码垛机器人的结构设计与分析机械手毕业设计.docx
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码垛机器人的结构设计与分析机械手毕业设计
码垛机器人的结构设计与分析机械手毕业设计
毕业论文（设计）
摘要
本文主要任务是码垛机器人的结构设计与分析。
首先介绍码垛机器人的研究背景，并简要介绍了国内外码垛机器人发展状况和主要结构形式，在对码垛机器人的功能需求分析和原理性设计后，参考了其他码垛机器人的结构，进行了总体方案设计，确定了本码垛机器人的结构类型，为具有四自由度的圆柱坐标式机器人。
同时在总体方案的基础上，从实际出发，对码垛机器人进行了整体结构设计，并进行了腰部，臂部和腕部等主要结构的选型设计与分析，其中详细设计了臂部的同步带传动、滚珠丝杠传动等。
本文主要采用Pro/E软件对机械手进行了设计，使机械手的设计难度大大降低，提高了设计的效率。
最后，在运动学上对码垛机器人进行了分析，从理论上确保了在运动上的可靠性，保证码垛机器人能够正常地运行。
关键字:
码垛机器人;四自由度;结构;设计
毕业论文（设计）
Abstract
Themaintaskofthepaperisthestructuredesignandanalysisofthepalletizingrobot.Firstofall,researchbackgroundofthepalletizingrobotwasintroduced,andthebriefdescriptionofthestatusofdevelopmentandmainstructurewasgivenathomeandabroad.Afterfunctionalrequirementsanalysisandschematicdesignhaddone,Referencingtootherpalletizingrobotstructure,theoverallprogramwasdesigned,thendeterminedthestructuraltypeofpalletizingrobotisthecylindricalcoordinateswithfourdegreesoffreedomrobot.Onthebasisoftheoverallprogram,proceedingfromreality,theoverallstructureofpalletizingrobotwasdesigned,andaselectionofdesignandanalysisofthemainstructureofthewaist,armandwristhadbeendone,includingthedetaileddesignofthearmbeltdriveandballscrewdrive.Pro/Esoftwarewasusedtodesignrobot,whichmadethedifficultyoftheworkisgreatlyreduced,therebyimprovingtheefficiencyofthedesign.Finally,kinematicanalysishadbeendoneintheory,toensurereliabilityofthepalletizingrobot.
Keywords:
palletizingrobot;fourdegreesoffreedom;structure;design
毕业论文（设计）
第1章绪论.........................................................................................................................................................1
1.1研究背景.................................................................................................................................................1
1.2码垛机器人机发展状况.........................................................................................................................2
1.3国内外码垛机器人主要结构形式.........................................................................................................3
1.4本设计的主要任务.................................................................................................................................5第2章码垛机器人总体方案设
计.....................................................................................................................6
2.1码垛机器人功能需求分析....................................................................................................................6
2.2码垛机器人原理设计.............................................................................................................................8
2.3运动分析................................................................................................................................................9
2.3.1自由度.........................................................................................................................................9
2.3.2速度分析.....................................................................................................................................9
2.4总体结构设计........................................................................................................................................9
2.5小结......................................................................................................................................................10第3章码垛机器人关键结构设计分析与选
