物料包装线模型码垛推动机构的设计

I摘要码垛机是根据其结构特点和具体的工作环境要求对其进行设计的，它可代替人们繁重劳动，从而提高了生产的效率。本论文主要是根据码垛机器人的末端执行器工作的任务进行分析，设计出一款码垛机器人，并且给出该机器人的三维模型，并计算出该机器人的自由度和传动比，根据码垛机器人的相关数据选用合适的电机、齿轮和轴。并对相应承担扭矩的齿轮和轴进行了校核。现在的码垛机器人可用于代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。大部分的码垛机器人都运用了堆叠法，堆叠法是一种强大的机器学习技术，通过基于交叉验证的元模型智能地结合其他方法的预测结果。关键词码垛机轴的扭矩校核IIABSTRACTTHEPALLETIZINGMACHINEISDESIGNEDACCORDINGTOITSSTRUCTURALCHARACTERISTICSANDSPECIFICWORKINGENVIRONMENTREQUIREMENTS,WHICHCANREPLACEPEOPLESHEAVYLABOR,THUSIMPROVINGTHEEFFICIENCYOFPRODUCTIONINTHISPAPER,WEMAINLYANALYZETHETASKOFTHEENDEFFECTOROFTHEPALLETIZINGROBOT,DESIGNAPALLETIZINGROBOT,ANDGIVETHETHREEDIMENSIONALMODELOFTHEROBOTTOCALCULATETHEFREEDOMANDTRANSMISSIONRATIOOFTHEROBOTACCORDINGTOTHESTACKINGROBOTUSETHEAPPROPRIATEMOTOR,GEARANDSHAFTFORTHERELEVANTDATAANDTHECORRESPONDINGCOMMITMENTTOTHETORQUEOFTHEGEARANDSHAFTWERECHECKEDSTACKINGROBOTSCANREPLACEPEOPLESHEAVYLABORTOACHIEVETHEMECHANIZATIONANDAUTOMATIONOFPRODUCTION,BUTALSOTHEUSEOFTHESTACKMETHOD,STACKINGMETHODISAPOWERFULMACHINELEARNINGTECHNOLOGY,BASEDONCROSSVALIDATIONOFTHEMETAMODELINTELLIGENTLYCOMBINEDWITHOTHERMETHODSOFPREDICTIONRESULTSKEYWORDSPALLETIZINGMACHINESHAFTTORQUECHECKING目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111码垛机的研究背景112码垛机器人在国内外研究现状113码垛机器人的主要发展趋势314本课题研究的主要内容4第2章码垛机器人的概要设计521总体设计参数522设计原理523传动设计5231底座传动5232腰关节的传动6233上臂的传动6234夹持装置的传动624总体结构设计7第3章传动装置的设计831液压缸的选择832确定所使用的电动机1033关键轴的计算11331计算关键轴的转速、转矩和输入功率11332确定关键轴的具体尺寸1234齿轮参数的确定15341压力角的选择16342模数和齿数的选择16343齿宽系数的计算16B344确定齿轮传动的精度16345齿轮的校核17第4章总结20致谢21参考文献221第1章绪论11码垛机的研究背景码垛作业因其工作方式单调、体力消耗较大、作业批量化等特点，为码垛机机器人的引用提供了充足的理由和绝佳的应用场合。1码垛机是以机械、电子、仿生学和计算机等多种先进学科技术为一体的现代化的高新技术产品，其中机电技术的日益成熟为工业机器人技术和相关产业的发展提供了的动力。码垛机采用PLC控制技术、变频器技术、检测元件和触摸式人机界面等优良控制技术与控制元件，实现全自动包装码垛机对包装控制单元的控制要求2。