小型码垛机器人的结构设计-机械手设计【三维SW】【8张CAD图纸+PDF图】
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本科毕业论文（设计） 小型码垛机器人的结构设计 系 （部）机械工程系专 业机械设计制造及其自动化学 号学生姓名指导教师提交日期2015年 5 月17 日目录目录摘 要IABSTRACT21 绪论31.1引言31.2码操机器人的特点与分类31.2.1码探机器人的特点31.2.2码圾机器人的分类41.3码躲机器人的国内外研究现状51.3.1国外码垛机器人发展现状51.3.2国内码塊机器人发展现状61.4课题来源与意义61.5本文主要研究内容：71.6本章小节72 机器人总体结构的设计82.1 引言82.2码垛机器人本体的构型分析82.2.1码垛机器人的技术参数82.2.2码操机器人总体设计92.3臂长及参数112.3.1 臂的结构112.3.2前臂112.3.3小臂142.3.4 l1 (小臂传动杆)的校核152.3.5对l7 (前臂连动杆）进行校核152.3.6对大臂的校核152.4 本章小结173 腰部及关节的设计183.1电机的种类183.2减速机的种类193.3码躲机器人关节的详细设计223.3.1回转关节T轴的设计223.3.2旋转关节轴的设计243.3.3小臂旋转电机的选择273.3.4大臂旋转电机的选择283.5 本章小结294手部的设计304.1 手部的结构设计304.1.1 概述304.1.2 设计时应考虑的几个问题304.1.3 手部夹紧力的计算314.2 气压缸的选择324.2.1 气压缸的简介324.2.2 气压缸的选择354.3 本章小结365 结论与展望375.1 结论375.2 展望37参考文献38致 谢39摘 要 本文设计的是一个拥有多个自由度的机器人，用于给生产包装进行码垛。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。该机器人由手部、手臂、腰身和底座等组成，具备上下料，翻转和转位等多种功能，并且结构简单，操作方便。驱动方式为电机驱动，采用伺服电机。关键词：机器人；工作方式；结构设计；伺服电机40ABSTRACT This text is to design one robot own four freedom degree, Its used to give blunt press an equipments carrying material In the modern industry, the mechanization of the production line, automation have become outstanding topic. Robot technique is make use of calculator of memory function, plait the distance function come to control operation machine auto completion industry produce medium a certain appointed technique of mission, is all countries nowadays competitively development of high and new technology one of the technique contentses. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the of welding, spraying, transporting and stowing etc , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.Its robots turn to constitute by the hand, arm, waistline and base etc. and have top and bottom anticipate, inside out with turn etc. variety function, and structure simple, operation convenience. Drive a way to drive for the electrical engineering, adoption step enter electrical engineering.KEY WORDS: robot; work way; structure design; the step enter electrical engineering 1 绪论1.1引言 机器人技术是一种高新技术，它涉及诸多学科及技术领域，综合了计算机、机构学、信息和传感技术、控制论、仿生学和人工智能等多学科而形成的。机器人按照用途可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人，其中工业机器人是目前应用最多、技术上发展最成熟的一类机器人。随着我国经济的快速发展和科学技术的突飞猛进，使得机器人在码操、喷涂、挥接、测量等行业有着相当广泛的应用。码圾机器人是实现物流和包装自动化的关键装备，可以实现高速、自动、连续、准确的码操任务，满足产品码圾需求。人工码操是强度大、重复性高的劳动，特别是高粉尘、有毒、有害等物料，基本不适合人工码设，因此有必要研发一种码操机器人，减低生产过程中对工人的身心伤害。