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，运动仿真
Abstract
In 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 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 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 palletizing 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 parameters 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 also presents the 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 used 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.
Keywords: palletizing robot, finite element analysis, motion simulation
1 绪论
1.1课题的来源及意义
1.1.1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。
1.1.2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1．1）。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，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：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0.1％。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%，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展，走向成熟。
1.2工业机器人国内外发展及现状
1.2.1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[4]。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——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YuMi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。
1.2.2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]。
1.3 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。
1.4 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
2.1 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。
2.2 方案的确定
码垛机器人的基本类型有两种：一、四轴SCARA机器人（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（quill）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。
2.3 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，想要实现码垛机器人在半径为1.5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2.3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
3.1 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3.1:
3.2 码垛机器人的执行机构设计
3.2.1 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，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3.2。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
假设零件的密度为2500kg/m 3，半径为60mm ，高度为100mm ，则
22393.1460100
1130400()
113040025009.827.7()10V R h
mm m v
G mg vg N πρρ==??=====??=
其中g 取9.8，则G=28（N ）。
(b) 夹紧力的计算：
要夹持住零件必须满足条件：G fN ≥2；
F 是机械手指与夹持工件的静摩擦系数，手指为钢材，设f=0.15[6]，N 是手臂作用在零件壁上压力，
G 是零件本身的重力。所以2893.3()220.15
G N N f ≥==? 取N=100（N ）。所以可假设设计时必须要码垛的零件重力为100N 。
3.2.2 手臂机构的设计
(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。。
3.2.3 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3.6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。
3.3 工业机器人的机械传动装置的选择
3.3.1 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100℃，可靠度95%，精度为3级精度[6]。
3.3.2 谐波齿轮的选择
谐波齿轮的特性，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50～500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0.9～0.7），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XB1-80-100-2-3/3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）。
