一种码垛机器人的设计与仿真

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1、一种码垛机器人的设计与仿真节 1.01摘要21世纪，科学技术的发展可谓日新月异，各种信息技术的不断发展进步， 推动着社会生产的各个领域的进步，尤其是自动化技术的应用。码垛技术是近年 来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术。码垛技术的概念是指在日常的物流 运输的过程中，为了实现实现物料的搬运、装卸等物流的活动，设计一定的物料 的堆码成垛的模式，这种模式是基于集成单元化的思想之上的，这种堆码成垛实 现物流运输的技术就是码垛技术。我们在实现码垛技术的同时，发明了相关的码垛机器人。码垛机器人是基于 码垛技术而产生的，它是一种具备特殊功能的机器人，具有垂直的多关节型的特 点。码垛机器人自产生以来，已经广

2、泛应用于社会生产的不同的专业领域，比如 食品加工、石油化工等。对于不同的物流对于码垛要求参数的不同，码垛机器人 可以通过自身的主计算机进行相应的参数的设置，从而进一步实现不同产品包装 的码垛要求。现代物流的发展，对于码垛机器人的要求也呈现出越来越高的趋势， 比如物料的码垛的精度的提高，是的码垛机器人必须具有一定的刚度和强度，防 止搬运过程中出现差池。本文主要是设计一种码垛机器人的机械部分，应用于自动化生产线的物料的 码垛。在进行码垛机器人的设计的时候，主要是结果机械、电子以及码垛机器人 的软件等方面，根据不同方面的特点进行综合的分析，实现码垛机器人的设计。关键词：码垛技术，机器人，有限元分析，

3、运动仿真AbstractIn the 21st century, the development of science and technology is changing, all kinds of the continuous development of information technology progress, push the progress of the various fields of social production, especially the application of automation technology.Stacking technology is

4、 active in recent years a new technology in the field of logistics automation. Stacking technology refers to the concept of in the daily logistics transportation process, in order to achieve the implementation of logistics activities such as material handling, loading and unloading, the design of a

5、certain material stacking into crib model, this model is based on the idea of integration of unitized, this kind of stacking to buttress achieve logistics technology is the pallet.We at the same time of palletizing technology, invented the palletizing robot. Palletizing robot is based on the palleti

6、zing technology, it is a kind of have the special function of the robot, has the characteristics of vertical multi-joint type. Since produced, palletizing robot has been widely used in the different fields of social production, such as food processing, petrochemical industry, etc. For different para

7、meters of different logistics for stacking, palletizing robot can through own host computer to the corresponding parameter setting, thus further realize the pallet of different product packaging requirements. The development of modern logistics, to the requirement of palletizing robot alsopresents t

8、he trend of more and more high, such as the improvement of the precision of the material of the pallet, palletizing robot must have certain rigidity and intensity, prevent mistakes appeared in the process of handling.This paper is to design a kind of palletizing robot mechanical parts, materials use

9、d in automatic production line of the pallet. In the design of palletizing robot, is mainly the result of mechanical, electronic, and palletizing robot software, etc., according to the characteristics of the different aspects of comprehensive analysis, realize the design of palletizing robot.Keyword

10、s: palletizing robot, finite element analysis, motion simulation1绪论课题的来源及意义课题来源码垛技术是近年来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术，它常用于食品 饮料、化工、煤炭等大批量生产场合。本课题包括码垛机器人本体设计的以下内 容：从机器人构型的确定到设计参数的确定和分配，从机器人工作空间到动态静 力学的计算以及各关节驱动力矩的计算，从关键零部件有限元边界条件的确定到 零件的优化。该题目是指导老师自拟项目。课题研究的背景及意义日本与瑞典是世界上第一个把工业机器人技术应用在货物搬运、码放的国 家。二十世纪六七十年代日本将工业机