工业机器人有多种不同的分类方式，按照机器人工作空间的坐标系形式可以分成：直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、关节式机器人和机器人。关节式机器人和机器人如图所示。关节式机器人由一个时关节和两个肩关节定位，腕关节进行定向。关节式机器人的构型动作灵活，工作空间大，占地面积小，结构紧凑，手臂的干涉最小。按照机器人的用途可以分成：燥接机器人、喷涂机器人、码躲机器人、装配机器人和专门用途的机器人。1.2码操机器人的特点与分类1.2.1码探机器人的特点码操机器人相对于辉接机器人、装配机器人和喷涂等机器人有很大的区别，主要体现在以下几个方面：【1】 （1）码操机器人搬运的物料实现水平面内的旋转和空间内的平移，动作难度较小，无需进行物料的翻转动作。码垛任务只需要四个自由度，关节控制末端位置，和关节控制末端姿态； (2)码圾机器人利用了“平行四边形”原理，通过两组平行四连杆的传动，使机器人末端的腕部关节轴线始终与地面垂直，保证了包装的袋子或者箱子在搬运过程中的平稳状态；(3)码操机器人减少了两个自由度，结构简单，零部件少，性能更可靠，(4)故障率降低，保养和维护起来方便；(5)集成性较高，占地面积小，方便企业优化配置厂房面积；(6)功率消耗低，大大降低了客户的生产运行成本和能源的消耗；(7)适用性和灵活性高，面对产品的多样性或特定客户的产品的尺寸、形状、体积及托盘的形状和尺寸发生变化时，只需要在控制器上稍作修改即可满足需求，不会影响正常的生产，这是传统的码操装备无可比拟的；(8)控制方式和示教方法简便；(9)码圾的任务相对于揮接或装配任务，定位精度要求相对较低。1.2.2码圾机器人的分类码探机器人按照驱动传动和结构的不同可以分成：混联码操机器人，并联码探机器人和关节式串联码圾机器人。欧洲和美国主要以关节式串联码操机器人为主。混联码操机器人主要以日本的机器人为代表。【2】并联机器人具有以下特点：无累计误差，精度较高；运动部分重量轻，速度高，动态响应好，驱动装置可置于固定平台上；结构紧凑，承载能力大；并联机构的各向同性优异。同时，由于并联机器人工作空间较小，承载能力弱，在现实的自动化生产线重载环境下，适用性和灵活性不高，因此在食品行业和快速分拣、蹄选行业等轻载环境下，并联机器人突显出它的优势，在高速重载行业，主要是混联码设机器人和串联关节式码躲机器人。本节就码躲行业常用的混联码棵机器人和串联关节式码圾机器人两种机器人做出对比。两者的区别在于混联码设机器人四个关节中，两个关节为移动关节，其余为旋转关节，后者的四个关节皆为旋转关节。两者都经过两个四连杆机构传动，使末端的腕部关节旋转轴线始终与地面垂直。混联码操机器人【3】和关节式串联机器人的第一关节与第四关节同为旋转关节。而混联码操机器人的第二关节和第三关节为移动关节，第二关节为水平移动，第三关节为垂直移动，两关节部分各有驱动系统，每个电机控制同步带轮的旋转驱动滚珠丝杠，从而带动其滑块的运动，可以实现大臂上下运动，小臂前后运动。这样结构的优点是可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。目前搬运机器人研发方面，均采用四轴旋转的关节式结构，与两个旋转和两个移动关节的混联码操机器人比较，具有如下优势： 结构紧凑，外形美观，为目前四轴搬运码操机器人的主流发展方向；维护方便，故障率低，与滚珠丝杠、精密行星减速机的传动方式相比，减速机传动简单，易于维护，使用寿命长，前者在润滑与密封方面较后者复杂；成本基本持平，两者使用相同数量的伺服电机和减速机，混联码操机器人还另外需要滚珠丝杠和导轨；关节式码操机器人的旋转关节方式定位精度高于混联码圾机器人的直线关节方式的定位精度；在机械结构设计方面，混联码操机器人的结构较关节式码操机器人更为复杂，需要解决伺服电机、同步带传动、滚珠丝杠和导轨的布置问题；混联码操机器人虽然也有行程放大的机构，但由于外观尺寸的限制，滚珠丝杠和导轨的长度受限，运动空间小于关节式码探机器人。1.3码躲机器人的国内外研究现状从上世纪八十年代开始，欧美以及日本等国家，在推广搬运码圾的自动化和机器人化方面取得了很大的进步，在国家“七五”、“八五”期间，我国许多高校科研院所也研究和开发了码操机器人，并取得了一些成果。1.3.1国外码垛机器人发展现状工业机器人技术在国外起步较早，第一次将机器人技术应用于码操作业的是在世纪年代，由日本提出的。目前，世界各发达国家的机器人公司针对各种载荷、运行空间和运行环境，不断推出高性能、高可靠性、高速、高精度的码探机器人。码圾机器人市场主要分为欧系和日系。欧系码操机器人以ABB和KUKA为代表，日系码操机器人以FANUC和YASKAWA为代表。【4】 ABB公司是全球领先的工业机器人供应商，在码操作业方面，有着全套先进的机器人解决方案。1974年，设计研发了全世界第一台全电控式、微处理器控制的工业机器人。随着技术积累，最近公司研制了全球速度最快的紧凑型四轴码操机器人。在工作节拍方面，每小时最快可以达到2190次，工作空间的直径达到2400mm，在运行速度方面，较相同类型的机器人提升了百分之十五左右，在占地面积方面，只是同类机器人的五分之四，在工厂狭小空间内的高速作业，将更加适用。针对不同行业的需求，开发了特殊规格的机器人，是实现高精度拾放料作业的并联机器人，范围可达1600mm。作为全球最大机器人生产商之一的德国KUKA机器人公司，涵盖了所有应用场合和负荷等级的机器人类型，其中Iitan是目前市场上最强悍的工业机器人主要应用于包装及蹄选，承载能力可以达到1300Kg，最大作用范围3202mm，重复定位精度也能达到0.2mm。凭借矫健的身姿，获得了全球公认的红点设计奖。