3.3.3 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3.8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3.5 消隙联轴器
3.4 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
4.1 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
4.1所示。
图4.1 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 = 150mm 。处于图4-1位置时小臂的受力情况见图4-2。
图4.2 小臂受力图
图4.2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 1=200N ；M 为负载和电机共同的转矩，
m N d G M ?=??=?=-301015020013；
小臂材料为45号钢，重量约为50N ；对小臂列受力方程如下：
0)(0
=∑=∑A M F
0)2601170(22
2601170117010
121=+?-+?-?+=---F G F M G G F F
(4-1)
解得F 1=1237.6154N ，F 2=987.6154N 4.2 手臂材料的选择
码垛机器人的手臂结构设计要注意两点：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4.3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4.3 小臂剪力图和弯矩图
4.3 销轴校核
4.3.1 手腕销轴联接校核
销轴抗剪强度：
[]τπτ≤?=422
d F t
(4-2)
销轴采用45号钢，其许用切应力[]MPa 80=τ，许用弯曲应力[]MPa b 120=σ， F t =F 2=200N ，将以上值带入公式（4-2）得：
1.26d mm
≥
=
=
销轴抗弯强度：
()[]b t b d b a F σσ≤?+≈3
1.045.0 (4-3) 其中mm a 25=，mm b 40=，带入公式（4-3）得
5.72d mm ≥==
因此选择销轴的轴径d=8mm ，满足强度要求。
4.3.2 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：
[]MPa 80=τ[]MPa b 120=σN F F t 6154.9872==[]m m F d t 8.28026154.98742=?=??≥
π
τπ
mm a 25=mm b 40=
，
因此选择销轴的轴径d=25mm 满足强度要求。
4.3.3 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。
()[]()mm b a F d b t 747.9120
4.040
5.0256154.9874.05.033=??+?=?+?≥σ[]MPa 80=τ[]MPa b 120=σN F F t 6154.12371==[]mm F d t 139.38026154.123742=?=??≥
π
τπ
mm a 25=mm b 40=()[]()mm b a F d b t 508.10120
4.040
5.0256154.12374.05.033=??+?=?+?≥σ
搬运码垛机器人毕业设计 Prepared on 22 November 2020
目录1
1绪论 研究背景及意义 随着现代社会科技水平日新月异的变化，机器人技术已经渗透到人类生活中的方方面面，演着不可替代的角色。机器人是多个学科技术综合而成的产物，其应用程度已经逐渐宽广起来研究机器人已经成为了当今时代的趋势。机器人的应用状况已经可以作为权衡一个国家现化程度高低的重要因素。从机器人工作的环境来对机器人进行分类，大体上能划分成两种，就是工业机器人与特种机器人。工业机器人是一种具有良好性能的自动化机械装置，是典型的含有很高科技含量的机电一体化产品。它在提高产品质量、增加经济效益、提高生产率方面起着重要作用。同时工业机器人的发展情况也是日新月异的，所以研发工业机器人是一件刻不容缓的事情。 码垛是随着物流产业的不断壮大而发展起来的一项高新技术，其思想是把物品按照一定规律码放在托盘上，从而能够使物品的存放、搬运、转移等活动变成单元化操作，从而大大提高物流运输的效率。在物料质量不大、尺寸不大、码垛速度要求不高的情况下，码垛工作都是通过人工来实现的。后来为了减轻工人在码垛时的工作强度，产生了托盘操作机、工业机械手等一些比较简单的机械设施。但是随着人们对码垛速度要求的不断提高，传统的人工码垛方式越来越难以达到人们的要求，这种情况下码垛机器人应运而生。 作为工业机器人典型的一种，码垛机器人技术近几年有着非常快速的发展，这样的发展速度和当今世界制造业的小批量、多种类的发展模式是十分吻合的。码垛机器人有着工作能力强、运行速度快、体积比较小、抓取种类多、应用范围广等特点，从而在市场上备受青睐，正因为这些优点，才使得码垛机器人被普遍应用于制造业、码垛、装配、焊接等诸多操作中。 近年来，袋装物品的需求和产量都十分巨大，进而对袋装物品进行运输的需求也在急剧增长。在我国有大量的袋装物品需要进行码垛、卸垛和运输。目前，对袋装物品的火车运输来讲，火车站台卸车、站台码垛、运输装车、运输卸车、库房码垛等工
码垛机器人说明书
前言 本说明书阐述了此四自由度码垛机器人使用方法。请仔细阅读并理解此说明书后使用机器人。打开包装请先对照装箱清单检查配件是否齐全，若有遗漏请尽快与我们联系。
