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1、项目:码跺机器人机械设计全套CAD图纸，加153893706目录摘 要- 3 -Abstract- 4 -1绪论- 5 -1.1研究背景- 5 -1.1.1传统码垛模式- 5 -1.1.2现代机器人码垛技术- 7 -1.2现代机器人码垛机的发展状况- 8 -1.3研究目的和意义- 9 -1.3本文主要研究工作- 9 -2.码垛机器人介绍- 10 -2.1常用码垛系统介绍- 10 -2.2 码跺机器人构成介绍- 18 -3 码垛机器人整体设计- 19 -3.1码垛机器人原理及方案确定- 19 -3.2圆柱坐标型机器人工作原理- 20 -3.3码垛机器人运动控制系统方案设计- 22 -3.4码垛机
2、器人结构设计及原理- 24 -3.4.1码垛机器人整体结构- 25 -3.4.2码垛机器人腰部设计- 26 -3.4.3码垛机器人臂部设计- 27 -3.4.4码垛机器人腕部设计- 28 -3.4.4码垛机器人机械抓手设计- 29 -4.码跺机器人主要部件选型设计- 31 -4.1直流伺服电机的选型- 31 -4.2齿轮减速器的设计计算- 33 -4.3滚珠丝杠的选型- 34 -4.4导轨的选型- 35 -小结- 37 -参考文献- 38 -摘 要码垛机器人作为现代码垛系统中最重要的设备，它的操作范围、码垛速度、稳定性等工作能力决定了整个码垛系统设计的成败。本文根据码垛系统的应用确定码垛机器人
3、的工作空间范围、码垛能力等性能参数。本论文中主要研究有四大部分内容：一、分析了常用码跺机器人的结构，综合优化后确定本码垛系统中机器人的机械设计结构；二、四坐标圆柱形机器人的机械结构设计及关键零部件的选型与设计：三、通过对直流伺服电机控制特性分析，应用PWM调速技术对直流伺服电动机调速，本文设计了转速电流双闭环电机调速系统及其参数；四、建立机器人三维模型，可在Simulink环境下对机器人机电系统控制性能进行仿真。本文重点详述了研制的4自由度垂直关节型机器人的机构原理和结构设计，并对其运动学、运动解耦性及机构放大原理进行了分析。关键词：四坐标圆柱形机器人；码垛系统；机器人设计；机械手Abstra
4、ctPalletizing robot as modern palletizing system is the most important equipment, its operation scope, palletizing speed, the stability of the entire work ability decide the success or failure of palletizing system design. According to the application of palletizing system to determine the scope of
5、the working space of palletizing robot, palletizing ability performance parameters.This thesis mainly studies have four most content: a, analyzes the robot structure used yards stomped, comprehensive optimization in determined after this palletizing system of mechanical design structure; robot Two,
6、four cylindrical robot coordinate the mechanical structure design and key components selection and design: three, through the dc servo motor control characteristic analysis, application technology of PWM speed dc servo motor speed control, this paper designed a speed the current double closed loop s