机器人在长时间停止时，伺服系统将会自动关闭，节约电力的消耗，减少运行成本。同时机器人配有助力弹簧，用于降低驱动电机负载，提局机器人的承载能力。【5】日本安川公司于1977年研制出第一台全电动工业机器人，至今在全球已生产13万多台机器人。安川机器人的MP系列是专门应用于码操作业的，码操机器人的负载能力达到了160kg重复定位精度达到0.5mm。1.3.2国内码塊机器人发展现状我国工业机器人技术研究与应用开始于上世纪70年代，自主研发的码操机器人主要结构形式有直角坐标式和关节式。近几年，在码圾机器人方面，出现了一批具有较强研发实力的科研院所和专家企业。【6】上海交通大学与上海沃迪科技有限公司研发了TPR系列码操机器人。TPR系列机器人与日本码操机器人结构相似，具有独特的线性四连杆机构利用工控机、运动控制卡、PLC实现机器人的控制，并且可以通过人机交互，核心算法由工控机完成，控制软件在平台上编写，实现码操机器人生产能力达到1600包/小时。沈阳新松机器人自动化公司是我国工业机器人的产业化基地，我国第一台工业机器人样机，就是在该公司研发与制造成功的。在机器人技术方面，新松机器人优化了机器人控制、操作机设计、工程应用和机器人作业等关键技术难题，解决了高精度插补、机器人语言、多轴协调和传感器控制等技术，研发了具有我国自主版权的机器人控制器其应用涵盖搬运、偉接、冲压、喷涂以及机加工等领域。清华大学陈恳、杨向东和北京邮电大学李金泉以及北京理工大学付铁共同开发了TH50型码躲机器人，负载50kg，可搬运1000袋小时。HT50型码操机器人的结构与ABB、KUKA等机器人不同，第二关节和第三关节采用滚珠丝杠驱动，HT50码设机器人是各关节直接驱动方式，这种驱动方式的好处是可以减小驱动电机和减速机的功率，不需要平衡气赶、弹賛等元器件。【7】 相对于国外工业机器人技术，我国工业机器人技术在产品研发和生产制造方面与国外还存在一定的差距，大部分技术还是被国外公司掌握，自主产权的核心技术较少因此，发展自主产权和核心竞争力的工业机器人产品，已成为我国机器人产业的当务之急。1.4课题来源与意义 本课题来源于中国科学院新兴战略产业项目“面向大型冲压生产线作业的锻压机器人幵发与产业化”。随着我国码操、包装等物流产业的迅速发展，不断增长的市场需求与生产效率之间的矛盾，对码躲设备的生产效率提出了更高的要求，但目前我国的码探机器人市场多为国外机器人公司所垄断，国外码躲机器人产品在中国的年产销额已近五亿元，因此研发具有自主知识产权的低成本码探机器人产品己成为我国机器人领域亟待解决的问题。码操的自动化可以保护工人的人身安全，减少产品的破损，快速地将物品码放整齐。码躲机器人能够帮助人们从事单调劳累的工作，降低劳动成本、稳定产品质量和提高劳动生产率，研究分析码躲机器人具有广阔的市场前景。1.5本文主要研究内容： 码垛机器人作为集机械、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，其结构复杂，因此本课题侧重于对小型码垛机器人的结构设计。力求在既定的课题要求内完成对小型码垛机器人的驱动机构，多自由度手臂，以及码垛机器人的抓取结构的设计，并进行不断的探索。 对本课题中小型码垛机器人结构设计的主要任务包含如下几个方面： 1.小型码垛机器人的驱动机构设计 2.小型码垛机器人多自由度手臂的结构设计3. 小型码垛机器人的抓取结构设计1.6本章小节本章介绍了工业机器人特点及分类，码躲机器人特点及分类，综述国内外码塊机器人研究进展，最后阐述了本课题的来源与意义及主要研究内容，同时介绍了本文的研究内容和各章节的安排。2 机器人总体结构的设计2.1 引言码操机器人是码操自动化生产线的重要组成部分，码探机器人本体是码操机器人系统的载体与核心，其设计的科学性与合理性将直接影响码操机器人的制造与使用，本章将重点研究码操机器人的本体构型和主要技术参数，驱动电机与减速机的类型，进而通过计算，确定驱动电机和减速机的型号，并建立机器人的三维模型。2.2码垛机器人本体的构型分析作为机器人结构设计的核心环节，码垛机器人的机械手臂的设计是至关重要的。手臂是机械手的执行部件，它主要起到对机械手腕部和抓取手部的支撑作用，并带动它们进行空间的往复，循环等运动。【8】码垛机器人臂部设计需要达到的基本目标：（1）手臂自重轻，承载能力大，强度大，刚度好（2）手臂运动灵活性好（3）手臂运动速度高，灵敏度好 本设计采用四杆平行机构，双摇杆机构,以使调整器、大臂和上臂组成的双平行四边形结构能够保证末端执行器始终与水平面平行，如图(1)所示。 为了使码垛机器人轻量化，其操作臂均采用空心薄壁杆件。2.2.1码垛机器人的技术参数根据码探机器人项目任务书上的设计要求，机器人要能完成码躲的基本功能，末端需要连接执行手爪，机器人本体能够灵活运动，能够实现抓取袋状或箱体的功能。虽然码设机器人的机构构型、用途以及客户的个性化要求各异，国内外机器人供应商提供的技术参数也不相同，但一般来说，码操机器人的主要技术参数有：自由度、重复定位精度、工作空间范围、运行速度和末端承载能力。本文项目要求的码操机器人臂展为2000mm，末端承载能力达到50kg，具有个4个自由度的关节分布，重复定位精度为1mm。下表列出了码操机器人各项参数。项目参数项目参数本体构造关节型（多自由度）最大速度S轴（旋转）90度每秒载荷50kgL轴（大臂）85度每秒重复定位精度1mmU轴（小臂）85度每秒动作范围S轴（旋转）90度T轴（同转）210度每秒L轴（大臂）0度90度本体重量800kgU轴（小臂）135度180度末端执行器重量60kgT轴（同转）360度功率10KW2.2.2码操机器人总体设计码操机器人本体主要由底座、主构架、大臂、小臂、腕部和末端执行器组成的，具有四个自由度，即四个旋转关节，四个关节分别为：底座与主构架之间，主构架与大臂之间，大臂与小臂之间以及腕部与末端执行器之间的四个旋转关节。