【毕业论文】关节式码垛机器人系统设计

关节式码垛机器人系统设计学院（系）机械工程学院专业机械电子工程燕山大学毕业设计（论文）任务书学院机械学院系级教学单位机电系学号学生姓名专业班级机电07题目关节式码垛机器人系统设计课题来源工程设计型、真实主要内容确定码垛机器人系统整体方案包括（机械本体结构方案、驱动方案）确定机器人本体零、部件参数，驱动系统参数；进行机器人三维实体设计，造型，仿真模拟；驱动部件选型，结构强度校核，系统工程图绘制基本要求设计说明书6070页液压攻丝机器人整体装配图一张A0零件图四张A1。参考资料徐灏，邱宣怀等编。机械设计手册，机械工业出版社，机器人设计图册。机械工业出版社，雷天觉，新编液压工程手册，熊有伦，机器人技术基础，华中理工大学出版社。周次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅收集资料，提交文献综述（4千字）和开题报告（3千字，包括目标、方案和进度安排）5千字外文翻译，节点考核确定参数结构设计（草图）三维造型仿真模拟绘制图纸，审查图纸、中期考核驱动元器件选型，结构强度校核撰写论文制作PPT准备答辩指导教师系级教学单位审批摘要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应用。与此同时，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，这种发展趋势始于当今制造领域出现多品种小批量的发展趋势相适应的。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式码垛机器人地设计和分析进行的。本文首先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，码垛机器人是四自由度关节型串联型机器人，所有关节均采用转动关节，确定了采用伺服电机驱动的方案。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，减速器型号，各出了主要零部件的结构参数图。采用DH法建立码垛机器人的数学模型，推导了机器人的运动学方程，并对其雅克比矩阵进行求解。关键词码垛机器人结构设计电机运动学分析ABSTRACTINRECENTYEARS,THEROBOTTECHNOLOGYISDEVELOPINGVERYFAST,VARIOUSUSERSOFROBOTSAREWIDELYAPPLIEDINVARIOUSFIELDSMEANWHILE,PALLETIZINGTECHNOLOGYALSOWONTHERAPIDDEVELOPMENT,PARTICULARLYTHEDEVELOPMENTOFROBOTICPALLETIZINGMORERAPIDLYANDTHISISTHEEMERGENCEOFTODAYSSMALLQUANTITIESOFMANYVARIETIESMANUFACTURINGSUITEDTOTHEDEVELOPMENTTRENDCOMPAREDWITHINDUSTRIALIZEDCOUNTRIES,CHINAHASACERTAINGAPINTHERESEARCHANDAPPLICATIONOFROBOTS,SOSTUDYANDDESIGNOFROBOTESPECIALLYINDUSTRIALROBOTSISPRACTICALTHISWOKEISCARRIEDOUTAROUNDTHEDESIGNANDANALYSISOFAJOINTTYPEPALLETIZINGROBOTINREFERENCETOAVARIETYOFRELATEDROBOT,THEARTICLEDESIGNTHEOVERALLPLANOFTHEPROGRAMANDSTACKINGROBOTFORA4DOFJOINTTYPESERIESROBOT,ADOPTSERVOMOTORBASEDONTHEKEYWORKINGSTATUSOFTHEROBOT,SELECTEDTHEJOINTMOTORUSINGDHMETHODTOESTABLISHTHEMATHEMATICALMODELOFPALLETIZINGROBOT,ANDDEDUCETHEROBOTKINEMATICSEQUATIONS,SOLVETHEKINEMATICSANDJACOBIMATRIXKEYWORDSPALLETIZINGROBOTSTRUCTUREDESIGNMOTORKINEMATICSANALYSIS目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111工业机器人概述1111工业机器人简介1112工业机器人的国内外发展现状2113工业机器人的发展趋势312码垛机器人简介413设计码垛机器人的意义714本章小结9第2章工业机器人本体结构设计及计算1021工业机器人的设计思路1122机械臂设计的基本要求及参数1123机械臂的设计12231机械臂结构设计12232机械臂尺寸设计1324底座（腰