它现在也作为衡量一个国家工业自动化水平的重要标志之一。现在各行各业都广泛采用了码垛机，它不仅可以提高产品的生产质量与数量，而且对于解决劳动力不足、提高劳动生产效率、节约原材料消耗、降低生产成本和工人劳动强度、能极大的改善工人的工作环境等等3。码垛机与计算机、网络技术一样，码垛机的应用不但改变着人类的生产，还改变着人类的生活方式。因此推动了许多传统及新兴科技公司对码垛机进行研制开发。至今，码垛机已经取得了巨大成就，并研发出许多高性能的码垛机。由于在各个领域中，人们的工作环境有时会产生对人体有害的物质，甚至有可能会危害到人们的生命安全，在这样的情况下码垛机诞生了。根据堆垛的形式（重叠式堆垛、纵横交错式堆垛和压缝式堆垛等等）进行开发，不仅对提高码垛机的物料搬运装卸的效率，而且还能有效节的节省存储的空间4。它对于保证产品完好，有着十分重要的意义。12码垛机器人在国内外研究现状工业机器人技术在国外起步较早，最早在搬运行业中引入工业机器人的是日本和瑞典，他们是在1970年左右引入的。首次将人类从繁重而枯燥的搬运工作中解放出来。它是一个非常有发展前景的行业，就目前而言，世界各发达国家的机器人公司主要针对各种载荷、运行空间和运行环境进行研制5。在工业发达的国家，已相继研制出半自动、全自动的码垛机，后来也在结构和机型方面进行了不断作改进和完善。国产码垛机至今已经研制了几十年的时间，到目前为止，我国生产的码垛机在性能、机型、品种规格和产品质量的方面，已经有很大的进步，并在许多方面已逐渐接近到国外同类型的码垛机，现在，基本上可以满足大中型企业对产品包装码垛机的需求。码垛机器人是一个有前景的行业，国外有许多有名的生产码垛机器人的公司如发那科（FANUC）、波士顿动力公司、FUJI、KUKA等，码垛机器人是对其多方面进行研究，如对机器人机构设计的研究、运动学分析、控制系统的研究以及机器人智能化方面的研究等。针对机器人本体结构的研究，是更好的实现各自的功能，如有FUJI的平行四边形连杆机构、MOTOMAN的多节机器人等。20世纪80年代，德国库卡机器人公司在2中国发展出KR180PA和KR50PA两个型号的码垛机器人，其高刚度、高定位精度、基于WINDOWS界面设计的控制系统和低廉的使用和维护陈本代表了当时机器人技术的先进水平6。经过几十多年的发展，码垛机器人的应用在制造业中的各个领域内，尤其是在搬运的领域中，码垛机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造冲压、压铸、锻造等、机械加工中的焊接、热处理、装配、化工及仓库堆垛等作业中，还有再物流行业和电子电气行业等等，人工作业已经渐渐的被机器人代替7。近年来，大量“机器人员工”已经被引入到许多会对人体有害的领域。20世纪60年代末以来，机器人开始逐步进入工业领域。从目前看，码垛机器人的应用领域正向电子信息产业、橡胶和塑料行业和物流等领域延伸，中国、印度等国家作为机器人的新兴市场也出现显著增长，其中出现在一线生产岗位的机器人操作更准确，而且还降低了生成本和工人的劳动强度。而且，我国的聚丙烯产量占世界产量的10以上，而长期以来国内聚丙烯产品的包装却一直处于人工套袋的半自动包装状态，针对PP树脂的特点，专门设计了全自动包装码垛生产线工艺流程8。我国对工业码垛机器人示教在现技术进行了研究与改进，提出了一种新的示教再现方法；按照文中所述方法，任一货物在码放放过程中，其码垛轨迹经过的四个空间点只有一点需要经过示教获得，其余三点均可通过文中提出的算法程序根据货物参数获得；所建立的示教再现方法原理简单了、过程灵活精确、结果简洁高效，能够大大提高工业码垛机器人示教再现的效率9。为了使码垛机器人完成对不同类型和规格包装件的码垛作业要求，提出了一种新型的码垛机器人多功能末端执行器的设计方案10。该方案采用气动驱动，通过夹持机构、抓取机构和吸附机构，实现各类包装件和托盘以及垫纸等的夹持、抓取、吸持等动作11。码垛机器人还可以将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘上，进行自动堆码，可堆码多层，然后退出，便于叉车运至仓库储存。