底座是码操机器人的承重基础部件，固定在地面或支架上，主构架是大臂的支撑部件，实现机器人的回转功能，主构架可以在底座上进行旋转，大臂是小臂的支撑部件，大臂的摆动可以改变末端执行器在水平方向上的行程，而、臂的俯仰则可以实现末端执行器在垂直方向上的位置变换，腕部的末端执行器旋转关节可以调整承载目标的旋转角度和位置。【9】码探机器人可用于箱状、块状和袋状等物料的码躲搬运，机器人本体结构如图所示：1、底座通过一个轴线垂直于地面的旋转关节与主构架联接。1、主构架安装在底座上，为整个臂部提供支撑，其上安装有大臂、小臂和保持腕部水平的连杆。大臂、小臂与连杆相互构成平行四边形，增加了整个臂部的刚度。各连杆参数的选择将直接影响码操机器人的工作范围。3、第三关节的驱动系统采用后置式，即第三关节的驱动伺服电机和减速机在主构架上，这样将明显改善系统的动态特性和降低系统的运动惯量。4、腕部与臂部之间有一个转动关节，末端关节通过串联平行四边形机构的叠加效应，满足腕部的易控性。码探机器人为了保持末端腕部的轴线与地面垂直，利用了“平行四边形”原理，通过水平保持连杆和腕部水平保持连杆组成的两个平行四边形，保证末端腕部的轴线与地面垂直。其原理是：理是：如图所示，无论码躲机器人处于何种位置与姿态，1,2和3的角度始终不变，并且三个角度之和等于180。另外小臂传动连打利用一个四连杆机构，将小臂的动力传递到支撑小臂，这样的四连打机构具有四个功能：1、增加整个臂部刚度平行四边形的相互稱合作用，增加了整个机器人传动系统的刚度减小了启动与急停情况下造成的机器人颤动。2、行程放大功能见图，线段BCD在同一直线上，即BCD是同一连杆，OABC是平行四边形，线段OA和BC是等长的，OA即是小臂，在小臂转动时，驱动连杆BCD会绕点转动，回转的角速度和角加速度相同，而线段CD的长度大于线段BC的长度，因此小臂和支撑小臂组成的平行四边形具有行程放大的作用，放大系数为线段CD长度与线段BC长度的比值。3、减小系统惯量码操机器人第三关节（u轴）的驱动电机和减速机采用了后置式分布，通过平行四边形传递动力，使驱动传动系统可以放置在主构架上，减小了系统的惯量。在选择第一关节和第二关节的驱动系统时，对驱动电机可作适当的调整，降低驱动电机的功率和力矩，节约成本，同时增加了系统的稳定性。4、码操机器人利用“平行四边形”原理简化了机器人位姿的控制，降低了过程控制的难度，可以缩短机器人的工作周期和研发设计成本。图2-1码垛机器人的本体结构2.3臂长及参数2.3.1 臂的结构本文设计的机械结构如下图所示：首先确定l6 /l5 的值。根据经验，比值一般为26，根据实际需要选取5。因此在本设计中取l6 为1.5m，l5 =l6 /5=30cm。令l4 的长度与l6 的长度相等，也为1.5m。调整器为等腰直角三角形，腰长为15cm。水平保持架连杆l2 的长度为1.5m，小臂l3 的长为30cm，小臂连动杆l1 =l2 =1.5m。l7 =l2 =150cm。因此，l1 ，l3 ，l4 ，l5 组成平行四边形结构，可以保证前臂与小臂一直保持平行。A，B，C，D也构成平行四边形结构，因此在三角形调整器的调整下，AE可以一直与O1 O2 保持平行，C1 B1 也保持平行，从而使得机器人的执行机构一直保持水平。经过仔细的分析，并在实际需要的基础上，当前臂转动到水平位置，大臂转动到竖直位置，如图实线所示位置时爪手上升到最高点；当机构处在如图所示虚线位置时执行机构爪手下降到最低点，此时大臂l4 与水平面成45度角。2.3.2前臂对前臂处于实线位置时进行受力分析，如下：令前臂FB的重量为600N,手部执行端重量为40N，货物重量为500N。由此时系统平衡可得到：由mg到B的距离为37cm，前臂连动杆到前臂的距离为15cm可知：又由，取F点为坐标原点则，所以，由以上计算可得到前臂的受力图和弯矩图，如下：前臂的受力图和弯矩图由于A处受力为：且A处承受最大弯矩，很显然，A处为危险截面。综上所述，本设计采取Q235为前臂的材料。Q235材料又知，经分析查表知，前臂在A处的截面模量为：综上所述，选取 又由于材料因此综上，最终选择 ：2.3.3小臂有以上数据，换算到小臂的转矩为因为小臂的最大转动力矩为3630Nm小于大臂危险截面处的力矩3810Nm，因此，为了保证外观的协调性与空心型钢的选择性，将小臂的壁厚设计为与大臂壁厚相同，即采用的宽度为100mm,高度为100mm,壁厚为10mm。因此其强度显然满足实验要求。2.3.4 l1 (小臂传动杆)的校核经分析，当机构转动至如图所示虚线位置时，小臂传动杆只受拉力，且此时所受拉力最大，为f1 =12100N。2.3.5对l7 (前臂连动杆）进行校核由于l7 只受拉力作用，且受最大力为2220N,2.3.6对大臂的校核作出手部，前臂，调整器的受力简图，如下图所示（有的力未画出）：又因为，因此，A点受到竖直向下的合力为：有因为，大臂自身重量约为500N因此，当机构转动至如图所示位置时，U轴（大臂旋转轴）所受力矩为：所以前臂的受力图及弯矩图如图所示：大臂的受力图和弯矩图2.4 本章小结本章根据码操机器人的工况及载荷特点介绍了码操机器人的主要技术参数和本体构成，对码躲机器人的本体构型进行详细的描述，利用“平行四边形”原理，保证末端执行器的轴线始终与地面垂直，初步完成了四自由度码操机器人本体规划和设计。 3 腰部及关节的设计3.1电机的种类在码圾机器人系统的总体规划与方案设计完成后，首先要进行机器人驱动与传动系统的设计计算。除了确定驱动方式外，还需要确定驱动系统的具体参数，例如各个电机的驱动力矩数值和功率等。