型...............................................................................................11
3.1臂部......................................................................................................................................................11
3.1.1臂部结构...................................................................................................................................11
3.1.2臂部臂长设计............................................................................................................................11
3.1.3大臂校核...................................................................................................................................13
3.2滚珠丝杠副的选型计算......................................................................................................................16
3.2.1水平滚珠丝杠副的选型计算....................................................................................................16
3.2.2垂直滚珠丝杠副的选型计算....................................................................................................18
3.3电机选型计算......................................................................................................................................19
3.4线性滑块选型计算..............................................................................................................................21
3.5同步带传动选型计算..........................................................................................................................26
3.5.1水平同步带传动选型计算........................................................................................................26
3.5.2腰部同步带设计.......................................................................................................................31
3.6本章小节...............................................................................................................................................34第4章总结与展望...........................................................................................................................................35
41全文总结...............................................................................................................................................35
4.2展望......................................................................................................................................................35参考文献.............................................................................................................................................................36致谢...................................................................................................................................................................37附录.....................................................................................................................................错误～未定义书签。
毕业论文（设计）
第1章绪
论
1.1研究背景
随着现代科学技术的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域,其中诞生的码垛机器人是应用于实际生产并实现工业自动化生产的一个重要体现。
码垛，是按照集成单元化的思想,将一件件的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存储、搬运、装卸运输等物流活动。
码垛分为人工码垛、传统码垛机码垛和机器人码垛。
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人工码垛
在物料轻便、尺寸和形状变化大、吞吐量小的场合,采用人工码垛方案,常常是经济可取的,特别是在人力资源丰富的我国,这些应用场合基本上都是采用人工码垛的。
由于以前我国劳动力成本比较低，大部分企业采用人工码垛方式。
但随着经济的发展，企业员工也在不断的要求公司改善工作环境及减少工作强度，人工码垛逐渐被机器自动码垛所取代。
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传统码垛机码垛
当码垛吞吐量在10件/min以上,且在吞吐量恒定的情况下，如果采用人工码垛方案就需要较多工人,而且长时间地进行人工码垛作业常常会造成弯腰疲劳和重复劳动疲劳，这时，从人机工程学的角度考虑,需要增加一些符合人机工程学方面的设施,例如托盘操纵机、剪式升降台、工业操作机械手等。