7、peed system and its parameters; motor Four, build robots in Simulink 3d model, under the environment of electromechanical system of robot control performance simulation.This paper mainly described the four degrees of freedom is developed the robot vertical joints principle and structure design, orga
8、nization and its kinematics, sports decoupling sex and institutions amplification principle is analysed.Keywords: four coordinates cylindrical robot; Palletizing system; Robot design; manipulator1绪论1.1研究背景1.1.1传统码垛模式所谓码垛就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。码垛有人工码垛和自动码垛之分。80年
9、代前，码垛工作都是由人工堆垛，人工码垛主要应用在物料轻便、物料轻便、尺寸和形状变化大、吞吐量小的场合。当码垛吞吐量在10件min以上，人们采用一些自动码垛方案来提高码垛效率。自动码垛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。传统的自动码垛方式主要是为了在吞吐量恒定的情况下，从人机工程学的角度考虑，为了减轻工人在长时间地进行人工码垛作业时的弯腰疲劳和重复劳动疲劳，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。托盘操纵机的外形见图1-1，该操纵机形似一个升降台，具有可旋转的圆形操作台，
10、利用弹簧其高度可以随着载重的变化而变化，使操作者可以以站立的姿势进行作业，消除了弯腰疲劳。这种操作机常常用于码垛具有相同重量的物料，获得统一料垛的场合。剪式升降台在装配线上常常用来进行加载和卸载作业，作为一个通用产品，它也可以应用在人工码垛作业中，其外形见图1-2。在码垛具有不同重量的物料，获得不同料垛的场合，常常需要使用剪式升降台。在使用剪式升降台时，其高度需要人工控制，操作者需要围绕升降台进行作业。工业操作机械手的操作工况见图1-3，它用于将单个的物料搬到升降台上，常常用于搬运较重的物料，使用工业操作机械手，避免了操作者提起物料，大大减轻了操作者的劳动强度。随着现代化的进程，人们对包装速度
11、的要求越来越高。传统的简单的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。在线码朵机在工作时，通过排层输送机成排。一般地，每层由两排组成，推板先将第一排推到中部缓冲区，然后推板回到起点等待，当第二排形成后，推动第二排前进，当第二排碰到第一排后，第一排受推，直到整层送到滑板门或升降车上。之后，通过一定的装置将成层物料叠放在托盘上或其他层料上。根据进料位置的高低，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，其向高速化方向发展，图1-4是美国哥伦比亚机械公司生产的型号为QBR200的高位高速码垛机，处理
12、能力达40件min。近年来，出现了一种模块式高位码垛机，能够同时处理两种完全不同的物料，具有60件min的联合处理速度，通过增加编层和编垛模块，可以实现更多种产品的同时处理。1.1.2现代机器人码垛技术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，需要为成千上万个的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