部）结构设计1325腕部结构设计1426码垛机器人抓手1527码垛机器人各关节力矩估算及电机的选择15271码垛机器人各关节力矩估算15272减速器的设计计算及电机的选择1728本章小结25第3章轴和轴承的设计及校核2631轴的设计26311轴直径的初步估算26312轴的结构设计28313轴的强度校核29314键的选择和校核3132轴承的选用32321轴承的功用与类型32322轴承的选择33323滚动轴承的校核计算3433本章小结37第4章操作臂运动学分析及雅可比矩阵求解3841操作臂运动学分析38411正向运动学分析38412逆向运动学分析4042操作臂雅可比矩阵求解4143本章小结43结论44参考文献45致谢47附录1开题报告48附录2文献综述57附录3外文翻译67第1章绪论11工业机器人概述111工业机器人简介工业机器人是机器人的一种，它主要由操作机，控制器，伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备，特别适合于多品种，变批量柔性生产。广泛的应用工业机器人，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，提高企业竞争力。工业机器人一般由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。图11直角坐标式机器人图12圆柱坐标式机器人工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分为点位型和连续轨迹型。点位型是控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。112工业机器人的国内外发展现状20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、松下、FANLUC、不二日、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国图13球坐标式机器人图14关节式机器人的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB。其中以德国的KUKA，瑞典的ABB更为典型，性能更为优越。我国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。虽然如此，我国的工业机器人技术还是有很大的发展空间，追赶世界顶尖技术任重而道远。113工业机器人的发展趋势工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化设备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统图15瑞典ABB机器人图16德国KUKA机器人（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势A提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；B开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；C研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。12码垛机器人简介码垛机器人是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、码垛（图17）、拆垛等任务的一类工业机器人，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品。随着工业机器人技术的不断发展，码垛机器人越来越多的被各行各业所认可，广泛应用于物流、食品、包装、啤酒等行业。码垛机器人的应用加快了企业的生产效率，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，使得企业的经济效益有所提高。国外从20世纪60年代开始研究工业机器人，码垛机器人是伴随着工图17码垛机器人工作示意图业机器人技术的发展而出现的，日本、德国、美国等发达国家的研究已取得一定成果，并推出了自己品牌的码垛机器人，如日本的FAUNC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列。并且这些品牌的技术都已经很成熟，如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件，可对机器人的运动和载荷情况进行监控；电子稳定路径功能可确保机器人在考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时，遵循预定运行路径主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制，被动安全功能可实现机器人进行负载识别。