目录 概述............................................... 错误!未定义书签。机器人的搬运及安装................................. 错误!未定义书签。 警告标示....................................... 错误!未定义书签。 机器人安装环境................................. 错误!未定义书签。 机器人运动范围及安全围栏安装................... 错误!未定义书签。 机器人的搬运方法............................... 错误!未定义书签。 基座安装尺寸................................... 错误!未定义书签。 机器人端持器的安装............................. 错误!未定义书签。 气路连接....................................... 错误!未定义书签。机器人控制柜的搬运与安装........................... 错误!未定义书签。 注意事项....................................... 错误!未定义书签。 机器人控制箱安装环境........................... 错误!未定义书签。 机器人控制箱的内部电气接线..................... 错误!未定义书签。 机器人控制箱的搬运............................. 错误!未定义书签。 机器人控制箱的外部连接......................... 错误!未定义书签。机器人系统与生产线的连接........................... 错误!未定义书签。机器人操作方法..................................... 错误!未定义书签。 机器人的开关机.................................. 错误!未定义书签。 操作界面的认识.................................. 错误!未定义书签。 操作界面的使用方法.............................. 错误!未定义书签。常见故障分析及处理................................. 错误!未定义书签。 机器人无法运行................................. 错误!未定义书签。 机器人未按既定规划运行......................... 错误!未定义书签。 机器人系统提示“系统正在运行”................. 错误!未定义书签。机器人保养与维护................................... 错误!未定义书签。 机械部件的养护.................................. 错误!未定义书签。 控制系统的维护.................................. 错误!未定义书签。
1.工艺/序描述 ●现有设备（人工）工艺描述 现场人工自传送带上抓取并放置到托盘上 ●自动化后设备工艺 自动缝包机→倒包机→传送带自动整理（平）→机器人自动码垛→取出托盘→以此循环 2.方案介绍 ●设备使用环境 1.海拔在1000米以内 2.环境温度在0℃～+45℃之间 3.环境湿度：20～80%RH(无凝结) 4.使用场所应无严重影响设备使用爆炸﹑粉尘、腐蚀的介质，例：有毒气体﹑蒸汽﹑化学性沉积﹑ 霉等 5.电压380V±10%，50Hz±5%，三线五线制 6.气源压力0.5~0.7Mpa ●设备主要配置介绍 1.机械夹具/爪 ◆抓手具有光电检测开关，检测是否完成抓取工件（防止空抓）。 2.外围防护 ◆机械式外围防护，两米高度防止人员工作时进入 ◆安全光幕防护进出口处，连接机器人本体内部程序，防止人员工作时进入工作区域（进入后停止）◆三色声光报警灯，异常及工作状态显示 3.机器人本体
机器人本体：日本川崎CP180L
4.设备方案图
供货范围及报价清单 一、售后服务 本着“一切追求高质量，用户满意为宗旨”的精神，以“最优惠的价格、最周到的服务、最可靠的产品质量”的原则向您郑重承诺： 提供的标准服务将协助用户保障设备安全稳定地运行，完善的组织结构、严格的质量保证体系和高水平的技术支援队伍使我们有信心提供一流的服务。 ●技术支持服务 电话支持服务:我们提供每周7天、每天24小时的电话支持服务。用户在使用维护过程中，出现由于设备引起的技术故障，可通过专人服务热线提出服务请求，维护工程师以最快时间响应用户的服务请求，协助与指导用户制定解决问题的方案，用户可以很方便地得到设备操作等方面的指导，从而提高设备运营效率和利用率。 现场支持服务:如果不能通过电话支持服务解决设备发生的技术故障，经双方商议确认需要进行现场支持，公司将派人赴现场协助用户排除故障。 ●硬件支持服务
码垛机器人应用程序说明 一、文件说明 该文件夹下4个主要文件如下： 1． 码垛仿真视频(包含工件).wmv是一层码垛的完整仿真视频， 该视频包含了工 件和传送带运动的仿真。 2． 机器人码垛视频（不含工件）.wmv是一层码垛工业机器人的仿真视频，仅包 含机器人运动。 3． Maduohuanjing.rspag是码垛机器人的仿真环境打包文件，读者可在此基础 上进行码垛练习。 4． maduoshili.rspag是一个示例程序，其工作过程如机器人码垛视频（不含 工件）.wmv所示。 二、示例程序解析 本示例程序完成的工作过程如下： 机器人上电后， 按下复位按钮， 机器人复位， 复位完成后， 发出复位完成信号。 机器人在接收到启动信号后， 运行到待抓取点， 同时传送带电机工作。当检测到工件到位信号后，机器人抓取工件（运行到抓取 点，气缸夹紧工件），检测到夹紧后，依次进行码垛（运行放置点，放下工件）。 IO信号配置如表1所示。 表 1 IO 信号配置表 Name Type of Signal Assigned to uni Unit mapping 信号注释 Di0 Digital input Board10 0 复位信号 Di1 Digital input Board10 1 启动信号 Di2 Digital input Board10 2 工件到位信号 Di3 Digital input Board10 3 夹紧信号 Di4 Digital input Board10 4 松开信号 Do0 Digital output Board10 32 复位完成信号 Do1 Digital output Board10 33 电机运行信号 Do2 Digital output Board10 34 气缸工作 该程序中，设置了左右2个工件坐标系，通过在1个坐标系下示教定位， 实现另外一个坐标系的定位。参考程序如下。 PROC main() WaitDI di0, 1? MoveJ phome, v1000, z10,tool0? Set do0? WaitDI di1, 1? MoveL p10, v1000, z10,tool0? Set do1? WaitDI di2, 1? MoveL p20, v1000, z10,tool0? Set do2? WaitDI di3, 1?
