码垛机器人设计说明书

机电设计码垛机器人课程名称：机电一体化课题名称： 5自由度小型码垛机器人专业：机械设计制造及其自动化类别：团队成员：指导教师：上课时间： 2016年1月目录摘要1第一章背景介绍2第二章机械结构总体设计42.1总体设计要求42.2机械部分整体结构42.3电机的选择6基于2.4的设计72.5腰部的设计102.6臂部的设计122.6.1臂的设计和验证122.6.2手臂的设计和检查142.7腕部的设计162.8其他部件的设计和选择18第三章控制系统设计23第四章运动分析284.1运动轨迹分析284.2运动函数分析29参考文献31摘要近年来，机器人技术发展迅速，各种用途的机器人在各个领域得到了广泛应用。 与此同时，冲压技术也得到了迅速发展，特别是机器人冲压技术的发展更加迅速，这一发展趋势符合当前制造领域出现的多品种少量发展趋势。 本文以小型码垛机器人为中心进行了设计与分析。首先，根据设定的工作要求确定机器人的各基本技术指标，为机器人的结构设计提供依据。 在参考多个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，码垛机器人为4自由度机器人，所有关节都采用旋转关节，决定了采用舵机的方案。 本文通过计算对机器人进行受力分析，旨在验证所设计的机器人结构在强度和刚度上是否能够满足工作要求。 本课程设计了4自由度听装可乐的小型、简单的码垛机器人。关键词：码垛机器人技术的动态性能第一章背景介绍从八十年代开始，我国码垛机器人在国家支持下，以“七五”、“八五”科技突破难关，经过数十年的发展，我国在机器人领域取得了巨大成就。 根据机器人的发展过程，可以分为三代机器人。 第一代机器人具有视场角再现功能或者可编程NC设备。然而，第二代机器人不仅可以获得内部传感器，还可以获得外部环境信息。 虽然未应用人工智能技术，但是机器人环境的互动是可能的，具有在线适应能力的第三代机器人有各种智能传感器，能够感知和理解外部的环境信息。 目前码垛机器人的应用主要有以下两个方面。 严酷的工作环境，危险的工作，这个领域的工作对健康有害，危及生命和安全性的因素很大，是不适合和人工作的工作。 例如冲压的上下材料、采矿、锻造等。在自动生产领域，码垛机器人可用于上下材料、码垛、卸货、零件转向等工作。 简单的抓取作业机器人需要较少的自由度，零件的方向性作业机器人需要更多的自由度，灵活度增加。 工业机器人具有降低劳动力费用、提高生产效率、改善产品质量、提高生产过程灵活性、减少材料浪费、控制库存周转、降低成本、消除危险和劣势的劳动岗位。 目前，工业机器人的开发正处于蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家，工业机器人的开发和制造形成了巨大的产业，全球工业机器人的销售额达到42亿美元。 尽管如此，产业机器人产业不断扩大，进入新领域。 我国工业机器人的应用前景十分广阔。 但我国工业基础较弱，劳动力较丰富，廉价，有助于工业机器人的发展和应用。 工业机器人功能零件的标准化和模块化是提高机器人运动精度、运动速度、成本降低和可靠性的重要方法。 近年来，各国高度重视复合型工业机器人的发展。 使用标准化的模块或组件组装。 除了工业用机器人用的各种伺服电机、传感器以外，手臂、手臂、机身也正在标准化。 随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂变化，开发了新的微动机构来保证机器人的动作精度，开发了多关节、多自由度的手臂和手指和星星的行走机构，需要应对越来越复杂的作业需求。第二章机械结构总体设计2.1总体设计要求本文研究的机器人是小型码垛机器人，以在桌子上工作为目的。 