型钢码垛机器人设计与研究

-PAGEII-钢码垛机器人设计与研究摘要随着工业自动化和智能制造技术的快速发展，型钢码垛机械手在工业生产中发挥着日益重要的作用。本文旨在探讨型钢码垛机械手的结构设计，以满足高效、精准、稳定的码垛需求。通过对机械手的关节设计、臂部结构、末端执行器以及安全设计等方面的深入研究，实现型钢码垛机械手的优化设计与性能提升。首先，关节设计方面，本文采用关节铰链式结构，通过伺服电机和减速器的驱动，确保机械手的精准运动。共具有腰部转动、大臂转动、小臂转动、小臂旋转、腕部转动的5个自由度运动。完成各个关节的驱动电机和执行机构的选型设计、采用三维建模软件完成整机的三维建模和关键零部件的有限元强度分析。通过本文的研究，型钢码垛机械手的结构设计得到了优化和改进，为工业生产提供了更加高效、精准、稳定的码垛解决方案。同时，本文的研究成果为其他类型机械手的结构设计提供了有益的参考和借鉴。关键词：码垛机械手，传动系统，伺服电机

DesignandResearchofSteelStackingRobotAbstractWiththerapiddevelopmentofindustrialautomationandintelligentmanufacturingtechnologies,thestructuralsteelpalletizingmanipulatorhasplayedanincreasinglyimportantroleinindustrialproduction.Thispaperaimstoexplorethestructuraldesignofthestructuralsteelpalletizingmanipulatortomeetthedemandsforefficient,accurate,andstablepalletizing.Throughin-depthresearchonthemanipulator'sjointdesign,armstructure,end-effector,andsafetydesign,theoptimizationandperformanceenhancementofthestructuralsteelpalletizingmanipulatorareachieved.Firstly,intermsofjointdesign,thispaperadoptsajointhingestructuredrivenbyservomotorsandreducerstoensureprecisemotionofthemanipulator.Itpossessesfivedegreesoffreedom,includingwaistrotation,largearmrotation,smallarmrotation,smallarmtwisting,andwristrotation.Theselectionanddesignofthedrivemotorsandactuatorsforeachjointarecompleted,andthree-dimensionalmodelingsoftwareisusedtocompletethethree-dimensionalmodelingoftheentiremachineandthefiniteelementstrengthanalysisofcriticalcomponents.Secondly,regardingthearmstructuredesign,high-strengthmaterialsareusedtofabricatetheconnectingrodstoensurestabilityunderloadconditions.Lightweightdesignisadoptedtoreducethemanipulator'sself-weight,increaseitsmotionspeedandacceleration,andlowerenergyconsumption.Additionally,thearmstructureisoptimizedtoenhanceitsrigidityandfatigueresistance.Fortheend-effector,thispaperdesignscorrespondinggraspingmechanismsbasedontheshape,size,andmaterialofthestructuralsteel.Modulardesignfacilitatescomponentreplacement,maintenance,andupgrades,reducingmaintenancecosts.Simultaneously,thestructureandperformanceofthegraspingmechanismareoptimizedtoimprovegraspingaccuracyandstability.Lastly,safetydesignisakeyfocusofthispaper.Keywords:palletizingmanipulator,transmissionsystem,servomotor目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1研究目的和意义 11.1课题背景 11.2国内外研究进展 21.2.1国外研究进展 21.2.2国内研究进展 31.3本课题的主要研究内容 41.4本章小结 4第2章码垛机器人的方案设计 52.1码垛机器人的分类 52.2码垛机器人的预期目的 62.3方案的确定 72.4动力方式选择 72.5本章小结 8第3章码垛机器人总体结构设计 93.1工作原理分析 93.2腰部的结构设计 93.3大臂的结构设计 93.4小臂的结构设计 103.5小臂的转动结构设计 103.6腕部的结构设计 113.7夹爪的结构设计 113.8基于SolidWorks的整体结构设计 123.9本章小结 13第4章关键零件的设计及计算 144.1小臂转动的传动方案和结构设计 144.1.1旋转电机选型设计 144.1.2旋转齿轮机构的设计 144.2大臂关节选型及设计 194.3小臂关节选型及设计 204.4腰部旋转关节选型及设计 204.4.1确定驱动电机 204.4.2传动系统的传动参数 214.4.3蜗轮蜗杆减速器结构设计 214.5本章小结 24第5章有限元仿真校核计算 255.1有限元分析方法计算过程 255.2大臂有限元分析 255.3底座转架有限元分析 275.4本章小结 30第6章经济效益分析 316.1经济前景分析 316.2制造成本分析 336.2.1标准件经济成本分析 336.2.2非标准件经济成本分析 336.2.3工时经济成本分析 336.2.4成本核算 34结论 35参考文献 36致谢 37

-型钢码垛机器人设计与研究第1章绪论1.1研究目的和意义1.1课题背景随着工业4.0时代的到来，自动化和智能化生产已成为工业发展的必然趋势。在仓储、物流、制造等行业，自动化设备的广泛应用大大提高了生产效率，降低了人力成本。其中，码垛机械手作为一种重要的自动化设备，在货物码垛、搬运等领域发挥着越来越重要的作用。码垛机械手是集机械、电子、计算机、传感器等多学科技术于一体的智能装备。它可以根据预设的程序，自动抓取、搬运、码放不同形状、尺寸的货物，实现货物的自动化、智能化处理。近年来，随着物流行业的快速发展，对码垛机械手的需求也日益增长。然而，目前我国在码垛机械手领域的技术水平相对滞后，大部分高端设备依赖进口。因此，加强码垛机械手的研究与开发，提高自主创新能力，对于推动我国工业自动化进程、提升国际竞争力具有重要意义。码垛机械手可以实现货物的快速、准确码垛，大大提高了生产效率。与传统的人工码垛相比，码垛机械手可以在短时间内完成大量货物的码垛工作，减少了人力投入，缩短了生产周期。随着人力成本的不断上升，企业对于降低人力成本的需求日益迫切。码垛机械手的引入，可以替代部分人工操作，降低企业的人力成本。同时，机械手还可以避免人工操作中的安全隐患，提高工作安全性。码垛机械手采用精确的控制系统和传感器，可以实现对货物的精确抓取和码放。这不仅可以保证货物的整齐排列，还可以避免货物在搬运过程中的损伤，提升产品质量。码垛机械手作为自动化设备的代表，其研发与应用可以推动工业自动化进程。随着自动化设备的普及和应用，企业的生产效率将得到进一步提升，产品质量将更加稳定可靠，从而推动整个行业的升级转型。码垛机械手的研发涉及多个学科领域的技术融合与创新。通过深入研究码垛机械手的控制算法、传感器技术、机械结构设计等方面的问题，可以促进相关技术的创新与发展。同时，随着码垛机械手在各个领域的应用推广，将带动相关产业的升级转型，推动产业链的优化与发展。当前，全球范围内对于自动化设备的需求不断增长。我国在码垛机械手领域的技术水平和市场份额仍有较大提升空间。