在国外，码垛机器人已经得到了广泛的应用，多用于物流、食品、包装、啤酒等行业，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，使得企业的经济效益有所提高。改革开放以来，我国的码垛机器人技术得到了快速的发展，也相继推出了自己的产品。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110所示。TPR系列码垛机器人广泛应用于饮料、乳业、食品、啤酒、石化、药品等等领域，可以满足不同的包装生产线中的各式各样的产品的码垛要求。TPR系列码垛机器人具有独特的线性四连杆机构，采用高强度铝合金制造的节能环保手臂，生产能力可达1600包/小时。基于工业PC的控制器系统以及码垛现场3D仿真和自动干涉检测，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。图18ABB码垛机器人图19KUKA码垛机器人码垛机器人相对于人工作业以及传统的码垛机有几大优势1）结构简单、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保养维修简单、所需库存零部件少。2）占地面积少。有利于客户厂房中生产线的布置，并可留出较大的库房面积。码垛机器人可以设置在狭窄的空间，即可有效的使用。3）适用性强。当客户产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时只需在触摸屏上稍做修改即可，不会影响客户的正常的生产。而机械式的码垛机更改相当的麻烦甚至上是无法实现的。4）能耗低。通常机械式的码垛机的功率在26KW左右，而码垛机器人的功率为5KW左右。大大降低了客户的运行成本。5）全部控制可在控制柜屏幕上操作即可，操作非常简单。6）只需定位抓起点和摆放点，示教方法简单易懂。目前国内外的关节型码垛机器人的设计、研发领域正向高速度、低成本、体积小、多功能、规范化发展。1高速度、稳定性随着现代化生产技术的不断提高，对产品的包装运输速度提出了更高的要求。因此，提高码垛机器人的马多速度已经是刻不容缓的的事情。而在保证速度的同时也要保证机器人运行的稳定性，即减少在码垛过程中对产品的损害。2降低成本，体积小型化现代企业注重低成本，高效益。随着工业机器人技术的不断成熟以及机加工技术的不断进步，降低机器人的制造成本已成为可能，同时也能满图110上海沃迪码垛机器人足现代企业低成本、高效益的欲望，最终开拓出码垛机器人的市场。而且在土地资源日益紧张的今天，节省设备占地面积将成为一大优势。3多功能、适应性增强目前国内外的全自动包装码垛机器人都有共同的不足，就是功能单一，对物料和托盘的适应性差，仅仅能满足一种或几个品种的物料和托盘包装码垛要求，对于有些生产产品多元化的企业，不能满足它们的一机多用的要求。因而，未来的码垛机器人配备有多功能的智能码垛机械手。4视觉技术加强、更加智能化采用视觉、力觉、触觉、温湿度传感器等多传感器融合技术，对目标对象和周围环境进行建模和决策控制，可实现机器人对不同类型、不同重量包装件或包装物的识别，测量三维参数，精确确定其实际位姿，检测产品和包装外观缺陷，并对后续操作做出判断和决策。13设计码垛机器人的意义尽管日、德、瑞等发达国家的码垛机器人研发工作取得了很大的成果，我国近几年的自主研发也取得了一定的成绩，但是目前仍存在一些问题需要改进，存在一些难题需要攻破。1码垛能力有限目前，国内外码垛机器人多采用两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，但这样的平行四边形结构限制了末端执行器的工作空间，且增加了机器人本身的结构复杂性和重量，降低了机器人的运动灵活性，以致影响其工作效率。2适应能力有待提高现代工业生产具有小批量多品种、更新换代频繁、分工细化的特点，码垛机器人必须面对产品种类多，数量少的问题。产品的尺寸参数和码垛模式是事先编好程序输入码垛机器人的，机器人本身无法对对象进行识别。一旦产品类型、参数发生频繁变化，必然导致码垛机器人无法快速识别，空等时间过长，无法适应对象和环境的快速变化。视觉技术的应用可以使适应性增强。目前机器视觉技术正在不断发展，现在主要针对产品和包装件的外观质量进行检测，而结合机器人技术在码垛、拆垛作业中，对产品和包装件形状和定位的研究和应用较少，还有待进一步拓展。3可靠性、稳定性需提高相比焊接、装配等作业的复杂性，码垛机器人只需完成抓取、码放等相对简单的工作，因此，码垛机器人的可靠性、稳定性相比其他类型的机器人要低。由于工业生产速度高，而且抓取、搬运、码放动作不断重复，这就要求码垛机器人具有较高的运动平稳性和重复精度，以确保不会产生过大的累积误差。4智能化程度有限码垛机器人要求能够长时间工作，故障率要低，并能适应包装环境和操作对象参数的变化，而且生产速度快速增长要求设备高速运转，进而要求配备先进的自动控制装置及配套设施，以确保机器人运行平稳、操作人员以及操作对象的安全，因此要求机器人本身具有监控、检测、警示、诊断、修复等智能功能。