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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)AbstractThe main task of the paper is the structure design and analysis of the palletizing robot. First of all,research background of the palletizing robot was introduced, and the brief description of the status of development and main structure was given at home and abroad. After functional requirements analysis and schematic design had done, Referencing to other palletizing robot structure, the overall program was designed, then determined the structural type of palletizing robotis the cylindrical coordinates with four degrees of freedom robot. On the basis of the overall program, proceeding from reality, the overall structure of palletizing robot was designed, and a selection of design and analysis of the main structure of the waist, arm and wrist had been done, including the detailed design of the arm belt drive and ball screw drive. Pro / E software was used to design robot, which made the difficulty of the work is greatly reduced, thereby improving the efficiency of the design. Finally, kinematic analysis had been done in theory, to ensure reliability of the palletizing robot .Key words: palletizing robot;four degrees of freedom; structure; design毕业论文(设计)目录第 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...................................................................... ........................................................................ .. 92.3.1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...................................................................... .........................................................................354.2展望...................................................................... ........................................................................ ........ 35 参考文献...................................................................... ........................................................................ ............... 36 致谢...................................................................... ........................................................................ ..................... 37 附录.....................................................................................................................................错误～未定义书签。
四自由度码垛机器人控制系统设计一、四自由度码垛机器人简介随着科技工业自动化的发展,很多轻工业都相继通过自动化流水线作业.尤其是食品工厂,后道包装机械作业使用一些成套设备不仅效率提高几十倍,生产成本也降低了。
其中四自由度码垛机器人每天自动对1000箱食品进行托盘处理，这些码垛机器人夜以继日地工作，从不要求增加工资。
码垛机器人的应用越来越广。