搬运码垛机器人毕业设 计 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
目录1
1绪论 研究背景及意义 随着现代社会科技水平日新月异的变化，机器人技术已经渗透到人类生活中的方方面面，演着不可替代的角色。机器人是多个学科技术综合而成的产物，其应用程度已经逐渐宽广起来研究机器人已经成为了当今时代的趋势。机器人的应用状况已经可以作为权衡一个国家现化程度高低的重要因素。从机器人工作的环境来对机器人进行分类，大体上能划分成两种，就是工业机器人与特种机器人。工业机器人是一种具有良好性能的自动化机械装置，是典型的含有很高科技含量的机电一体化产品。它在提高产品质量、增加经济效益、提高生产率方面起着重要作用。同时工业机器人的发展情况也是日新月异的，所以研发工业机器人是一件刻不容缓的事情。 码垛是随着物流产业的不断壮大而发展起来的一项高新技术，其思想是把物品按照一定规律码放在托盘上，从而能够使物品的存放、搬运、转移等活动变成单元化操作，从而大大提高物流运输的效率。在物料质量不大、尺寸不大、码垛速度要求不高的情况下，码垛工作都是通过人工来实现的。后来为了减轻工人在码垛时的工作强度，产生了托盘操作机、工业机械手等一些比较简单的机械设施。但是随着人们对码垛速度要求的不断提高，传统的人工码垛方式越来越难以达到人们的要求，这种情况下码垛机器人应运而生。 作为工业机器人典型的一种，码垛机器人技术近几年有着非常快速的发展，这样的发展速度和当今世界制造业的小批量、多种类的发展模式是十分吻合的。码垛机器人有着工作能力强、运行速度快、体积比较小、抓取种类多、应用范围广等特点，从而在市场上备受青睐，正因为这些优点，才使得码垛机器人被普遍应用于制造业、码垛、装配、焊接等诸多操作中。 近年来，袋装物品的需求和产量都十分巨大，进而对袋装物品进行运输的需求也在急剧增长。在我国有大量的袋装物品需要进行码垛、卸垛和运输。目前，对袋装物品的火车运输来讲，火车站台卸车、站台码垛、运输装车、运输卸车、库房码垛等工
码垛机器人设计_毕业设计说明书 目录 第一章绪论 (1) 1.1课题的背景、来源及意义 (1) 1.2码垛机器人的发展进程及发展趋势 (2) 1.3课题的设计内容 (2) 第二章码垛机器人总体结构设计 (4) 2.1方案的确定 (4) 2.2总体设计思路 (6) 第三章码垛机器人腕部和腰部设计 (7) 3.1码垛机器人腕部设计 (7) 3.1.1 减速机的计算与选型 (7) 3.1.2联轴器的计算与选型 (8) 3.1.3轴承的选型 (10) 3.2码垛机器人腰部设计 (11) 3.2.1腰部电机选型 (11) 3.2.2腰部联轴器计算选型 (12) 3.3本章小结 (13) 第四章码垛机器人手臂结构及其驱动系统设计 (14) 4.1平面机构受力分析 (14) 4.2手臂关节轴承的选型与校核 (15) 4.3销轴校核 (16) 4.3.1 后大臂与支架销轴联接校核 (16) 4.3.2 后大臂与小臂销轴联接校核 (17) 4.3.3 前大臂与支架销轴联接校核 (17) 4.3.4 前大臂与小臂销轴联接校核 (18) 4.3.5 其它销轴联接校核 (18) 4.4竖直滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (19) 4.4.1 最大工作载荷的计算 (19) 4.4.2 最大动载荷的计算 (19) 4.4.3 初选滚珠丝杠副型号 (20) 4.4.4 传动效率计算 (20) 4.4.5刚度的验算 (21)
内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4.4.6压杆稳定性校核 (22) 4.5水平滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (23) 4.5.1最大工作载荷的计算 (23) 4.5.2最大动载荷的计算 (23) 4.5.3初选滚珠丝杠副型号 (24) 4.5.4 传动效率计算 (24) 4.5.5刚度的验算 (24) 4.5.6压杆稳定性校核 (26) 4.6水平滚动导轨副的计算选型 (26) 4.6.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (26) 4.6.2额定行程寿命的计算 (28) 4.7竖直滚动导轨副的计算选型 (30) 4.7.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选择 (30) 4.7.2.额定行程寿命L的计算 (30) 第五章 PRO/E建模和仿真 (32) 5.1主要部件建模及其简介 (32) 5.1.1轴承建模的主要过程 (32) 5.1.2 机器人的主要部件及装配模型 (35) 5.2三维机构运动仿真的基本介绍 (37) 5.2.1 机构运动仿真的特点 (37) 5.2.2 机构运动仿真的工作流程 (37) 5.2.3 机构仿真运动装配连接的概念及定义 (37) 5.2.4 机构的仿真运动 (38) 第六章 ANSYS有限元分析 (40) 结论 (46) 参考文献 (47) 谢辞 (48)