5机器视觉技术需不断完善机器视觉技术的运用提高了机器人对产品和包装件的适应能力，但在获取物体三维信息和运动物体的有效图像方面，还存在一些尚未解决的难题，提高图像处理算法速度也是目前急需解决的问题。6成本高、品种繁多码垛机器人的设计、制造是一项系统工程，费时费力，其操作环境和对象具有多样性，用户需求也有多样性，导致品种规格繁多、零部件质量低、结构性能差、整机外观缺乏美感，不利于企业的批量化、规范化运作，无法降低成本，市场竞争力低下，而且设备的使用和维护都需要相当高的费用和技术水平。物流包装企业生产和管理相对落后、不规范等原因，导致码垛机器人需求量很小。以我国现在阶段国情来看，我国生产力总体水平较低，劳动力便宜，科研人才缺乏，大多数企业的生产自动化水平偏低，企业发展意识落后，先进码垛设备和机器人的使用受到限制，只在一些大型知名企业中得到了应用。而且在我国，码垛机器人作为一种典型的工业机器人，其市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。我国在这方面的研究正处在自主研发的起步阶段。要想让码垛机器人在我国各个行业推广开来，必须对我国国情和行业现状进行深入广泛的调查研究，针对企业生产情况、客户要求以及码垛机器人存在的问题与不足，研究开发码垛机器人的新功能、新特点，以适应企业生产的实际情况，并积极探索码垛机器人产业发展模式。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫。14本章小结本章主要阐述了课题背景，结合世界及我国工业机器人的发展趋势，简要介绍了世界和我国码垛机器人的发展概况。第2章工业机器人本体结构设计及计算关节式机器人动作相对灵活，工作空间大，其主要有三种结构形式，分别为直接驱动式、平行连杆式和关节偏置式。由于所给定的负载较大，故选择结构相对稳定的平行连杆式的结构。此次所设计的码垛机器人，其主体机械结构是基于平衡吊原理的连杆机构，具有承载力大、稳定性好、结构紧凑、节省能耗等特点。机器人具有个自由度，为4个旋转副，运动由四台交流伺服电机控制（图21），手臂末端的抓手通过绕机座垂直轴的旋转运动（腰部运动）、大臂绕关节2的回转运动、小臂在四连杆机构作用下的回转运动和绕抓手转轴的旋转运动（腕部运动）4种运动的组合完成对物品搬运码垛的3维空间作业。图21关节式码垛机器人21工业机器人的设计思路工业机器人的设计可分3个阶段1确定总体设计方案1对市场上码垛机器人的应用现状及发展趋势进行调查。2明确码垛机器人的设计要求环境分析。研究现有同类机器人的产品性能相特点，进行可行经济上的成本和效益，市场开发的前景，确定工艺过程、动作要求和机器人工作环境分析。3方案比较；初步提出若干总体设计方案，通过工艺生产、技术和价值分析选择最佳方案。2详细设计1机器人机械结构设计包括机器人的臂部、腕部和减速机构的设计。2选择驱动方式，设计传动系统选择液压，气动或电动作为工业机器人的动力源。工业机器人的传动系统除采用齿轮、链轮、蜗杆和行星齿轮传动外，还广泛采用滚珠丝杠。3制造,安装和调试1筛选标准元器件对自制的牢部件要检查，2备于系统经调试后进行总体安装。22机械臂设计的基本要求及参数关节臂设计的基本要求是1要满足工作空间的要求；2关节臂要结构紧凑，重量轻；3关节臂要有足够的强度和刚度，以承受一定的扭矩、弯矩和振动；设计参数及要求为表21码垛机器人工作参数表X轴1600MMY轴1600MM工作空间Z轴1400MM负载60KG23机械臂的设计231机械臂结构设计本次设计中采用的机械臂机构由机器人位置机构和机器人腕部姿态调整机构组成，两者相互关联但互不影响。位置机构是由大臂、小臂和连杆1和连杆2组成的四连杆机构，当大臂绕关节2做旋转运动时，机械臂末端执行器做水平运动，当连杆1绕关节3做回转运动时，连杆1推动连杆2带动小臂做相应运动。腕部姿态调整机构由两个平行四边形连杆机构和一个三运动副杆（三角支架）组成，小臂、腕部安装座、辅助连杆1和三角支架组成第一个平行四边形连杆机构；大臂、底座、辅助连杆2和三角支架组成第二个平行四边形机构。腕部姿态调整机构使得机器人运动时保持腕部安装座始终水平，即运动时机器人末端执行器的工作位姿保持不变。图22码垛机器人机械臂232机械臂尺寸设计根据工作空间对各机械臂的尺寸进行设计，机械臂的尺寸如图23所示。图23机械臂尺寸图24底座（腰部）结构设计机器人机座是机器人的基础部分，起支承作用，可分为固定式和移动式两种。一般工业机器人中的立柱式、机座式和屈伸式机器人大多是固定式的。图24码垛机器人底座三维视图本次设计中所采用的腰部结构为典型的ABB机器人的结构，此结构的主要特点为，控制腰部旋转、大臂及小臂回转的电机均安装在底座上，减轻了机械臂的负载，使得机械臂的运转更加灵活。其基座与立柱结构主要包括立柱回转第一关节的二级齿轮减速传动，减速箱体即为基座。图25码垛机器人底座内部结构图25腕部结构设计手腕部分主要有两个自由度，分别为腕部的俯仰运动和手腕电机的旋转运动，其中俯仰运动主要由腕部调整机构控制。