毕业设计（论文）-四轴码垛机械臂设计

绪论1.1引言伴随我国经济飞速的提升与进步，机器人不但能在现代工业生产中帮助人们从事堆放、搬移、运输等工作，还能在宇航、化工、食品、医疗等行业也扮演着重要的角色，甚至在大海深处、宇宙外太空等超出人类活动范围的地方也扮演着独一无二的作用。码垛机器人就是机器人在现代工业生产中应用的具体表现。较早的码垛工作基本是由工人去做的，不仅工作任务量大、生产效率低，而且在工人搬运物料过程中物料的浪浪费比较严重。针对出现的这一系列问题，科学家们于是研发了码垛机器人并提出了相应的码垛堆放建议。码垛机器人的出现实现了码垛物流的自动化，使得工作效率大大的提高，而且节约了工人成本、降低了物料的浪费，使得企业经济收益得到巨大的提升，现在已经遍布各个行业，被企业管理者所接受。1.2码垛机器人简介“机器人”原先的意思是劳役、【更多毕业设计，Q380615448】苦工。在1920年的时候，机器人这词语第一次出现在了一本《罗素姆万能机器人》的作品中，它是有来自捷克斯洛伐克的小说家恰佩克所写的。此后，就被各国的语言机构编列入到了特定的词语中去。码垛机器人它集合了许多高新技术，包含了结构设计、系统控制、计算机编程、路径优化、定位精度等方面。码垛机器人可以配合各种非标准夹具完成吊起各种形状的物料的任务，使物料达到零重力的漂浮状态，可以轻易将物料起降，移动，旋转，前顷和侧翻等。码垛机器人能够使工人的劳动强度大大降低、搬运输送物料比人工作业来的更加稳定快速，而且码垛机器人还能进入到一些危险的工作现场，如危险化工物品、操作工无法进入的危险场地。大大提高了工作效率，降低了劳动强度。因此在码垛这一高强度、伤害性大的工种中，码垛机器人的普及会越来越广。近几年来，随着科学技术的不断进步与发展，码垛机器人在精度控制、速度运行、载荷量等方面都有很大的提高，与此同时，码垛机器人的制造成本也在逐渐降低。码垛机器人与人工码垛的对比见表1-2。表1-2码垛机器人与人工码垛的对比码垛机器人人工码垛占地小，有效率车间应用占地空间大灵活行强，转换快转换慢，搬运过程比较乱布局紧凑布局不紧凑功能多，一机多用功能单一维护低，但平均维护故障时间长维护高，平均维护故障间隔时间短1.3码垛机器人的发展与研究美国是全世界最新研发设计机器人的国家。【代做毕业设计，Q380615448】在1958年的时候，美国的一家机器人研究公司成功研制出了世界上第一台机器人。但是，日本是机器人使用程度最高的国家。码垛机器人的研究开始于二十世纪八十年代，尤其是欧美及日本等西方国家，在码垛机器人的研发领域取得了巨大的突破，瑞典和日本是最早将码垛机器人用于物料的堆放、运输的国家。在1974年，瑞典的ABB公司研发了全世界第一台用于堆放、运输的码垛机器人。在码垛机器人研发领域，意大利、韩国、德国也是处于领跑地位的。伴随第三次工业革命的到来，码垛机器人的技术也越来越成熟，一些国家也研发出了自己的品牌码垛机器人，如来自日本的FANUC和OKURA，德国的KUKA，瑞典的ABB等。目前，世界发达国家的码垛机器人研发公司针对码垛现场的作业空间、作业环境、各种载荷，不断研发出高性能，高可靠性，高速，高精度的码垛机器人。机械臂是机械化、自动化普及过程中产生的一种新的机械装置，它是构成机器人的一个重要结构。它各种动作的实现是通过内置各种编程来完成的。在现代化的生产过程中，机械臂被普遍的用在自动化的生产流水线上，尽管目前的研究水平设计出来的机械臂还不能像人的手臂那样灵活，但是它能够不知疲倦的反复作业，载荷比人手臂大很多。鉴于以上各种优点，全世界各国对机械臂的重视程度也在逐渐提高。美国是最先研究机械臂的国家，在1958年的时候，美国的一家公司研发设计出了世界第一台机械臂。它的主体结构是在本体上安装了一个回转的手臂，在它的顶端安装了一个电磁的工件抓取结构，采用示教控制。在1962年的时候，该加公司在原有的设计上又成功研发设计出了一台数控的机械臂，它能实现多种运动方式，比如收缩、回转、平移等。