电机驱动相对于气压和液压驱动方式，运动速度快，定位精度高，驱动效率高，对温度变化不敏感，噪声和污染都比较小。根据实际的需要，码操机器人选用电机驱动方式。目前，机器人电机主要有以下几种：(1)直流伺服电机：直流伺服电机调速特性好，功率密度大和快速响应特性优异，具有较大的启动力矩，并且直流伺服电机的控制技术成熟，但结构复杂，成本比较高。在500W以内的功率范围，通常釆用直流伺服电机，而本文的码躲机器人各个电机的功率明显要大于500W。(2)步进电机：步进电机控制结构简单，控制性能强，可直接实现数字化控制与调节，具有自锁能力和保持转矩的能力，同时位置误差不会积累，适用于传动效率小和功率不大的小型机器人或关节机器人。(3)交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，使用维修方便，成本较高，可靠性能好，快速响应能力优异，并且交流伺服电机的驱动力矩与电动机本身惯量之比大，可频繁进行正反向和加减速运行，在短时间内具有较好的承受过载能力。码探机器人的关节驱动电机应该具有较大功率质量比、扭矩惯量比、调速范围宽和启动力矩高的特点。特别是码操机器人的腕部关节，由于需要快速响应，应该选用体积小、质量小的驱动电机，并且需要有很高的可靠性、稳定性以及较大的短时间过载能力，交流伺服电机是最优的选择。机器人的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，主要生产厂商有博世、德国西门子、力士乐公司、美国AB公司、日本松下以及安川公司等。其中安川电机瞬时力矩大，可以过载，超低惯量，设定简单，维护简便，灵活性强，相配备的伺服驱动器速度响应达到1.6KHz，减少启动加速时的振动以及停止减速时机械前端的颤动。最终本文选用安川交流伺服电机。3.2减速机的种类码躲机器人末端执行器的运动是由各个关节的运动轨迹合成形成的，末端执行器的定位精度也是取决于所使用驱动装置与传动装置的精度。适用于机器人的精密减速机有以下特点：输出转矩高、回程间隙小、承受倾覆力矩大、刚度大、可润滑性好等。目前，减速机的结构形式和精度都有了很大的进步与发展，RV减速机、摆线针轮减速机、谐波减速机以及行星减速机都可以应用于工业机器人。【10】(1)行星减速机【11】行星减速机主要的传动结构为：行星轮、太阳轮和外齿圈，行星减速机的结构简单，单级的减速比一般不会超过10，同时减速机的极数一般也不超过3。行星减速机具有高刚度，高精度，传动效率高、减速比范围大、输入与输出同轴、方便与电机集成一体化等特点，多数安装在步进电机和伺服电机上，但行星减速机的制造精度要求较高，应用于要求结构紧凑的传动系统。(2)谐波减速机【12】谐波传动是上世纪50年代随着太空科技的发展，基于薄壳弹性形变理论发展起来的一项新型传动技术。经过几十年的发展，谐波减速机不仅应用于空间技术领域，现已推广到能源、机器人、纺织和医疗等诸多领域。谐波减速机的特点如下：1.传动速比大，传动范围广。谐波减速机的单级传动比为70320如果采用复合形式传动，速比可以更高。2.传动效率高。相对于其它类型减速机，在相同的传动比条件下，谐波传动与行星齿轮传动的效率相当。在传动比为时100时，传动效率为85%左右。3.同时哨合的齿轮数多。谐波减速机在工作状态时，同时哨合的齿数可以达到齿轮总数的30%50%这是突出于其他类型减速机的。4.传动精度高。减速机传动零部件在相同的制造精度条件下，谐波减速机的传动精度比其它减速机的传动精度高一级，同时谐波减速机的回差率小，可以实现零回差传动。5.利用其柔性的特点，可以在密闭空间内传递运动，这是其它机械传动都无法实现的传动方式。6.谐波减速机的主要零件柔轮的制造工艺较复杂，承载能力差，因此谐波减速机主要应用于小功率、大传动比的场合。（3）减速机【13】RV减速机是基于摆线针轮传动发展起来的一种新型减速机，20世纪年80代日本幵始研发减速机，国内从90年代初开展了相关研究。减速机的特点是重量轻、体积小、传动效率高和传动速比大。RV减速机主要应用在机器人行业。减速机的结构简图和原理图如图2-3所示。减速原理为：第一级：直（正）齿轮减速输入齿轮与直（齿轮哨合并使之旋转，直（正）齿轮与曲柄轴相连接。在此处，按齿数差减速，该部分为第一级减速。第二级：行星齿轮减速直（正）齿轮驱动曲柄轴，引起两个RV齿轮的偏心运动，RV齿轮相互偏转度以提供平衡负载；RV齿轮的偏心运动引起摆线轮与位于外壳内缘的圆柱形针齿的哨合；如果曲柄轴旋转一周，RV齿轮沿着与曲柄轴的旋转方向相反方向旋转个1齿数的距离。RV齿轮的偏心运动使得轮齿与针齿紧密接触，许多轮齿共同承担负载。输出可以是轴或外壳。如果是外壳固定，那么轴为输出。如果轴固定，那么外壳是输出。 目前，本生产的RV减速机的精度在一弧分以内，为了跟上世界先进水平，发展我国的机器人事业和填补国内RV减速机的空白，我国从“九五”幵始研制高精度传动，并制造出减速机的样机，总体的性能与国外有很大的差距，高刚度、高精度的减速机主要依赖进口。减速机的两大品牌是日本的纳博特斯克原本帝人减速机制造公司和日本住友减速机。两者的产品整体相似，价格也大同小异，住友减速机的封装性和封闭性要优于纳博特斯克减速机，纳博特斯克减速机的输出轴需要自己设计加工制造，由于本文设计的机器人关节所选的伺服电机类型与尺寸各不相同，与电机输出轴配套的减速机的输入轴的尺寸参数不同，选用输入轴非标件比较方便，即自行设计加工减速机输入轴。图2-4左图为RV减速机的立体剖视结构图。图2-4RV减速机实物图【15】工业机器人的关节一般都需要承受较大的倾覆力矩，特别是第一轴的回转关节，相当于悬臂梁结构，机器人的臂展越大，就对机器人基座支撑倾覆力矩的要求越高。