11、器人技术用于码垛作业。瑞典 ABB 公司在 一九七四年开发制造了世界上第一个应用于搬运、码放作用的机器人IRB6。随 着科学技术的不断发展，西方发达国家的工业机器人技术突飞猛进，都开发出了 自己的码垛机器人，如日本、德国、瑞典等（图11）。目前日本、德国、瑞典 等国家的主流机器人厂家都拥有标准化的码垛机器人产品。瑞典ABB公司的IRB 系列；日本FANUC公司的M-系列；德国KUKA公司的有KR系列等。如欧美等一 些国家的自动码垛技术已经日趋成熟，码垛机器人的各项功能都在不断发展，不 断应用于各个方面。码垛机器人的组成方式包括机械本体、控制器、伺服驱动器和检测传感装置。 大多数码垛机器人是采用

12、连杆式关节型机构的形式。关节型机器人是采用仿生学 的原理，模拟人类搬运重物时的动作特征，即人类搬运物件时上肢以及腰部的动 作特征，所以关节型机器人一般有底座、大臂、小臂、手腕及末端执行器这五部 分组成。例如德国KUKA公司的KR180-2PA型码垛机器人，它的运动由四个关节 的驱动完成，包括底座的水平旋转运动、连杆臂和小臂的法向旋转以及末端执行 器的水平旋转2。自从上世纪八十年代以来，在国家的支持下，通过数十年的不断研究、发展， 我国的码垛机器人技术研发发明取得可可喜的成绩。可以将码垛机器人的发展进 程分三代。第一代机器人，多为示教再现型工业机器人，但对外部信息不具备反 馈能力；第二代机器人，

13、开始使用内部传感器，能够自动探测外部的环境信息。虽然还没有开始使用人工智能技术，但是机器人和环境已经可以进行互动，能够 自动适应外部环境；第三代机器人，采用人工智能，能够更好地适应外部环境。现在码垛机器人在生产中主要应用于以下两个方面。一个是环境比较恶劣甚 至对人身安全造成威胁的场所。这个方面的作业对人身危害较大，不利于健康甚 至会威胁生命而不适宜人去干。比如在冲床上下料、采矿、锻造等。第二个是自 动化生产领域。码垛机器人可用来搬运、堆放、卸货、抓取零件重新定向等作业。 一个应用于抓放零件的机器人工作较简单，较少的自由度就能满足，而一个给零 件定向作业的机器人要求更加精确，要有更多的灵活性，所

14、以要较多的自由度才 能满足使用要求。使用机器人生产可以节约人力，提高效率、避免材料浪费，生 产更稳定，质量更有保证，并消除了危险岗位，从根本上杜绝了危险事件的发生， 从而降低成本，加快周转。现在正是码垛机器人研发的黄金时间，在工业发展比 较先进的国家，工业机器人的研发与制造已经形成较大规模。全世界每年的码垛 机器人销售额已达百亿美元。尽管如此，工业机器人仍在取得日新月异的成就。 我国工业机器人的发展和应用前景巨大。由于我国工业发展起步较晚，拥有较多 的廉价劳动力，严重阻碍了工业机器人的发展。只有从国情出发，才能加快我国 工业机器人的发展和运用。要想提高机器人的生产精度、运动速度，降低生产成 本

15、以及提高稳定性，就要将工业机器人的部件标准化、模块化。近年来开发的重 点是组合型机器人。组合型机器人是使用标准模块组合而成。不仅是机器人使用 的电机、传感器可以标准化，甚至是手臂、手腕以及底座等都可以实现标准化生 产。现在机器人生产领域越来越广泛，对机器人生产精度的要求也越来越高，需 要开发微动机构来增加机器人的精度，以适应高精度的生产要求。现在，我国的码垛机器人技术还远远的落后于国外发达国家。包括应用领域、 生产技术以及产品的稳定性方面都比较落后。国内的工业发展起步较晚，应用规 模也远低于国际平均水平，国内拥有的工业机器人还不足千台，不足世界的万分 之十。我国研发码垛机器人的公司主要有三家：