采取液压驱动的方式，控制系统则换成了磁鼓。现在许多的坐标型机械臂就是根据这个的改进而设计出来的。同一年，美国另一家公司也成功研发设计出了一个名叫Vewrsatran的机械臂。这种机械臂可以实现回转，驱动系统也是采用液压的驱动方式。现在许多国家研发设计出的机械臂都是在这两个公司设计出来的机械臂上发展而来的。在1978年的时候，美国斯坦福大学和麻省理工学院一起合作研发设计出了一个名叫Unimate-Vicarm的机械臂，它是由一个内置的小型电子计算机来操控的，用在产品的装配上，它的作业误差在1毫米之内。德国一家公司设计研发出了一种用于电焊的机械臂，该机械臂的结构类似于人的关节。现在，机械臂还大部分还不是全自动的，一些还是要靠工人去控制的，全自动的机械臂各国科学家团队还在努力的研发设计中，它主要是由plc控制，装有多种触觉感应器，甚至能够像人一样进行简单的思考计算。机械臂的遍及程度越高，说明该国家的工业水平越高，是衡量一个经济实力和科学技术水平的重要参考依据。所以，全世界每个国家都把发展机械臂作为经济建设的重要战略。二十一世纪，成产自动化与科学技术水平的不断进步推动了整个经济的发展，但是在一些高强度、高危险的工种中，还是依靠工人去手动完成，显然这在很大程度上限制了经济的发展，也使得企业的经济效益不能得到最大程度的改善。机械臂的使用有以下的好处：（1）提高生产的自动化水平（2）降低工人劳动强度（3）提高生产率，降低企业劳动成本（4）提高企业的经济效益国外码垛机器人的研究设计状况：码垛机器人主体采用集成电路设计，普遍使用有限元分析、数据分析及柔性制造系统等先进的设计方法,码垛机器人的臂部采用非平行四边形的连杆机构,作业空间得到很大的加强,但自身的重量又进一步减小,操作更加灵活。成熟的行星齿轮减速器技术，先进的伺服电机装置设计,很大程度上提高了机器人的运动精度、作业空间、搬运的平稳性和堆放的精确度.控制系统性能优越。国外研发设计出的码垛机器人的各种性能在不断的进步，比如运动的精度、输送的稳定性、操作的灵活性。设计研发出的码垛机器人的结构越来越紧凑、简单轻便。码垛机器人的控制系统更加人性化、电子化；模块整合使得系统的更加的稳定可靠，操作更加轻便灵活，维修越来越容易。国内码垛机器人的研发设计状况：由于我国经济政策等其他因素的限制，我国工业机器人的发展相对发达国家来说比较缓慢，研发和普及程度比较低，伴随改革开放政策的逐渐推广与实施，我国工业机器人的研究和开发在80年代后才到达了一定的水平，但与一些发达国家相比还是存在不小的差距。因此，为了逐渐缩小这差距,我国的科学家团队还有许多工作要做，还需要大家一起努力。我国在机器人运动学、动力学与机构综合，机器人运动控制算法的研究，以及示教编程、离线编程技术、传感器控制系统方面，基本掌握了工业机器人所有关键技术。现在全世界的工业机器人大都以第一代为主，主要靠人工来进行控制，多位开环式的控制，没有一点识别能力，生产成本较高，精度不准确。科学家们正在进行这第二代机器人的研发与设计。第二代机器人是由电子计算机来控制的，装有多种传感器，能把收到的信息反馈到计算机，然后cpu进行处理，让机器人具有像人一样的感知能力。未来第三代机器人能够自主完成工作，能够像人一样思考，进行信息的处理，甚至能与人互动。伴随着科学技术的进步、机器人的遍及程度上升，许多国际组织机构经常开展学术性交流会，互相分享在机器人方面的研究成果，使得机器人的研发与设计的脚步大大的加快了。当前，工业机器人普遍用于物料的运输、食品的堆放、焊接等方面，但是在数量、使用功能等方面还远远无法满足经济发展的需要。工业机器人在国外使用较多，发展的也比较快，国家投入的研发资金也比较多。当前工业机器人大多还是从事一些相对来说比较简单的工作，比如食品的搬运，危险品的堆放等，它们大都是根据事先设定好的程序来执行的，不具备独自分析计算的能力，不能应对突发事件。尤其当位置与事先设定的位置发生偏离时，有可能损坏整个机器。