若使用其他类型减速机，例如行星减速机或谐波减速机，需要配套使用交叉滚子轴承，而RV减速机自身配有主轴承（类似于交叉滚子轴承），将轴承与减速机集成一体，优点是结构紧凑，可承受倾覆力矩大，可靠性和稳定性好，便于安装与设计。综上所述，由于重量轻、结构紧凑、刚度大、回差小、体积小、传动效率高和传动速比大等优点，减速机是码设机器人传动的最佳选择，因此本文选用RV减速机。在初步构造机器人的总体结构后，可以对各个关节的伺服电机和减速机进行选型与计算。选择电机和减速机的基本要求是使其满足转速、力矩和惯量匹配等要求。电机和减速机在不同工况下，所选择的参数不同，若机器人是连续工作，那么选择匹配的力矩参数应为额定输出力矩；若机器人是周期工作，那么选择匹配的力矩参数应为最大加速力矩。在一般情况下，机器人是以周期工作方式运行的。3.3码躲机器人关节的详细设计3.3.1回转关节T轴的设计T轴是在码操机器人手臂的最前端，即机器人的腕部关节，主要功能是驱动夹持器的旋转。末端的负载由两部分组成：夹持器和包装袋（箱）。包装袋（箱）和负载可以看成一个长方体，长、宽、高分别为a、b、c因此在计算惯量时可以利用公式： （3-4）【16】上式中，m为负载的质量，本文设计的机器人末端承受负载为50，包装箱的尺寸：长为0.9m宽为0.5m代入公式得：J=3.708kg.m2码探机器人在码圾过程中，由于空间位姿的变化，速度与加速度随时都在变化。根据生产节拍需要并初期计算，方案规划阶段确定加速时间为0.1s，轴的速度与加速度参数为：式中，n4为轴的额定转速，4为轴的角加速度。初选伺服电机是YASKAWA的旋转型伺服电机SGMSV-15A,，额定输出功率为1.5KW。额定转矩为4.9Nm瞬时最大转矩为14.7N.m，额定转速为3000r/min，最高转速为5000r/min，转子转动惯量为2.25*10-4 kg.m2带制动器。减速机选用纳博特斯克的RV-40E减速机，减速比为81:1，输出转矩为334N.m容许加速减速转矩为1029N.m，瞬时最大容许转矩为2058Nm,减速机输入轴惯性矩为2.4*10-5 kg.m2。T轴减速机输出端的负载转动惯量换算到电机端为：负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为： （3-5）机器人系统对惯量匹配的要求是负载的惯量与伺服电机的惯量比值小于15，上式计算两者比值小于4，即惯量得到了匹配。T轴在启动加速阶段，加速力矩与加速度的数值成正比例关系：RV-40E减速机在转速35r/min时，效率为90%，伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩为： （3-6）伺服电机提供到减速机末端的转速为：负载启动时所需要的启动转矩小于伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩，且伺服电机提供到减速机末端的转速为大于该关节的额定回转角速度，因此所选择的伺服电机和减速机是合适的。回转关节轴的电机和减速机的参数如表3-2所示：表3-2T轴电机和减速机参数【17】伺服电机RV减速机型号SGMSV-15ARV-40E-81-B-B额定功率/KW3000-额定转速/rpm2.25-转动惯量/10-4 kg.m24.60.24重量/KG-9.5减速比500081最大转速/rpm4.970额定转矩/N.m14.7334最大转矩/N.m2058RV减速机对装配精度、润滑、密封、安装等条件要求极为严格，为发挥最佳性能，设计时需要注意。T轴关节减速机的安装如图3-5所示。确保轴承挡圈不会碰到电机安装座；设计电机安装座时必须在公差范围内，安装精度低会引起振动和噪声；在减速机使用前，确保封入指定量和指定型号的润滑脂，如纳博特斯克制造的Molywhite RE00润滑油；减速机安装座与减速机之间，减速机输出轴端与末端输出轴之间使用密封圈密封；紧固输出轴的螺栓是用规定的转矩梓紧的；伺服电机内部配有密封圈，但设计关节时，还需要密封圈进行减速机与伺服电机之间的密封。伺服电机的输出轴一般有两种形式：直轴、不带键槽与直轴、带键槽、带螺孔。使用直轴、不带键槽传动时，需要在电机轴输出端使用联轴器或者动力锁，造成结构上的不紧凑，密封、维护和润滑也不方便，与减速机输出轴的连接不合适。因此选用直轴、带键槽、带螺孔，安装时只需要平键和电机固定螺栓预紧即可完成转矩传递。在电机安装座和输出轴端部都需要安装油嘴和放油孔，润滑油需要定期的更换。图3-5中的主轴承是减速机上自身配备的轴承，完成的功能类似于交叉滚子轴承，承受轴向力和负载的弯矩。3.3.2旋转关节轴的设计计算码设机器人旋转关节轴的驱动转矩，需要机器人本体的尺寸参数，这个尺寸参数是根据后面章节所叙述确定下来的，将在下一章详细论述。旋转关节轴伺服电机的负载转动惯量是整个机器人旋转时产生的转动惯量。由此，只需要求出机器人最大负载转动惯量。设主构架、大臂、小臂及腕部绕各自重心轴的转动惯量分别为根据平行轴定理，可得绕S轴的转动惯量为： （3-7）式中，m1、m2、m3、m4 分别为腰部、大臂、小臂以及手腕的估算质量，需要注意的是腰部的质量不仅是机械结构本身的质量，还有L轴关节和U轴关节的电机和减速机的质量，腕部的质量有轴关节的电机、减速机和负载的质量。m1、m2、m3、m4 的数值分别为220kg、60kg、40kg和100kg。L1、l2、l3 和l4分别为各部件的重心到旋转关节S轴的轴线处的距离，由于，故可以忽略不计，腰部的重心在旋转关节轴的轴线上，故l1 的数值为0。同时通过充分的分析与估计，l2、l3 和l4 最大值分别为400mm，1000mm，2000mm。