13、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。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很小占地面积，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。机器入码垛机富有柔性，被广泛用于制造、焊接、装配、码垛作业中；操作更准确，具有定位精度高的特点，目前码垛机器人的定位精度可达0.1mm以上，而在焊接、装配等高要求领域里作业的机器人精度可达微米级：速度更快，如ABB公司在开发具有1200周期h160kg抓取载荷的名叫FlexPalleti
14、zerIRB640码垛机器人。机器人技术在码垛领域中的应用，主要表现在以下几个方面：l、适应性强机器人码垛机主要更换抓手就可以处理不同种类的产品。2、智能程度高机器人码垛机可以对到来的物料进行识别，然后，码垛机根据识别信息将物料送往不同的托盘上。3、操作范围大机器人码垛机本身占地面积小，操作范围大，可同时处理多条生产线上的产品。4、卸垛与码垛这种情况是指将两个以上的匀质物垛进行卸垛，然后将卸下的物料码垛在另一个托盘上，以满足用户的要求。1.2现代机器人码垛机的发展状况机器人从50年代问世以来，经过40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、
15、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。在机器人国际市场中占领份额最大的是日本，据日本机器人联合会(JAR)2009年10月公布的数据显示：2009年第二季度机器人销售额为1980亿日元，其中出口额竟达到1078亿日元。在日本主要码垛机生产商有日本不二输送机工业株 式会社，现已成功开发出达到1600次时的高速码垛机器人，抓取重量
16、达280kg。我国工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家科技攻关项目支持下，仅过十几年的研制、生产和应用，使中国的机器人产业从无到有，跨出了一大步。在国内，研究机器人码垛机的单位主要有哈工大机器人研究所和上海交通大学机器人研究所。哈工大机器人研究所多年前就研制了机器人码垛机，成功地应用在全自动包装码垛生产线上，取得了良好的经济效益和社会效益。他们采用双自由度的笛卡耳坐标式机器人码垛机并结合编组机，通过一次抓取两袋或三袋，实现了800袋h的工作能力。上海交通大学机器人研究所正在从事高速码垛技术的开发研究，取得了重要进展。然而，和国外相比，国内的码垛技术还存在很大的差距，目前
17、，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，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研究目的和意义根据联合国欧洲经济委员会国际机器人联合会最新统计，目前在世界范围内 服役的机器人总量大致在76万台至102万台之间。从宏观的角度看机器人发展的大趋势，20世纪花了大约50年，工业机器人从萌芽进入成熟，20世纪90年代 起步的下一代机器人大约需要30年的培育期，即在2020年左右有望进入成熟期。日本、美国等西方发
18、达国家机器人码垛机应用广泛，几乎遍布各个行业，如石化行业、食品行业中的、饮料行业等等。而在中国，码垛机器人开始在食品、化工等行业刚开始得到应用。机器人码垛机未能在较大行业范围内使用，而且在使用的机器人码垛机中，进口码垛机占据很大一部分比例。从各方面可显示出，工业机器人现在处于迅速发展阶段，掌握机器人的设计方法是刻不容缓的事情。随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来。石油化工、化肥、粮食、港口等行业对 码垛质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。 而传统的人工码垛由于其生产效率低下而成为这些行业产量和码垛质量提高的 巨大
