3 面粉码垛机器人的结构设计

3面粉码垛机器人的结构设计3.1面粉码垛机器人底座及其驱动设计本文研究的六轴面粉码垛机器人底座作为机器人整体结构的承载部位，同时还要兼顾调整工作位置的职能。为了保障底座的稳定性和载荷能力，底座结构设计如图9所示。该结构采用蜗杆减速驱动，驱动电机位于结构的右侧，通过蜗杆转动带动蜗轮转动，蜗轮位于底座中心位置，可以有效避免偏心振动对工作精度的影响。驱动电机与底座外壳联结，保证了运动时不会受外在因素的干扰，进而进行稳定工作。动力由蜗轮通过键槽传递到回转轴上，进而传递到整个机构上，使机器人能够精确地调整工作位置，完成码垛操作。3564123564121.底座2.蜗轮3.伺服电机4.支撑轴承5.回转轴6.蜗杆图9底座结构图3.2面粉码垛机器人腰部设计基于作业任务需求，本文研发的六轴面粉码垛机器人的腰部机构主要由大臂和平衡杆构成，各个关节处采用转动轴的设计方式，来保证关节的灵活性。底座作为整个机器人的承载机构，既要承载臂部和端部结构，又要调整工作位置。因此，其设计还需要考虑静动态时的稳定性，腰部结构设计如图10所示。左侧伺服电机带动大臂转动，来实现机器人腰部机械结构的整体调动工作；右侧伺服电机带动连杆转动，平衡杆与连杆连接，并与连接座相连，连杆转动带动平衡杆摆动，从而连接座转动。平衡杆一端与大臂和连杆构成平行四边形，这个设计结构保证了端部的中心轴线垂直，设计的平衡杆能在一定程度上减少突发情况带来的震动问题。1.底座2.伺服电机3.大臂4.连接座5.平衡杆6.连杆图10腰部结构图3.3面粉码垛机器人小臂设及腕部设计在六轴面粉码垛机器人中，小臂和腕部构成了机器人末端的重要组成部分，该部分负责与物品进行接触并完成码垛工作。小臂的具体结构如图11所示，其运动由三个伺服电机提供动力，这三个电机分别通过齿轮的啮合来带动小臂轴、腕部轴以及末端夹爪轴的转动。1.整体转动伺服电2.支撑座3.腕部转4.末端夹爪转动轴5.腕部6.小臂轴7.轴承8.齿轮9.腕部转动伺服电机10.末端夹爪转动伺服电机图11小臂结构图如图12所示，本文重点探讨了六轴面粉码垛机器人腕部结构设计。采用三轴层层嵌套的方式，并通过齿轮啮合的方式带动工作。腕部转动的带动工作通过伺服电机对大锥齿轮的驱动来实现的。同时，小锥齿轮带动圆柱齿轮转动，圆柱齿轮再通过小锥齿传动，带动末端转动锥齿轮，从而实现末端夹爪的转动。这种设计有效保障了机器人末端夹爪能够精准抓取和灵活转动，更好的应用到各种物品的搬运工作中。1.连接板2.末端连接轴3.末端转动锥齿轮对4.圆柱齿轮对5.外壳6.腕部转动锥齿轮对7.末端转动锥齿轮对图12腕部结构图3.4面粉码垛机器人末端执行器设计末端执行器与上述腕部底座进行法兰连接，可以实现转动，其实现物体的夹爪，其结构图如图13所示。气缸活动端与夹爪末端及滑块连接，气缸上下运动推动滑块沿轨道运动，滑块与两指连接，实现指关节的张合动作。1.气缸2.夹爪3.连接板4.滑块5.固定块图13夹爪结构图3.5面粉码垛机器人整体结构整体模型将上诉各个部位完成装配后，我们得到了六自由度机械手的三维模型，如图14所示。该模型以转动关节为核心，实现了六个自由度的设计。底座可旋转，带动整个机构转动，而各关节则通过转动关节紧密相连。这种设计不仅保证了机械手的灵活性，还简化了结构，提升了整体性能，并且能够在大范围的工作空间作业。图14整体结构图4面粉码垛机器人主要部件的计算及选型4.1伺服电机的计算及选型本文深入计算与分析了机械大臂的伺服电机选型。在面粉码垛机器人大臂垂直且前端伸展至最远端时，J2轴处于受力最大的危险状态，因此需特别关注其受力情况。臂即J2轴处于最危险状态，承受的力最大。对于J2轴，我们使用三维软件SolidWorks对其模型进行建模，并添加材料Q235进行测量，发现其质量为m2=24.795kg，转动惯量为1.45kg·m2，质心到其自身轴线的平行路程为630mm。此外，J2轴的最大转速为150°/s。通过上述数据的分析，选用转速为3000r/min的交流伺服电机。考虑到J2轴需驱动小臂和前端迅速前伸，此过程中速度会经历变化。具体来说，速度从零迅速增至某值后保持稳定，最终再缓慢减至零。整个速率变化过程可分为三个阶段：加速段t1（0.2s），匀速段t2（0.4s），以及减速段t3，其数值为0.2s。根据上述数据，J2轴的驱动力矩M可以通过以下公式计算得出：M=M1+M2运行时大臂的角加速度为：a=wt1=150×π180÷0.2=13.9ras/s2则运行时的惯性力矩为：M1=J2×a=1.45×13.9=20.155N.m静力矩为：M2=mgl=24.795×9.8×0.63=153.084N.m（相较于其他力矩而言，关节的摩擦力矩几乎可视为0。