通过加强码垛机械手的研究与开发，提高自主创新能力，可以推动我国在该领域的国际竞争力提升，为我国工业自动化产业的国际化发展提供有力支撑。1.2国内外研究进展1.2.1国外研究进展图1-1FUJI码垛机器人图1-2ABB码垛机器人图1-3KUKA码垛机器人1.2.2国内研究进展1.3本课题的主要研究内容本文所做的工作包括：1)研究了码垛机器人的组成，具有多个自由度，可以完成型钢的物料搬运。2)单节工字钢：预估重量为15kg。3)对码垛式机器人的整体结构进行了设计，并对构成码垛式机器人的各部分进行了选择与设计。底盘、大臂、小臂等结构，主要是电机的选择、减速装置的选择和强度的检查。腕部的电机和减速装置的选择，传动装置的选择和强度的检查。4)利用SolidWorks软件对各个零件进行了三维建模，并对其薄弱零件完成了有限元强度分析设计。1.4本章小结本文首先介绍了码垛式机器人，然后在参考了国内外有关文献之后，确定了本文的研究目标及重要性，并给出了总体的设计思路，并对其在应用中存在的一些问题进行了分析，提出了相应的对策。第2章码垛机器人的方案设计码垛机器人能够完成预先设定的任务，达到精确的位置，并且稳定。本文设计的机器人是一种利用多个关节，能够完成对特定地点的货物的装卸和处理。2.1码垛机器人的分类（1）直角坐标式这种类型的机器人主要应用于高精度运动、物料搬运等场合，其优点是编程容易，缺点是需要导向装置，它具有较低的通用性、较大的占地面积、较低的机动性和较大的机械结构。图2-1直角坐标式（2）关节坐标式该机器人的结构与人类的胳膊相似，只使用了几个旋转的关节来实现机器人的动作。其不足之处在于其构造比较复杂，不易操纵，而且负载的质量也不高，因此通常采用此结构。图2-2关节坐标式（3）圆柱坐标式圆柱坐标结构是指机器人在水平面上做回转运动，在其他方向做直线运动。该型机械臂结构相对简单，但精确度尚可，经常被应用于装卸操作。它的作业区域为圆筒形。图2-3圆柱坐标式（4）球坐标式球体坐标系是指机器人手臂进行回转、俯仰及伸缩运动。该机器人结构简单，造价低廉，但是准确性较差。它的工作区域为类球面结构，用于装卸操作。图2-4球坐标式通过对以上四种设计方法的比较，从实现相对简洁、便于操作的角度出发，选择了具有关节坐标式的机械臂作为驱动机构；该系统能达到机械的移动需求。2.2码垛机器人的预期目的码垛式机器人在结构上应该满足下列条件：(1)该机的机械构造较为简便，具有较好的实用性。(2)本机使用简单，容易让使用者迅速掌握。(3)提高了机械的安全性，避免了对操作者的意外伤害。(4)该材质抗腐蚀能力强，抗磨损能力强。(5)设备的后期清洁和维修方便。(6)满足环境保护的需要。(7)机床要尽量节约费用，节约费用。2.3方案的确定本文所研制的码垛式机器人，适用于型材的装载和运输。本机按照作业的需要，分为底座、腰、臂、腕等5个自由度。其驱动形式为电机和减速齿轮共同作用，采用夹爪完成型材的搬运和夹紧。2.4动力方式选择（1）电动方式电动传动的优势：因为电动机是当今机器中最普遍的传动装置，而电动装置的应用场合也更多样，所以，在电机的发展过程中，电机的类型也越来越多，根据电源的驱动方式，可以将其分为直流电机、交流电机，根据能否精确地停止，可以将其分为同步电机、异步电机、伺服电机、步进电动机等。电动传动的优势在于购置成本低廉，无需外部搭建电源，转速稳定，容易实现。缺陷：动力性能差，通常要配合减速机或变速器。（2）气动方式采用气动传动装置，优势是工作介质洁净，无污染，动作迅速。缺陷：传动性能差，通常无法实现大负荷的传动。噪声大，不能再高温环境下运行。定位控制不能实现，只能实现最后两个定位的往复动作。（3）拖拉机牵引方式总体构造相对比较简单，动力传递是由牵引拖拉机的主轴来驱动，无需外部电源，可以确保整机的平稳运行。（4）方案确定通过分析上述方案，选择电动机作为动力传递方式，整体结构较为简单，能够适用于各种工作场合。2.5本章小结在这一章里，分别对码垛机器人、铰链坐标系、圆柱坐标系和球坐标式机器人的特性进行了解读，并与市场上的各种码垛型机器人作了比较；得出它们各自具有优点，但也有共性不足之处，从而使码垛机器人的设计目标更加清晰。在此基础上，通过比较已有的各种方案，并对其进行结构分析，阐明每种方案的优缺点，最后将铰链坐标机械臂作为此次堆码机器人的最后结构。在驱动形式方面，对电力驱动、气压驱动和液压驱动三种驱动模式进行了对比分析，最后确定了驱动模式为电动机。

