码垛机器人设计_毕业设计说明书目录第一章绪论 (1)1.1课题的背景、来源及意义 (1)1.2码垛机器人的发展进程及发展趋势 (2)1.3课题的设计内容 (2)第二章码垛机器人总体结构设计 (4)2.1方案的确定 (4)2.2总体设计思路 (6)第三章码垛机器人腕部和腰部设计 (7)3.1码垛机器人腕部设计 (7)3.1.1 减速机的计算与选型 (7)3.1.2联轴器的计算与选型 (8)3.1.3轴承的选型 (10)3.2码垛机器人腰部设计 (11)3.2.1腰部电机选型 (11)3.2.2腰部联轴器计算选型 (12)3.3本章小结 (13)第四章码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计 (14)4.1平面机构受力分析 (14)4.2手臂关节轴承的选型与校核 (15)4.3销轴校核 (16)4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 (16)4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核 (17)4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核 (17)4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核 (18)4.3.5 其它销轴联接校核 (18)4.4竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (19)4.4.1 最大工作载荷的计算 (19)4.4.2 最大动载荷的计算 (19)4.4.3 初选滚珠丝杠副型号 (20)4.4.4 传动效率计算 (20)4.4.5刚度的验算 (21)内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4.4.6压杆稳定性校核 (22)4.5水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (23)4.5.1最大工作载荷的计算 (23)4.5.2最大动载荷的计算 (23)4.5.3初选滚珠丝杠副型号 (24)4.5.4 传动效率计算 (24)4.5.5刚度的验算 (24)4.5.6压杆稳定性校核 (26)4.6水平滚动导轨副的计算选型 (26)4.6.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (26)4.6.2额定行程寿命的计算 (28)4.7竖直滚动导轨副的计算选型 (30)4.7.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (30)4.7.2.额定行程寿命L的计算 (30)第五章 PRO/E建模和仿真 (32)5.1主要部件建模及其简介 (32)5.1.1轴承建模的主要过程 (32)5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 (35)5.2三维机构运动仿真的基本介绍 (37)5.2.1 机构运动仿真的特点 (37)5.2.2 机构运动仿真的工作流程 (37)5.2.3 机构仿真运动装配连接的概念及定义 (37)5.2.4 机构的仿真运动 (38)第六章 ANSYS有限元分析 (40)结论 (46)参考文献 (47)谢辞 (48)第一章绪论1.1课题的背景、来源及意义近几十年来，随着我国经济持续发展及科学技术的突飞猛进，机器人在码垛机、弧焊、喷涂、点焊、搬运、涂胶、测量等行业有着越来越广泛的应用。

机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现诸多拟人动作和功能的机器。

工业机器人则是在工业生产上应用的机器人，是一种典型的机电一体化装置。

工业机器人是用来搬运材料零件工具等可再编程的多功能机械手。

它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果。

码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，所谓的码垛就是按照集成单元化思想，将一件件物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的搬运、装卸、运输、存储、等物流活动。

在物体的运输过程中除了散装的物体和液体外，一般的物体都是以码垛的形式进行存储或组装，这样即可承载更多的物体，又可节省空间。

随着物流的飞速发展以及科技的突飞猛进，码垛技术应用越来越广泛，尤其是在环境较恶劣或人工很难做到的情况下。

包装的种类、工厂环境和客户需求，物体的安全性等，使得码垛成为越来越艰巨的任务，为了克服这些困难，码垛设备的各个方面都在不断地发展改进，如从机械手到操纵它的软件，现在对灵活性的需求也在不断增加。

码垛机器人是一种具有特殊功能的垂直多关节型机器人，广泛应用于石油、化工、食品加工、饮料等领域。

可通过主计算机根据不同的物料包装、堆垛顺序、层数等参数进行设置实现不同型包装的码垛要求。

而机器人码垛技术是自动化物料后处理成套设备中的关键技术之一，随着自动称重、包装技术的发展和性能指标的提高，对码垛技术也提出了更高的要求。

码垛机器人手臂应具有一定的刚度和强度，防止弹性变形和断裂。

手腕搬运的东西较重，这对其精度提出了更高要求。

为满足自动化生产线产品搬运及码垛的要求,本课题要求设计一种码垛机器人的机械结构部分。

结合机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对码垛机器人整体机械结构、传动系统进行分析和设计，提出了一套经济型设计方案。

1.2 码垛机器人的发展进程及发展趋势自从２０世纪８０年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。

按机器人的发展进程，分为三代机器人。

第一代机器人，具有示教再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。

虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息。

目前码垛机器人的应用主要在以下两个方面。

恶劣工作环境，危险工作场合.这个领域的做业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业。

例如在冲床上下料、采矿、锻造等。

第二个是自动化生产领域。

码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。

一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。

工业机器人具有减少劳动力费用、提高生产率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除了危险和恶劣的劳动岗位。