在人类社会不断进步的今天，各个生活工作领域对机器人的需求越来越大，对机器人的使用要求也越来越多、越来越苛刻。科学家们为了应对这种需求，提高了机器人的智能水平，让机器人具有开放式的结构设计，并在机器人身上安装了各种各样的传感器。可是，目前市场上的机器人普遍是封闭式结构，没有太多的传感器。1.4机器人将来的发展方向随着科学家们坚持不懈的的努力研究设计，机器人将来会朝着越来越智能化的方向发展，特别是当机器人与FMS相结合，可以预计将来的机器人会更加多样化、更加普及。从目前的发展趋势分析来看：（1）人工智能化能自主思考、根据要求选择最优的方案去完成人们下达的任务（2）功能齐全化根据场合的需要，有服务机器人、应急机器人、救生机器人（3）外形多样化根据各种工作需要，有人形机器人、动物形机器人、植物形机器人1.5研究目的与意义据有关码垛机器人研究机构的数据统计分析,目前全世界投入使用的码垛机器人数量大概在10000台左右。在西方发达国家，码垛机器人已经普遍投入使用了，在当今经济飞速发展的时代下，我国人工码垛较低的生产效率已经跟不上经济全球化的发展步伐了，由此可见，努力研发设计码垛机器人是十分必要的，它不但能提高我国的工业自动化水平程度，又能提高生产效率和企业的经济效益。1.6课题研究内容针对我国码垛机器人的普及程度不高，码垛自动化水平与发达国家有一定的差距，本文对四轴玛机械臂的关键结构臂部，腕部等进行了较详细的设计，并对各部件的运动特点进行了仔细的分析，并且对码垛机械臂腕部的旋转转动、臂部的竖直移动、臂部的水平移动、腕部的旋转转动进行了详细的设计与分析。2总体结构的设计2.1码垛机械臂的分类码垛机械臂的种类很多，目前国内还没有统一的分类依据，本文暂按坐标特性、用途、驱动方式来划分。2.1.1按坐标特性分用坐标特性描述是码垛机器人最常见的构型。码垛机械臂根据手臂坐标的不同形式可以分为下面四类：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和多关节型。详见图2-1（1）直角坐标型机器人具有三个移动关节，臂部能够实现在X轴方向前后的伸缩移动，实现在Y轴方向的左右移动，实现在Z轴方向的上下升降，优点是结构结构简单、载荷能力大、定位精度高；缺点是占地面积大、动作范围小（2）圆柱坐标型机器人具有1个转动关节和2个移动关节，臂部能够实现在X轴方向的移动，实现在Z轴方向的移动，实现在Z轴的转动，优点是构相对简单，定位精度适中；缺点自身占据空间较大（3）极坐标型机器人具有2个转动关节和1个移动关节，臂部能够实现在X轴方向前后收缩移动，实现在Y轴方向的上下移动、实现在Z轴左右的转动，优点是工作空间较大，工作较灵活，不占地，缺点是内部的结构设计复杂，各部件之间的运动耦合性强，控制系统比较复杂。（4）多关节型机器人全靠转动关节，臂部由大、小臂组成，大臂能够绕腰部实现上下移动，小比能够实现多角度的转动；优点是占地面积小、动作范围大、运行速度快，缺点是运动精度一般，运动计算量大，控制系统复杂。(1)直角坐标型机器人(2)圆柱坐标型机器人(3)极坐标型机器人(4)多关节型机器人图2-1码垛机器人的基本构型2.1.2按用途分1、搬运机械臂这种机械臂用途广泛，只要点位控制即可实现。对所需搬运零件无严格的运动轨迹要求，只要起始点位置准确即可。2、喷涂机械臂这种机械臂用在喷漆生产线上较多，对位置精度要求不太高。但由于油漆易燃，普遍采用液压驱动。3、专用机械臂这种机械臂的结构构造比较简单，但工作的目标单一，使用稳定可靠，生产的成本较低。一般用于大批量的自动化生产工作线上，如食品的搬运，机床的上下料。4、通用机械臂这种机械臂具有单独的控制系统、程序可以改变、操作灵活多样，可以根据操作现场的要求，调整程序。通用机械臂的作业范围较大，运动精度高，运动平稳，适用于多种产品的中小批量的生产线的生产。2.1.3按驱动方式分1、液压传动机械臂液压传动机械臂的驱动来自液压的压力驱动机械臂的执行机构进行工作。