19、障碍，已不能满足现代化大生产的需要。目前国内全自动码垛设备主要依 靠进口，国产设备生产厂家相对较少，机器人码垛机技术不很成熟。我国人工 码垛的低效率与产量的日益提高之间的矛盾日益突出，因此对机器人码垛机的 研究具有重大的经济意义和现实意义。1.3本文主要研究工作机器人码垛机的迅速发展，在各个领域里的应用，对机器人设计提出更高的要求。机器人的整体设计和机械结构是否合理，其控制性能是否能够满足工作要求。本文从这些问题出发，在机器人学、自动控制原理、机械电子学、机械设计等多方面理论知识支撑下，对码垛系统进行总统方案设计，四坐标圆柱形机器人进行原理方案以及结构设计，建立机器人各轴机电系统模型以及机器人
20、机械结构三维模型，可借用MATLAB软件中的Simulink工具对四坐标圆柱形机器人进行仿真分析和优化分析。本论文的主要合理选择码垛系统中的机器人类型。吸取常有码垛系统设计了码垛机器人的硬件系统组成和软件结构规划，确定机器位置伺服系统为半闭环结构。根据机械设计理论对机械手、腕部、臂部和腰部结构设计及参数计算，最后给出机器人主要结构的二、三维图。本文的结论部分对本文所作研究进行了系统的概括和总结，并指出进一步 研究的方向。2.码垛机器人介绍2.1常用码垛系统介绍码垛系统是一个典型的机电一体化系统。所谓的机电一体化系统是指。在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、
21、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统嘲。机电一体化系统由机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感器检测系统、执行元件系统等子系统组成，其功能分别为主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。在码垛作业中，最常见的作业对象是袋装物体和箱装物品。一般来说箱装物品的外形整齐、变形小、其抓取的末端执行器多用真空吸盘；而袋装物品外形柔软，容易发生变形，因此在定位和抓取之前，应经过2到3次的整形处理，末端执行器也要根据物品特点专门设计，使用叉板式、夹钳式和磁吸式结构。以下介绍
22、了现际生产中常用的码跺机器人的实例：1、瓶罐码跺机图2-1 瓶罐码跺机1图2-1是一种瓶罐码跺流水线，在瓶罐生产中广泛应用，其配合流水线输送带可以实现批量瓶罐的装箱工艺。这类码垛机器人主要用来在自动化生产过程中执行工件的装载和卸载任务。该系列码垛机器人使用三种标准托盘。每个码垛机器人有两摞托盘或三摞托盘，每摞托盘的托盘数量随应用而定。这类码垛机器人采用挂壁式结构，其中X轴由两根龙门式导轨上下排布组成，其跨度按Y轴行程而定。X轴通常固定在机器人支架上，也有固定在墙壁上。Y轴由两根龙门式导轨并排组成，其上装配气动式手爪，上面还配备一台二维（X轴和Z轴机器人）或三维机器人，由该机器人完成工件的抓取，
23、从而完成一工位到另一工位的搬运工作。图2-2瓶罐码跺机2图2-2是另一种瓶罐码跺机，广泛应用于瓶罐的包装机械里，一般做为包装流程最后一道工序。该机结构紧凑，工作方式灵活。2、规则箱体码跺机箱体码跺机在实际生产中应用颇多。不仅形式多样，并形成一定的标准化生产。抓取箱体方式也多样，有机械手抓取、软式抓取及吸盘式抓取等。图2-3 自动化物流机器人图2-3是一种库房自动化管理中应用的箱体码跺机，在自动化物流行业大大节约物流进程和时间。该机器人可以固定和装在可动轨道上实现固定位置码跺和流动码跺。图2-4 小型箱体码跺机器人图2-5 机床式箱体码跺机图2-6 吸盘式箱体码跺机图2-7 框架式箱体码跺机3、
24、在大米生产中同样使用米袋码垛机器人做为码垛机，其具有工作范围广、码垛速度快、抓放准确、操作灵活等优点，既可以只为一条生产线服务，也可以同时为多条生产线服务：既可以对一个托盘进行堆垛，也可以同时对多个托盘进行堆垛；既可以堆垛也可以卸垛，能够满足整个大米生产要求，减轻了工人劳动强度，并降低大米生产的成本费用。图2-8是日本不工业株式会生产一种米袋码跺机图2-8 米袋码跺机图2-9 袋式码跺机4、其他机器人图2-9 焊接机器人图2-9是生产实际中比较有代表的一种焊接机器人。被广泛用于制造、焊接、装配作业中；操作更准确，具有定位精度高的特点，在焊接、装配等高要求领域里作业的机器人精度可达微米级，速度更
