多自由度直角坐标型码垛机器人结构毕业设计说明书.doc

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多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

Bodystructuredesignofrectangularcoordinatepalletizingrobotwiththemulti-degreefreedom

学生姓名

学号

所在学院

班级

所在专业

机械设计制造及其自动化

申请学位

学士

指导教师

职称

副指导教师

职称

答辩时间

目录

设计总说明 I

INTRODUCTION II

1绪论 1

1.1码垛机器人的发展状况 1

1.2研究目的及意义 1

2课题内容及要求 2

2．1研究目标、内容及拟解决的关键问题 2

2.2参数要求 3

3总体机构设计 3

3.1机械抓手设计 6

3.1.1方案选择 6

3.1.2力学分析 7

3.1.3气缸选择 9

3.2丝杆螺母副的计算与选型 9

3.2.1Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 9

3.2.2x轴和y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型 12

3.3各轴驱动电机选型 12

3.3.1Z旋转轴电机的选择 13

3.3.2Z轴步进电机的计算与选型 15

3.3.3x轴和y轴步进电机的选用 17

3.4直线滚动导轨副的计算与选型 18

3.5轴承的选用 20

3.5.1Z旋转轴轴承的选用 20

3.5.2Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型 20

3.5.3其他轴承的选用 21

3.6锥齿轮传动的计算与选型 23

4总体支架的受力分析 25

总结 29

鸣谢 30

参考文献 31

设计总说明

直角型码垛机器人是工业机器人的一种，通过对它的数控编程，它能实现可以在XYZ三维坐标系中任意一点的移动和遵循可控的运动轨迹。

可以实现很多种码垛的方式，在生产线上对替代人工，提高生产效率等具备显著的应用价值。

本课题设计的设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地码垛。

可以通过快速替换机械抓手和重新编程对不同大小的物体进行快速码垛，可以适应不同的码垛对象，应用广泛。

第一步：

是对国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况进行了解，并了解其研究目的及意义。

第二步:

是对码垛机器人的总体方案的选择：

通过进行了详细的对比与选择，找到最合适的设计方案，最后方案采用龙门式机构，主要采用是滚珠丝杆螺母副传动，驱动装置采用步进电机，可以通过数控编程改变码垛的路线。

第三步:

是通过对履带机器人的使用情况与需求，对机构的选型与计算，主要机构有机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。

第四步:

是通过Pro/E画出该码垛机的总体三维结构图，通过CAD画出码垛机总装配图和其零件图，最后通过Pro/E画出该码垛机运动仿真。

关键词：

码垛机器人；丝杆螺母；步进电机

II

INTRODUCTION

Rightangletypepalletizingrobotisakindofindustrialrobot.ThroughtheNCprogramming,itcanmoveintheXYZcoordinatesystemofarbitrarypointmobileandfollowthetrajectoriesofcontrollable.It canpalletizeinsomanywaysintheproductionlinetoreplacetheworkerl,improvingproductionefficiencyandhavingsignificantapplicationvalue.

Thistime,thedesigncontentofthisgraduationdesignistocompletethemultidegreeoffreedomrectangularcoordinatepalletizingrobotbodystructuredesign,thepalletizingrobothasfourdegreesoffreedom,usedintheproductionlineofcartonpackagingofproductpalletizingintray.Itcancompactstackingquickly.It Canreplacemechanicalgripandre-programeofdifferentsizeobjectsforrapidpalletizing,andadapttodifferentpalletisingobject,havingawiderangeofapplications.

Thefirststepofthedesignistounderstandathomeandabroadofpalletizingrobotinthefieldoftheresearchbackgroundanddevelopmentsituation,andunderstandthepurposeandsignificanceoftheresearch.

Thesecondstepistheselectionoftheoverallschemeofthepalletizingrobot:

throughdetaileingcomparisonandselection,findingthemostsuitabledesign.Finally,ichosedthegantrymechanism,theballscrewnuttransmission,drivethesteppermotor,throughtheNCprogrammingchangestackingline.

Thethirdstepisthroughtheuseconditionandthedemandoftrackedrobot,selectiingandcalculatingoftheagency,mainbodywithmechanicalgripandrollingscrewnutpair,linearrollingguideways,stepmotor,rollingbearingandsoon.

TheforthstepisthroughthePro/Etodrawthepalletizingmachineoverallthree-dimensionalstructure,throughtheCADtodrawoutthepalletizingmachineassemblydrawingandthepartsdrawing.Finally,throughthePro/E,idrawthepalletizingmachinemotionsimulation.