其主要特点：抓举能力大、结构紧凑、运动平稳、灵活度高，但对液压元件具有较高的要求，尤其是液压元件的密封性能，制造成本较高。2、气压传动机械臂气压传动机械臂的驱动来自压缩空气的压力驱动机械臂执行机构进行工作。其主要特点：结构简单、成本较低、维修方便，但对速度控制精度较低，抓举能力较低。3、电动传动机械臂电动传动机械臂的驱动来自电动机驱动机械臂执行机构进行工作。其主要特点：结构简单、响应快、抓举能力大、控制灵活、精度高。但制造成本较高，使用率不太遍及。2.2码垛机械臂的构型确定因为码垛机械臂作业环境的不同，在确定它的构型的时候既要考虑设计的合理性，又要充分的考虑到其作业环境与场合的具体现场的多变性，通过分解其工作流程来满足码垛的工作要求，其基本动作可分解成：拾取、输送、校准、堆放四个动作，因为码垛机械臂的末端执行器能单独实现拾取和堆放这两个动作，所以在确定码垛机械臂的构型的时候只要考虑输送和校准两个动作。综合考虑码垛现场的工作环境、工作要求以及码垛机械臂本身结构的设计等原因，本文在腰部设计一个转动关节，在臂部设计了一个能够竖直运动的移动关节和一个能够水平运动的关节，在它的腕部设计了一个单独运动的转动关节。此外又增加了一个辅助机构设计，这样就能保证它在输送物料的过程中运动平稳，避免物料在输送过程中发生侧滑，腕部的辅助机构调整输送过程中的颠簸，这种设计理念遵循了“主动链控制所需要自由度，从动链约束多余自由度”的原则。这样水平和竖直方向上的运动能够实现完全的解耦，这样不仅结构设计简单，而且操作灵活好控制。辅助机构构的设计使得码垛机械臂的结构更加稳定，操作更加灵活，作业空间更大、载荷能力更大。一般在设计码垛机械臂时，对于驱动方式的选择要求如下：（1）设计的驱动系统的结构质量轻，相对质量输出有用功大，效率高，（2）制动快，能够承受频繁的启动、停止、正转、反转（3)灵活轻巧，位置精度要高，运动平稳（4）操作简单，维修容易（5）环保，污染小，噪音小（6）占地面积小，作业面积大（7）制造成本低，外型美观表2-2相关伺服电机的技术参数型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2N·m18.2N·m18.2N·m10.3N·m10.3N·m最大转矩67.4N·m67.4N·m67.4N·m额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm因为正常使用的电机驱动产生的力矩比较小，所以要利用传动机构来增加力矩，进而使得码垛机械臂的载荷提高，因此对码垛机械臂的传动机构的具体要求如下：（1）结构之间连接性较好，相对质量传动比大（2）传动比大，载荷能力强（3）刚度大，驱动器的输出轴与连杆的转轴之间相对扭转时的变形角度要尽量小，就能降低码垛机械臂在运动时产生的共振，进而使得整个运动平稳。（4）使用寿命长，制造成本低，外型美观。2.3码垛机械臂的总体结构设计码垛机械臂的组成：底座、腰部、臂部和腕部。本文设计的码垛机械臂具有四个自由度，由2个移动副和2个转动副组成，四个伺服交流电机分别控制腰部转动、臂部的竖直移动和水平移动及腕部转动。为了提高码垛机械臂的整体性能，设计时必须考虑轻量化、刚度大、承载大等要求，所以必须合理的设计驱动方式和机械传动。图2-3码垛机械臂结构简图3传动机构的设计3.1码垛机械臂的底座设计整个码垛机械臂的重量全部都由它的底座来承受，所以设计的时候必须采用高强度高刚度的材料，而且又要考虑到价格成本及美观性，所以结合各方面的条件思考，本码垛机械臂的底座整体采用同一规格同一批次同一材料16#槽钢焊接而成，四周同时加焊加强筋来确保整体刚度与强度达到设计的要求。1——支座，2——电机，3——轴承，4——垫圈，5——壳体6——位置传感器，7——柔轮，8——微动开关，9——刚轮图3-1底座结构简图3.2码垛机械臂的腰部转动设计码垛机械臂的腰部起着承担着码垛机械臂的臂部重量的作用，所以在它的腰部设计一个电机和丝杆传送的机构，那么就不但使得结构变得简单，而且又不会因为在码垛机械臂的臂部安装电机造产生转动量过大的现象。