16、沈阳新松机器人公司、安川首钢 机器人公司和哈尔滨博实机器人公司。上海交通大学机器人研究所开发出的新一代 TPR 系列码垛机器人，性能稳 定，运行速度快，生产能力与哈工大推出的码垛机器人不相上下。性能超越了 ABB，KUKA 等国外品牌机器人。可应用于食品、饮料、啤酒等各个领域，可以满 足各种生产线的不同产品的码垛需求。2004 年哈尔滨工业大学推出了一条全自动化的包装码垛生产线，涉及机械、 电子、计算机等多个学科，解决了生产过程中产品不准确，速度慢等难题，而且 电子称量的误差小，不超过。生产效率高，每小时可达 1600 以上。宝鸡新科 研制出的RMD70型码垛机械手，具有结构紧凑、外形美观、占

17、地面积小等特点； 苏海新等人开发了一种新型码垛机器人，拥有四个独立自由度，用四台伺服电机 控制机器人的生产运动，完成精度较高的动作。李成伟等人以搬运机器人为蓝本， 研究开发了一种具有四个独立自由度的并联搬运码垛机器人，对不同的需求，可 以使用不同的手臂抓取，实现对不同物件的搬运以及码放；杨灏泉等人研究开发 了一种4自由度水平多关节的SCARA机器人，可以同时实现拆垛作业和码垛作业。 工业机器人以及成为先进制造业中不可或缺的重要装备和必要手段，工业机器人 的技术水平也成了衡量一个国家科技制造水平的重要因素。根据相关统计表明， 工业机器人主要应用于汽车及汽车零部件的生产，占整个机器人市场的61%，

18、金 属制品业占 8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占 7%，食品工业占 2%，其 他工业占 15%3。目前，我国主要从日本进口工业机器人，现在我国逐渐从劳动密集型生产向 现代化制造业方向发展，虽然机器人的拥有量达到了一定的规模，但是还远远落 后于发达国家的水平。汽车工业方面每百万名生产工人平均占有的机器人数量， （日本1710台、意大利1600台、美国770台、英国610台、瑞典630台，而我 国还不到90台），我国相当于其他国家仍然比较落后。每一个工业机器人供应商 都应该能看到我国庞大的市场空缺和市场需求量。上世纪九十年代末，我国就建 立了 7 个机器人科研基地和 9 个产业化基地。到现

19、在为止，我国已经可以独立研 发生产在世界上都属于较高水平的平面关节型机器人、直角坐标机器人、弧焊机 器人、点焊机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，而且部分产品已经实现规模 性生产。“我国的机器人产业化已势不可挡！”尽管如此，我国工业机器人产业 化却依然存在着严重的问题。不仅起步较晚，工业水平较低下，而且很多人对工 业机器人产业不能理解，存在着误解。第一，我国制造生产基础零部件的能力较低。虽然我国在相关零部件的生产 方面已经有了一定的发展，但是无论是零件的质量、样式，还是批量化生产方面 都与发达国家存在较远的距离。特别是在精密减速器和高性能交流伺服电机方面 的差距尤为巨大，因此就造成了一些零部件

20、需要高价进口，造成了我国机器人价 格偏高，影响竞争力。第二，我国研发生产的机器人还没有打响自己的品牌。尽 管已经出现了一些专门从事机器人研发的企业，但是都还没形成规模化生产，没 有让市场认知的产品、品牌。而且国产机器人还一直被国外的品牌机器人所打压， 国外机器人生产技术成熟，采用规模化生产，生产成本低，整机价格低廉，吸引 国内企业优先购买，占领中国市场。然后在后续的维护以及零部件的购买方面价 格很高。第三，国家没有鼓励工业机器人研发方面的政策，不能推动各企业的研 发积极性。工业机器人的研发及应用水平，体现了一个国家的工业制造水平，我 们要从国家的高度来认识提高我国工业机器人水平的必要性，这是我