KEYWORDS:

Palletizingrobot；Screwnut；Steppermotor

本科生毕业设计

多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计

毕业设计说明书

1绪论

1.1码垛机器人的发展状况

目前欧、美、日的各种码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了90％，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。

并且基本由他们垄断了全球市场。

l我国的工业机器人在国家支持下，通过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并取得了长足的进步，国外码垛机器人在我国市场一统天下的局面正在被打破[16]。

l但是，我国的工业码垛机器人其应用水平和技术与其他发达国家相比还有很大差距，如国外同类产品可靠性比我国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。

生产线技术水平与国外相比仍有差距。

和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小，我国还未发展成专门的产业。

并且当前我国的码垛机器人生产品种规格多，批量小，零部件通用化程度低[16]。

l因此迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全面规划，整合资源优势，积极推进产业化进程。

同时立足实际，完善码垛机器人相关的产品、系统及结构，努力提高我国的机器人发展水平。

1.2研究目的及意义

人们在工业生产领域工作时，人们经常受到腐蚀、有毒气体等因素的危害，使的工人的工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。

但是自从发明机械人以后，相应各种难题迎刃而解。

码垛机器人就是作为机器人其中一种，码垛机器人是机、电一体化高新技术的产品。

码垛机有很多种类，可以在不同的产量生产中发挥着巨大的作用。

可按照要求的编组方式和层数，完成对各种产品的码垛。

当码垛机器人的自由度越高，它能发挥的作用越大，但码垛机使用最优化的设计可以使得垛形紧密、整齐。

作为工业机器人的典型一种，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大的作用。

张机器人和包装线现结合，既提高了生产线的工作效率，有提高了生产线的工作效率，又增强了运行的可靠性，减少了人力资源开支，更让当代企业迅速适应不断变化的市场要求，产生巨大的经济效益[16]。

2课题内容及要求

2．1研究目标、内容及拟解决的关键问题

码垛机器人可以分为两类，分别是直角坐标型和关节型，如图2-1，而我要做的码垛机器人要求是直角坐标型的。

图2-1（a）直角坐标型码垛机器人图2-1（b）关节型码垛机器人

直角坐标型码垛机器人是基于空间XYZ三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可重复编程反复应用，可以适合不同任务的自动化设备。

它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。

本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个方向的移动和一个方向的回转，完成一个四自由度的直角坐标型码垛机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确定是何类形状的物体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具有较高的运动平稳性和重复精度。

主要内容是设计一具有四个自由度的直角坐标码垛机器人，4根运动轴对应直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴,以及Z轴上带有的一个旋转轴，能够实现自动装载和卸载功能。

各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。

设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部分结构设计和手爪的设计。

在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有：

1）机器人运动采用何种驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3）导轨布局的合理性等等。

2.2参数要求

1）单箱重量≤15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量≤30KG。

2）托盘尺寸1600×1600，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面≤1700mm。

3）行程：

X方向2200mm,Y方向1700mm,Z方向1700mm,水平旋转：

+90o.

4）最快码垛速度可达到1000mm/s，平均速度为500mm/s，码垛精度为1mm。

5）码放方式的要求是在托盘尺寸内每层尽可能多地摆放纸箱，托盘四周的纸箱尽可能平稳，要保证运输过程中平稳不倒。

而码好的托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样，尽可能地相互压住和咬合，如图2-2单数层和双数层的摆放方式不一样。