第3章码垛机器人总体结构设计3.1工作原理分析本文设计码垛式机器人主要负责搬运和卸载型钢，因此对其进行了结构的设计，码垛式机器人的腰部有一个可转动的关节，从而实现了腰部的回转。利用旋转的铰链来实现大臂的旋转。小臂为并联四连杆结构。手腕构造使用独立的旋转关节。整个码垛式机器人采用5个自由动作，使其整体移动更加稳定，能够很好地适应移动的需要。此码垛机器人共有五个自由度，每一个自由度的实施方法为：电机经由蜗杆机构带动腰部转动；由电动机驱动大臂的活动关节，驱动减速装置旋转；小臂的活动关节通过小臂驱动并联的四连杆；小臂旋转部分使用电机驱动齿轮，以实现整个结构的传动；腕部关节采用电机旋转，实现腕部转动。3.2腰部的结构设计腰部承受整机的重量，并起到旋转机构的功能，在腰部外侧装有一个驱动电机，由电动机带动蜗杆旋转，可以带动整机的转动。图3-1腰部转动结构3.3大臂的结构设计大臂由电动机、减速机和由电动机驱动的连杆结构组成。电机、转轴及减速装置安装于大臂与传动关节之间的关节部，以达到驱动大臂转动运动的目的。图3-2大臂转动结构3.4小臂的结构设计小臂的结构是由一个并联四杆机构组成，外部有一个电机、一个转轴和一个减速器，它可以带动一个并联四杆机构的移动，从而使小臂可以进行上下移动。图3-3小臂转动结构3.5小臂的转动结构设计为使该机器人能在各种姿势下均能达到对物料的处理和装载需求，本文采用了小臂转动装置，该装置由传动电机驱动齿轮，并由齿轮带动小臂转动。这样就可以完成小臂的旋转。图3-4腕部结构3.6腕部的结构设计本文设计了腕部关节，能够调节夹爪的动作姿态，通过驱动电机带动腕部关节转动，进而，能够带动夹爪完成转动，整体结构如下图所示。图3-5腕部结构3.7夹爪的结构设计根据型钢的尺寸，完成了气动夹爪机构的结构设计，采用气缸驱动，可以完成型钢的夹取作用，整体结构如下图所示。图3-6夹爪结构3.8基于SolidWorks的整体结构设计三维软件是一种非常有用的设计手段，可以让设计师更加直接地建立起整个机器的三维模型，并且可以看到每一个部件的设计是不是正确的，这可以让设计者的工作效率得到很大的提升。在该模型的指导下，进行了相应的二次平面图绘制及结构优化等工作。SolidWorks是一款应用最为广泛的非标产品的三维造型工具，该产品的特点是易于用户掌握，总体的界面更加直观；另外SolidWorks还提供了各种辅助工具，内置了各种常见的零件和零件，大大缩短了设计者的工作时间。本项目拟利用SolidWorks软件对码垛式机器人进行整体造型。其具体的构造，基本上是按照上述的尺度结构来进行的，其设计思路是按照由下往上的原理来进行的，先对一些关键的非标部件进行加工。在此基础上，以此为依据进行其它零部件的非标类零部件的造型；等所有的部件都建立好了模型，就可以建立一个三维的组件，然后将所有的组件都进行三维拼接。通常要用螺栓、螺母等标准件来进行安装，也可以通过工具box插件等标准的插件，将我们所要求的那些部件，导入到我们所要求的那些部件中，然后在它们之间发生相互干扰等情况下，进行组装和组装；通过对其进行结构的优化，从而实现对上述部件的设计和三维组装。本论文以堆码机器人为研究对象，该装置比较复杂，其构成部件很多，主要有电机、传动部件、连接部件、支承部件等，在实际的设计中，根据各部件的大小，单独建立模型，组装起来，整个设备的结构建模见下图。图3-7码垛机器人整体结构3.9本章小结在此基础上，对码垛式机器人的工作机理进行了详细的研究，并对每一种结构进行了详细的设计，包括基座、腰部机构、大臂转动机构、小臂转动机构及手腕部位等。在此基础上，确定了各机构的总体设计思想，并进行了整体机构的整体设计。

第4章关键零件的设计及计算4.1小臂转动的传动方案和结构设计4.1.1旋转电机选型设计伺服电机是一种常见的工业电机，其得名于其能够精确地跟随和复现输入的指令动作。它广泛应用于各种自动化设备和系统中，如数控机床、包装机械、电子设备等。伺服电机具有高精度、快速响应、低惯性等特点，能够满足各种复杂和精确的运动控制需求。伺服电机的优点在于其高精度和高可靠性。由于其内部结构精密，并且采用了先进的控制技术，使得伺服电机能够实现高精度的位置控制和速度控制。同时，伺服电机还具有快速响应的特点，能够在短时间内达到最大速度或停止。此外，伺服电机还具有低惯性和高效率的特点，能够减少机械冲击和提高系统稳定性。考虑到本次的使用工况要求，本项目选用伺服电机作为驱动电机。转动装置的传动速度为20r/min，预估型钢重量为15kg，并计算出转动力矩。