25、快。2.2 码跺机器人构成介绍1、码垛机器人的说明：码垛机器人是机、电一体化高新技术产品。中、低位码垛机可以满足中低产量的生产需要。可按照要求的编组方式和层数，完成对料袋、胶块、箱体等各种产品的码垛。最优化的设计使得垛形紧密、整齐。2、结构特点：中、低位码垛机主要由压平输送机、缓停输送机、转位输送机、托盘仓、托盘输送机、编组机、推袋装置、码垛装置、垛盘输送机组成。其结构设计优化，动作平稳可靠。码垛过程完全自动，正常运转时无须人工干预，具有广泛的适用范围。 3、控制系统特点：主要控制元件，包括可编程控制器、变频调速控制器、接近开关，按钮开关和接线端子等均采用品质一流的产品，确保了系统硬件的可靠性
26、和长寿命。高品质的硬件和由专家设计的专门控制软件相结合，实现了系统高度的自动化。完善的安全联锁机制，可以对设备和操作人员提供保护。图形显示触摸屏使码垛机操作简单，故障诊断容易，同时方便了检修和维护。4、码垛机器人的分类：码垛机器人主要有堆码机，码垛机，自动堆码机，自动码垛机，码垛机器人，机器人等。3 码垛机器人整体设计本章以码垛机器人在米袋码垛系统中的应用确定码垛机器人的工作原理和 参数设计，制定合理的运动控制方案使码垛系统有效高速作业，确定码垛机器人的位置伺服系统方案，并给出机器人码垛作业的机械结构。针对码垛作业进行机器人的具体结构设计、主要机械部件的选型。3.1码垛机器人原理及方案确定常用
27、的码垛机器人类型有直角坐标型、圆柱坐标型、水平关节型、垂直关节型。直角坐标型机器人的原理如图3-1(a)所示，它在X、Y、Z轴上的运动独立，运动容易想象，如做成龙门式机械手，刚性大，实现高精度位置控制，但这种结构占地面积大，动作范围小，要求有较大的平面安装区域。图3-1 码跺机器人原理圆柱坐标型机器人的原理如图3-1(b)所示，R、Z为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，是手臂的角位置，Z是垂直方向上手臂的位置。机器人运动范围为一圆柱体。圆柱坐标型机器人的运动容易想象和控制计算小，定位精度较关节型机器人高，比直角坐标型低，结构简单，动作范围大并且在动作范围内无奇异点，编程简单，运行速度快
28、等优点。水平关节型机器人原理如图3-1(c) 所示，垂直关节型机器人原理如图3-1(d)所示，均以各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。这两种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。关节型机器人具有占地面积小，动作范围大，空间速度快等优点。但和直角坐标型、圆柱坐标型机器人相比，其精度最低，控制计算量大，而且在其工作空间内有奇异点，安装机器人时需 要通过计算避免工作点在奇异点范围内。根据常用码垛系统的工作特点和机器人类型特征，结合现阶段以MISUMI公司单轴、两轴、三轴机器人标准模块的发展。本文选用四自由度圆柱型机器人作为码垛机器人即可满足工作要
29、求。3.2圆柱坐标型机器人工作原理根据码垛实际生产的特点，圆柱坐标型机器人只需四个自由度即可以满足工作要求。四自由度圆柱坐标型机器人由R、Z、四自由度组成，如图3-1(b) 所示。轴为机器人的腰部旋转自由度，Z轴是上下移动关节，为机器人的臂部，R轴为机器人伸缩臂，轴为机器人的腕部。R、Z、三自由度为定位轴，它们决定了末端执行器在工作空间中的位置，而旋转自由度确定末端执行器在Z方向的状态。机器人的驱动方式有多种，比如液压伺服驱动、气压伺服驱动、电机伺服 驱动。液压伺服驱动具有驱动力大等特点，但液压油容易渗漏，易污染环境，且电液控制设备较贵；气压伺服驱动则具有价格便宜、对环境影响小的特点，但控制精