21、国从制造大 国向制造强国转变的必要手段和必经之路。日本战后政府采取的对研发机器人的 一系列相关奖励政策，极大地推动了机器人产业的发展，目前，日本已经成了世 界上生产工业机器人的第一大国。工业机器人作为必要的高新技术产品，政府应 该像鼓励新能源电动汽车一样，出台相应的奖励政策。中国机器人产业化已经到了最关键的时刻，如果政府能推出大力度的鼓励政 策，我国的机器人产业就能翻过面前的大山，走上一个新的平台，进入高速发展 的阶段。同时，我国的机器人研发企业应该开始考虑如何适应国内外市场需要， 如何提高产品质量、降低生产成本，如何在市场中取得生存和发展。不同的市场 需要将引领我国的工业机器人应用市场健康发

22、展，走向成熟。工业机器人国内外发展及现状工业机器人国外发展及现状工业机器人在国外的起步比较早，第一次将机器人技术应用于码垛是在上世 纪七十年代，由日本提出的。随着对承载能力、运行速度、运行精度、稳定性、 工作空间和环境要求的不断提高，码垛也向着高速度、高精度、高承载力、高稳 定性以及高效率的方向不断发展。目前市面上的码垛机器人大体上可以分为欧系 和日系两种系列 欧系的码垛机器人主要是瑞典的ABB公司生产的机器人以及 德国的库卡公司生产的机器人，德国库卡机器人公司是全球最大的机器人公司之 一，瑞典的ABB公司在1974年制造出了世界上第一台全电控式、微处理器控制 的机器人。而日系机器人则主要是安

23、川公司以及FAUNC的LTD生产的机器人，日 本的安川公司在1977年制造出了第一台全电动的工业生产机器人，其MP系列主 要用于码垛工作，FAUNC机器人共拥有200多种系列，负载范围非常大，该公司 年产工业机器人25000多台。上图所示为 ABB 公司和库卡机器人公司最近推出的最新产品双臂工业机器 人YuMi和库卡轻载工业机器人LBR IIWA 7R800。在2015年4月13日举行的世 界工业博览会一一德国汉诺威工业博览会上，瑞典的ABB公司展示了世界上第一 款真正实现了人机协同作业的双臂工业机器人YuMi。ABB公司在1974年曾推出 全世界第一款全电动的微处理器控制的工业机器人，此次Y

24、uMi的推出是ABB公 司在工业机器人领域的更大突破， YuMi 的推出为工业自动化生产方式指引了全 新的道路，使小件装配领域产生了突飞猛进的变化。YuMi的出现原本是为了满 足电子产业生产和制造的精确性的需求，现如今不仅在电子产业中，在其他小件 的装配环境里面，YuMi出现同样也受到了欢迎。YuMi的紧凑的构型使其具有与 人体相应的尺寸和肢体动作，使操作或相协作的人可以获得舒适感和工作愉快 感。此外Yumi的安全可靠性也是相当突出的，当其受到轻微碰撞时或者与操作 员肢体相互碰触时，能够立刻停止运作再迅速恢复正常的工作。库卡机器人公司是研发工业机器人和自动化生产技术领域的领路人，是世界 前列的

25、工业机器人制造商。库卡公司的工业机器人品种繁多，功能多样，几乎能 满足各行各业所需要的生产机器人类型。适用于各种产品的兼容控制系统和软件 包完善了库卡公司的产品系列。库卡机器人公司可以制造3kg至1000kg铰接臂 工业机器人，其涵盖可低负荷(5kg-16kg)、中等负荷(30kg-60kg)，高负荷 (90kg-300kg)和重负载(300kg-1300kg)的工业机器人。最近其生产的低负荷 机器人LBR IIWA 7R 800和LBR IIWA 14R 820协作机器人敏感度极高，具有高 度安全性，且学习速度快，容易操作，在人机合作方面开辟了全新应用领域，突 破了机器人以往无法跨越的界限。