这种采用自动码垛方案，在一定程度上,不仅可以加快物流速度,保护工人的健康和安全,而且可以获得整齐一致的物垛,减少物料的损伤,提高叉车的搬运效率,增强处理的柔性。
[6]随着现代化的进程，人们对包装速度的要求越来越高。
一般的简单自动码垛方式不能满足要求，在线式码垛机逐渐成为码垛系统的主要角色。
根据进料位置的高低,又可将在线式码垛机分为高位式和低位式两种。
在线式码垛机以其高速处理能力而著称,随着技术的进步,在线式码垛机的吞吐量不断提高。
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机器人码垛
近年来,机器人码垛技术发展甚为迅猛,这种发展趋势是和当今制造领域出现的多品种少批量的发展趋势相适应的,机器人码垛机以其柔性工作能力和小占地面积,能够同时处理多种物料和码垛多个料垛,愈来愈受到广大用户的青睐并迅速占据码垛市场。
表1给出了三种码垛方式的比较
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毕业论文（设计）
表1三种码垛方式的比较
传统码垛机码垛人工码垛机器人码垛
占地大，浪费地方占地大，浪费地方占地小，有效率车间应用
转换慢，需要换上适当的部件，转换慢，需要换上适当的部件，处处理不同码垛布局和产品难或不灵活性强,转换快:
码垛布局或不同产品理不同。
码垛布局和产品难或不能能
多功能，可同时搬运托盘、放置分层纸、功能少，只能放置分层纸功能少，只能放置分层纸同时处理两种以上产品、打码、贴标等
维护低，平均故障间隔时间超过70,000
维护高。
平均故障间隔时间短维护高。
平均故障间隔时间短小时
易损件多，备件多，运作成本高易损件多，备件多，运作成本高易损件少，备件少，运作成本低
意外恢复时间长，生产效率第意外恢复时间长，生产效率第意外恢复时间短，生产效率高
操作难，培训难操作难，培训难操作容易，培训容易
连通性强，可以远程操作、诊断，可连上无连通性无连通性区域网以上传生产数据
提升难提升难提升容易，保证投资的长期效率
以前，由于我国劳动力成本比较低，大部分企业采用人工码垛方式，采用传统码垛机码垛的企业也很少，但随着人们经济生活水平地不断提高，企业员工也不断的要求公司改善他们的工作环境及减少工作强度，现在许多像搬运等劳动强度大的岗位一般民工也不愿意干，目前就有广东等沿海省份出现了民工荒的现象。
企业为了解决这种劳动力不足的情况，逐渐地采取了用机器人码垛替代人工码垛，因此从这种社会发展趋势来看，码垛机器人的需求量不容小觑。
因此，研究码垛机器人，对替代人工搬运，节省劳力资源成本，大大提高企业生产效率非常有益。
同时，在国外机器人占据中国大半市场的情况下，研究码垛机器人，对打造码垛机器人的民族品牌，并为其它工业机器人的发展提供参考，促进其发展，将起到十分重要的作用，同时也有助于推进我国工业自动化的进程。
[8]1.2码垛机器人机发展状况
机器人从50年代问世以来，经过几十年的发展，已经广泛应用。
20世纪80年代以来，随着机器人驱动方式的改变、信息处理速度的提高、传感器技术的发展，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。
从20世纪50年代至今，机器人技术经历了可编程机器人、示教机器人和智能机器人三代。
机器人技术是20世纪中后期工业社会和经济发展的产物，机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服方的成就，是当代最高意义上的自动化。
[6]作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。
不管是人工码垛，还是传统的自动码垛技术和在线式码垛机均无法满足现代化企业多品种少批量的产品码垛要求，即缺乏处理多种产品的能力;另外，随着大型物资批发配送中心的出现，
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需要为成千上万个用户按定单配送产品。
这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些，都为机器人码垛机的发展提供了机会。
继70年代末日本将机器人技术用于码垛工艺以来，机器人码垛机的研究开发获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及抓取重量不断提高，价格不断下降。
[6][20]在国外，码垛机器人技术已经成熟，目前，国际上的码垛机器人公司主要分为日系和欧系，日系中主要有安川、川崎、不二等公司，欧系中主要有德国的KUKA、瑞典的ABB等
[13]公司。
我国的码垛机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出用于搬运的码垛机器人。
[14]然而，和国外相比，国内的码垛技术及其工程应用的水平还存在很大的差距，如可靠性和在应用规模上均低于国外产品。
日本、美国、德国、英国等发达国家的自动码垛技术已经发展到了相当高的水平，在线式码垛机的吞吐量在不断地提高，机器人码垛机的柔性、处理速度以及抓取载荷在不断地升级，应用场合在不断地扩大。
从总体来看，形成以上现象的主要原因是我国还没有形成一个机器人产业，当前我国的机器人生产都是迎合客户的要求，即“一个客户，一次重新设计”，品种规格多，批量小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本高，而且质量和可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，完善系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程，在不断地缩短差距的道路上，我国的科技工作者和广大的技术工程人员还有许多工作要做。
1.3国内外码垛机器人主要结构形式
纵观国内外的码垛机器人产品，按臂部的运动，可分为直角坐标式，圆柱坐标式，球坐标式，关节型式四种。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。
1）直角坐标式机械手结构
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。
由于直线运动易于实现全闭环位置控制，所以，直角坐标机械手能达到很高的位置精度。
但是，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多，主要用于装配及搬运作业中。
图1-1丝杠式直角坐标机器人
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图1-1是沈阳鼎冷机电公司生产的丝杆式直角坐标机器人，它由一根丝杆式主动导轨构成X轴结构，且由一个伺服电机驱动;Y轴是由一根丝杆式主动导轨水平放置，且导轨与X轴滑块固定，另由一根丝杆式Z轴导轨滑块连接到Y轴导轨的滑块上使用，形成三维的悬臂结构，各轴总长度可达1500mm（一般X轴可做到2924mm），V大=5m/s，Z轴垂直承载力可达3400N（与Y轴长度有关）。
2）圆柱坐标式机械手结构
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。
这种机械手工作空间是一个圆柱状的空间，构造比较简单，精度略低于直角坐标式，但高于关节型式，常用于搬运作业。
图1-2日本码垛机器人EC201
图2为日本不二码垛机器人EC201，其结构就是圆柱坐标式，通过一个回转运动及两个直线运动来实现。
垂直运动范围为2300mm，水平运动范围可达1500mm，腰部可回转330度，码垛重量（包括抓手）可达160kg。
3）球坐标式机械手结构
球坐标机械手
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