30、度不高；而电机伺服驱动具有控制精确、效率较高等优点，随着电机伺服技术的发展和成熟，使得现代机器人的驱动方式大多为伺服电机驱动。伺服电机一般有两种：直流伺服电机和交流伺服电机。直流伺服电机具有良好的线性特性、优异的控制性能、高效率等特点，率控制系统中，常采用 永磁直流伺服电动机，只需对电枢回路进行控制，控制电路相对简单。相对直流伺服电机来说，交流伺服电机则具有难于控制、控制电路复杂、输出转矩线性差、效率不高等特点。在本机器人设计时的驱动方式均采用直流伺服电动机。四自由度圆柱坐标型机器人传动结构原理如图3-2所示，四个自由度独立控制，臂部和腕部绕腰部做旋转运动，上下移动臂和伸缩臂的运动都能改变末端
31、执行器的位置。腰部的旋转由电机经减速器驱动，减速比的设计需要根据负载转动和电机转子转动惯量的比来确定，由于负载转动惯量相对于电机转子转动惯量来说是巨大的，所以腰部电机与负载之间将需要一个很大的减速比。臂部的上下、伸缩运动由电机经减速器和丝杠实现，减速器的设计是为了使负载转动惯量和电机转子惯量的匹配，另一方面，使用同步齿形带减速可以隔离电机振动，丝杠的作用是把电机的旋转运动转换为臂的移动。腕部的旋转运动方案与腰部类似，主要考虑因素是负载转动惯量。为了减少设计和开发的时间，本方案的垂直和水平臂直接引用MISUMI厂家两轴机器人标准模块。121110987563214111、 基座 2、腰部电机 3
32、、腰部摆线针轮减速机 4、立柱 5、水平臂电机6、水平臂 7、垂直臂电机8、垂直丝杆 9、水平丝杆 10、腕部电机 11、腕部减速机 12、机械抓手图3-2圆柱坐标型机器人传动结构原理图3.3码垛机器人运动控制系统方案设计1、控制系统简介码垛机器人属于点位式，只考虑末端执行器运动目标点，不必关心其运动轨迹。码垛机器人系统由多个运动组成，各运动是在运动控制器的协调下运动，这是一个典型的机电一体化系统。本系统的设计主要由机械、气动、控制、传感器四大部份组成。其中机械部分主要是机器人的机械传动设计、机械结构设计，传送装置的设计；气动部分主要是整形装置、机器人的末端执行器的动作设计，由电磁控制阀和气缸
33、组成；控制部分主要是由运动控制器、电机驱动器、人机界面、计算机等组成；传感器主要分部在三个部位：一是安装在定位传送带上，检测需码跺产品是否到位，可采用光电传感器：二是在各运动轴的极限位置，用以控制机器人的最大运动范围：三是采用闭环或半闭环的运动系统，则需要安装位置检测传感器(如测速发电机、光电编码器)来检测运动轴的位置并把位置信息反馈给运动控制器。其中关健控制系统可由控制伺服电机，步进电机、变频器、气动液压伺服缸或者是这几种执行机构的任意组合而成，并具备PLC功能，每个控制器上都带有一定数量的可进行编要进行扩展，能完成逻辑控制功能。总体系统组成如图3-3所示。图3-3 运动控制系统硬件组成2、
34、 控制流程简介码垛机器人控制系统的主要目的是进行机器人四个运动轴的位置控制和系 统运行中的故障处理，其主要工作流程如图3-4所示。图3-4码垛机器人控制系统主要工作流程图3.4码垛机器人结构设计及原理在机器人系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。由于机器人系统控制性能要求较高，因此机器人的机械传动装置不仅是用来解决伺服电机与负载间的力矩匹配问题，还要提高系统的伺服控制性能。为提高机器人机械系统的伺服控制性能，要求机械传动部件的转动惯量小、摩擦小、阻尼比合理、刚度大、抗振性好、间隙小，并满足小型
35、、重量轻、高速、低噪声和高可靠性等要求。所以合理地设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人伺服控制性能的基本要求。评价机器人设计性能的优劣，可用功率密度指标来衡量，其计算公式如下：功率密度PRD值越大，机器人的性能越好，即表示工作空间大、持重大、自重轻、速度快、响应时间短、成本相对较低。机器人有两种运动形式：移动和旋转。本文设计的四坐标圆柱形机器人具有4个自由度，两个旋转自由度和两个移动自由度。根据各自由度的功能采取各异的机械传动设计，以及相应的结构设计，以满足机器人控制性能高的特点。3.4.1码垛机器人整体结构基座垂直、水平臂（两轴机器人模块）机械抓手腕部升降导轨立柱腰部电控箱图3-5 码跺机