目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达42亿美元。

尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向新的领域进军。

我国工业机器人的应用前景十分宽广的。

但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展带来一定的困难。

只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。

工业机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度，运动速度，减低成本和提高可靠性的重要途径。

近几年各国注重发展组合式工业机器人。

它是采用标准化的模块件或组合件拼装而成。

除了工业机器人用的各种伺服电机，传感器外，手臂，手腕和机身也以标准化。

随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精度，开发多关节，多自由度的手臂和手指及新型的行走机构，以适应日益复杂作业需求。

1.3 课题的设计内容本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，主要工作内容有以下几点：1) 了解搬运机器人发展历程、现状以及未来发展趋势，掌握码垛机器人的机械结构特点以及基本构成部分。

2) 对码垛机器人的总体方案进行设计。

设计几种方案，对比选出最优方案。

方案确定后，对各个细节进行设计。

包括腕关节电机、轴承、联轴器的选择；臂部材料的选择、结构的设计、受力分析、关节处销轴的校核、关节轴承的选型；传动系统的设计：电机、联轴器、轴承的选型，滚动丝杠、滑动导轨的选型与校核；腰部电机、联轴器、轴承型号的选择。

3) 用Pro/E进行三维模型设计。

设计各零部件的三维模型，并将设计好的零部件进行装配，装配完成后进行运动仿真。

不断改变参数，观察机构的运动是否发生变化。

4) 利用ANSYS软件对主要受力构件进行有限元分析，生产应变、应力图。

第二章码垛机器人总体结构设计2.1 方案的确定码垛机器人工作过程是往复循环的，由于关节式手臂运动形式工作范围大、通用性强，因此本文采用平行四边形机构作小臂驱动器的关节式机械手。

在此课题的研究中共设计出三种方案，即方案一、方案二、方案三。

方案一：如图2-1所示。

后大臂沿着丝杠向上运动，前大臂沿着丝杠想向右运动；后大臂向下运动，前大臂向运动，实现码垛机器人码垛过程。

此结构能基本满足设计要求，但是由于前大臂、后大臂与小臂间通过销轴连接，运动范围小，且前大臂与后大臂不相连接，使得机构运动精度低，运动不确定。

图2-1 方案一方案二：如图2-2所示，此机构的前大臂与小臂通过移动副连接，前大臂通过滑块可以沿着小臂滑动，解决了方案一工作范围小的缺点。

但是由于前大臂与小臂组成移动副，使得摩擦阻力增加，运动效率低，成本高。

此机构中前大臂主要起支撑作用，机构的运动主要取决与后大臂，这使得此种方案的运动精度更低。

图2-2 方案二方案三：如图2-3所示，机构运动原理与图2-1相同，此机构构成平行四边形，运动具有确定性，销轴处有关节轴承，减少摩擦力，方案三改善了方案一方案二的不足之处。

图2-3 方案三2.2 总体设计思路码垛机器人主要实现不同型包装的码垛物体的搬运功能。

在对码垛机器人的运动形式简单了解以后，设计的思路还是很清晰的。

本文主要进行码垛机器人的机构设计，要实现码垛机器人在半径为1.5米的圆周内的码垛运动，必须由四个动作来实现，即腰部的旋转、后大臂的上下运动、前臂的前后运动和手腕的回转运动，而且这四个动作全部由交流伺服电机驱动。

由于腕部转速较低，特选用减速机来驱动，而且要选择重量轻的减速机。

此时由于轴立起来以后就有往下窜动的趋势，而且还要转动，既要保证轴的正常转动，其次还要轴一定的支撑，由此引入了角接触轴承。

轴承型号7305C。

电机轴与传动轴之间用联轴器连接，选择A型平键套筒联轴器。

机械手臂的材料和结构的选择。

手臂材料要求强度高，弹性模量大，重量轻，阻尼大，价格低，故选择碳素结构钢或合金结构钢。

手臂做成工字型或打孔以减小重量，减少加工面积。

为保证机构运动的精度，将手臂设计成平行四边行机构。

为减小摩擦，在手臂与手臂、手臂与支撑架之间的销轴处采用关节轴承。

为了使手臂传动准确，手臂驱动系统增加了直线滚动导轨作为导向装置，这就要考虑导轨的受力问题，由于负载和手臂的重量基本都加在了导轨上，因此要进行受力分析。

手臂驱动系统采用低速交流伺服电机带动滚动丝杠副旋转从而实现前大臂的左右运动，后大臂的上下运动。

此处驱动电机选择伺服电机。

轴承选用角接触球轴承。

腰部旋转速度低，因此选用中低速电机。

由于腰部以上所有构件的载荷都由腰部轴承来承担，故选用主要承受轴向载荷的推力球轴承。

根据腰部所受总体载荷的大小选择推力球轴承型号。

联轴器选择凸缘联轴器。

第三章码垛机器人腕部和腰部设计3.1 码垛机器人腕部设计3.1.1 减速机的计算与选型本节减速机的型号是根据上海泰一传动设备有限公司的《R系列斜齿轮减速机选型手册》选用的。