腕部姿态调整机构由两个平行四边形连杆机构和一个三运动副杆（三角支架）组成，小臂、腕部安装座、辅助连杆1和三角支架组成第一个平行四边形连杆机构；大臂、底座、辅助连杆2和三角支架组成第二个平行四边形机构。腕部姿态调整机构使得机器人运动时保持腕部安装座始终水平，即运动时机器人末端执行器的工作位姿保持不变。根据手腕的功能，设计手腕结构如图26所示。图26手腕部分结构图26码垛机器人抓手码垛机器人的抓手选用常州力星科技设备有限公司的CZZ型码垛抓手，如图27所示。图27码垛机器人抓手抓手主要参数承载能力60KG转速3060R/MIN27码垛机器人各关节力矩估算及电机的选择271码垛机器人各关节力矩估算力使物体绕某点转动的效果，与力的大小F成正比，与转动中心到力的作用线的垂直距离D也成正比。这个垂直距离称为力臂，转动中心称为力矩中心简称矩心。力的大小与力臂的乘积称为力F对点之矩（简称O力矩），记作MOF，计算公式可写为（21）OFD正负号表示力矩的转向。在平面内规定力使物体绕矩心作逆时针方向转动时，力矩为正；力使物体作顺时针方向转动时，力矩为负。因此，力矩是个代数量，单位是。NM由力矩的定义可以得到如下力矩的性质（1）力矩不仅决定于力的大小，同时与矩心的位置有关；（2）当力的大小为零或力臂为零时，则力矩为零；（3）力沿其作用线移动时，因为力的大小、方向和力臂均没有改变，所以，力矩不变；（4）相互平衡的两个力对同一点的矩的代数和等于零。在计算力矩时，有些问题往往力臂不易求出，因而直接按定义求力矩难以计算。此时，通常采用的方法是将这个力分解为两个或两个以上便于求出力臂的分力，在由多个分力力矩的代数和求出合力的力矩。这一有效方法的理论根据是合力矩定理，即如果有N个平面汇交力作用于A点，则平面汇交力系的合力对平面内任一点之矩，等于力系中各分力对同一点力矩的代数和。这样一来，力矩的计算有两种方法在力臂已知或方便求解时，按力矩定义进行计算；在力臂不易求出时，按合力矩定理求解，可以将此力分解为相互垂直的分力，若两分力对该点的力臂已知，即可方便地求出两分力对该点的力矩的代数和，从而求出已知力对该点的矩。力矩是度量力使物体转动效果的物理量。它是个代数量，大小等于是力和力的作用线与作用点的垂直距离的乘积，方向规定为使物体顺时针转动为负，逆时针转动为正。当一个力对某点的力矩不好计算时，可将该力分解为便于计算的若干分力，分别计算这些分力对点的力矩，最后将这些力矩代数相加即可。电机所能承受的力矩或者说电机能提供的力矩是有限的，根据力矩的计算方法，可分别计算各个电机所受力矩的大小，并校核所选电机是否合适。根据以上所述，对各关节力矩进行计算经过用SOLIDWORKS软件对机器人本体结构进行设计，测得码垛机器人各部分重量底座，大臂，小臂，1257MKG2975MKG3120MKG手腕，抓手48530本次设计中给定负载为6M由式（1）得各关节驱动力矩为关节1力矩，关节2力矩14FN24593MFNM关节3力矩，关节4力矩359M86由于关节所需克服的摩擦阻力无法计算，需取安全系数15，故关节1力矩160关节2力矩274MF关节3力矩38N关节4力矩49M272减速器的设计计算及电机的选择2721减速比的确定和电机的选择关节1减速器输出的最小转矩，假设减速器的传动效率MIN650TN为90，我们选用减速比为32的减速器，则，电机需要输出的力矩为IN257309OUTT普通电机无法输出如此大的转矩，因此考虑选用二级圆柱齿轮进行进一步减速，从而增大输出的转矩。拟定传动比为12，这时257093OUTTNM据此选择电动机型号，其他的电机选择和减速其选择与底座的类似，在此不加以赘述。以下为各个关节电机自带减速器减速比和减速齿轮减速比数据关节2电机自带减速器减速比213I减速齿轮组减速比2I关节3电机自带减速器减速比310I减速齿轮组减速比321I关节4电机自带减速器减速比420I根据各个所求各个电机需输出的最小扭矩选择电机，本次设计中，选用上海登奇机电技术有限公司GK6交流永磁伺服电机，具体型号及电机参数如表22所示表22电机型号及参数表额定转速NN/RMIN1静扭矩/NM交流伺服电机订货号重量/KG相电流/A惯性矩J/KGM2450021GK60856AC311930357104450021GK60856AC311930357104450021GK60856AC311930357104450008GK60236AF314318045104本次设计中，选用申电机电公司的SINDIAN系列行星减速机，具体型号及参数如表23所示表23行星减速机型号及参数表关节型号额定输出扭矩/NM满载效率/转动惯量/KGCM2减速比重量/KG关节1PLF115360941332780关节2PLF115360941332780关节3PLF115360941320780关节4PLF9015894071202652722减速齿轮的设计及计算所设计的码垛机器人共需要三组减速齿轮组，分别为底座减速齿轮组，关节1减速齿轮组，关节2减速齿轮组。三组减速齿轮组均为二级传动。