这样才可以保证码满纸箱的托盘（最高1.7米）在运输过程中平稳。

图2-2（a）单层纸箱排放方式图2-2（b）双层纸箱排放方式

3总体机构设计

设计方案初步有两种方案：

一种是悬臂式的码垛机器人，第二种是龙门式的码垛机器人，如图2-3。

图2-3（a）悬臂式码垛机器人图2-3（b）龙门式码垛机器人

因为在工作空间比较大的情况下，龙门式的码垛机器人机构比较稳定，机器人在工作的时候不容易产生晃动，所以选择第二种龙门式码垛机器人。

X轴和y轴可以近似看做xy工作台。

主要方案选定是z轴。

Z轴是上下运动，有两个方案：

方案一是采用丝杆螺母形式传动，方案二是采用齿轮齿条形式传动。

但方案二抓手和物体的重量直接要求齿轮和齿条来承受，对齿条和齿轮要有很大的要求，而且因为齿轮的传动特性，会使下降和上升的速度产生齿轮的多边形效应。

所以比较后采取方案一丝杆螺母形式传动。

采用丝杠螺母形式也有两方案可以选择，第一种方案是丝杠不动，抓手和物体通过螺母座与丝杠螺母连接做上下运动。

第二种是丝杠螺母通过螺母座固定在y轴的工作台上，而丝杠的底部与抓手连接做上下运动。

但第二种方案做上下运动的重量比较大，会导致做很多无用功从而使码垛机器人的效率降低。

所以通过比较后采取第一种方案。

采用这种方案因为只受到竖直的载荷，所以不需要滚动导轨，只需要滚珠丝杆螺母副的计算与选型。

机构简图如图2-4，三维视图如图2-5和图2-6。

图2-4机构简图

图2-5三维视图

图2-6三维视图

3.1机械抓手设计

3.1.1方案选择

（1）、因为码垛机器人要求要准确的把物品放到指定的位置，要求物品能够紧密放置，所以机械抓手设计成一遍是固定的夹板，一边是活动的夹板。

（2）、为了能够有更大的夹紧力和更好的平衡性能，采用两个气缸提供夹紧力。

机械手的动作过程如图3-1所示：

X,Y,Z轴和Z旋转

方向的运动

原点

下降

抓紧

X,Y,Z和Z旋转方向运动

放松

图3-1机械手的动作过程

机械抓手的三视图如图3-2和三维图3-3表示：

图3-2三视图

图3-3三维图

3.1.2力学分析

当物体受到最少夹紧力还处于加紧状态时的受力分析如图3-4所示：

图3-4受力分析

由受力平衡得

解得, 即机械抓手要求最少的夹紧力是加紧物体重力的二分之一。

题目要求加紧的物体重量最大是30kg，30kg物体重力为300N，则这抓手要求的最少夹紧力为150N。

由图可得，解得=370N

由于使用双气缸，则一个气缸提供185N的力即可，工厂里一般都有自己的压缩空气的装置，一般压缩空气的气压为0.8MPa，则由压力公式F=PS得

解得气缸的最少直径为d=0.0343m=34.3mm

3.1.3气缸选择

根据《机械设计手册单行本气压传动》P22-204表22-4-16选10A-5系列气缸，气缸实体如图3-5所示，该气缸主要零件用铝合金制造，重量轻。

这里具体选用型号为10A-5LA50B50，该气缸为标准型，气缸直径为50mm，行程为50mm，安装尺寸符合ISO国际标准。

图3-5气缸

3.2丝杆螺母副的计算与选型

需要使用丝杆螺母副的有z轴、x轴和y轴，x轴和y轴的丝杆螺母副使用环境差不多，可以选用同样的丝杆螺母副，但z轴使用情况不一样，需要单独计算。

3.2.1Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷Fm的计算

Z轴滚珠丝杆螺母如图3-6所示，需要带动的部分包括机械抓手、z旋转轴和丝杆螺母与z旋转轴连接件，估计这部分重量不会超过800N，所以Fz=800N，除此之外，并没有收到其他方向的载荷。

图3-6滚珠丝杆螺母

计算形式可按矩形导轨方式进行，查《系统设计课程设计指导书》表3-29，可以取该丝杆螺母副颠覆力矩影响系数为，同样可以取滚动导轨上的摩擦因数为。

求得该工作环境的最大工作载荷为：

（2）滚珠丝杆螺母座上最大动载荷的计算

z轴的进给速度最快可达，我们可以初选丝杠导程为，则可以计算出丝杠最快转速。

我们可以取滚珠丝杠螺母副的使用寿命，代入计算公式，计算出其丝杠寿命系数（单位为：

106r）。

查书《系统设计课程设计指导书》表3-30，可取我们的载荷系数，滚道硬度为HRC60，则可以取得硬度系数为，则求得丝杆螺母副的最大动载荷：

（3）丝杆螺母副型号的选择

最大动载荷和初选的丝杠导程根据上面已经计算出来，可查《系统设计课程设计指导书》表3-31，选择GD系列的4005-4型滚珠丝杠副，该丝杆螺母副为济宁博特精密丝杠制造有限公司所生产，其导程为Ph=5mm，公称直径为40mm，为内循环固定反向器双螺母式，循环滚珠为4圈×2列，精度等级可以取5级，可查得其额定动载荷为15307N，大于上式所计算出来的FQ，则满足要求。

（4）所选丝杆螺母副传动效率η的计算

从上可知公称导程，直径，代入公式，计算得丝杠螺旋升角为。

将导轨摩擦角和丝杠螺旋升角，代入计算公式，计算可得其传动效率为。

（5）滚动丝杆螺母刚度的验算

1）Z轴上端采用一对面对面组配的推力角接触球轴承来固定丝杠上端，下端则采用一对面对面组配推力角接触球轴承，外加一个推力球轴承，上、下支承的中心距离计算出约为；钢的弹性模量可查得为；查书《系统设计课程设计指导书》表3-31，可知该丝杆丝杠底径，直径，据此可以计算出丝杠截面积为。

则可以计算出丝杠由工作载荷作用下而引起的拉/压变形量

2）可以根据计算公式,求得单圈滚珠数；滚珠的圈数×列数为4×2，则可计算出得滚珠总数量。

当丝杠预紧时，可计算出轴向预紧力为，由书《系统设计课程设计指导书》式（3-27）计算出滚珠与螺纹滚道间的接触变形量为。

3）以上算出的和可以代入，求得丝杠总变形量。

由书《系统设计课程设计指导书》表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在时，行程偏差可允许达到65μm，则可见所选丝杆刚度足够。