36、器人机械结构总成图图3-5是本码跺机器人的整体机械结构图，腰部功能是让上部整体机构作旋转运动。四个自由度独立控制，臂部和腕部绕腰部做旋转运动，上下移动臂和伸缩臂的运动都能改变末端执行器的位置。腕部运动方式类同腰部，带动机械抓手快速旋转。上图的机械抓手是以袋式抓手为例的，该机可以根据产品的不同更换对应的机械抓手。3.4.2码垛机器人腰部设计法兰接盘密封盖旋转输出轴摆线针轮减速机腰部电机基座回转轴承轴承座图3-6 码跺机器人腰部结构机器人腰部旋转运动克服的负载转动惯量很大，所以在负载和驱动电机之间需要有大传动比的减速装置。考虑到机器人体积结构、传动精度和经济性，减速装置采用摆线针轮减速器。摆线针轮
37、减速具有传动比大，单级传动比可达119，结构简单、体积小、重量轻；效率高，达0.9-0.95，运转平稳，过载能力大，工作可靠，使用寿命长等优点，能满足机器人传动高精度。机器人的腰部结构如图3-6所示。法兰接盘与旋转输出轴固接，旋转输出轴在摆线针轮减速机带动下及轴承的支承下转动，带动法兰接盘连接的构件旋转。3.4.3码垛机器人臂部设计Z向水平方向升降导轨滑块组件立柱垂直、水平移动机构（两轴机器人模块）过渡法兰盘图3-7 码跺机器人垂直升降、水平移动臂结构机器人的臂部是移动关节，有很高的定位精度要求，采用伺服电机丝杆机构，由滚珠丝杠把旋转运动变换为直线移动，使工作台在滚动导轨上移动。机器人的垂直臂
38、部结构、水平伸缩臂部结构如图3-7所示。使用滚珠丝杠和滚动导轨的目的使工作台运动具有更好的动态响应特性，定位精度。其可以引用现阶段的两轴机器人的标准模块成熟产品。水平臂机构可以在垂直臂丝杆动力和导轨组件支承下作上下即Z向运动。水平臂作水平方向运动。过渡法兰盘与腰部法兰接盘用螺栓固联。3.4.4码垛机器人腕部设计行星轮减速机减速机安装板旋转轴抓手接口轴承座腕部电机密封盖轴承图3-8 码跺机器人腕部结构机器人的腕部是旋转轴，主要功能是为抓手改变姿态提供动力，功能是克服负载的转动惯性，有位置精度要求。要求腕部体积较小，并在保证受力良好状态下质量最小，可采用电机经行星轮减速器带动负载的传动方案，并提供
39、连接抓手的物理接口，其结构如图3-8所示。抓手接口与旋转轴通过螺纹和螺栓固联，旋转轴由行星轮减速机减速带动及轴承的支承下转动，带动抓手接口及其连接件旋转。抓手接口方便更换各种机械抓手。3.4.4码垛机器人机械抓手设计1、机械抓手一般原理很多需码跺产品是软包装产品，在作业过程中容易撕裂、破损和变形，搬运时易产生抓取部位的变化，这种工件不宜采用真空吸盘，需专门设计末端执行器。在码垛机器人系统中，末端执行器相对于人的手指功能，本文设计的末端执行器为指式末端执行器，其原理如同3-9所示。其工作原理为：当定位传送带上传感器检测到需码跺产品时，反馈信号到运动控制器，运动控制器发出指令使控制气缸阀门的电磁阀
40、关闭，气缸迅速动作，末端执行器手指张开；手指张开后，末端执行器位置下降，使手指伸进传送带两辊子空隙，完全定位后，气缸复位，手指合闭，抓取产品；为保证一定的抓取力，手指之间可以加一弹簧相连；另一方面，末端执行器放置产品的过程与抓取产品过程类似。2、本码跺机器人机械抓手结构见图3-10。导轨滑块组件机械抓手连板连杆组件双作用气缸手指图3-10 机械抓手结构图3、其他常用机械抓手介绍工业生产中需码跺的产品各不一样，形状规格差距很大，为了针对不同产品，可以设计对应不同产品的机械抓手，实际生产时只需更换抓手即可很快投入生产。下图3-11是工业中常用机械抓手的运用。图3-11 各种机械抓手的运用4.码跺机
41、器人主要部件选型设计现代机械设计中，各种运动部件已经模块化，设计时，根据设计参数选择较优的模块装置，并对整体设计进行性能优化、经济性优化。4.1直流伺服电机的选型1直流伺服电机的参数计算电机的设计内容有两大部分，一是电机的静态设计，包括电机的转速、调速范围和静态转矩的设计计算；二是电机的动态性能设计，这与电机的驱动器以及所驱动负载有关。电机的转速取决于被驱动对象的最大运动速度，以及电机和被驱动对象之间的传动比。电机调速范围取决于被驱动对象的最小位移量和最大运动速度，而且还与 位置调节和速度调节的性能有关。D=nmaxnmin式中： D一电机调速范围nmax一电机最大转速(r/min)nmin一