26、工业机器人国内的发展及现状环境的制约，发展比较缓慢，码垛机器人的应用相当稀少。当时，仅由中国 科学院沈阳自动化研究所及一些地方的研究单位和院校对于机器人开始进行研 究和开发，并且种类限于一些固定程序、液压伺服型的机器人。随着社会的不断 发展进步，直到上世纪八十年代，我国工业机器人技术的开发和研究才取得了一 些成绩，研究生产的机器人可以完成喷涂、弧焊、点焊以及搬运等的小批量作业。 近年来我国主要工业机器人研究情况如上表所示。进入20世纪90年代，我国工 业机器人得到进一步大发展，在汽车制造行业乃至其他制造业和非制造行业得到 逐步扩展和应用，在步行机器人方面、精密装配机器人方面、多自由度关节机器

27、人方面的研制等国际前沿领域与世界先进国家的差距正在逐渐减小。进入二十一 世纪以来，我国部分高等院校也开始了对工业机器人的教学和研究，其主要研究 的机构类型有直角坐标型和关节型。在国家技术发展(863)计划支持下，我国 工业机器人已经在产业化道路上迈开了步伐6。课题主要研究内容本课题主要是研究码垛机器人的结构设计，主要研究内容如下：1) 了解搬运机器人的发展历史、使用现状以及未来几年的发展趋势，掌握码垛机器人的机械构成方式及基本的结构特点。2）设计研究码垛机器人的整体方案。设计几套不同的方案，通过对比选出最 佳方案。最佳方案确定后，再研究设计各个细节部分的方案。包括腕关节的电机 型号、轴承以及联

28、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 SolidWorks 软件进行三维模型设计。绘制各零部件的三维模型，并将 设计好的零部件进行装配实验，装配完成后进行仿真运动实验。不断改变系统参 数，观察各部件的运动是否发生变化。4）利用 Simulation 软件对主要运动构件进行有限元分析，生成应变、应力 图。本章小结本章首先介绍了码垛机器人研究的背景，介绍了国内外在此领域内相关研究 状况，在综合分析国内外研究现状的基础上，提出了一种科学

29、选择码垛机器人的 方案。对课题中用到的研究方法作了综合性的论述，通过比较，本方案运用 SolidWorks 软件建立码垛机器人的三维模型，并进行码垛机器人运动算例模拟 仿真，对重要零部件使用 Simulatioan 进行有限元分析，观察其受力情况，最后 对本文重点研究内容进行了简要阐述。2 码垛机器人的总体机构设计码垛机器人的组成及各部分关系概述码垛机器人的组成如图包括机械系统（执行机构、驱动机构）、控制系统、 智能系统。执行机构：执行机构是工业机器人完成搬运物件，实现生产运动所必需的机 械部件，它主要包括手部、腕部、机身等。手部：又称手爪或抓取机构，直接用来抓取和搬运物件。腕部：又称手腕，用

30、来连接手部和臂部，用来调整或改变手部的运动方位。臂部：是连接、支承腕部的部件，主要受力部件，支撑腕部将物件运到指定 位置。机身：是承载手臂的部件，它的作用是带动臂部做出各种动作，移动到不同的工作位置。驱动系统：为整个机器人各部件提供机械动力，并驱动其他部件运动的装置。 常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：控制驱动系统的动力，使执行机构按照工作要求进行运动，当发 生错误或故障时发出报警信号。检测系统：通过多种传感装置、检测工具，监督执行机构的工作情况，并将 监督情况反馈给控制系统，由控制系统判断运动是否符合生产要求。方案的确定码垛机器人的基本类型有两种：一、四轴SCARA机器

31、人（以下称为四轴机器 人）二、六轴关节式器人（以下简称六轴机器人）。其中，四轴机器人特别是为 高速取放的操作所设计的，而六个轴的机器人在生产中提供了更大的灵活性。“四轴SCARA机器人”是指“选择装配关节机器人手臂”，四轴机器人手臂部 分可以在一个平面内自由运动。前两个关节 SCARA 机器人可以在水平面内自由转 动。第三节由金属杆（qu ill）和夹持器组成。金属杆可以在垂直平面上下移动 或绕着金属杆的垂直轴旋转，但不能倾斜。这种独特的设计使四轴机器人具有很 强的刚性，使他们能够胜任高速度和高重复的工作。在包装应用中，四轴机器人 能够完成高速取放和其他处理任务。六轴机器人比四轴机器人多两个关