工作的过程是，无论工作前处于什么样的状态，工作开始后回到原来的位置，抓住桌子上的可乐等物体，转动腰部放在规定的位置上的简单说明。 动作范围半径350mm圆内、垂直方向的极限位置300mm。2.2机械部分的整体结构本文设计的机器人机械结构的主要部分由底座、手臂、手臂、手臂和爪装置构成(图2-2-1 )。 底座是机器人的基础部分，驱动器和驱动装置安装在底座上。 手臂和手臂是驱动器的主要运动部件，支撑手臂的关节和手，在作业空间内运动。 腕部是连接腕部和手指甲的部件，用于调整手指甲的方向和姿势。 手机一般指握持装置，主要用于传递工作。图2-2-1码垛机器人的整体结构图图2-2-2码垛机器人折线图图2-2-3码垛机器人的结构图2.3电机的选择机器人的驱动有气压驱动、液压驱动、马达驱动等多种方式，各自的优点和缺点不同，适用范围也不同。气动驱动能源成本低，机械结构简单，但定位精度差。液压驱动输出可在较大范围内调节，定位精度高，但对温度变化敏感，油液容易泄漏，噪音大。电机驱动机器人效率高，运动速度和姿势精度超过启动和液压驱动，噪音和污染少。如上所述，根据实际需要，本机器人选择电机驱动。目前，机器人电机主要有以下几种1 )步进电机：可直接数字控制，控制结构简单，控制性能好，成本低，通常不存储无反馈即可控制位置和速度的位置误差。 步进电机具有自锁能力和保持转矩的能力，适用于传动效率低的关节和小型机器人。2 )直流伺服电机具有良好的调速特性、大启动转矩、相对功率大、快速响应等特点，控制技术成熟。 但是，结构复杂，成本高。3 )交流伺服电机结构简单，运行可靠，维护方便，价格高。4 )舵机：角度可在驱动中保持，稳定性好，结构紧凑，安装方便，控制简单，扭矩大，成本低。根据机器人的要求选择舵机，舵机的构造如图2-3-1所示。图2-3-1舵机结构图考虑到所需的舵机各方面的要求，选择SM-S4303R形式的6V舵机。 具体参数如下表所示表2-3-1基于2.4的设计底料选用聚甲醛。 聚甲醛是表面光滑、有光泽的坚硬致密材料，淡黄或白色，薄壁部分半透明，强度、刚性高，弹性好，耐磨性好。 其力学性能优良，比强度达50.5MPa，比刚性达2650MPa，与金属非常接近。码垛机器人的底座承载机体整体的重量，底座本身内置有舵机等，考虑到自身的刚性和强度，综合考虑经济性和重量限制外形等要素，设计底座结构的是图2-4-1图2-4-1码垛机器人底座的结构图基础零件图如下所示图2-4-2支架前视图图2-4-3支架的左侧视图图2-4-4基座平面图2.5腰部的设计图2-5-1腰部结构图码垛机器人的腰部构造如图26所示，在腰部承载大臂、小臂、其他部件的重量，安装在腰部侧的舵机实现大臂的前后运动。 腰的旋转通过安装在基座上的舵机实现，舵机和腰之间的联轴器用钥匙连接在腰上。 腰部中间部分设计成局部中空，旨在减轻机体重量。腰部的三个视图是：图2-5-2腰部主视图图2-5-3腰围左侧视图图2-5-4腰部俯视图2.6臂部的设计码垛机器人臂部主要由大臂、小臂和其他附件组成，考虑到其运动特点和整体结构质量，材料选择铝合金6061。铝合金6061力学性能：极限抗拉强度为124 MPa，抗拉屈服强度为55.2 MPa，伸长率为25.0 %，弹性系数为68.9 GPa，弯曲极限强度为228 MPa，泊松比为0.330，疲劳强度为62.1 MPa，密度为2.8g/cm3。2.6.1臂的设计与验证1 )动臂的结构设计图2-6-1动臂结构图大臂主要作前后摆动动作，由与腰相连的马达实现，主要结构如图2-6-1所示，横截面为矩形，与腰相连，另一方面与小臂相连。 在此舵机安装在大臂上，容易控制小臂的运动。 具体尺寸如图2-6-2和图2-6-3所示。图2-6-2动臂主视图图2-6-3动臂俯视图2 )手臂的弯曲强度检查臂的受力方向和臂的角度为53.74(45 8.74 )，在此受力分析为60。