因此可以容易得到各个部件绕自身重心的转动惯量。S轴机座旋转轴的等效转动惯量为：S轴的速度与加速度的参数为：式中，n1为S轴的额定转速，1为轴的角加速度。初选伺服电机是YASKAWA的旋转型伺服电机SGMSV-50A,，额定输出功率为5KW。额定转矩为15.8Nm瞬时最大转矩为47.6N.m，额定转速为3000r/min，最高转速为5000r/min，转子转动惯量为14.5*10-4 kg.m2带制动器。减速机选用纳博特斯克的RV-320E减速机，减速比为185:1，输出转矩为334N.m容许加速减速转矩为7840N.m，瞬时最大容许转矩为12250Nm,减速机输入轴惯性矩为1.79*10-5 kg.m2。轴减速机输出端的负载转动惯量换算到电机端为： (3-9)负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为： ( 3-10)机器人系统对惯量匹配的要求是负载的惯量与伺服电机的惯量比值小于15，上式计算两者比值为惯量得到了匹配。S轴在启动加速阶段，加速力矩与加速度的数值成正比例关系： (3-11)RV320E 减速机在转速35r/min时，效率为90%，伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩为：(3-12)伺服电机提供到减速机末端的转速为：负载启动时所需要的启动转矩小于伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩，且伺服电机提供到减速机末端的转速为大于该关节的额定回转角速度，因此所选择的伺服电机和减速机是合适的。旋转关节S轴的电机和减速机的参数如表3-3所示：表3-3S轴电机和减速机参数【18】伺服电机RV减速机型号SGMSV-50ARV-40E-81-B-B额定功率/KW5-额定转速/rpm3000-转动惯量/10-4 kg.m214.50.4重量/KG16.547减速比-185最大转速/rpm500035额定转矩/N.m15.83136最大转矩/N.m47.612250一般工业机器人在选择第一关节轴时，偏向于使用减速机的C系列，C系列对比系E列有以下特点：(1)C系列是中空结构：电缆可以穿过减速机内部，结构紧凑，节省设计的空间；(2)系列内部有压力角球轴承：相对于E系列减速机，C系列的压力角球轴承型号更大，增加可靠性，降低总成本，内置角接触轴承结构提高了支撑外部负载的能力，增加了力矩刚性及最大允许力矩，减少了所需要组件的数量，使安装和维护简单化。以上两点是C系列较E系列优异的方面，但同时使C用系列减速机时需要电机偏置，造成多一级齿轮传动，底座的设计与制造精度和难度将大大提高，对安装与维护的要求也会变高，并且C系列的成本要比系列的成本高出很多。本文的第一轴S轴的选择是E系列，主要是考虑到：电机与减速机同轴，设计与安装制造方便，使用与维护起来成本低，由于第一关节S轴的旋转角度范围往往达不到360，电缆可以直接固定在基座上，设计负载为50kg，S轴的弯矩在系列减速机可承受弯矩的范围内，在极端的工作负载下，可以对机器人的轨迹进行合理规划，避免弯矩过大造成的减速机损坏。S轴关节的结构与T轴关节的结构相似，本文不再详细叙述。3.3.3小臂旋转电机的选择大臂旋转轴L轴和小臂旋转轴U轴的计算方法较T轴和S轴繁琐，驱动力矩是以关节转动角度为自变量的函数，因此根据实际需要与设计经验对大臂和小臂的最大驱动力矩进行计算以达到设计要求。由第二章中对机构的分析知，小臂旋转力的最大力矩为：选择小臂旋转轴和大臂旋转轴的驱动电机，如下表所示：表3-4为L轴电机和加速机的参数，表表2-5为U轴电机和减速机参数。表3-4L轴电机和减速机参数【19】伺服电机RV减速机型号SGMSV-30ARV-160E-101-B-B额定功率/KW2.9-额定转速/rpm1500-转动惯量/10-4 kg.m254.50.151重量/KG13.528减速比-101最大转速/rpm300045额定转矩/N.m18.61568最大转矩/N.m45.17840电机减速机输出转矩：TL =45.1101N.m=4555N.m电机减速机输出额定转速：rL =1500/101=14.85r/min由于小臂受力的旋转矩小于伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩，所以选择的伺服电机和减速器是合适的。3.3.4大臂旋转电机的选择由第二章中对机构的分析知，大臂旋转力的最大力矩为：选择小臂旋转轴和大臂旋转轴的驱动电机，如下表所示：表3-4为L轴电机和加速机的参数，表表2-5为U轴电机和减速机参数。表3-4L轴电机和减速机参数【20】伺服电机RV减速机型号SGMSV-30ARV-160E-101-B-B额定功率/KW2.9-额定转速/rpm1500-转动惯量/10-4 kg.m254.50.151重量/KG13.528减速比-101最大转速/rpm300045额定转矩/N.m18.61568最大转矩/N.m45.17840电机减速机输出转矩：TL =45.1101N.m=4555N.m电机减速机输出额定转速：rL =1500/101=14.85r/min由于大臂受到的旋转力的力矩小于伺服电机能提供到减速机末端的输出转矩(4555Nm)，所以选择的伺服电机和减速器是合适的。3.5 本章小结本章根据码操机器人的工况及载荷特点介绍了码操机器人的主要技术参数和本体构成，同时介绍了机器人常用驱动电机和减速机的类型与特点。最后通过计算，确定驱动电机和减速机的型号，并建立机器人的三维模型，给出各关节的详细结构。