码垛机械臂的腰部的旋转实现是腰部上的伺服电机通过同步带来带动底座上的减速器完成的，它的腰部在动转时产生的转动惯量为l=l1+l2+…ln，由此公式可知，码垛机械臂的腰部在转动时，伺服电机要承受来自多个传动机构的转动惯量，因此必须在负载和伺服电机当中添加一个大传动比的减速器装置，联想到码垛机械臂的结构设计、工作需求、运动精度等因素的影响，减速装置采用RV减速器。3.2.1减速器的选择因为码垛机械臂的腰部机构在转动的时候的速度比伺服电机的转动的速度小，所产生的传动比很大，考虑到码垛机械臂的整体结构设计方案，所以本文选择的减速器为RV减速器，该减速器能够实现大传动比传动。（1）计算驱动设备的功率p:式（3.1)式中k——安全系数；G——重力加速度；v——机构的运行速度；μ——摩擦系数；M——总质量。代入数据，分析计算得P=140w（2）确定减速器的传动比i式（3.2)式中n1——电机转速；n2——腰部转速。代入数据，分析计算的i=12（3）确定使用系数： 查阅与减速器有关的资料，确定使用系数为1.2。（4）驱动设备的扭矩QUOTE:式（3.3)式中P——驱动设备的功率；QUOTEn——腰部的最大转速。(5)减速器的输出扭矩QUOTE:式（3.4)带入数据分析计算得≥85.2N·m，翻阅《圆柱齿轮减速器》可得，所选减速器的型号为XLDS740-12,详细参数如下表3-1：表3-1腰部减速器的相关技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩/N·m转动惯量J/(kg·cm2)最大径向力/N最大轴向力/NXLDS740-121295％1200.85405203.2.2伺服电机的选择（1）伺服电机的功率式（3.5）式中K——安全系数；η——减速器满载效率；——设备的使用系数。代入数据，分析计算得=740w查阅伺服电机和减速器的相关资料，因为伺服电机=740W，所以本文挑选的电机的型号为：MAXON2332，详细的技术参数见下表3-2：表3-2腰部伺服电机的技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩/(N·m)转子转动惯量/(kg·cm2)MAXON2332750AC240250040004.281.2（2）伺服电机惯的转动惯量比校核： 计算负载惯量：代入数据分析计算得：所以伺服电机的转动惯量比满足设计的要求。（3）伺服电机的转矩校核： 由上面分析计算得到减速器的扭矩=85.2N，传动比i=12计算伺服电机的最大输出扭矩：式（3.6）代入数据分析计算得：T=6.9N·m＜所以伺服电机的转矩满足要求。3.3码垛机械臂的臂部竖直移动设计臂部是码垛机械臂的主要部件，在码垛机械臂的臂部设计时，主要考虑以下几个因素：（1）涉及的承载能力要足：臂是手腕的支撑部件，所以我们在设计的时候既要把手爪抓取的物料重量考虑进去，又要把码垛机械臂在运动的时候动载荷及产生的转动惯性考虑进去。（2)设计的刚度要高：为了避免码垛机械臂的臂部在输送过程中发生较大的变形，它的截面的形状要选择适当。工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲强度和扭转刚度都比实心轴大很多。（3）设计的导向性能要好，定位精度要高：因为码垛机械臂的臂部在竖直运动过程中会沿这运动方向产生一个相对转动的现象，所以应该设计一个导向装置，同时为了避免过大的转动惯量，必须要设计一个缓冲减速器，防止在物料搬运的过程中发生侧滑。（4）重量轻，转动惯量小：尽可能降低码垛机械臂的臂部的重量，减小臂部对回转轴的转动惯量，这样就可以大大提高码垛机械臂的运动速度。（5）腕部和机身的连接部位要合理：臂部的安装形式不但影响整个码垛机械臂的外观，还影响到码垛机械臂额的刚度、强度以及载荷能力。