32、节，使其更自由的行动。六轴机器人的第 一个关节能像四轴机器人一样在水平方向上自由旋转，后两个关节能在垂直平面 自由移动。此外，六轴机器人有一个“手臂”，两个“腕”关节，使他能够像人 类的手臂和手腕那样自由运动。六轴机器人更多的关节意味着他们更灵活更精 密，可以将产品以任意的角度放入包装内。他们能完成很多只有熟练工人才能完 成的精确工作。综合考虑，本设计要求搜集有关资料独立完成六自由度关节式码垛机器人的 机械结构本体设计。总体设计思路码垛机器人主要的功能是完成不同包装外形的物体的搬运工作。在了解了码 垛机器人的运动原理以后，就能拥有一个较清晰的设计思路。本课题主要研究码 垛机器人的机构设计，想要

33、实现码垛机器人在半径为米的圆周内的码垛运动，必 须由四个方面的动作才能完成，包括腰部的旋转运动、后臂的上下运动、前臂的 前后运动以及手腕的回转运动，而这四个动作的动力全部由电机提供。图是该机器人的三维模型。六个关节均采用谐波减速器驱动，谐波减速器在 国内已经成功应用了三十多年，比较稳定可靠，适合在工业上进行应用。谐波减 速器组件安装和维修都比较方便。关节的回转轴承采用了交叉滚子轴承、两对圆 锥滚子轴承和两对角接触轴承。手腕关节处如图2. 4所示，第四轴采用伺服电机加谐波减速器驱动。第五 个轴处，伺服电机带动同步带，同步带带动谐波减速器，谐波减速器输出使关节 上下摆动。第六个轴处，伺服电机带动同

34、步带，同步带带动同步带轮，同步带轮 与锥齿轮同轴传动，锥齿轮带动另一个锥齿轮，另一个锥齿轮带动谐波减速器， 谐波减速器输出驱动第六轴传动。3 码垛机器人的机械系统设计机器人的工作空间工作空间：工作空间是指机器人在正常工作运行时，机械手部工作空间的最 大范围，是工业机器人的主要技术参数，工作空间图如图:码垛机器人的执行机构设计末端执行机构设计码垛机器人的末端执行机构相当于人类的手，主要作用是用来抓持工件或工 具。手部抓持工件的速度、准确性和稳定度都将直接影响到工业机械手的工作性 能，它是工业机器人的关键部件之一。(1) 设计时要注意的问题：a.末端执行机构的夹紧力要足够，为了使手指夹紧工件更牢固

35、，不仅要考虑所夹持的工件的重力，还应考虑工件在传送运动过程中所产生的动载荷。b.末端执行机构应有一定的开闭范围。其范围大小不仅要看工件的尺寸，而且还要注意手部工件的运动路线及其方位的影响。C. 工件在末端执行机构内定位要准确。D. 结构部件尽量轻便紧凑，以利于腕部和臂部的设计。e.根据应用条件考虑通用性。(2) 总体结构设计夹持器采用内撑连杆杠杆式原理，利用推动杆的来回运动夹紧，它的结构形 式如图。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即工作时，推动推 杆向右运动，使两钳爪向外撑开，从而带动弹性爪夹紧工件。该种夹持器多用于 圆柱形零件的夹持。(3) 夹紧力的校验(a) 零件的计算假设零

36、件的密度为2500kg/m3，半径为60mm，高度为100mm，则V =兀 R 2h=3.14 x 602 x 100=1130400(mm 3)m = p v1130400G = mg = p vg = 2500 xx 9.8 = 27.7( N)109其中g取，则G=28 (N)。(b) 夹紧力的计算：要夹持住零件必须满足条件：2 fN G ；F是机械手指与夹持工件的静摩擦系数，手指为钢材，设f=，N是手臂作G 28用在零件壁上压力，G是零件本身的重力。所以N = = 93.3(N)2 f 2 x 0.15取N=100 (N)。所以可假设设计时必须要码垛的零件重力为100N。手臂机构的设计