码垛机器人配备有特殊定制设计的多功能抓取器，不管包装箱尺寸或重量如何，机器人都可以使用真空吸盘牢固地夹持和传送包装箱。
如图1所示，四自由度码垛机器人本体由腰部、大臂、小臂、腕部组成。
图1 码垛机器人简图腰部大臂小臂腕部如图2所示，码垛机器人具有独特的线性执行机构，使其保证了手部在水平与垂直方向的平行移动。
图2 码垛机器人的线性执行机构运动示意图此四自由度码垛机器人的应用案例如图3所示。
具有示教作业简单,现场操作简便。
图3 码垛机器人的应用案例二、四自由度码垛机器人控制要求及其控制方案1、控制要求如图1所示，四自由度码垛机器人的运动主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驱动电机实现。
在此均采用松下A5伺服电机；抓取部件等其他辅助运动采用气动，由电磁阀动作来控制抓取部件的动作。
四自由度码垛机器人的运动控制系统主要包括感知部分、硬件部分和软件部分，其运动控制系统的主要任务是要控制此机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹以及作业流程等。
此外，还要求：1）防碰撞检测和在线编程控制,可以进行离线仿真；2）人机界面友善、高度可靠作性和安全性；3）便携式触摸屏示教器、全中文界面；4）利用使能开关双电路设计使在紧急状态下自动切断伺服动作，从而保证安全。
2、控制方案控制方案1：基于PLC的运动控制方案基于PLC的机器人运动控制系统，一般利用触摸屏进行人机交互。
在触摸屏上的人机界面，由组态软件编写人机操作界面实现人机交互；PLC则通过I/O 模块与码垛机器人以及现场设备通信并实现控制，通过接受PLC的控制命令，实现机器人及其周边、物流设备的启停与协调，同时将码垛机器人及其周边、物流设备的运行状态返回给PLC。
码垛机器人的结构设计1.基本构架：码垛机器人的基本构架通常由底座、支撑臂、端夹器和控制系统组成。
底座负责行驶和支撑机器人的重量，支撑臂用于抓取货物并进行堆叠，端夹器用于稳定货物。
控制系统负责指导机器人的运动和操作。
2.机器人臂：机器人臂是码垛机器人最核心的部分，它需要具备足够的灵活性和稳定性。
通常采用的机械臂类型有：串联式机械臂、并联式机械臂和混合式机械臂。
这些机械臂都能够通过旋转、伸缩、抓取等运动来完成堆垛任务。
3.抓取装置：抓取装置用于抓取、移动和放置货物。
根据货物的形状、重量和尺寸不同，可以采用各种类型的抓取装置，如吸盘、夹爪、人工手臂等。
同时，抓取装置需要具备足够的灵活性和适应性，以适应各种不同类型的货物。
4.控制系统：码垛机器人的控制系统需要具备高度的智能化和自动化程度。
它需要能够自主感知环境，规划最优路径，调整姿态和力量，实时调整操作。
同时，也需要与上位系统进行良好的通信，接受任务指令，反馈执行情况。
5.安全系统：码垛机器人的安全系统是非常重要的一部分，它需要确保机器人在操作过程中不会造成伤害或事故。
安全系统通常包括传感器、摄像头、红外线防护器等。
这些设备可以实时监测机器人周围的环境，检测障碍物和人员，判断是否安全进行操作。
6.能源供应：码垛机器人通常需要使用电池或其他能源供应，以确保其正常运行。
能源供应系统需要稳定可靠，能够为机器人提供足够的电量，同时充电时间也应该尽可能的短。
总而言之，在码垛机器人的结构设计中，需要充分考虑机器人的稳定性、灵活性、安全性和智能性等因素，以满足不同工作环境和任务需求。
通过合理设计，可以实现高效、精确地完成码垛任务，提高工作效率和减少劳动力成本。
四自由度机器人设计及分析首先，设计一个四自由度机器人需要考虑机器人的结构和运动方式。
机器人的结构可以采用串联结构或并联结构。
串联结构是将各个旋转关节按照顺序链接起来，形成一个连续链条；而并联结构是通过并联机构将多个旋转关节连接起来，共同作用于机器人的末端执行器。
接下来，需要确定机器人的关节类型和参数。
常见的关节类型包括旋转关节和剪切关节。
旋转关节可以实现绕一些固定轴旋转，而剪切关节可以实现平移和旋转的复合运动。
在确定关节类型后，还需要考虑各个关节的转动范围、转动速度和负载能力等参数。
在进行四自由度机器人的运动分析时，可以采用运动学方法和动力学方法。
运动学方法主要研究机器人的位置、速度和加速度等随时间变化的规律，可以通过矩阵运算和几何推导等方法求解。
动力学方法则关注机器人的力学特性和运动过程中的力、力矩等量，可以通过运动学和力学方程来描述机器人的运动。
在运动学分析中，可以通过正逆运动学求解机器人的位置和姿态。
正运动学是根据关节参数和关节角度求解机器人位姿的问题，可以通过矩阵变换和旋转矩阵等方法求解。
逆运动学则是根据机器人末端执行器的位姿求解各个关节的角度，可以通过三角函数和解方程等方法求解。
在动力学分析中，可以通过运动学和基本力学原理推导出机器人的运动方程。
运动学方程描述机器人各个关节的速度和加速度与末端执行器的位姿之间的关系；动力学方程则描述机器人的力、力矩与关节角度、角速度和角加速度之间的关系。
同时，还可以利用仿真软件对四自由度机器人进行仿真分析。
通过建立机器人的仿真模型，可以模拟机器人的运动轨迹和运动过程，验证设计参数的合理性以及对不同操作条件的响应。
总之，设计和分析四自由度机器人需要考虑机器人的结构和运动方式，确定关节类型和参数，并通过运动学和动力学方法来研究机器人的运动特性。
利用仿真软件可以对机器人进行仿真分析，验证设计参数的合理性。
四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现首先，四自由度多用途气动机器人的结构设计包括机器人的机械结构和气动元件的选择。
机械结构应尽量简单、紧凑，以减少机器人的体积和重量。
同时，机械结构应该能够实现机器人的各种运动，如平移、旋转和弯曲等。
为了实现这些运动，可以采用链式结构或并联结构。
链式结构由多个连接件组成，通过连接件的运动实现机器人的运动。