现在以底座减速齿轮组为例对减速齿轮组的设计和计算进行阐述。图28底座齿轮组图29关节2、3减速齿轮组1底座齿轮的设计A第级齿轮设计A选择材料、精度及参数1选取齿轮材料，热处理方法及齿面硬度齿轮1选取45号钢，调质，HB1240HBS；齿轮2选用45号钢，正火，HB2200HBS；2选取齿轮精度初选8级精度，按GB/T10095；3选取齿数选小齿轮齿数，125Z大齿轮齿数。410I4初选螺旋角为，查表得齿宽系数。08DB按齿面接触强度设计（221321EHDZKT2）1确定载荷系数查表得使用系数；估计圆周速度为4M/S，125A1092/VZMS查图得动载系数07VK1283COS67ZTAN094D查图得，齿间载荷分配系数，齿向载荷分配系数12K107K0AV2查图得区域系数243HZ3重合度系数107964螺旋角系数。COS0985Z查表得弹性影响系数EMPA5查图得接触疲劳极限应力，LIM1HLIM2470HMPA6计算应力循环次数81603028305/1HNNJL12NU7查得寿命系数，102HNK2107HN8计算解除疲劳许用应力1LIM168MPA2259HNH9试算小齿轮分度圆直径2431208543075386DM10计算圆周速度1348619/600132DNVS11修正载荷系数按195VZ查得动载系数0VK12校正分度圆直径31857DM13计算法向模数1COSCOS1462NMZ圆整后取MM214计算中心距1251085COSCOS4NZAM圆整后30M15按圆整后的中心距修正螺旋角12ARCOS59NZ16计算分度圆直径，1CSNZDM25942076I17计算齿轮宽度，则取142DBM24B146BMB第级齿轮设计A选择材料、精度及参数1选取齿轮材料，热处理方法及齿面硬度齿轮3选取45号钢，调质，HB1240HBS；齿轮4选用45号钢，正火，HB2200HBS；2选取齿轮精度初选8级精度，按GB/T10095；3选取齿数选小齿轮齿数，35Z大齿轮齿数。423105I4初选螺旋角为，查表得齿宽系数。06DB按齿面接触强度设计22321EHDZKT1确定载荷系数查表得使用系数；估计圆周速度为4M/S，15A14/0VZMS查图得动载系数07VK34182COS71Z1TAN6D8查图得，齿间载荷分配系数，齿向载荷分配系数42K107K0AV2查图得区域系数3HZ3重合度系数因17654螺旋角系数。COS098查表得弹性影响系数EZMPA5查图得接触疲劳极限应力，LIM3590HMPALIM470HPA6计算应力循环次数8326001281/21HNNJL34NU7查得寿命系数，3HK407H8计算解除疲劳许用应力3LIM3618NMPA44529HH9试算小齿轮分度圆直径23201851075387DM10计算圆周速度3234746/6016012DNVS11修正载荷系数按35VZ查得动载系数10VK12校正分度圆直径3796DM13计算法向模数31COSCOS14053NMZ圆整后取214计算中心距3423COSCOS14NAM圆整后15015按圆整后的中心距修正螺旋角34ARCOS210NZ16计算分度圆直径，352749COS10NZMDM4327925DIM17计算齿轮宽度，则取，DB4B30B2按齿根弯曲疲劳强度校核A第级齿轮强度校核2111FFASFNKTYBDM1222FASFYY1重合度系数075075692螺旋角系数114824200Y3计算当量齿数1395COSVZ239COSVZ4齿形系数，126FAYFA应力修正系数，S2SAY5弯曲疲劳应力极限，LIM1450FMPLIM2390FPA寿命系数12N6弯曲疲劳需用应力11LIMFNFK22390PA7计算弯曲应力131316586016502FFMA22282915SAFPY经过校核，底座减速齿轮组第级齿轮设计合格B第级齿轮强度校核33332FFASFNKTYBDM3444FASFYY1重合度系数07507526912螺旋角系数1800Y3计算当量齿数34COSVZ43129COSVZ4齿形系数，327FAYF应力修正系数，16S49SAY5弯曲疲劳应力极限，LIM350MPLIM4390FPA寿命系数34N6弯曲疲劳需用应力33LIMFNFK4490PA7计算弯曲应力31320510678216457FFM224193457FASYA故经过校核，底座减速齿轮组第级齿轮设计合格。另外两组齿轮组与底座齿轮设计及校核过程相似，在此不再赘述。28本章小结本章主要对码垛机器人的各个关节的转矩进行了计算，然后，根据所的数据确定了各个关节减速机和减速齿轮组的减速比，对电机进行了选择，同时也确定了各个关节减速机的型号。然后对减速齿轮组进行了设计以及校核。第3章轴和轴承的设计及校核31轴的设计轴是组成机器的重要零件，它用来支撑转动零件如齿轮、带轮等，大多数轴还要承担传递运动和转矩的任务。轴的设计过程一般先选材料初定直径结构设计精确强度计算。其中，轴的结构设计应考虑1轴向固定轴和铀上零件在工作时有确定的相互位置（不能做轴向窜动）。