码垛机采用PLC触摸屏控制，实现智能化操作管理12。专家预计，未来码垛机器人年均增速有可能会越来越快点，可能达到百分之三十左右，用于搬运的移动机器人每年都会有一定的增幅，机器人将成为未来市场至关重要的领域，为此世界各国都在抢占先机，希望可以赢在起跑线上。在1990年末，我国就已经建立起7个科研基地和9个机器人产业化基地。它为我国建设机器人产业化带来了希望，也为我国机器人产业的发展奠定了基础。目前，我国已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、运动学仿真和某些典型工业机器人机构分析软件方面取得了进步。现在我国已经能生产具有国际先进水平的装配机器人、水下机器人、服务机器人、军用机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，有些机器人已经可以实现了小批量生产13。我国的沃迪机器人智能装备事业部源于智能食品装备发展趋势的推动，专注于国产3工业搬运机器人的研发及产业化。事业部设有专门的机器人和工程技术应用研究院，包括机器人技术工程中心、实验分析检测中心、工程试制部等等，承担着国家和市级多项机器人新实验室，规划占地面积为2000平方米，具备恒温和模拟各种各种使用环境的条件，拥有完善的测试平台和检测设备，将用于对新型机器人的研发和验证14。其搬运机器人设计年产大约为2000台，目前已拥有了自主知识产权的，并且是国内最具规模的码垛机器人工业化生产企业，主要竞争对手为日本、德国及瑞典的国际行业巨头。目前国内一些科研、设计和生产单位，已拥有一批专门从事科研、设计和制造码垛机的技术队伍，他们通过近20年的左右的摸索、研制和生产实践已积累了较丰富的经验，现在已具备设计和研制出符合国情和先进水平的码垛机所必需的条件。在现在日常生活中，我们也能看见机器人身影。如扫机器人，又叫自动打扫机，凭借一定的人工智能，自动在房间内完成对地板的清理工作早教机器人,顾名思义它就是专门为儿童早教促进孩子学习兴趣的电子产品，对孩子的学习能力进行全方位的训练等等。对于机器人来说，中国存在巨大潜的市场15。由于国内有许多汽车制造业，这为码垛机器人的装配量将会快速增长提供着条件。13码垛机器人的主要发展趋势码垛机器人各个生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和降低了生产成本，改善工人劳动条件等方面的作用很大，引起了世界各国的关注。在新的世纪，工业机器人的使用一定会更加广泛。王卫明曾经就此发言，使用机器人最多的是汽车行业，医药等行业的对机器人的需求甚至要达到100以上，在2013年，机器人在全国的销量大约为168万台。“机器换人”已经是不可避免的了，在未来的5到10年机器人在中国市场将到达爆发期。曲道奎认同这一观点。作为国内领先的机器人制造业新松机器人自动化股份有限公司的人，他在会上不断提醒企业要意识到该行业的残酷性16。他呼吁，中国应在机器人这个高端产业里避免处于产业链低端位置。在中国廉价劳动力优势逐渐被机器人所替代，“机器换人”已是大势所趋。机器人产业就是诱人的“大蛋糕”，中国各地都应立即行动起来，机器人企业和产业园如雨后春笋层出不穷，积极投身这场“掘金战”中。从世界各国在堆垛机器人产业的发展过程可知，有三种不同的发展模式日本模式、欧洲模式和美国模式1、日本模式此种模式的特点是各司其职，分层面完成交钥匙工程。即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统，并完成交钥匙工程17。2、欧洲模式4此种模式的特点是一揽子交钥匙工程。即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造厂商自己完成。3、美国模式此种模式的特点是采购与成套设计相结合。美国国内基本上不生产普通的堆垛机器人，企业需要时机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备，完成交钥匙工程。