37、(1)手臂的设计要求手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求根据所承载物体的特点和手臂的结构，选择合理的臂截面形状，选择使用高 强度的轻质材料。减小臂的转动惯量和关节的相对旋转轴，以减小驱动装置的压 力，减小运动的动载荷的影响，并提高手臂运动的响应速度。尽量减少机械间隙 引起的运动误差，提高运动精度和运动刚度。使用缓冲和定位装置来提高定位精 度。本设计中手臂在滚珠丝杆上下运动时，结构简单，拆装方便，设计带有两根 导向柱导向，防止手臂在滚珠丝杆上转的，保证手臂随机座转动。腰部和基座设计(1)结构设计通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动旋转架旋转，从而实现机 器人的旋转运

38、动，通过安装在顶部的进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动，以实现 手臂向上和向下。使用双导向柱，以防止手臂上在滚珠丝杆上转动，确保手臂随 机座旋转。使用钢支撑梁，以减轻重量，节约材料，其结构如图所示。采用环形轴承设计了机器人的结构。它由 2 个电机直接驱动一个杯形的柔性 轮谐波减速器。本次谐波减速器只有刚轮 9，挠性轮 7 和谐波发生器 8三大件， 且无单独壳体(此结构有利于传动系统的小型化，轻型化)。该柔性轮 7输出低 速的旋转运动驱动与之固定的机座旋转壳体 5 实现旋转运动臂。齿形皮带传动 4 和位置传感器6 作为机座用来检测手臂机座的角位移。(2)步进电机的选取工业机器人的旋转和上下运动由步进

39、电机驱动，下面是各种驱动方式的比 较，可作为选取步进电机作为驱动方式的依据。由上表可以看出，使用步进电机驱动工业机器人的优点是无可替代的，比如 有较好的控制性能，定位精确，较小的体积可用于程序复杂和运动轨迹要求较严 格的小型通用机械手等，下面就选取本次设计使用的步进电机的型号。预选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。工业机器人的机械传动装置的选择滚珠丝杠的选择先进行估算：等效载荷Fm =1000N,丝杆的有效行程420mm，等效转速 nm=1500r/min，要求使用寿命L，h=15000h左右，工作温度低于100C，可靠度 95%,精度为3级精度6。谐波齿轮的选择谐波齿轮的特性

40、，与一般的齿轮传动相比，具有以下特点：（1）大传动比， 一级谐波齿轮减速比可以在50500之间，在只传输运动的设备可以达到1000。 多阶段或复杂类型的传输，传动比更大。这这种传动同时啮合的齿数多，最多至 总齿数的30%40%。因此，承载能力大。运动误差小，无冲击，齿磨损小，传动 精度高，传动平稳。效率高（减速驱动，一般可达），结构简单，零件小，重 量轻。在相同的承载能力和传动比的情况下，齿轮减速器的体积和重量减少了约 2 / 1至1 / 3。（2）缺点是起动转矩大，柔性轮容易损坏，所以柔轮的材料和 热处理条件很高。当传动比小于35时，不能使用谐波传动。由于谐波传动装置 具有明显的优点，谐波传

41、动装置已广泛应用于机器人及其它机械和电气设备中。 本设计的谐波齿轮采用了带杯形柔性轮的谐波传动装置。波形发生器由三个基本 组成部分，一个带凸缘的环形的刚性轮，一个杯形的柔性轮和一个灵活的轴承和 一个椭圆形的波发生器。型号XB/3机型号100，既柔轮的公称内径为80mm减速比100，三大件订货 精度等级，最大空回小于3分（角）/最大传动误差小于3分（角）。联轴器的选择该机构利用锥环对之间的摩擦实现与毂之间的无缝连接传递扭矩，可以调整 两面连接件之间的角度位置。通过选择锥环的对数，可以传递不同大小的转矩。 图显示了使用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使功率转移无反向间隙。 5螺杆通过一个压环3