2周向固定轴和轴上传递运动和动力的零件，在旋转时不能产生周向相对运动。3制作和安装要求制造简单，装拆容易。4尽量减少应力集中源。311轴直径的初步估算1拟订铀的装配方案介绍轴各段名称为了便于零件的装拆定位常将轴做成阶梯形，对于一般剖分式箱体的轴，它的直径从轴端逐渐向中间扩大。左边可依次将齿轮，轴套，轴承，轴承盖，带轮等，一端从轴的左端装拆，另一端从轴的右端装拆。为了使轴上零件易于安装，各端及各轴段的端部应有倒角。磨削的轴段，应有秒轮越程槽。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单。以便加工。2确定各段轴径和长度轴径的变化不应太大，以降低轴的应力集中。R要尽量大3轴向固定轴向固定沿轴线方向固定可利用轴肩、轴环、套筒、弹性挡圈、弹性圈等。在本次设计中，主要采用轴肩、轴环以及套筒对轴承及齿轮进行定位，如图31所示。图31底座减速器轴（小）轴向固定采用套筒，螺母、轴端挡圈做轴向固定时，应把零件上的轴段长度做得比零件轮毂短23MM，以确保套筒、螺母或轴端挡图能靠紧零件端口。一般要求A轴肩H（23）C1（要求定位时）H152MM（不定位时）B轴环环高H007D3MM01D5MM环宽B14HC套筒由结构定。D其他定位方式包括轴承端盖。注和标准件配合，轴径应符合标准件范围；为保证定位可靠轴段长度应比配合零件长度短23MM。4加工工艺性1提高抗疲劳强度降低应力集中增加轴肩圆角半径。以减少局部应力。零件截面发生突变的地方都会造成应力集中现象、对阶梯轴来说截面尺寸变化处应采用圆角过渡。圆角半径不宜过小。2为装配方便，轴端倒角45，清除毛刺。3当轴肩有两个键时键应在一条直线上。4轴上有螺纹或磨削曲时应有砂轮越程槽5改善应力情况。312轴的结构设计轴的结构形状决定于许多因素，归纳起来轴的结构应满足的基本要求是保证轴有足够的承载能力；轴和装在地上的零件能可靠的定位和固定；轴上零件装拆方便，轴应便于加工。一般来说，只有简单的心轴、传动轴有时才能制成具有同一直径的光轴，而大多数的轴则是阶梯形状的。1轴上零件的定位和固定为了保证轴上零件能正常工作，零件应具有确定的位置和可靠的紧固零件的紧固有轴向和周向紧固两种。零件的轴向定位和紧固的方法很多。如轴肩定位，轴肩定位方便可靠。当不便采用套筒或套筒太长时，可用圆螺母作轴间定位，其缺点是切制螺纹处有较大的应力集中。此外还可采用弹性挡圈、圆锥面及压板等进行轴向定位和紧固。弹性挡圈结构紧凑但只能承受较小的轴向力。图1113所示是轴端挡圈定位，它适用于轴端可承受剧烈的振动和冲击载荷。圆锥面及压板是在轴端部安装零件时常用的固定方法之一。对于轴上有键槽存在要对轴径进行修订。1对于危险截面需要强度校核完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷转矩和弯矩的大小、方向、作用点、载荷种类及支点反力等就已确定，按弯扭合成的理论对轴进行危险截面的强度校核。2建立力学模型进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点，支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中点上。3具体计算步骤1画出轴的空间力系图，将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分人和垂直面的支点反力；2分别作出水平面的弯矩图和垂直面上的弯矩图3计算出合成弯矩，绘出合成弯矩图4作出转矩T图；5计算当量弯矩，绘出当量弯矩图；6校核危险截面的强度。313轴的强度校核底座减速器轴（大）校核图32底座齿轮轴（大）校核图1齿轮上的受力12650128TTFNDAN/COS47TR2求轴承上的支反力竖直面上2112206457TRVTRVFLNL在水平面上211240612573RARHRHFLN3画弯矩图在水平面上,剖面左侧A16096HRHMFLM剖面右侧253ARN在垂直面上,剖面左侧146027VRL剖面右侧25AVRFM4合成弯矩剖面左侧22213967049AHVMN剖面右侧22222518AAM5画转矩图4103TDTF6计算当量弯矩轴的材料选用45号调制钢，MPAB65PAS60，PAB5102015901B截面左侧A22115964783AMTNM22019A截面右侧为危险截面A其最小轴径233MIN1984108006ABMDM故该轴通过校核，安全。314键的选择和校核1键的选择此次设计中，键均选用普通平键。普通平键靠侧面传递转矩，对中性良好，结构简单，拆装方便，但不能实现轴上零件的轴向固定。普通平键应用最广，也适用于高精度、高速或承受变载、冲击的场合。2键的校核对于平键连接，如果忽略摩擦，则当连接传递转矩时，键轴一体的受力状态如图33所示。可能的失效形式有较弱零件的工作面被压溃（静连接）或磨损（动连接，特别是在在和作用下移动）和键的剪断等。对于实际采用的材料组合和标准尺寸来说，压溃和磨损是主要失效形式。因此，通常只做连接的挤压强度和磨损计算。