我国从上世纪80年开始在高校和科研单位全面开展堆垛机器人的研究，近20年来取得不少的科研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业18。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候19。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国堆垛机器人的发展造成了一定的影响，特别是我国自行制造的普通堆垛机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。中国的机器人产业应走什么道路，如何建立自己的发展模式，确实值得探讨。中国工程院在2003年12月完成并公开的我国制造业焊接生产现状与发展战略研究总结报告中认为，我国应从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。14本课题研究的主要内容设计一种主要用于对物体的抓取的码垛机器人。对机器人的机构进行设计，画出该机器人的总装配图，给出该码垛机器人的各种参数，然后对于主要部件进行强度校核，得到最优的码垛机器人。5第2章码垛机器人的概要设计21总体设计参数根据此次设计的机器人具体应用场合和实际应用要求，设计的主要参数要求如下1抓取的重物15KG；2机械手的自由度数4个；3运动参数底座旋转角速度；314/RADS支撑杆俯仰线速度；0M4运动行程底座旋转；6支撑杆俯仰；922设计原理本设计参照美国ABC公司某些型号的机器人设计灵感，结构上运用了圆型好处在于工作范围较大,机器人的腰部和手腕都采用了液压缸，液压传动调速方便且调速范围比较大，可达到100120001。23传动设计231底座传动底座是要驱动整个机构，因此承受的质量和惯量很大，所以因采用较大步进电机驱动，驱动整个机构，如图21和图22所示。图21基底座传动内部结构图图22底座传动内部结构图电机安装在基座上方，基座中是二个齿轮，用于提供较大的扭矩。基座是用键与大6齿轮固定，电机是通过螺钉与基座固定，大齿轮的转动是通过电机输出的扭矩产生的，底座基固定在地面上的，从而推动其他部分转动。232腰关节的传动支撑杆的运动就是腰关节的传动。采用回转轴使其与底部电机链接，其结构如下图23和图24所示。图23腰关节传动内部结构图图24传动轴233上臂的传动为了减轻整个机构的转动惯量和重量，上杆不采用电动机，而采用液压缸可以大大提高机械手的精度，如图25所示。图25上臂的液压缸234夹持装置的传动夹持装置采用液压缸，通过改变流量和压力来实现对机械手爪张合的控制，如图26。7图26夹持装置24总体结构设计用软件SOLIDWORKS画出了码垛机器人的三维图如图27所示。图27总体结构图8第3章传动装置的设计整个机器人共有4个自有度，其中有三个是用液压缸带动的，整个机构只用了一个电机来推动整个机构的转动。31液压缸的选择1连杆上的液压缸液压缸输入是液体的流量和压力，输出的是力和直线运动，液压缸的结构简单，工作可靠性好，被广泛地应用于工业生产各个部门。液压缸可广泛的分为通用型结构和专用型结构。这里选用的是通用型中的拉杆型液压杆。因为其结构简单、拆装简便、零件通用化程度较高、制造成本较低。液压缸的设计计算于选取总质量MI210KG单杠最大的升起的质量MMI2105KG上升速度等于下降速度V01M/S液压上升的最大负载FMAXMG105KN液压缸的机械效率095液压缸的工作压力由表31可知P07MPA。表31不同负载条件下的工作压力负载F/KN50工作压力P/MPA7MPA，07D因为P08MPA，D004695M，故002582M根据表33可知活塞杆直径28MMD表33活塞杆直径系列MMGB/T234819934568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604002夹持装置上的液压缸液压缸的设计计算于选取总质量MI40KG单杠最大的升起的质量MMI40KG上升速度等于下降速度V01M/S液压上升的最大负载FMAXMGKN40液压缸的机械效率10095液压缸的工作压力由表31可知。