（4-1）（4-2）电机加速的时间为1秒，可以计算转矩（4-3）在保证安全前提下，留有一定的安全系数，选用HF-MP23B型伺服电动机，输出功率0.2kW，最大转矩1.9N.m，满足使用规范。本课题选择的是KB精密伺服齿轮减速器，其速度范围为3~1000，选用了减速比为1:4的行星减速器，选用了额定转矩14.8N.m、齿轮比4、齿轮效率达到97%的KB40-4行星减速器。4.1.2旋转齿轮机构的设计齿轮是一种常见的传动形式，它的特点是能够根据电机的速度变化而产生的刚度传递。齿轮传动既能作加速，又能作减速，但受体积制约，通常情况下，普通的齿轮传动是无法达到大速比的，通常单级的最大速比都在6以下。该装置可以用一个齿轮构成，利用一个齿轮转动，两个齿轮通过啮合来完成彼此的传递，该装置的传输效率很高，通常可以达到99%。图4-1齿轮传动机构从齿轮的工艺特性及力学强度等方面，选用小齿轮40Cr、大齿轮45钢，并对其进行了淬火，以改善其表层硬度；其表面硬度分别为250HBS和220HBS齿轮传动功率为0.2kw，小齿轮转速取50r/min，转速比取2.5。（1）确定齿轮的工作条件1)按齿轮形式，选用直齿轮。2)该装置的加工精度达到7个等级。3)小齿轮的齿数z1=23，大齿轮齿数z2=z1×i=57.5，取57。（2）接触面的应力分析1可求出齿轮尺寸 （4-4）2)参数计算得出①选择KHt=1.3②传输转矩的计算: ③齿形宽度系数为φd=1④区域参数为ZH=2.49⑤材质参量为ZE=189.8√MPa。⑥通过计算得出。 （4-5） （4-6）（4-7）（4-8）⑦确定应力参数查阅表格测定许用疲劳强度在工作条件下，可以得到： （4-9） （4-10）工作转动参数 可以从所述计算的参数中得出(4-11)(4-12)将以上数值进行比较，并将所选内容设置为 3)可计算得出齿轮直径（4-13）（3）计算齿轮直径1)传动装置的传动参数的计算。①计算转速 （4-14）②计算齿轮的宽度 （4-15）2)修正荷载系数①计算出工作状态因子KA=1②求出速度系数Kv=1.1计算出该齿轮的负载参量KHα=1.2依据齿轮的排列方式，确定KHβ=1齿轮修配参数的计算（4-16）调整后的轮齿直径 （4-17）确定模数 （4-18）（4）齿轮的尺寸计算1）齿轮的间距 （4-19）2）齿轮尺寸 （4-20） （4-21）3）齿根圆尺寸 （4-22） （4-23）4）齿顶圆尺寸 （4-24） （4-25）（5）抗弯强度的计算可以根据下式计算 （4-26）齿轮的宽度b=b2=75齿数参数查表确定 选定工作条件参数KFt=1.3能推导出 （4-27）能查表得出传动装置的强度 可求出传动装置的寿命参数 计算许用强度 （4-28） （4-29）完成应力计算 能够达到应用的需要。图4-2小齿轮结构图图4-3大齿轮结构图4.2大臂关节选型及设计大臂关节所使用的电动机必须可以在指定的地方进行停、起等操作，常规的DC无刷电动机不能达到这一要求，必须使用步进电动机或伺服电动机。这两种电动机中，最常见的就是步进电动机，它比较昂贵，但它的步进角度比较小；该系统具有更高精度的定位精度，适用于对停车部位有高需求的场合。步进电动机的步进角度很大，因而对它的停车位置进行精确的控制，但也会受到限制。该方法造价低廉，适用于某些对停车定位精度有一定需求的场合。总之，从该工程实际运行情况来看，采用伺服电动机能够满足系统的需求，并能实现高精度的控制；具有较高的操作稳定性，可以有效地对关节进行保护。转动装置的传动速度为20r/min，预估型钢重量为15kg，大臂重量为5kg，旋转半径为0.65m，并得出转动力矩。（4-30）（4-31）电机加速的时间为1秒，可以计算转矩（4-32）本课题选择的是KB精密伺服齿轮减速器，选用了减速比为1:5的行星减速器，选用了额定转矩30N.m的KB40-5行星减速器。在保证安全前提下，留有一定的安全系数，选用HF-SP51B型伺服电动机，输出功率0.5kW，最大转矩4.77N.m，满足使用规范。4.3小臂关节选型及设计小臂电机选型同大臂电机选型思路，采用伺服电机即可达到设计要求。转动装置的传动速度为20r/min，预估型钢重量为15kg，小臂重量为3kg,旋转半径为0.67m，并计算出转动力矩。（4-33）（4-34）电机加速的时间为1秒，可以计算转矩（4-35）本课题选择的是KB精密伺服齿轮减速器，选用了减速比为1:5的行星减速器，选用了额定转矩30N.m的KB40-5行星减速器。在保证安全前提下，留有一定的安全系数，选用HF-SP51B型伺服电动机，输出功率0.5kW，最大转矩4.77N.m，满足使用规范。