键标准考虑了连接中各零件的强度，按照等强度设计的观点，视毂材料的不同，规定键在轴和毂中的高度也不同。但一般来说，毂通常是较弱零件，所以按毂计算。假设压力在键的接触长度内均匀分布，则根据挤压强度或耐磨性的条件计算，求得连接所能传递的转矩。（3124PPTHLDL静连接1）式中轴的直径；键与毂的接触高度；键的高度；H图33平键连接传递转矩时的受力状态键的接触长度；L许用挤压应力。P在此对底座上轴（小）上的普通平键进行强度校核1键的尺寸根据轮毂宽度，轴颈为，30BM40DM查表得键宽,键高，取键长L25MM查表取1B8H0PN2）验算挤压强度键的工作长度2510,LL转矩。115401224PPTHDLNM224937/5/085PPNML由以上计算可知该键满足挤压强度。经校核，各个键的强度均合格。32轴承的选用321轴承的功用与类型轴承是用来支承轴及轴上零件，保持轴的旋转精度和减少转轴与支撑之间的摩擦和磨损。按照工作表面的摩擦性质的不同，轴承分为滑动轴求和滚动轴承两大类。根据受载方向，轴承上的反作用力方向与轴的中心线垂直的称为向心轴承与轴的中心线平等的称为推力轴承。根据润滑状态，滑动轴承分为非液体润滑轴承轴承的工作表面仅有完全被油膜隔开，仍有直接接触的润滑状态和液体润滑轴承轴承的工作表面完全被油膜隔开的润滑状态。滑动轴承的主要特点是工作平稳，噪声较该动轴承低液体油膜有一定的吸振性能、普通滑动轴承起动摩擦力矩较滚动轴承大。对于精密、高速、重较以及承受冲击或振动的机器中滑动轴承得到广泛的应用。为了降低成本往往将一些不重要的低速轴承采用普通滑动轴承的形式。此外，滑动轴承还可以在水或者腐蚀介质中工作。滑动轴承的设计包括决定轴承和轴瓦的结构形式及材料种类，确定轴承的有关参数，计算轴承的承载能力，选择润滑剂及润滑方法。滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、起动灵敏、润滑方法简单和维修更换方便等优点，因此在机械中，滚动轴承比滑动轴承应用普遍。滚动轴承已经标淮化由专业工厂大批生产，在机械设计与使用小，主要是做出正确选用。322轴承的选择（1）减速齿轮组轴承的选用根据轴承所受载荷大小及方向，选择滚动轴承A）当径向载荷和轴向载荷都比较大且转速不高时，宜选用圆锥滚子轴承；B）转速较高，载荷不大时宜选用球轴承；C）当轴向力很大时，应选用推力球轴承。（2）机械臂连接处轴承的选用由于各个机械臂连接处关节转速较低，故轴承选用MXZ500固体自润滑润滑轴承（图34）。MXZ500固体自润滑润滑轴承是在轴承基体的金属面上开出大小适当、排列有序的孔穴，然后在孔穴中嵌入具有独特自润滑性能的成型固体润滑剂而制成的自润滑轴承，其适用于低转速，高负载及往复运动、摇摆运动等固启动，停止频繁，而至使油膜无法生成的场所。MXZ500固体自润滑润滑轴承的安装及配合公差如图35所示图34MXZ500固体自润滑润滑轴承图35MXZ500固体自润滑润滑轴承的安装及配合公差323滚动轴承的校核计算1材料内外圈、滚动体采用强度高、耐磨性好的铬锰高碳钢制造，常用牌号如GCR15、GCR15SIMN等。2失效形式1疲劳点蚀滚动轴承在工作过程中，滚动体与内圈（或外圈）不断的转动，滚动体与滚道接触表面受到变应力作用，工作若干时间后，内外滚道或滚动体表面出现疲劳点蚀2塑性变形在很大的静载荷或冲击载荷作用下，滚动体或内、外围该道上将出现不均匀的塑性变形凹坑。这时轴承的摩擦力矩。振动、噪声都将增加，运转精度也降低，使轴承不能正常工作。3承载能力计算决定轴承尺寸时，要针对主要失效形式进行必要的计算。对于回转的滚动轴承，疲劳点蚀经常发生。主要进行寿命计算。对于不转动、摆动或转速低的轴承，要求控制塑性变形，应作静强度计算高速轴承由于发热而造成的磨损、烧伤常常是突出的矛盾，除了进行寿命计算外，还需校核极限转速。4滚动轴承的寿命计算根据轴承工作条件确定轴承类型后，需要进行轴承的承载能力计算。1主要失效形式及相应计算方法一般长期使用的该动轴承，在交变应力作用下，主要失效形式为疲劳点蚀，相应的计算方法为“寿命计算”。对于极低速轴承或间歇摆动的轴承，在过大的冲击或静载荷作用下，主要失效形式为塑性变形。相应的计算方法为“静载荷计算”。此外，由于润滑、密封不良时产生磨损，制造及安装使用不当时会出现断裂等，对于这些失效形式可采取相应的措施加以防止。2滚动轴承的寿命计算。轴承的疲劳寿命轴承在发生疲劳点蚀前的实际回转总数或在一定转速下的工作小时数。额定寿命一批相同的轴承，在相间的条件下运转，按90的10L轴承不发生疲劳点蚀破损的寿命。平均寿命一批轴承允许有50的完好率，不发生疲劳点蚀的寿命。额定动载荷C额定寿命L1106转，90的轴承完好时，轴承所承受的载荷。滚动轴承的基本额定寿命为10（32）CP在实际工程计算中，轴承寿命常用小时表示，此时基本额定寿命为10HL（33）610HLN当量动载荷P是一种假定载荷，在这个载荷作用下，轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同，当量