3.3.1滚珠丝杠螺母的设计码垛机械臂的臂部在竖直移动方式上选择滚珠丝杠螺母。把伺服电机安装在臂部的顶端，为避免因机械臂的本身自重发生下滑现象，选择的伺服电机必须要有制动器。联轴器的一端链接滚珠丝杠螺母，另一端链接伺服电机的输出轴。（1）选择滚珠丝杆螺母的型号可以挑选如图3-3所示的丝杆螺母：图3-3滚珠丝杠螺母（2）滚珠丝杆螺母导程的计算式（3.7)式中——物料的最大移动速度；i——传动比；——伺服电机的最大转速。代入数据分析计算得=465mm（3）滚珠丝杠公螺母公称直径的计算式（3.8）式中μ——摩擦系数；m——载荷质量；g——重力加速度。代入数据，分析计算的=420N所以滚珠丝杆螺母旋转需要承受的推力F：F=Fa+=675N=K·F式（3.9）式中：K——安全系数代入数据，分析计算得=K·F=810N查询相关资料，当滚珠丝杆螺母的直径等于12mm时，满足＜，所以该设计满足要求。（4）滚珠丝杠螺母长度的计算 丝杠的总长=工作行程+螺母长度+安装长度+连接长度+余量。分析计算可得=507mm。滚珠丝杠螺母的精度选择在没有特殊要求的状况下，本文设计的滚珠丝杆螺母的精度为C7。 （6）滚珠丝杆螺母扭距的校核为了克服码垛机械臂额臂部在运动时所产生的摩擦，所以要计算需要的驱动扭矩T：式（3.10）式中：—进给丝杠的效率，代入数据分析计算得：T=9.8＜，所以满足设计的要求。结合上面所有计算，所以选择的滚珠丝杠螺母的具体的技术参数如下表3-4：表3-4丝杠螺母技术参数螺母型号直径BD/mm导程BP/mm丝杠的总长度BL/mm丝杠的动载荷F/KN丝杠质量M/kg切边六孔354655072.50.63.3.2伺服电机的选择（1）伺服电机功率的确定式（3.11）式中M——竖直手臂的质量；v——物料最大的移动速度；K——安全系数（取1.2）。代入数据，分析计算得P=280W，所以本文选取P=300W的交流伺服电机，所挑选的电机的型号：MSME032G2，它的具体技术参数如下表3-5：表3-5伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩/(N·m)转子转动惯量/(kg·cm2)有无制动器MSME032G2400AC240250046001.220.5有（2）伺服电机的转动惯量比校核式（3.12)式中：——所选联轴器的惯量代入数据，分析计算得。本文所选伺服电机的转动惯量JL/JM=4.25＜5所以满足设计要求（3）伺服电机转矩的校核普遍的伺服电机的运转模式如下图3-6所示：图3-6伺服电机的运转模式伺服电机的移动转矩T：式中：——滚珠螺母丝杠的效率其他参数上面已经计算得到，代入数据，分析计算的T=3.5N·m。加速时的转距Ta：式（3.13）式中：——负载的转动惯量；——伺服电机的转动惯量；N——伺服电机最高转速；t——加速时间。代入数据，分析计算得：Ta=0.96N·m。减速时的转矩Tb：式（3.14)式中：——负载的转动惯量；——伺服电机的转动惯量；N——伺服电机最高转速；t——减速时间。代入数据，分析计算得Tb=0.89N·m。所以，伺服电机的最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.95N·m，Ta×K=1.14N·m<1.8N·m（300w时最大转矩）确定伺服电机的有效转矩T：式（3.15）式中：——载荷运动的总时间；K——安全系数；其余上面都已经计算求出来了，这里就不再标注。代入数据分析计算得=0.52N·m＜0.7N·m（300w时最大扭矩），所以满足设计要求3.3.3联轴器的选择（1）确定联轴器的力矩T式（3.16） 式中：T1——伺服电机的力矩；K——联轴器的工况系数。代入数据，分析计算得T=3.2N·m，因为联轴器的力矩T不大，所以我们选择夹紧式联轴器本作为本文设计的四轴码垛机械臂臂部的联轴器。夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，结构相对来说比较简单，拆装维修比较方便，虽然在正常工作的时候所能承受的载荷有限，但对同轴度额要求不是很高，生产成本比较低，性价比比较高，由于该夹紧式联轴器在正反转时候的转动特性一致，所以非常适合码垛机械臂在工作时候的频繁转动。由于本文码垛机械臂的臂部竖直移动设计的伺服电机的直径为16mm，滚珠丝杠螺母的直径为12mm，查询相关资料后，本文选择夹紧式联轴器的型号为TS4C-26-1012，如下图3-7。图3-7弹性夹紧式联轴器（2）联轴器的力矩校核 TS4C-20-1012型联轴器的拧紧力矩最大为5N·m，而联轴器工作时收到最大的拧紧力矩为4.2N·m，所以该联轴器的选择满足设计的要求。3.4码垛机械臂的臂部水平移动设计本文设计的码垛机械臂的臂部的水平移动采用的也是滚珠丝杆螺母。导杆在水平方向上是固定不动的，安装在臂部底部的伺服电机的转动带动滚珠丝杆转动，从而实现码垛机械臂的臂部的水平移动。因为本文设计的的码垛机械臂的臂部 水平的移动和竖直的移动都采用相同的传动方式，而且运动参数都是一样的，所以滚珠丝杠螺母、伺服电机和联轴器的选择都是一样，不同的是，臂部水平的伺服电机不需要克服载荷的重力，所以所选择的电机功率相对来说小一点。3.4.1滚珠丝杠螺母的设计四轴码垛机械臂的臂部水平移动的滚珠丝杆螺母的选择和竖直移动的滚珠丝杆螺母一样。3.4.2伺服电机的选择（1）伺服电机功率确定计算伺服电机的最大功率P：式中M——水平移动臂部的质量；μ——摩擦系数；v——物料最大的移动速度；K——安全系数。代入数据，分析计算得P=120W，所以本文选取P=200W的交流伺服电机，所挑选的电机的型号：MAXON2332，它的具体技术参数如下表3-8表3-8伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩/(N·m)转子转动惯量JM/(kg·cm2)MAXON2332200AC240250046000.61.80.24（2）伺服电机的转动惯量比校核式中：——所选联轴器的惯量代入数据，分析计算可得JL=1.1×10-4kg·m2。本文所选伺服电机的转动惯量JL/JM=6.9＜7所以满足设计要求（3）伺服电机转矩的校核加速时的转距Ta：式中：——负载的转动惯量；——伺服电机的转动惯量；N——伺服电机最高转速；t——加速时间。代入数据，分析计算得：Ta=0.85N·m。减速时的转矩Tb：式中：——负载的转动惯量；——伺服电机的转动惯量；N——伺服电机最高转速；t——减速时间。代入数据，分析计算得Tb=0.74N·m。所以，伺服电机的最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.85N·m，Ta×K=1.02N·m<1.4N·m（200w时最大转矩）确定伺服电机的有效转矩T：式中——载荷运动的总时间；K——安全系数。其余上面都已经计算求出来了，这里就不再标注。代入数据分析计算得=0.38N·m＜0.6N·m（200w时最大扭矩），所以满足设计要求。3.4.3联轴器的选择（1）选择联轴器臂部水平移动的联轴器的型号与臂部竖直移动的联轴器一样都是弹性夹紧式的联轴器。 确定联轴器的力矩T式（3.17）式中T1——伺服电机的力矩K——联轴器的工况系数；代入数据，分析计算得T=2.4N·m由于本文码垛机械臂的臂部水平运动设计的伺服电机的直径为14mm，滚珠丝杠螺母的直径为12mm，查询相关资料后，本文选择夹紧式联轴器的型号为TS4C-14-1012，如下图3-9图3-9弹性夹紧式联轴器（2）联轴器的力矩校核TS4C-14-1012型联轴器的拧紧力矩最大为4N·m，而联轴器工作时收到最大的拧紧力矩为43N·m，所以该联轴器的选择满足设计的要求。3.5码垛机械臂腕部的转动设计腕部的伺服电机通过联轴器链接滚珠丝杠，从而实现手指夹取物料。3.5.1伺服电机的选择（1）伺服电机功率确定计算出伺服电机的最大功率P：式中M——腕部的质量；μ——摩擦系数；v——物料最大的移动速度；K——安全系数。代入数据，分析计算得P=80W，所以本文选取P=100W的交流伺服电机，所挑选的电机的型号：MSME012G1，它的具体技术参数如下表3-10：表3-10腕部伺服电机的技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速