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，运动仿真 Abstract In 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 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 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 palletizing 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 parameters 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
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 Analysis 1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
分类号 密级 毕业设计(论文) 码垛机器人设计 所在学院机械与电气工程学院 专业机械设计制造及其自动化 班级11机自x班 姓名 学号 指导老师 2015年3月31日 1
摘要 机器人码垛机非常适合用于柔性包装流水线，大大缩短了包装周期时间。具有极高的精度，再加上卓越的传送带跟踪性能，不论是固定位置操作，还是运动中操作，其拾放精度均为一流。体积小、速度快，配有全套辅助设备（从集成式空气与信号系统至抓料器）。可配套使用包装软件，机械方面集成简单，编程更是十分方便。从效率上说，码垛机器人不仅能承担高负重，而且速度和质量远远高于人工。 关键词：机器人，码垛 II
Abstract The robot palletizer is very suitable for the flexible packaging production line, greatly shorten the cycle time of packaging. With high precision, and excellent tracking performance of conveyor belt, whether fixed position operation, or movement in the operation, the pick and place precision are first-class. Small size, fast speed, equipped with a full set of auxiliary equipment (from the integrated air and signal system to catch feeder). Supporting the use of packaging machinery integration software, simple programming, it is very convenient. From the efficiency, palletizing robot can not only bear the high load, and the speed and quality is much higher than that of artificial. Key Words:palletizer 3
（ 分类号: 学校代码: 10128 U D C : 学 号: 201130101045 科研训练开题报告 题 目：码垛机器人控制系统设计 学生姓名：刘金来 学 院：机械学院 班 级：机制11-3 指导教师：武建新 二零一四年十二月
1.选题目的和意义 近几年机器人自动化生产线已经不断出现，机器人自动化生产线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式，而过去的自动化码垛作业大部分是由机械式码垛机完成或人工搬运，由于机械式码垛机其结构等因素的限制，存在着占地面积大、程序更改麻烦（甚至无法更改）、耗电量大等缺点；而人工搬运劳动量大，完成同一工作量所需不少工人，在一些实际场所应用中，码垛机器人与传统码垛机一样，一次能搬运一整层箱子，有些顾客在传统码垛机坏了时，就用机器人代替，通常这些机器人系统都有层成型平台和臂尾加工装置，能将整层箱子搬起来，功能较强的码垛机器人还能更换不同的货盘；其码垛速度甚至可以达到100个小箱/分钟；码垛机器人装有低水平纸箱横进给装置，使用灵活底盘，有利于车间的良好布局；另外其性能可靠，大多用户容易掌握使用的软件，能够迅速转换对进行不同箱子的码垛。2．国内外研究现状及其发展趋势 2.1课题来源：内蒙古工业大学 2.2码垛机器人控制系统设计的发展前景 作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。 据相关统计数据表明，工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工业，占整个机器人市场的61%，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%。 