100KG四自由度码垛机器人底座设计及分析（……，…….，……..，…….）摘要：本文主要设计和研究了一个抓重为100KG的四自由度的码垛机器人，用于企业生产中的码垛物品。
首先对机器人的整体方案和具体的结构按要求进行了分析，接着主要设计了机器人底座和腰部结构并进行了建模和装配。
最后,利用分析软件（UG）对机器人底座和腰部进行有限元仿真分析。
关键词：码垛机器人；结构设计；建模；有限元分析Design and Analysis of 100KG 4-dof Palletizing Robot Base… … …（School of Transportation，Institute of Transportation Mechanical Design Manufacturing and Automation，jixieben1104 ，20112814726）Abstract:In this paper, the design and research of a catch weight of 100KG of 4-dof palletizing robots for the production of stacking items.At first, the overall program and the specific structure of the robot were analyzed according to the requirements, then the main work is to design the base and waist of the robot and carry on the modelling and analyze.Finally, this paper uses the analysis software (UG) to make finite element analysis of it.Key words: Palletizing robot；Structural Design；Modeling；Finite Element Analysis1引言随着科技的不断发展和进步，企业越来越重视自动化生产。
[1]在这种背景下，机器人的使用越发普及，码垛机器人就是其中之一。
效率高，适用性强，能耗低，占地面积少等诸多优势让它在各个领域大放异彩。
2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，尤其是底座和腰部设计，主要工作内容有以下几点:1.了解码垛机器人发展近况以及未来发展方向，并掌握码垛机器人的基本构成部分。
2.对码垛机器人的底座和腰部进行设计。
机器人腰部旋转部分电机和减速器的选择和校核以及结构的设计。
3.用UG进行三维模型设计。
设计底座和腰部的三维模型，并将设计好的底座和腰部进行装配。
4.利用UG对主要受力构件进行有限元分析。
3码垛机器人总体结构本课题设计的码垛机器人属于关节型机器人，共有四个自由度，分别是底座1的旋转，大臂2和小臂3的转动，还有前爪4的旋转。
总体结构如图3-1所示。
图3-1 码垛机器人结构4码垛机器人底座和腰部设计4.1腰部电机和减速器的选择4.1.1 电机选择码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或者低速电机。
设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为J ，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂极限长度L ，可得其转动惯量为：32ML J=（4-1）其中M 是腰部所要承受的重量，为200Kg ，L 为1m ，通过计算得其转动惯量为66.72m Kg ⋅ 电机转矩α⋅=J T （4-2） 回转加速度22s rad πα=（4-3） 带入求出力矩：41927.66=⨯==παJ T N·m电机的转动惯量22iJJ G =（4-4）取减速比i=153，带入求出电机的转动惯量0028.01537.66i 222===JJ G Kg ·m 2电机的转矩iTT =d （4-5） 带入求出电机转矩7.2153429id ===TT N·m 根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参数，选取Σ-V 系列的SGMGV-20A 型电机，额定输出为1.8KW ，额定转矩为11.5N·m ，瞬时最大转矩为28.7N·m 。
4.1.2 减速器的选择码垛机器人腰部的旋转需要克服的负载转动惯量比较大，所以在负载和驱动电机之间要用有比较大传动比的减速装置。
[2]考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性等要求，本文设计的机器人减速装置采用RV 减速器。
RV 减速器具有传动比较大、结构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点，能够满足码垛机器人的各种要求。
