具有四个旋转关节，即具有四个自由度分别为：腰部与底座之间，大 臂与腰部之间，小臂与大臂之间以及末端执行器。底座是机器人的基础部分，固 定在地面或者支架上，整个执行机构和驱动系统都安装在底座上。腰部是手臂的 支撑部件，可以在底座上进行旋转，实现机器人的回转功能。大臂是小臂的支撑 部件，大臂的摆动可以使得小臂在水平方向上达到更远的距离，而小臂的俯仰则 可以实现机器人在垂直方向上的移动。末端执行器的旋转关节是为了在码放铝锭 时每隔一层旋转9 0 。值得注意的是，在本文设计的机器人在进行层码垛的时候， 末端执行器必须与地面时刻保持平行，因此在机器人结构中添加了三个连杆，与 手腕部连接在一起组成了一个四连杆机构，该机构可以保证机器人的末端执行器 始终与地面平行，故因此在手腕处不在需要单独驱动。 2 3 1 驱动方式及减速器的选择 1 、机器人的驱动可分为气压驱动、液压驱动及电机驱动等多种方式，它们各 自的优缺点不同，适用范围也不同。 气压驱动：能源成本较低，机械结构简单，但是定位精度比较差。 液压驱动：输出力可在很大的范围内调节，定位精度比较高，但是对温度变 化敏感，油液易泄露，噪声比较大。 电机驱动：电机驱动机器人的效率比较高，运动速度以及位姿准确度超过启 动及液压驱动，噪声和污染都比较小。 综上所述，根据实际的需要，本机器人选用电机驱动。 目前机器人电机主要有以下几种： ( 1 ) 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，成本低 廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机 具有自锁能力和保持转矩的能力，适用于传动效率不大的关节或小型机器人。 ( 2 ) 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩， 相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构比较复杂，成本较 高。 ( 3 ) 交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，价 格较为昂贵。 结合机器人的要求，本文选用交流伺服电机。 2 、减速器的选择：目前机器人的传动系统中主要采用蜗轮蜗杆减速器、行星 齿轮减速器和谐波减速器。 蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输 1 0 硕卜学位论文 i _ l 1ii i ii i i i i i ! 曼舅曼蔓曼曼曼曼 入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效 率不高，精度不高。谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传 递运动和动力的，结构简单，体积小、重量轻、传动精度高，传动平稳，传动效 率高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不 能太高。行星齿轮减速器与其他减速方式相比，具有减速比大、同轴线传动、传 动精度高、刚度大、结构紧凑、额定输出扭矩可以做的很大等优点，适用于高速、 重载和高精度场合。综合以上分析，本机器人选用行星齿轮减速器。 2 3 2 各关节传动方案的确定 齿轮传动是机械传动中最主要的传动方式一致，形式比较多，应用广泛。其 次齿轮传动还具有以下几种特点：效率高、结构紧凑、工作可靠性高、传动比稳 定。 层码垛机器人的主要的关节：腰部回转、大臂摆动、小臂俯仰、腕部的俯仰 和末端旋转。 腰部回转：电机1 一一圆柱齿轮减速器一一行星齿轮减速器一一腰部 大臂摆动：电机2 一一行星齿轮减速器一一大臂 小臂俯仰：电机3 一一行星齿轮减速器一一连杆2 一一连杆1 一一小臂 腕部俯仰：平面四连杆结构 末端旋转：电机4 一一行星齿轮减速器一一末端执行器 2 3 3 机器人技术参数 参考同类型机器人，如北京莫托曼公司的m o t o m a n e p l 3 0 0 型码垛机器 人和上海f a n u c 公司的f a n u cm - - 4 1 0 i b 3 0 0 型码垛机器人等机器人的运动参 数，结合工作情况的需要，定出本文研究的机器人运动参数及杆长参数如下： 1 、各关节的最大动作范围： 腰关节： 1 8 0 。 