依赖进口——我国工业机器人之阵痛 目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，随着我国从劳动密集型向现代化制造业方向发展，虽然机器人保有量达到一定的规模，但与发达国家相比仍然有不少差距。 仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人来讲，（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），中国仍然是世界上相对比较落后的国家。面对中国这样庞大的市场，每一个机器人供应商都有着非常大的用武之地。 产业化不足——我国工业机器人之弊端 20世纪90年代末，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。产业化
全自动机器人码垛机说明书 1.设备 设备名称：机器人码垛机 设备型号：IRC5 Single 出厂编号： 出厂日期：2018 9 设备简单介绍： 机械人示教器机械人电柜PLC触摸屏2.主要参数 生产能力： 额定功率：10KW 主电压：AC380V±10% 频率：50Hz，3PH，N，PE 控制电源：24V DC 使用气源：进气管Ф12mm; 4-5Kgf/cm2 机器重量： 外形尺寸： 3. 安装条件 3.1).安装环境：
无强烈震动、高温多湿、油污、易燃性气体、尘埃飘浮等物质。 3.2).机器安装： 选择基础坚固的地面，坡度应小于1：60，调整好机器水锁 紧地脚螺丝。 3.3).电气安装： 引入良好的接地线（10mm2）至机器电柜中的接地螺钉处，用螺母紧固连接好；电源连接线用5芯电缆（10mm2）引入电柜中，分别接在主开关的上庄头。 4.概述 本系统由自动送箱，自动送板送垛，ABB机器人高速码垛几部分组成。由西门子S7-1200系列PLC作主控制，西门子精简系列触摸屏操作显示。本系统自动化程度高，操作简便，切换品种快捷。电气元件分布，结构，功能及线路请看电气原理图。机械元件分布，结构，功能及保养请看机械人手册。 5.安全说明 要正确接电源，气源。机器运行时禁止在机器工作范围行走，禁止把手脚头等伸到机器里。要定期对机器检查保养，以保证机器安全运转。 6.机器工作原理。 6.0). 输箱工作原理 6.0.1).输箱主要部件：外输箱分箱皮带、外输箱、转箱滚筒、转箱
前皮带、转箱装置。 6.0.2).输箱光电分布：外输箱检测1（转箱前皮带）、外输箱检测2、转箱计数、编组皮带前有箱检测。 6.0.3).输箱过程:在PLC触摸屏选参数画面,系统自动生成输箱控制画面，自动运行时，各电机进箱，转箱计数通过参数画面设置的总进箱数，来控制转箱装置，转箱计数每达到一次总进箱数，就转换AB层来进箱，然后重新计数。 6.1). 编组工作原理。 6.1.1).编组主要部件：编组站、推箱电机、推箱上下气缸. 6.1.2).编组光电分布：进箱计数、超箱保护、前满箱、后满箱、推箱上下检测，推箱后限位，推箱后减速限位，推箱前限位，推箱前减速限位，推箱进抓手限位。 6.1.3).编组过程:在PLC触摸屏选参数画面,系统自动生成进箱的设定值,自动运行时,编组滚筒运转,进箱. 进箱数达到排箱数的设定值,进箱皮带停止, 无超箱, 前满箱、后满箱有箱编组滚筒停止,进箱计数与实际箱数的值一致，推箱杆推箱，排数加一，当进箱总数与预设进箱数一致，推箱杆推箱到机器人抓手，机器人抓箱离开后再进下一组进箱. 6.2). 板仓工作原理。 6.2.1).板仓主要部件：板仓输板链条、板仓升降链条、进叉退叉气缸. 6.2.2).板仓光电分布：上中下三个限位安装在面对板仓升降链
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，运动仿真 Abstract In 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 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
第一章系统结构 系统由三台伺服电机完成，其中一台作为旋转轴，用NSK直驱电机驱动；两外两台作为水平轴和垂直轴，用台达伺服电机驱动。 现分别采用三个接近开关作为三个轴原点回归的JOG近点信号。 第二章控制方式 1、伺服驱动器设置： 台达驱动器设置为PT控制模式，即外部脉冲+方向控制，并将DI1 与DI2功能设为伺服启动与异常重置；NSK将PC参数设为1（外部 脉冲/方向）。 2、台达驱动器包括2个输入点，另外包括输入脉冲/方向的CN1端 子3个；NSK驱动器包括6个输入点 台达驱动器输入点NSK驱动器输入点 DI1 伺服启动CN端子7伺服启动 DI2 异常重置CN端子4解除警报 CN端子22输入/方向信号+（CW+）CN1端子35 Sign 端指令脉波的 外加电源 CN1端子37 位置指令符号(－) CN端子23输入/方向信号—（CW—）CN1端子41 位置指令脉波(－) CN端子24输入/脉冲信号+（CCW+） CN端子25输入/脉冲信号—（CCW—）3参数设定 NSK中需要整定的伺服参数包括： 名称注释当前设定值