4.4腰部旋转关节选型及设计4.4.1确定驱动电机同大臂以及小臂的电机选型思路，采用伺服电机即可达到设计要求。转动装置的传动速度为20r/min，预估型钢重量为15kg，连接轴重量为5kg，旋转半径为1.15m，并计算出转动力矩。（4-36）（4-37）电机加速的时间为1秒，可以计算转矩（4-38）选用蜗轮蜗杆减速器，传动比为1:50，选取的电机型号是HF-MP51B型伺服电动机，转矩3.5N∙m，转速940r/min，功率0.35kW。4.4.2传动系统的传动参数各轴的传动功率P1=P0=0.34KWP2=P1=0.24KW确定各轴转速nn2=n滚筒=940确定各轴扭矩T1=9550×P1n1=3.45N∙T2=9550×P2n2因此，综合上述分析，得出了相应的蜗杆轴和蜗杆轴的运动特征，详细数据见下表。表4-1各轴运动特性名称功率Kw转速扭矩蜗杆轴0.349403.45蜗轮轴0.2418.81224.4.3蜗轮蜗杆减速器结构设计在机器传输的机构中，最常用的是蜗轮蜗杆，它是一种在减速时，齿轮与转速相对较高的齿轮与低速相联接；该蜗轮与转速较快的端部相联接，从而达到了直角驱动的目的。一般来说，减速比大的都叫齿轮减速器，但它会使整机的尺寸增大，降低了机器的内部结构的紧凑度；因此，这一次的腰间构造采用了蜗轮蜗杆减速机来驱动。这种传动方式有很多优点，例如整体机械机构紧凑，传动比大，垂直传动等。蜗轮蜗杆传动既能增强机器运转的可靠度和稳定度，又能缩短安装工序，缺点是该传动机构的传输效率很低，通常仅为70%，在传输时会有大量的发热，如果不能通过适当的方法来对其进行冷却，那么减速箱的内部机构就会因过热而发生热磨损。图4-4蜗轮蜗杆减速器在对其进行加工时，应根据工艺要求，对其运行的可靠性进行了分析。涡轮蜗轮在服役过程中容易发生热腐蚀、疲劳及齿面变形等情况，通过对其原因进行了研究，认为选用不适当或采用不适当的结构设计是造成这种现象的主要原因。从蜗轮蜗杆的实际设计构造和工作机理出发，考虑到该齿轮的实际使用条件和成本，选用45钢材制作，该材质还可应用于转轴、螺杆的加工。经过持续的生产研究，我们认识到，45钢用作制造材料能够延长机器的工作寿命和机械性能，能够满足目前对工件的性能和表面粗糙度等方面的要求。此外，45钢材的购买和生产费用都很低，可以确保经济效益。图4-5蜗杆结构蜗轮截面尺寸大，对零件的材质提出了更高的要求，对其机械性能提出了更高的要求，单一的材质无法满足其综合性能需求；用于生产超过两种原料。内核可以用灰口，这样可以方便地对结构比较复杂的部件进行切削，外壳则是用ZCuSn10P1材料制作。同时，也可改善蜗杆传动的品质，确保蜗杆传动长期、高转速运转。图4-6蜗轮结构可以用下列公式来检验强度（4-44）计算扭矩（4-45）查阅有关数据，计算荷载因子;使用因子；动力负荷因子。（4-46）结合蜗轮蜗杆制造所用的材质，参考有关文献，确定了材质因数取决于设计需求，蜗轮的数量Z1=1蜗轮齿数与蜗杆配合的45钢制作，容许应力应力周期数（4-47）利用期限因子（4-48）得出许用应力（4-49）可以计算得出通过查阅表格，可以得出中心距为180mm，蜗杆分度圈为63mm，模数为6.3mm，，导向角度5°42′38’’。几何参量的确定中心距（4-50）蜗轮齿数：50分度圆的直径：（4-51）4.5本章小结在这一章中，重点是对每一种驱动结构的结构进行了设计与计算，接着对一些重要的零件如齿轮、蜗杆、螺杆等进行了选择与校验，并对其进行了检验，并对其进行了选择与分析。更少的零件，更可靠。

第5章有限元仿真校核计算5.1有限元分析方法计算过程有限元法是把一个对象划分为若干个非常微小的单元，并对各单元间的应力状况进行了分析，从而把该单元单元的各单元单元的应力分布情况进一步地转移到整个单元上；能得到被测体的应力解析解，此解析法已成为力学、运动学、流体力学的常用手段；通过对各种不同类型的部件进行振动仿真和仿真，对设计人员有很大的帮助。(1)建模：有限元计算基于一个模型，此模式主要用于三维模式，但是也可以使用二维的平面模式。既要从构件的真实构造出发，又要与构件的特性相融合，使其达到最小化的目的；这种方法可以方便地进行网格剖分，节省了整体的开发周期。(2)荷载作用：由有限元法建立的空间结构，通常会受到外部荷载和外部荷载的影响，所以要对被测构件的真实应力进行计算；在工作表面上对其进行加载，由于其力学特性的差异，使得一件零件可能承受多种加载条件。