AMP10由公式369505111MAXAPKNF解得D0051774M。根据表32可知，圆整成标准值后，得液压缸内径D60MM。缸筒壁厚和外径计算本设计的内径D为60MM，查液压设计手册液压缸的外径D1为76MM，缸壁的厚度为8MM。正规的方法选取液压缸壁厚都能满足其强度。活塞杆直径的计算活塞杆是液压缸传递动力的主要零部件，他要承受拉力、压力、弯力和震动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。活塞杆直径的计算根据活塞杆受力状况来确定，一般为受拉力作用时，D0305D。受压力作用时P7MPA，07D因为P01MPA，0051774M，故025887MD根据表33可知活塞杆直径28MMD32确定所使用的电动机这里是通过求整个机构的惯性量来确定所选用的电机，转动惯量的公式如下S，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。34齿轮参数的确定常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等，一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮较大例如直径大于400600MM而轮坯不易锻造时，可采用铸钢。所以根据所需性能要求，选择材料为45钢，经调质热处理使硬度HBS可达到229286。16341压力角的选择由机械知识可知，增大，可以增大齿轮的齿厚以及节点处的齿廓曲率半径，可以提高齿轮的和。此处，可取20。SH342模数和齿数的选择对于齿轮的闭式齿轮传动，齿面接触疲劳强度决定着齿的接触疲劳强度。而齿面的接触应力的大小与小齿轮的和的乘积有关。因此在满足的前提下，宜选择较小的ZMF和较多的。这样能使重合度增大，使传动的平稳性得到改善，还能齿高是随的MZHM减小而降低，从而能使金属的切削量减小，滑动速度和磨损量减小，提高抗胶合能力。关键轴上的小齿轮的齿数取20，大齿轮的齿数取100，模数M取4。ZZ343齿宽系数的计算B由强度公式可知，当一定时，齿轮直径和齿轮圆周速度都将随着齿宽的增大而减Q小。但是增大齿宽，将使分布在齿面上的的不均匀性增大。关键轴上的齿轮在啮合时Q所取的齿宽系数为10。根据公式，计算结果应是5的整数倍，作为大齿轮DDB的齿宽，小齿轮齿宽取BIIMM，从使加工和装配过程中产生的误差将得到105补偿。344确定齿轮传动的精度根据1988年的国标10095中的规定，齿轮精度共有12级，并从1级到12级逐渐降低，经常从69级中选取。这里的齿轮选用的精度为7级。齿轮啮合的几何尺寸名称公式分度圆直径MZD401MZD8024齿顶高HA齿根高52CF齿全高FA95齿顶圆直径DA4082HDAA82齿根圆直径MHFF3MFF70基圆直径B7COSB15COS齿距P561齿厚26齿槽宽ME817中心距MDA240顶隙C15345齿轮的校核齿轮所选定用的材料为45钢，在加工过程中对齿轮进行渗碳淬火后使其硬度达到，本次设计的齿轮的精度为7级，齿轮表面的粗糙度为，并且这一625HRC16AR对的齿轮需要进行校核，齿数分别为，模数为4，传动比，扭矩21,0Z5I。MNT34设计准则按齿面设计，再按齿根校核。SBB按齿面计算H331MDHSEDTZUKT5193212式中节点区域系数，用来考虑节点齿廓形状对接触应力的影响，取HZHZ25；材料系数，单位为MPA，查表35，ZE1898MPA；E重合度系数，取090；齿宽系数，查表36取1；DDU齿数比，其值为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，U5。