LO 负载惯量0.019 VG 速度比例增益 2.2 PG 位置比例增益0.002 SG 伺服增益0 FP 第一低通滤波频率200 FS 第二低通滤波频率200 注：详细参数参照参数一览表。 注：参数整定流程见操作手册第5章 注：LO的设定一般采用自动整定AT—OK完成，详见简明操作手册。 第三章PLC I/O点分配 1、输入： X11 Z轴JOG信号 X12 Y轴JOG信号 X16 X轴JOG信号 2、输出： Y0 Z轴高速脉冲Y10Y轴伺服启动 Y1 Z轴方向Y11Y轴异常重置 Y4 Y轴高速脉冲Y14X轴伺服启动 Y5 Y轴方向Y15X轴异常重置 Y6 X轴高速脉冲Y20Z轴伺服启动 Y7 X轴方向Y21Z轴异常重置
码垛机器人技术进展及方案设计
研究生课程论文封面课程名称：机器人技术及应用 论文题目：码垛机器人研究进展及方案设计学生班级；机械工程 学生姓名：黄凰 任课教师：王中任 学位类别：专业硕士 评分标准及分值选题与参 阅资料 （分 值） 论文内容 （分 值） 论文表 述 （分 值） 创新性 （分 值） 评分
确的完成抓取工作，抓取后对工件进行分类码垛。 关键词：机器人，码垛，视觉
码垛机器人研究进展及方案设计 1. 机器人概述 近年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域得到广泛的应用。于此同时，码垛技术也获得了飞速发展，尤其是机器人码垛发展更为迅猛，这种发展趋势是与当今制造领域出现的多品种小批量的发展趋势相适应的[1][2]。码垛机器人是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品[3]。码垛机器人技术在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动
强度、改善生产环境等方面具有很大潜力[4]。国外从 20 世纪 60 年代开始研究工业机器人，码垛机器人是伴随着工业机器人技术的发展而出现的，日本、德国、美国等发达国家的研究已取得一定成果，我国在这方面的研究刚起步不久，还需加快研究步伐，提高研究水平，为我国物流包装企业的生产和发展做出贡献[5]。 最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典[6]。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运[7]。除此之外，德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的 FANUC [8]和 OKURA 以及 FUJI 系列，德国的KUKA 系列[9]，瑞典的 ABB 系列等。 德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般
机器人简易操作说明 1. 机器人左边为一线（L1），右边为二线(L2)。 2机器人每次停关机时要按“停止”之后再将电柜门上的旋转按钮打到“手动状态”，把触摸屏上的“急停”按钮也按下去，然后再切断主电源。 3开机流程；打开电柜主电源—按下电源启动按钮(控制柜上绿灯亮)—电柜门上的旋转按钮打到“自动”—然后点击“回归原点”，原点回归之后，显示码垛准备状态，再点击—“开始”—“继续”—“托盘数量检测”（观察与实际放的托盘数量是否一致，不一致要进行手动修改，修改好再按—“继续”，然后按下护栏上对应的复位按钮（先按哪个复位按钮，就先从哪边码垛），这时机器人跟输送线都处在自动工作中。 4机器人开机之后如果出现报警，如（系统气压过低，就要检查压力开关上的气压是否达到设定值），符合要求之后，再按“复位”之后把电柜门上的按钮打到“自动”，系统会提示未寻找原点，点击开始，机器人就自动回归原点，原点回好之后，会出现码垛准备中，再检查是不是该码第一层第一步，这时机器人电柜门上的按钮打到手动状态，点击触摸屏“数据载入”选项，将步数和层数都改为1即可，改好之后要一直按保存按钮，直到出现数据保存成功，再按返回按钮，然后按钮打到自动，点击开始，然后按下
护栏上的复位按钮，机器人就进入自动码垛工作状态。（记住，这时打到自动后点击“开始”之后会提示“继续”，在这个画面看一下，“托盘数量是否正确”，如果显示与实际放的数量不符，点击“修改”，改成正确的托盘数量即可） 5在护栏上有闯入光电，每边一个按钮盒按钮即复位按钮，在机器人自动码垛过程中不可以有人闯入码垛区的，护栏上的光电一但被遮挡住，机器人就会停止下来（为安全考虑，机器人在自动码垛时，绝不允许人员的进入，否则会有危险！有人员遮住护栏上的闯入光电，机器人就会报警，并停止自动码垛。如果闯入，机器人会报“1#码垛区安全门非正常闯入”“2#码垛区安全门非正常闯入”画面，这时必须在触摸屏上点击复位，会出现“开始”，点击开始，显示“一线二线的托盘数量”，如果正确，点击“继续”，然后按下护栏上的“复位按钮”.（这个报警画面必须在触摸屏上复位，如果不在触摸屏上点击复位，直接按复位按钮是没有作用的！） 6在正常码垛过程中如果出现码包的数量不满一托盘的时候，等最后一包抓完，看如果是一线就按下触摸屏左下角L1按钮，触摸屏会自动显示第一层第一步，要是二线则按L2按钮，也显示第一层第一步，然后机器人电柜上的绿色指示灯会闪烁，蜂鸣器也会响，这时叉车师傅方可进