42、被施加到轴向力，由于锥换之间的楔紧作用，内外环2分 别产生径向弹性变形，消除了轴4和套筒1的间隙，产生接触压力，通过摩擦传 递力矩，套筒1和4轴之间的角度位置可以任意调节。这种联轴器定心性好，承载能力高，传动功率大，寿命长，具有过载保护能 力，可连续工作在振动和冲击载荷等恶劣环境中，安装、使用和维护方便，对系 统负载影响小，噪音低。1套筒，2内外环，3压圈，4轴，5螺栓图 消隙联轴器本章小结搬运机器人的手腕运动比较简单，只有一个旋转运动。设计的关键是保证轴 的转速和旋转精度。通过本章对腕关节的详细设计计算，确定了由一个减速器、 套筒联轴器、轴承选择角接触球轴承轴承。腰部设计计算主要是为了实现腰

43、部的运动，带动整个机器人的运动。由于腰 部的旋转速度低，选择使用 YD 系列低速电机。通过对电机的选择、联轴器的计 算和选择，最终确定了处理机器人的腰部设计。4码垛机器人手臂结构平面机构受力分析搬运机器人在实现搬运的运动过程中，水平方向的滚珠丝杠副主要承受摩擦 力，而垂直方向的滚珠丝杠副主要承受Z轴方向的载荷。则当机构的小臂处于水 平方向、前后大臂与之垂直时，两个方向的滚珠丝杠副受力最大。具体位置如图 所示。图 码垛机器人运动位置根据搬运机器人运动学分析，可设各臂长分别为：AB=1170mm，BC= 260mm , CD =1080mm ， DE =240mm，A点到图4-1中心线的距离d =

44、 150mm。处于图4-1 位置时小臂的受力情况见图4-2。图 小臂受力图图中，G1为负载和电机的重力，搬运的负载最大为100N，腕部减速机的重 力约为100N，则G =200N； M为负载和电机共同的转矩，1M = G1 x d = 200x 150x 10-3 = 30N - m ;小臂材料为45号钢，重量约为50N；对小臂列受力方程如下：ZF 二 0ZM (A)二 0F1 - F 2 - G - G1 二 01 1 m I n /CfAM + F1 x 1170 - G xF2 x (1170 + 260)二 0(4-1)解得F=，F =12手臂材料的选择码垛机器人的手臂结构设计要注意两

45、点：一是应使手臂刚度大、重量轻；二 是应使手臂在快速运动时产生的惯性较小。首先，如果手臂的刚度不够，手臂可 能会发生弯曲变形，则应选择相同条件下，弯曲刚度较大的截面形状。考虑完第 一点，对于第二点减小惯性冲击，本章的手臂架选择了碳素结构钢材料。并且要 尽量缩短手臂悬伸部分的长度。图对小臂进行了剪力与弯矩的分析，可知小臂的 弯矩越靠近B点越大，因此小臂的结构为末端窄，靠近B点时逐渐加大尺寸，其 它手臂结构则采用均匀尺寸。B点为销轴联接，则弯矩和受力主要由销轴来承受, 因此要考虑销轴的校核。其它的销轴联接同B点一样进行校核。图 小臂剪力图和弯矩图销轴校核手腕销轴联接校核销轴抗剪强度： t= 3= 5.72mm30.4 Ld J30.4 x 120b因此选择销轴的轴径d=8mm，满足强度要求。后大臂与小臂销轴联接校核销轴抗剪强度：销轴采用45号钢，其许用切应力，许用弯曲应力，将以上值带入公式（4-2）得销轴抗弯强度：其中，带入公式（4-3）得：，因此选择销轴的轴径d=25mm满足强度要求。前大臂与支架销轴联接校核销轴抗剪强度：销轴采用45号钢，其许用切应力，许用弯曲应力，将以上值带入公式（4-2）得销轴抗弯强度：其中，带入公式（4-3）得因此选择销轴的轴径 d=50mm 满足强度要求。