肩关节：+ 9 0 。4 5 。 肘关节：+ 1 5 5 。1 2 0 。 末端执行器：1 8 0 。 2 、各关节的最大速度： 腰关节：9 0 。s 肩关节：9 5 。s 肘关节：1 0 5 。s 末端执行器：1 9 5 。s 3 、杆长参数： 腰部的高度：0 7 5 m 层码垛机器人结构设计及动态件能分析 大臂的长度：1 2 5 m ( 从大臂关节到小臂关节的距离) 小臂的长度：1 4 0 m ( 从小臂关节到腕关节的距离) 2 4 机器人主要零部件 在上述分析的基础上，根据机器人工作空间的要求，参照同类型机器人，如 北京莫托曼公司的m o t o m a n e p l 3 0 0 型码垛机器人和上海f a n u c 公司的 f a n u cm - - 4 1 0 i b 3 0 0 型码垛机器人等机器人的基础上，拟定了本文设计的机器 人主要零部件参数，其结构简图如图2 3 2 8 所示。 腰部 电机 手腕电机 图2 3 机器人主要机构图 图2 4 腰部结构参数图 1 2 2 5 大臂结构参数图 觯螋 硕卜学位论文 图2 6 小臂1 结构参数图图2 7 小臂2 结构参数图 图2 8 手腕结构参数图 2 5 电机及减速器的设计计算 2 5 1 电机的设计计算 设腰部、大臂、小臂和手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为，g 1 、 ，g 。，根据平行轴定理，可得绕第一轴转动惯量为 j 1 = j g l + m l 彳+ j g 2 + 朋2 z ；+ ，g 3 + 朋3 9 两 唧 i 吲i 3g p3g 、， 其中，l l 、m ：、m ，、m 。分别为腰部、大臂、小臂和手腕的质量，、o 乞、 2 1 4 分别为各自重心到第一关节处的距离，大致为0 0 4 7 m ，0 3 0 8 m ，0 5 5 5 m ，1 9 4 m ， 而j g l m a l l ，j g 2 m 2 譬、j g 3 m 3 1 2 ，j g 4 m 4 牙，可以忽略不计，所以 j l - - m l l i + 胁2 譬+ 朋3 9 + 肌4 巧 ；5 0 6 x 0 0 4 7 2 + 3 3 0 x 0 3 0 8 2 + 2 4 3 x 0 5 5 5 2 + 9 5 1 9 4 2 = 4 6 4 8 1 k g m 2 电机转矩t ；j l * 竺，取时间a t ，0 2 s ，则需要的转矩为 a t r ；j ，! 三。4 6 4 8 1 _ _ z 2 ；3 6 4 8 7 6 n ，竹 层码垛d 【器人结构设计及动态性能分析 考虑到摩擦力矩，取安全系数为1 5 ，因此t 可假定为5 5 0 0 n 小。 2 5 2 减速器的设计计算 减速器需要输出的最小转矩瓦。= 5 5 0 0 n m ，假设减速器的转动效率为 r 一9 0 ，我们选用减速比为1 0 0 的减速器，上海嘉田传动有限公司提供的p 3 n a l 8 1 0 0 一v 1 9 9 ，则电机需要输出的力矩为： = 吾= 丽5 5 0 0 胡1 w 坍 普通电机无法输出如此大的转矩，因此考虑选用圆柱齿轮减速器进行传动， 从而增大电机输出的转矩。拟定传动比为3 ，这时 丁o = 等一蕊6 1 1 1 = 2 2 6 3 n 研 根据安川电机( 上海) 有限公司提供的电机参数：s g m g v - 4 4 a ，额定输出 4 4 k w ，额定转矩2 8 4 n m ，额定电流3 2 8 a ，额定转速1 5 0 0 r m i n ，最高转速 3 0 0 0 r m i n ，转子转动惯量7 6 x 1 0 一k g 嗍2 ，符合我们的工作要求，因此我们选用 s g m g v - 4 4 a 电机。机器人的额定转速为1 5 0 0 r m i n ，腰部旋转的速度为1 5 r m i n ， 因此，电机的额定功率满足工作时的最高转速。 其他的电机选择和减速器选择与之类似，电机和减速器型号为：肩关节电机 s g m g v - 4 4 a ，减速器为上海嘉田传动有限公司提供的p 3 n a 9 1 0 卜b 5 9 9 。肘 关节电机s g m g v - 4 4 a ，减速器p 3 n a 9 1 0 卜b 5 9 9 。腕关节电机s g m g v - 0 9 a ， 减速器p 3 n a 9 6 0 一v 1