机电一体化课程设计 码垛机器人 课程名称：机电一体化 课题名称：五自由度小型码垛机器人 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 小组成员： 指导教师： 课设时间：2016年1月
摘要 (1) 第一章背景介绍 (2) 第二章机械结构总体设计 (4) 2.1总体设计要求 (4) 2.2机械部分总体结构 (4) 2.3电机的选择 (6) 2.4底座的设计 (7) 2.5腰部的设计 (10) 2.6臂部的设计 (12) 2.6.1大臂的设计与校核 (12) 2.6.2小臂的设计与校核 (14) 2.7腕部的设计 (16) 2.8其他零件的设计与选择 (18) 第三章控制系统设计 (23) 第四章运动分析 (28) 4.1 运动轨迹分析 (28) 4.2 运动函数分析 (29) 参考文献 (31)
近年来,机器人技术发展非常迅速,各种用途的机器人在各个领域得到广泛的应用。于此同时,码垛技术也获得了飞速发展,尤其是机器人码垛发展更为迅猛,这种发展趋势是与当今制造领域出现的多品种小批量的发展趋势相适应的。本文围绕一个小型码垛机器人进行设计和分析。 首先根据设定的工作要求确定机器人的各项基本技术指标,为机器人的结构设计提供依据。在参考多种相关机器人的基础上,设计了机器人的整体方案和机械结构,码垛机器人是四自由度机器人,所有关节均采用转动关节,确定了采用舵机传动的方案。通过计算对机器人进行受力分析,目的是为了检验设计的机器人结构在强度和刚度上是否能够满足工作的要求。本课程设计将设计四自由度的抓取听装可乐小型简单码垛机器人。 关键词：码垛机器人机器人技术动态性能
第一章背景介绍 自20世纪80年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。按机器人的发展过程，分为三代机器人。第一代机器人，具有视角再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力;第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人环境交互，具有在线适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息。目前码垛机器人的应用主要在以下两个方面。恶劣工作环境，危险工作场合，这个领域的作业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜与人去干的作业。例如在冲床上下料、采矿、锻造等。 在自动化生产领域，码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需要较少的自由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。工业机器人具有减少劳动力费用、提高生产效率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除危险和劣势的劳动岗位。目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达42亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向
码垛机器人使用说明 非常感谢贵公司购买码垛机器人。 本系统是将上流传送带传送过来的产品按一定的堆放形状放置到托盘上的码垛机器人设备。 1.功能概述 为适应我国在石油、化工领域的快速发展，我们在吸收国外先进技术的基础上，自主开发了RB200型垂直多关节型机器人。 RB200型码垛机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种规定作业的机电一体化生产设备。其主要由机械本体、伺服驱动系统、手臂机构、末端执行器（抓手）、末端执行器姿态调节机构以及检测机构等构成，它根据不同的物料包装、堆垛顺序、层数要求等进行参数设置，实现不同类型物料包装的码垛作业。 2.码垛机器人与传统机械式码垛机比较,特点如下: 2.1.结构简单、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保养维修简单、所需库 存零部件少。 2.2.占地面积小。有利于客户厂房的总体布置，并可留出较大的库房面积。 2.3.适用性强。当客户产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时只需在触 摸屏上稍做修改即可，不会影响客户的正常的生产，甚至一台码垛机器人可同时对两条包装不同物料的生产线进行码垛操作。 2.4.能耗低。传统机械式码垛机的功率在26kW左右，而码垛机器人的功率为10kW，能大 大降低客户的长期运行成本。 3.主要技术特点： 3.1.码垛机器人具有4个自由度，分别为手臂的两个关节沿垂直轴、水平轴作直线运动， 机械本体和抓手绕各自的回转轴作回转运动。 3.2.手臂采用平行四边形连杆机构，由伺服电机通过带轮、同步带、滚珠丝杠、直线导 轨驱动，并采用末端执行器姿态调节机构，使末端执行器（抓手）实现垂直轴、水平轴无藕合线性运动。 3.3.机械本体用于承载手臂机构及其驱动机构，机械本体安装在交叉滚子轴承上，由伺 服电机通过精密摆线减速机驱动，实现码垛机器人在水平面内的回转作业。