（6）滚珠丝杆螺母副的压杆稳定性校核

失稳时的临界载荷可根据《系统设计课程设计指导书》式（3-28）计算出来。

查《系统设计课程设计指导书》表3-34，应该取其支承系数；由丝杠底径，则可求得截面惯性矩为；当丝杆垂直安装时，压杆稳定安全系数K应取2.5；已知滚动螺母至轴向固定处的距离，计算出得临界载荷，远大于工作载荷，则所选丝杠不会失稳。

综上所述，所选择的GD系列4005-4型滚珠丝杠副可以满足使用要求，其实体如图3-7所示。

图3-7滚珠丝杠副

3.2.2x轴和y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型

X轴和y轴可以选用同样规格的滚珠丝杆螺母副，如图3-8所示，因为x轴所受垂直载荷比y大，同样只需要进行对x轴的受力分析即可，计算方式与z轴差不多。

图3-8滚珠丝杆螺母副

（1）丝杆螺母的最大工作载荷Fm的计算

当抓手抓起限定最重的物品码垛机器人以最大速度运行时，其只受到与工作台面垂直垂向的载荷。

已知移动部件总重量估计不大于，同样可以与z轴一样按矩形导轨进行计算，可选K=1.1，μ=0.005。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

（2）滚动丝杆螺母副的最大动载荷FQ的计算

x轴工作时的最快进给速度同样可达到为v=1000mm/s，丝杠导程同样可选Ph=5mm，则丝杠寿命系数同样为L0=2700（单位为：

106r）。

则可求得最大动载荷：

（3）型号选择

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，以及x轴的丝杆比较长，主要受到径向载荷，为了保证其刚度，选择直径比较大的丝杆，可以选择与z轴相同的济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列2005-3型滚珠丝杠副，其额定动载荷为15307N，远远大于FQ，满足要求。

刚度的验算与压杆稳定性校核与z轴的方式一样，通过计算得出选择的滚珠丝杠副满足使用要求。

3.3各轴驱动电机选型

各轴都要求有一定的精度，而且需要电机自锁，所以电机类型可以选择为步进电机，各轴所承受的载荷都有些不同，z旋转轴没有起动负载而且转速很低，z轴有起动负载而且移动速度快，x轴和y轴没有起动负载而且移动速度快，则电机的选型要分开计算。

3.3.1Z旋转轴电机的选择

该电机主要克服机械抓手和纸箱旋转时的摩擦力矩，如图3-9所示，而根据该部分设计的机构知摩擦力矩为轴承的滚动摩擦，数值较小。

抓手和纸箱转动惯量很大，是电机设计需要考虑的主要对象。

图3-9电机装配图

（1）加在电机转轴上的总转动惯量Jz的计算

抓手最大质量为10kg，容许抓取质量为30kg，其转动惯量的计算可近似认为40kg纸箱为400mm×100mm×100mm的长方体，则长方体绕Z轴的转动惯量为：

Jz=m（a2+b2）/12（3-1）

式中a=40cm，b=10cm，m=40kg，则。

可以初选z旋转轴的步进电机型号为130BYG2502，该电机为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为，查《系统设计课程设计指导书》表4-5查到该型号电机转子的转动惯量为，则可计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量为

（2）加在电机转轴上的等效负载转矩Tep的计算

其最大的等效负载转矩为快速启动时电机转轴所承受的负载，则

=（3-2）

在考虑传动链的总效率η上，可以计算快速起动时旋转部件折算到电机转轴上的最大加速转矩我：

（3-3）

式中——对应最快移动速度的电机最高转速，其单位为r/min；

——步进电机由静止到加速至最高转速所需的时间，其单位为s。

Z旋转轴主要是带动着抓手和纸箱沿电机中心的转轴运动，因为这部分的转动惯量过大，速度不宜过快，因此为了安全，最高的旋转速度可达到为，但平时工作的速度平均为。

则换算电机的转速最高速度为。

假设该步进电机由静止到加速至最高转速所用时间为=0.4s，传动链总效率。

则由式（3-3）计算得：

（2）步进电机最大静转矩的选定及电机的初选

当输入电压降低时，步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至可能堵转。

因此，选择步进电机时，需要考虑安全系数。

本工作环境可取安全系数K=4，计算出步进电机的最大静转矩应满足：

（3-4）

初步选择的步进电机型号为130BYG2502，查《系统设计课程设计指导书》表4-5得该型号电机的最大静转矩为。

可见，所选的电机满足（3-4）式的使用要求。

（4）所选用步进电机的性能校核

1）最快转动电机输出转矩校核

给定工作台最快空载移动速度，其步进角为可求出电机对应的运行频率。

由图3-10查得，此频率运行的电