QUOTE/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩QUOTE转子转动惯量JM/(kg·cm2)MSME012G1100AC240250040000.40.850.2（2）伺服电机的转动惯量比校核式中：——所选联轴器的惯量代入数据，分析计算可得JL=0.93×10-4kg·m2。本文所选伺服电机的转动惯量JL/JM=5.8＜6,所以满足设计要求（3）伺服电机转矩的校核加速时的转距Ta：式中——负载的转动惯量；——伺服电机的转动惯量；N——伺服电机最高转速；t——加速时间。代入数据，分析计算得：Ta=0.45N·m。减速时的转矩Tb：式中——负载的转动惯量；——伺服电机的转动惯量；N——伺服电机最高转速；t——减速时间。代入数据，分析计算得Tb=0.36N·m。所以，伺服电机的最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.45N·m，Ta×K=0.54N·m<0.7N·m（100w时最大转矩）确定伺服电机的有效转矩T：式中—载荷运动的总时间；K—安全系数。其余上面都已经计算求出来了，这里就不再标注。代入数据分析计算得=0.18N·m＜0.3N·m（100w时最大扭矩），所以满足设计要求。3.5.2减速器的选择腕部减速器的选择同腰部一样，本文就不再给出具体过程，详见腰部减速器的选择。4辅助机构的设计4.1保护线路的设计本文设计的码垛机械臂使用坦克链来包裹电路上的导线，如图4-1所示。在一些机器人的辅助装置中都能发现坦克链的影子，它能保护电导线，适合往复运动频繁的场合，具有较高的抗拉压力和抗拉载荷，而且具有很好的韧性、十分耐磨、阻燃性好、弹性大、性能稳定、室内室外都可以使用。坦克链由很多的单元链构成，每隔链节之间都能自由转动，每一个链节都能自由打开，方便导线安装，而且安装维护方便，运动的时候声音低，低速、中速、高速都适合。所以现在已经被广泛应用在电子仪器、航空航天、数控机床、工业机器人等方面。图4-1坦克链 4.2码垛机械臂的零点设计码垛机械臂在刚启动的时候，先要确定运动的的位置，以及与机体机械零点的相对位置，只有这样才能进行后续相关的运动。本文设计的码垛机械臂的零点就是确定l本机的机构零点位置，并且设置了码垛机械臂的初始的开关和连接线路。挑选合适的传感器是机构零点设计的关键，可供选择的传感器有：光栅传感器、位置传感器、重力传感器、限制开关等。微动开关是一个依靠外力的作用，通断快速的接点机构，由于其价格廉价，遍及程度高，稳定性好，安装简单，所以本文设计的码垛机械臂就使用它关作为机器人的初始位置的开关。其内部结构如下图4-3所示：图4-3微动开关的结构图是操作体，2)是驱动杆，3)是接点间隔，4)是端子，5)是可动片，6)是安装孔，7)是开关外壳。在本文设计出的码垛机械臂中，码垛机械臂的外壳是起始点，它向前压上运动杆，运动杆传导外力至内壳中的弹簧开关，推动可动点实现开关的动开。微动开关安装位置如下图4-4表示：黑点处均为微动开关图4-4微动开关安装的位置4.3制动器制动器是把码垛机械臂在运动过程中所产生的能量转换成热能来排放，进而达到让运动的构件速度减小或者停下的装置。制动器按制动方式来分，一般分为机械制动和电气制动两种。电磁制动器是机械制动器中的典型代表，伺服电机是码垛机械臂的驱动系统中最常用的，因为它的本身特点就决定了电磁制动器是不可或缺的零件。从它的原理上分析可以看出，电磁制动器是根据弹簧的弹力来制动的，只有当线圈有电