动臂的受力分析图和弯曲角图如下所示图2-6-4动臂的受力分析和弯曲角图臂体积估计为v=4220 222.8=195cm臂的质量估计为m=v=2.8195=546gmax=MX/wx=2g3sin60 l/(bh2/6 ) G4 sin60 l/(bh2/6 )=2(0. 30.546 ) (1.732/2 ) 9.810/(422/6 ) 0.546 (1.732/2 ) 9.810/(422/6 )=71.23 MPa动臂的设计满足了弯曲强度的要求。2.6.2臂的设计与验证1 )斗杆的设计图2-6-5斗杆结构图小臂的构造比大臂简单，两端为对称构造，如图2-14所示，两端分别与对应的舵机连接，除了与大臂连接的一端以外，另一端与臂部连接。图2-6-6斗杆的主视图图2-6-7斗杆俯视图2 )小臂弯曲强度检查小臂受力分析图和弯曲角图如下图2-6-8斗杆受力分析和弯曲角图臂体积估计为v=4220 222.8=195cm手臂质量估计为m=v=2.8195=546gmax=MX/wx=2g1l/(BH2/6) g2l/(BH2/6)=20.39.810/(422/6 )0. 5469.810/(422/6 )=42.12 MPa臂的设计满足了弯曲强度的要求。2.7腕部的设计图2-7-1臂部结构图腕部的主要作用是利用舵机控制手指甲的工作，具有自己的工作范围。 主要结构图如图2-7-1所示。图2-7-2手腕正视图图2-7-3手腕左侧视图图2-7-4臂部俯视图2.8其他部件的设计和选择(1)底座用焊盘的选择：d-9800毫秒/NP焊盘内的真空度约为-67.15kpad :所需焊盘直径(mm )图2.8.1焊盘结构图m :工件重量(KG )s :安全系数(水平悬挂S=4、垂直悬挂S=8)n :焊盘个数p :真空压力(-Kpa )考虑到可吸附工件的尺寸(面)，请将选择的焊盘直径设定为大于从样本中求出的所需焊盘直径(d )。 吸附垫吸附工件时会变形，因此吸附垫的外径大约增大10%。 求出的焊盘直径超过产品目录上的数值时，按2个以上进行计算。读取必要的数据，D16.7mm，根据需要选择4个D=20mm的真空吸盘。(2)基座和腰部连接轴的设计图2-8-2轴的整体结构图设计尺寸如下图所示图2-8-3轴的主视图图2-8-4轴一左侧视图(3)轴2的设计图2-8-5轴二整体结构图设计尺寸如下图所示图2-8-6轴2主视图图2-8-7轴2左侧视图在本设计中，腰与臂之间、臂与臂之间、臂与臂之间为轴二连。 为了提高强度和刚性，轴和轴都是用45号钢材设计加工的。(4)深沟球轴承6013 GB/T276-1994，结构如下图所示图2-8-8(5)推力球轴承51207 GB/T301-1995的结构如下图所示图2-8-9(6)螺钉M2x10、M2x7 GB/T818-2000(7)密钥B4x4x16 GB/T1096-2003(8)插头的设计如图2-8-10所示图2-8-10该旋塞由聚甲醛材料设计，堵塞动臂、斗杆和舵机轴连接部的贯通孔。(9)舵盘的选择如下图所示图2-8-11舵盘整体结构图该舵盘是所谓的联轴器，与舵机成套，在购买舵机时具备该舵盘，用于舵机与轴一、轴二的连接。第三章控制系统设计本文考虑选择舵机作为动力装置，在51单片机上选择了编程控制。图3-1单片机硬件接线图考虑到码垛机器人的运动状态，建立了主程序和几个子程序。 具体流程如下图3-2系统运行的流程图图3-3内部动作流程(1)臂伸缩子程序的流程如图3-4所示。 P1.0是小臂收缩输入端，P1.1是小臂伸长输入端，P0.0、P0.1、P.0.2分别是小臂伸缩输出端。图3-4臂前后运动的流程图(2)动臂上下运动子程序的流程图如图3-5所示。 P1.2是动臂下降输入端，P1.3是动臂上升输入端，