然而，在机器人启动时，考虑到非匀加速等复杂因素，我们引入系数1.2进行修正。由此，J2轴的驱动力矩可表示为：M=M1+M2×1.2=207.8868N.m完成电动机的最大负载力矩的经过计算分析，为确保准确性，需进行校核检验。具体方法是将最大负载力矩转换为伺服电机输出端的转矩值，以下为详细计算过程。：M电机=Mη×i=207.88680.94×100根据以上计算分析，选用电机型号为安川s-GM-gh-bb-Baa。4.2齿轮的计算及选型针对腕部传动的圆柱齿轮进行计算，因为伺服电机经过减速，所以输出端速度较低，小齿轮采用40Cr材料，经调质处理；大齿轮则选用ZG35CrMn材料，同样进行调质处理。为确保传动效率和能力，主动齿轮齿数定为50，传动比设为1，故大齿轮齿数亦为50。模数选定为2。这些选择均基于齿面接触疲劳强度的综合考量，我们有以下计算：T=9.55×106×Pn×η=9.55×106在进行传动设计时，我们需要考虑载荷系数的影响，因此我们选择了载荷系数为1.4。根据齿轮的实际使用情况，最终查表得到齿轮的接触疲劳强度极限如下表4-1所示。表4齿轮解除疲劳强度极限齿轮接触疲劳强度极限大齿轮1120Mpa小齿轮1150MPa4.3气缸的计算及选型选用SC-32x150型号气缸，其缸径为32mm，系统压力设为0.5MPa，则F=πr则气缸活塞杆上的推力F1：F1=π4D则气缸活塞杆上的拉力F2：F2=π式中，F1代表活塞杆推出时的推力，F2代表活塞杆拉回时的拉力，D为气缸管内径（活塞直径），d为活塞杆直径，P为气源压力，ß为负载率。（慢速时ß=65%，快速时ß=30%）。由以上计算可得，气缸的有效推力为132N。而在气缸伸缩的过程中，需要克服导向滑块的摩擦力为：f=μN=0.05X0.5X9.8N=0.245N（4-11）重力为：G=Mg=0.5X9.8=4.9N（4-12）则受力总和为：F合经过计算分析，所选气缸的有效推力为132N，远大于摩擦力5.145N，因此该选型符合设计要求。5面粉码垛机器人的ANSYS模拟仿真5.1面粉码垛机器人的腰部有限元分析六轴面粉码垛机械臂作业中，机械大臂是关键部件，其强度与安全性至关重要。本章运用ANSYS对前述机器人进行静态与模拟分析，以验证设计的面粉码垛机械手在结构上的合理性与安全性。具体地，将大臂模型导入有限元软件的静应力分析模块，通过软件计算，分析机械臂的等效应力和位移云图，进而评估其强度和刚度，从而确保设计的合理性。5.2模型简化为确保ANSYS分析准确反映机器人动态性能，对模型进行简化处理，提升分析效率与准确性。具体简化如下：（1）忽略关节摩擦、整体刚度和负载影响较小的特征，如小孔、螺栓等。（2）简化传动联结与配合关系。（3）不计重力导致的地基及小部件变形。（4）假设机械手为密度均匀的弹性体。（5）忽略安装应力及外部环境变化引起的应力应变。5.3模型划分网格为了高效准确地分析六轴面粉码垛机器人的动态性能，采用了六面体网格划分方法，此方法高效且精确。具体操作为：导入几何模型后，进行网格划分，选用六面体主导网格，设置整体模型网格体尺寸为20mm。划分后，机械大臂节点数达144672，单元数78060。节点与单元数量充足，能有效减少分析误差。使分析结果更加接近实际工作时的数值。网格划分如图15所示。5.4定义载荷和约束本文设计的面粉码垛机器人固定在制定工作位置，其余臂部设计依靠大臂与底座间的旋转轴在进行连接时，需对底座实施完全约束。鉴于整体模型是装配体，我们设置了固定接触，并对轴座与销轴间采用摩擦接触。为模拟实际作业环境，我们添加了重力，并特别关注了机械臂部分。施加300N竖直向下的载荷用来模拟30kg重物的搬运。具体情况可参见图16。本文所设计的六轴面粉码垛机器人的各种轴类材质选用45#钢，其余部分则选用Q235钢，材质属性如表5所示。表5机械臂回转范围及工作速度材料类型弹性模量泊松比密度抗拉强度屈服强度45#209GPa0.267890kg/m3600MPa355MPaQ235212GPa0.287860kg/m3390MPa235MPa图15网格划分图16施加边界条件5.5结果与分析通过有限元分析机械手，利用solve选项得到整体结果，使用hide功能对各部分进行详细分析。在整体和部分分析任务完成后，总结得出大臂和腕部为本设计的薄弱部位。再次对这两个部位单独进行二次分析，为所设计的码垛机器人作业的安全性和可靠性提供足够的实验支撑。基于ANSYS软件的staticstructural分析结果显示，如图17所示，整个机架的受力分布相对均匀。最大变形发生在腕部末端与夹爪连接处，变形值为0.205mm。在二次分析的部件