(3)应用固定限制：根据被加工对象的具体构造特点，对被加工对象进行定位和限制，加工过程中必须对被加工对象进行定位限制，仅对被加工对象进行适当的限制；只有这样，才能确保零件的安装。(4)对有限元进行解析：在对被测构件进行荷载作用后，对其进行剖分、进行有限元计算，即可得到其所需的数值解；通常可以得到工件的温度，应力，应变等状况。5.2大臂有限元分析上臂为一种典型的悬臂受力梁，所以其上臂的一端被固定于该联接接头上，而另一端则承担着工件的作用力；由于该机构的受力比较苛刻，所以本文对该机构进行了有限元法的计算，并对其进行了强度计算。图5-1有限元模型1) 设置材料属性所选择的材质是常用的Q235钢，该钢被广泛用于加工各种支架，连接板，钢板等。2)划分网格在此基础上，提出了一种基于四面体的自动剖分算法，网格模型如下图所示。图5-2网格模型3）施加约束和载荷在此基础上，通过对大臂的荷载进行了研究，选取了200N的设计荷载，能够较好地反映出大臂的实际工作情况，在大臂轴承固定块施加固定载荷。图5-3载荷模型4）分析结果下两幅图表是大臂受力和变形云图。图5-4整体应力模型图由上述应力图可以看到，大臂上的最大应力为4.5Mpa，其应力值很低，对装置的正常使用没有任何影响。从许用压力100Mpa可知，其承载的压力低于材料所能承载的压力，所以不会发生超载破坏。图5-5整体变形图从位移云图可以看出，悬臂托架的最大位移发生在悬臂末端，其最大位移只有0.03mm，此变形较小，可以满足高质量的工作要求。5.3底座转架有限元分析底座旋转架主要承受底部驱动单元的旋转扭矩，因此，本章节采用有限元分析方法，完成底部旋转架的强度的分析，具体结构如下图所示。图5-6有限元模型1) 设置材料属性本文所选择的材质是常用的Q235钢，该钢被广泛用于加工各种支架，连接板，钢板等。2)划分网格在此基础上，提出了一种基于四面体的自动剖分算法，网格模型如下图所示。图5-7网格模型3）施加约束和载荷在此基础上，通过对底架的荷载进行了研究，选取了122N.m的扭矩，能够较好地反映出底架的实际工作情况，在底部施加固定约束。图5-8载荷模型4）分析结果下两幅图表是底架受力和变形云图。图5-9整体应力模型图由上述应力图可以看到，底架上的最大应力为2.9Mpa，其应力值很低，对装置的正常使用没有任何影响。从许用压力100Mpa可知，其承载的压力低于材料所能承载的压力，所以不会发生超载破坏。图5-10整体变形图从位移云图可以看出，底部支架的最大位移发生在后端，其最大位移只有0.002mm，此变形较小，可以满足高质量的工作要求。5.4本章小结本章通过对大臂以及底座转架进行有限元分析得出结论：当机械臂装卸型钢的时候无论是结构所受应力还是形变，均不会超过规定的数值，所以此机械臂无论是强度还是刚度都可以达到要求。

第6章经济效益分析6.1经济前景分析作为制造业“王冠上的珍珠”，它的研发、制造与应用是衡量一个民族的技术创新与先进制造能力的关键指标。我国“十四五”及2035年发展计划中明确指出，要大力发展集成电路、航空航天、船舶及海洋工程设备，加快发展集成电路、航空航天、船舶及海洋工程设备，机器人，先进的轨道交通设备，先进的电力设备；在工程机械，高端数控机床，制药和医疗器械等方面进行了创新性的发展。在世界范围内，企业的竞争模式与市场环境正在发生改变，对制造企业来说，是一个崭新的课题。工业企业不但面临着“人口红利”逐渐消逝的威胁，而且也面临着迅速改变的市场需求。当前，随着消费者对个性化需求的不断提高，企业必须具有灵活的生产能力，因此，面向智能化生产已经成为一种发展的趋势。随着我国制造业的快速发展，工业机器人已经发挥了越来越大的作用。机器人臂不会受到时间和环境的约束，可以在编程控制下取代人工劳动力，可以对搬运、上下料、打磨；喷涂、包装等多种比较复杂的生产工作进行灵活的处理。而码垛式是当前最常用的一种方式，也是当前工业机器人领域的重要组成部分。码垛式机器人，是一种将机器和电脑编程相结合的产品。在现代化的制造中，提高了生产率。码垛机在码垛业中使用十分普遍。码垛机器人极大地节约了人力和场地。码垛机器人操作灵活，精确，速度快，高效率，高稳定性，高工作效率。码垛机器人系统使用了具有发明专利的坐标机器人，其装配所需的空间既灵活又紧凑。将小型场地建设成一条高效率、低能耗、全自动化的自动制坯流水线的理念变为现实。根据世界机器人联合会的数据和数据，中国在2020年的时候，已经占据了全世界的44%的市场份额，而到了2021年，这个数字已经达到了52%。