表35弹性系数灰铸铁球墨铸铁铸钢锻钢加布胶木锻钢1620181418891898564铸钢161418051880球墨铸铁15661739灰铸铁1437表36齿宽系数D吃面硬度齿轮相对于轴承的位置软齿面硬吃面对称布置08140409非对称布置02120306悬臂布置030402025选择材料的接触疲劳极限应力为181LIM580HMPA2LIM560HMPA选择齿根弯曲疲劳极限应力为1LI23FF2LI1应力循环次数N计算可得MM332160751608NAT64则3331124NI1032查得接触疲劳寿命系数为129,87NZ查得弯曲疲劳寿命系数为NY查得接触疲劳安全系数1，弯曲疲劳安全系数15，又为试验齿轮MINHSMINFSSTY的应力修正系数，按国家标准取20，试选，3TK求许用接触应力和许用弯曲应力MPA3341LIMN58092HNZS3352LI1MN64HMPA3361LI1FN30285175STNY3372LIM2FN934STPA将有关值带入公式335得MDHSEDTZUKT3673212则33811673025/601TNS339325Z查图得；查得，3VKA查得，取，则171340251372815HVK19修正，331281567HTTKDM1382650DMZ取标准模数M2MM，与前面选定的模数相同，所以M2MM符合要求。C计算几何尺寸，34132501DMZ42DZ34234Z2503AMD校核齿根弯曲疲劳强度查得取1240,Y8,FSFS07Y校核两齿轮的弯曲强度2235MPA1343MZKTFSD3211F3446212FSFMPAY所以齿轮完全达到要求20第4章总结码垛机器人在工业领域中扮演着重要的角色，本次毕业设计的目的是设计一个四个自由度的机器人，用于工厂中对货物的搬运工作。说实话，刚接触这个课题，有点抓不着头脑，不知从何入手。虽然在我们去洛阳实习时见过实物，但真正要求自己设计一个机器人，还是有一定难度的。后来意识到自己的不足，我去学校的图书馆，查阅了一些资料。我发现图书馆关于这方面的资料确实不多。所以我就到网络上找资料，发现这方面的东西还真不少，看了几天资料后，渐渐有点入门了。但有些地方还是不明白，例如底座如何驱动腰关节，上杆的内部结构等等，我就跑去请教韩老师，在老师的细心指导下，解决了很多困扰我已久的疑问。在真正动手画图之后，我发觉问题也没有想象的那么困难，每当不懂的地方，我会去寻求老师和同学的帮助或者去网络查找资料，克服困难之后也是挺有成就感的到了校核轴和齿轮的阶段，记得以前在学习机械设计的时候，进行过一次减速箱的课程设计，里面也有轴和齿轮的校核，这次毕业设计刚好把学过的知识用上了。由于时间有限，本次设计还存在的许多不足，还需要进一步提高，展望如下（1）本设计中的杆的设计还不够精细，部分零件的结构不够合理，导致质量偏大，转动惯量偏大，因此也只能选择功率比较大的电动机，可能会比较耗电。（2）对于夹持装置，根据以前学习到的知识，我采用了四杆机构。在以后的设计中，可以设计成可以替换的具有通用性的手爪，这样可以在搬运不同类型的工件时只需要更换机械手的手指，从而拓展了机器人的应用范围，这是很重要的待改进的地方。（3）各零件材料的选择可以更多样化，根据不同的性能要求，选择合适的材料，甚至于大胆选用一些新兴材料，方向是质量轻和强度高，因为机器人本身是一个高新产业。21致谢随着这2年大学生活的即将结束的脚步，本次毕业设计在导我的导师韩书葵老师的帮助下也接近了尾声。在我的认识中韩老师是一位治学严谨、学识丰富的老师，从开题开始到论文结束给我许多指导，虽然韩老师工作繁忙，但她还是对我的伦文进行了多次修改。这确实是一个艰苦的过程，也是我们对本专业进行系统学习的一次机会，更是一个感恩和互助的过程，在伦文的完成过程中老师给予了我许多的帮助。在今后的学习工作中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。在此我要向我的指导老师表示由衷的感谢和深深的敬意在两年的大学学习期间，机械教研室的每位老师对我的学习和生活都给予了许多的帮助和关心，使我在各个方面都得到了很大的提高。衷心感谢参加答辩和论文评阅的各位老师。22参考文献1李金泉，段冰蕾，南倩TH50型码垛机器人动态静力学分析J20115045082姜永增，姚忠敏，张裕全自动化肥包装码垛机包装控制单元的设计J农机化研究，20