选减速器所需各种数据如表4-1所示表4-1 减速器选型条件启动时（max ）稳定时停止时（max ） 紧急停止冲击时负载转矩(N·m ) T 1=1000 T 2=0 T 3=1000 T em =3000 转速(r/min) N 1=5 N 2=10 N 3=5 N em =20 时间(sec)t 1=0.5t 2=4.2t 3=0.5t em =0.05确定负载特性求出平均负载转矩 310332211310333310222310111m N t N t N t T N t T N t T N t T ++++=（4-6）510= N·m求出平均输出转速321332211t t t N t N t N t N m ++++=（4-7）min r 9=暂时选定RV-80E-10计算减速机寿命是否满足要求的规格值.31000h ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=m m T T N N K L （4-8） h h 2000041862>=h L 远大于20000小时求出输出转速最大输出转速10r/min<75r/min （RV-80E 减速器允许最高输出转速） 求出启停转矩 T1=1000N·m<1960N·m （RV-80E 减速器的启动时允许转矩） T3=1000N·m<1960N·m （RV-80E 减速器的停止时允许转矩） 求出紧急制动力矩Tem=3000N·m<3920N·m （RV-80E 减速器的瞬时最大允许转矩） 求出主轴承承载力emem em t N TT C ⨯⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=604057753100em （4-9）次8274=外部负载条件W 1=500 N L 1=0.5m W 2=2000N L 3=0.5m 求出力矩刚度求出输出轴偏角是否符合要求的规定值 3t 321110⨯+=M W W θ （4-10） 58.0=表4-2 减速器弯矩刚性和轴端尺寸式中M T 为弯矩刚性，查表4-2，得M T =1176N·mθ=0.58(分)<1(分)符合要求。
求出外力矩m 6326.0a b 2=-+=L （b.a 从表4-2查得） （4-11） 10003221c L W L W M +=（4-12）型式 弯矩刚性 Nm/arc.min.※3尺寸(mm)a b RV-6E 117 17.6 91.6 RV-20E 372 20.1 113.3 RV-40E 931 29.6 143.7 RV-80E ※1 1176 33.4 166.0 RV-80E ※2 1176 37.4 166.0 RV-110E 1470 32.2 176.6 RV-160E 2940 47.8 210.9 RV-320E 4900 56.4 251.4 RV-450E744869.0292.72156N·m 1316.3N·m <=(允许弯矩从表4-3查得)表4-3 减速器允许弯矩和允许轴向推力减速器RV-20E 满足所有要求规格，因此选定RV-80E-10。
4.2 底座和腰的结构设计4.2.1 底座的设计底座部分要支撑腰部以上包括大臂小臂和100KG 负重等所有重量，所以在设计结构方面首先考虑的是它的稳定性和坚固性。
在参考了一系列的文档资料后，决定用圆台作为主模型，然后将用于腰部旋转的电机和减速器全都固定在底座上，进一步加强稳定性。
底座结构如图4-1所示。
型式 允许弯矩 Nm 允许轴向推力N RV-6E 196 1470 RV-20E 882 3920 RV-40E 1666 5194 RV-80E ※1 2156 7840 RV-80E ※2 1735 7840 RV-110E 2940 10780 RV-160E 3920 14700 RV-320E ※1705619600图4-1底座的结构设计工程图如4-2所示。
4-2 码垛机器人底座设计工程图4.2.2腰部的设计本文设计的码垛机器人腰部有两方面作用，一是通过底座的电机连接减速机，减速器又与腰部相连，进而带动腰部实现360°旋转；二是在腰部上端是与大臂相连的结构，连接部分也是利用电机与减速机的结合，最终实现大臂一定角度的转动。
因此，在设计腰部的时候，其基本要求如下：1.高精度。
为了腰部在平稳运动时能保持较高的定位精度，所以码垛机器人的精度也很重要。
2.高强度。
腰部的上端支撑着包括大臂，小臂前爪以及抓重物等所有的重量，为了保证在如此负重之下腰部还能正常运动而且不会影响精度，这就对腰部的强度有了很大的要求。
3.轻重量。
为了降低码垛机器人的重心，提高运动速度，还要减小整个腰部对于回转轴的转动惯量，腰部的设计在强度满足条件的情况下要尽量减轻重量。
4.良好的导向性。
为了确保腰部的旋转不会影响到大臂的运动，所以良好的导向性也是十分必要的。
腰部结构设计如图4-3所示。
图4-3 码垛机器人腰部结构设计其工程如图4-4所示。
4.3底座和腰部的装配装配如图4-5所示。
、图4-5码垛机器人底座腰部装配图码垛机器人装配剖面图如图4-6所示。
图4-6 码垛机器人装配剖面图5UG有限元分析5.1对底座的有限元分析5.1.1UG有限元分析结果底座有限元分析结果如表5-1，图5-1，图5-2和图5-3所示。
表5-1 码垛机器人底座有限元分析载荷工况 1 : Number of Iterations = 1位移(mm) 应力(mN/mm^2(kPa))X Y Z Magnitude Von-MisesMinPrincipalMaxPrincipalMaxShear静态步长 1M a x 3.685e-0048.906e-0048.904e-0049.554e-0047.953e+0021.264e+0014.924e+0024.409e+002M in -1.253e-006-8.904e-004-8.904e-0040.000e+0005.325e-001-6.975e+002-9.231e+0012.966e-001图5-1底座未受力时网格划分图5-2底座有限元分析-位移变化图5-3底座有限元分析-应力变化5.1.2图表分析表5-1是底座在受力情况下所产生的位移和应力变化。