随着中国市场的快速发展，中国已在2021年实现了14.5万部的出口，创下了2017年以来的最高水平，推动了整个产业链的上游行业逐渐恢复。在生产过程中，码垛机器人得到了很大的使用，比如化工，饮料，食品等；啤酒，塑胶工业，各种袋装，罐装，各种纸箱；啤酒箱子的包装。与人工相比，机械臂更适用于堆放重物，特别适用于搬运重物，能有效避免人员受伤等安全性问题；机械人的工作效率是人类的数倍。在我国的市场中，码垛机器人得到了快速的发展。从每月的贸易量来说，生产企业日益认识到了自动化和智能化的重要意义。据调查，很多企业还在采用传统的人工方式进行包装，而不愿采用新的制造方式。一是因为他们觉得自动装置的投入太大，二是因为它们是灵活的，是免费的，或者是不能手工完成的。另外，在质量、产出和成本上，采用全自动的智能化设备比手工操作更具优越性。近几年，国内堆码机器人的发展非常快。行业统计数字显示，中国已售出40,000多部码垛机器人，增幅达30%以上，并有望在2020年突破100,000部。就其市场大小而言，中国码垛机器人的市场已达约80亿元，并在2020年将达一百六十亿元。究其原因，一方面是因为国家的鼓励，另一方面也是因为制造业和物流行业的迅速发展，而堆盘机器人可以提高企业的工作效率，在今后的发展中有着巨大的潜力。近年来，以机电一体化为主的堆码机器人已逐渐发展为一种新的发展趋势，其实现的一个重要标志就是其自动化、智能化的程度。码垛机器人的自动化程度高，其特点是实现自动化的同时，也是实现自动化的关键。码垛机器人的自动控制水平的迅速提升，离不开先进的微电子技术、红外技术和传感器技术。近几年，国内的装备制造业得到了迅速的发展，而以其为代表的工业机器人在国内具有广阔的发展前景。由于劳动力紧缺，造成了人力资源的增加，因此，在制造行业中，对机器人自动化的要求也在迅速增加。为了更好地提升产品的产量与品质，降低成本，许多工业中的中小型制造公司都已经开始思考采用机器人来取代人工。随着中国制造业的升级与转型，中国的工业机器人迎来了一个新的发展契机，在政府的大力支持与促进下，国内的自主品牌在国内的市场占有率不断提升，国内的机器人企业也获得了巨大的发展。当前，世界范围内的工业4.0已步入智能化的世界。码垛机器人行业正在快速地发展，并且预期全世界码垛机器人的销售仍然会有显著的成长。而且，由于我们国家是一个制造强国，所以劳动力成本对我们来说特别重要。因此，在行业转型升级的大环境下，我们的码垛机器人行业也得到了快速的发展。用机器人代替人类是一种必然的发展方向。而有了资金的注入，这个产业将会迎来一个井喷式的发展。当前，国内堆盘机器人的应用还很少，这个产业还有很大的发展余地，还需要更多的资金投入，促进它的发展。6.2制造成本分析6.2.1标准件经济成本分析该码垛机器人的成本构成主要有:标准件费用、非标准件材料费用、非标准件加工费用、装配费用以及管理费用。标准件费用：表6-1标准件费用名称数量/个单价/元成本/元电机45002000减速器机构46002400内六角圆柱头螺钉1002200六角螺母602120齿轮24004500气动夹爪125002500总计32/117206.2.2非标准件经济成本分析非标准件材料费用：铜管切割机夹紧装置使用材料种类主要是灰铁。根据目前市场上各种原材料的价格，对各种材料用量和费用进行估计如下表5-2:表6-2非标准件材料费用材料用量/吨单价/元/吨成本/元灰铁0.532801640总计1/16406.2.3工时经济成本分析工时计算主要包括机加工、铸造费用和装配费用。工时的估算包括加工工时和辅助工时。工时的成本标准按表进行估算，工时计算详细见表所示：表6-3工时成本标准加工方法成本/元车20-30/小时铣30-50/小时磨40-60/小时钳20/小时6.2.4成本核算综合各类费用列出成本核算表：表6-4成本核算项目费用/元标准件费用11720非标准件材料费1640非标准件加工费30000装配费用5000管理费用5000总计53360

结论通过对型钢码垛机械手的结构设计进行深入研究，完成型钢码垛机械手的总体结构设计。本文设计的型钢码垛机械手采用了关节铰链式结构，并配置了五个自由度，包括腰部转动、大臂转动、小臂转动、小臂旋转和腕部转动。这种设计确保了机械手在三维空间内能够实现精准定位和定向，满足了型钢码垛作业的复杂需求。其次，在关节设计中，本文选用了高性能的伺服电机和减速器作为驱动部件，通过精确控制电机的转动角度和速度，实现了机械手的精确运动。此外，关节结构的设计也考虑了强度和稳定性，以确保机械手在重载和高强度工作条件下