4手部的设计4.1 手部的结构设计4.1.1 概述工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：(1)夹钳式取料手(2)吸附式取料手(3)专用操作器及转换器(4)仿生多指灵巧手本文设计对象为码垛机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个钳形手指，其外形如图3.1所示 图4.1 机械手手指形状4.1.2 设计时应考虑的几个问题 1 应具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2 手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。3 应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V形面的手指，以便自动定心。4 应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。5 应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。4.1.3 手部夹紧力的计算拟定物仓储机器人手部最大抓取重量为50kg。并采用气压缸执行手指的夹紧动作。如下图3-2所示。图4-2 手部结构简图手指的长度设定为30cm，货物的宽度为50cm，气压缸到指关节的竖直距离为10cm，由夹取货物时系统平衡可以得到夹取货物最小的夹紧力F有如下关系：所以本设计中手部的夹紧力为625N。手部中的手指，手指关节等的详细尺寸设计见零件图。4.2 气压缸的选择4.2.1 气压缸的简介单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。单作用气缸的特点是：【21】 1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。 2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输力。 3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。 4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。 由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。二、双作用气缸工作原理图【22】双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。 1）双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。 缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。 三、缓冲气缸图缓冲气缸【23】1活塞杆；2活塞；3缓冲柱塞；4柱塞孔；5单向密封圈；6节流阀；7端盖；8气孔 缓冲气缸对于接近行程末端时速度较高的气缸，不采取必要措施，活塞就会以很大的力（能量）撞击端盖，引起振动和损坏机件。为了使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击现象。在气缸两端加设缓冲装置，一般称为缓冲气缸。缓冲气缸见上图，主要由活塞杆1、活塞2、缓冲柱塞3、单向密封圈5、节流阀6、端盖7等组成。其工作原理是：当活塞在压缩空气推动下向右运动时，缸右腔的气体经柱塞孔4及缸盖上的气孔8排出。在活塞运动接近行程末端时，活塞右侧的缓冲柱塞3将柱塞孔4堵死、活塞继续向右运动时，封在气缸右腔内的剩余气体被压缩，缓慢地通过节流阀6及气孔8排出，被压缩的气体所产生的压力能如果与活塞运动所具有的全部能量相平衡，即会取得缓冲效果，使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击。调节节流阀6阀口开度的大小，即可控制排气量的多少，从而决定了被压缩容积（称缓冲室）内压力的大小，以调节缓冲效果。若令活塞反向运动时，从气孔8输入压缩空气，可直接顶开单向阀5，推动活塞向左运动。如节流阀6阀口开度固定，不可调节，即称为不可调缓冲气缸。 气缸所设缓冲装置种类很多，上述只是其中之一，当然也可以在气动回路上采取措施，达到缓冲目的。四、薄型气缸 特点：缸筒与无杆侧端盖压铸成一体，杆盖用弹性挡圈固定，缸体为方形。用途：常用于固定夹具和搬运中固定工件等。4.2.2 气压缸的选择由手指的夹紧力及各种气压缸的用途和优缺点可以对所采用的气压缸进行选择。经过比对，本设计采用MCCN型双作用单活塞杆式气缸。其部分规格如下图4-2-2-1所示。气缸压力计算公式如下：推力：Ft(N)=0.25TDDP拉力：Fl(N)=0.25T(DD-dd)PD:活塞直径 d活塞杆直径 P:工作压力(MPa）由于本设计采用的气压缸作用效果主要是靠拉力作用，因此采用拉力公式进行气压缸的计算。如下：由 得 图-2-2-1MCCN型气压缸的部分型号【24】图4-2-2-2MCCN型气压缸的部分型号的尺寸【25】所以选择内径为25mm的气缸。由其参数对气缸进行校核，如下：因为1866NF=650N，所以选择的气缸输出力能达到要求。综上所述，本设计采用内径为25mm的气缸。即选用型号为MCCN-11-25的气压缸。4.3 本章小结本章通过手部的载荷，对爪手的夹紧力进行计算，得到手指的夹紧力。并对
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