42、电机最小转速(r/min)电机的静态转矩用来克服机器人导轨摩擦、传动摩擦、以及重力矩的作用。电机的静态转矩用公式表示为：Mm=MR+Mz式中：Mm一电机静态转矩(Nm)MR一各种摩擦力矩的总和(Nm)Mz一重力矩(Nm)其中，摩擦力矩包括导轨摩擦力、丝杠螺母传动摩擦力和齿轮等摩擦力折算到伺服电机轴上的摩擦力矩。导轨摩擦等于导轨摩擦系数与其所受正压力的乘积，而丝杠螺母传动摩擦和齿轮传动摩擦则用该传动装置的传动效率表示。如果被控对象在垂直导轨上运动，则被控对象的重力矩是电机主要克服的负载。由以上电机静态的设计，初步选择适合的电机型号，然后对整个位置伺服系统进行动态设计，目的是使被控对象无超程定位，
43、尽可能小的轨迹误差，良好的加速能力。这就要求位置伺服系统具有良好的的动态响应特性、稳定性，抗干扰能力强。当然垂直、水平臂由于引用标准模块，也可以在两轴机器人模块选型时直接将电机型号确定。2腕部直流伺服电机选型腕部电机主要克服抓手和需码跺产品旋转时的摩擦力矩，而根据腕部的结构知摩擦力矩为轴承的滚动摩擦，数值较小，初步选择瑞士玛威诺(Mailer)公司MMS系列MMS-2直流伺服电机，其主要技术参数如表4-1所示。MMS系列伺服电机具有转矩惯量比大、运作平滑、零齿槽效应转矩等特点，适合高精度、机器人控制应用场合。表4-1 MMS系列直流伺服电机主要技术参数表3水平臂部直流伺服电机选型水平臂部电机主
44、要克服工作台运动时的导轨摩擦力矩、滚珠丝杠摩擦力矩和同步带轮摩擦力矩，根据计算可初步选择为瑞士玛威诺(Mailer)公司MMS系列MMS-8直流伺服电机，其主要技术参数如表4-1所示。4垂直臂部直流伺服电机选型垂直臂部电机主要克服工作台运动时的重力矩、滚珠丝杠摩擦力矩和，根据计算可初步选择为瑞士玛威诺(Mailer)公司MMS系列MMS-12直流伺服电机，其主要技术参数如表4-1所示。5腰部直流伺服电机选型腰要臂部电机主要克服机器人臂部、腕部和手部及其持重旋转时的滚动摩擦 力矩和齿轮摩擦力矩，根据计算可初步选择为瑞士玛威诺(Mailer)公司MMS系列MMS-12直流伺服电机，其主要技术参数如
45、表4-1所示。4.2齿轮减速器的设计计算1腕部减速装置的设计抓手和米袋旋转时的转动惯量很大，是电机设计需要考虑的主要对象。抓手最大质量为15Kg，容许抓取质量为10Kg，其转动惯量的计算可近似认为25Kg，在些设定需码跺产品外形尺寸为440mmx300mmx80ram长方体，则长方体绕Z轴的转动惯量为：JZ=m(a2+b2)/12式中：a300mm，b440ram，m25kg，则JZ=0.5908(kgm2)。可按以下公式把负载惯量折算到电机轴上等效惯量：JL= (1/i)2J式中：JL一负载惯量折算到电机轴上的等效惯量(kgm2)J一负载惯量(kgm2)i一电机到负载的传动比根据惯性负载和转
46、矩的最佳匹配原则确定减速器的总传动比。减速器的总传动比i的最佳值是当负载转动惯量JL换算到电机轴上的转动惯量等于电动机转子的转动惯量Jm时的数值，此时，电动机的输出转矩一半用来加速负载，一半用于加速电机转子。负载转动惯量JL折算到电机轴上转动惯量计算公式：上式计算忽略了减速器的转动惯量得出的结论，实际的传动比要依据减速器的惯量计算选择大一些。通常减速器设计完毕后，通常将减速器作为负载之一，其转动惯量需折算到电机轴上。根据以上分析计算，可选择NGWN型行星齿轮减速器，减速比i=71.22。2腰部减速装置的设计腰部电机的主要任务是克服机器人臂部、腕部和手部及其持重旋转时的摩擦力和转动惯量，由SOL
47、IDWORKS三维模型可获得其负载转动惯量J=120(kgm2)由于负载转动惯量较大，而直流伺服电机的转动惯量较小，负载和电机之间需要较大的传动比。选择总传动比为118，则负载等效转动惯量与电机转动惯量之比为5。在设计时选用摆线针轮减速，摆线针轮选用 BL13-59-1.5。其参数为：输入转速1500r/rain，输出轴转速25r/min，。减速比为59，许用转矩为1000Nm，电机功率为1.5KW。4.3滚珠丝杠的选型滚珠丝杆和滑动丝杆相比具有摩擦小、传动效率高；传动灵敏，不易产生爬行；定位精度高；磨损小、寿命长、精度保持好等优点。缺点是：不能自锁，用于升降传动时需另加自锁机构；结构复杂，成本高。为增强丝杠传动刚度，常采用双推双推的支承方式。根