并联结构由多个执行器和驱动器组成，每个执行器驱动机器人的一个运动自由度。
气动元件的选择应根据机器人的需求和工作环境来确定，常用的气动元件有气缸和气动执行器等。
气动元件具有体积小、重量轻、响应快等优点，适合用于多自由度机器人的驱动。
其次，四自由度多用途气动机器人的控制实现包括机器人的运动规划和运动控制。
机器人的运动规划是指确定机器人在工作空间中的轨迹和姿态。
一般可以通过运动学模型和逆运动学模型来实现机器人的运动规划。
运动学模型描述了机器人的姿态和轨迹之间的关系，逆运动学模型则反过来计算机器人的关节角度和末端姿态。
运动控制是指控制机器人按照规划的轨迹和姿态进行运动。
控制方法可以采用开环控制或闭环控制。
开环控制是通过预先设定的轨迹和姿态来控制机器人的运动，闭环控制则通过传感器反馈来调整机器人的运动。
根据机器人的需求和控制精度要求，可以选择适合的控制方法。
综上所述，四自由度多用途气动机器人的结构设计和控制实现是一个相互关联的过程。
机械结构应能够实现机器人的各种运动，气动元件的选择应根据机器人的需求和工作环境来确定。
机器人的运动规划和运动控制则是必不可少的，可以通过运动学模型和逆运动学模型来实现机器人的运动规划，通过开环控制或闭环控制来实现机器人的运动控制。
通过合理的结构设计和控制实现，四自由度多用途气动机器人可以完成各种任务，具有广泛的应用前景。
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 Analysis1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。
2.对码垛机器人的底座和腰部进行设计。
机器人腰部旋转部分电机和减速器的选择和校核以及结构的设计。
3.用UG进行三维模型设计。
设计底座和腰部的三维模型，并将设计好的底座和腰部进行装配。
4.利用UG对主要受力构件进行有限元分析。
3码垛机器人总体结构本课题设计的码垛机器人属于关节型机器人，共有四个自由度，分别是底座1的旋转，大臂2和小臂3的转动，还有前爪4的旋转。
总体结构如图3-1所示。
图3-1 码垛机器人结构4码垛机器人底座和腰部设计4.1腰部电机和减速器的选择4.1.1 电机选择码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或者低速电机。
设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为J ，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂极限长度L ，可得其转动惯量为：32ML J=（4-1）其中M 是腰部所要承受的重量，为200Kg ，L 为1m ，通过计算得其转动惯量为66.72m Kg ⋅ 电机转矩α⋅=J T （4-2） 回转加速度22s rad πα=（4-3） 带入求出力矩：41927.66=⨯==παJ T N·m电机的转动惯量22iJJ G =（4-4）取减速比i=153，带入求出电机的转动惯量0028.01537.66i 222===JJ G Kg ·m 2电机的转矩iTT =d （4-5） 带入求出电机转矩7.2153429id ===TT N·m 根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参数，选取Σ-V 系列的SGMGV-20A 型电机，额定输出为1.8KW ，额定转矩为11.5N·m ，瞬时最大转矩为28.7N·m 。
4.1.2 减速器的选择码垛机器人腰部的旋转需要克服的负载转动惯量比较大，所以在负载和驱动电机之间要用有比较大传动比的减速装置。
[2]考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性等要求，本文设计的机器人减速装置采用RV 减速器。
RV 减速器具有传动比较大、结构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点，能够满足码垛机器人的各种要求。
选减速器所需各种数据如表4-1所示表4-1 减速器选型条件启动时（max ）稳定时停止时（max ） 紧急停止冲击时负载转矩(N·m ) T 1=1000 T 2=0 T 3=1000 T em =3000 转速(r/min) N 1=5 N 2=10 N 3=5 N em =20 时间(sec)t 1=0.5t 2=4.2t 3=0.5t em =0.05确定负载特性求出平均负载转矩 310332211310333310222310111m N t N t N t T N t T N t T N t T ++++=（4-6）510= N·m求出平均输出转速321332211t t t N t N t N t N m ++++=（4-7）min r 9=暂时选定RV-80E-10计算减速机寿命是否满足要求的规格值.31000h ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=m m T T N N K L （4-8） h h 2000041862>=h L 远大于20000小时求出输出转速最大输出转速10r/min<75r/min （RV-80E 减速器允许最高输出转速） 求出启停转矩 T1=1000N·m<1960N·m （RV-80E 减速器的启动时允许转矩） T3=1000N·m<1960N·m （RV-80E 减速器的停止时允许转矩） 求出紧急制动力矩Tem=3000N·m<3920N·m （RV-80E 减速器的瞬时最大允许转矩） 求出主轴承承载力emem em t N TT C ⨯⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=604057753100em （4-9）次8274=外部负载条件W 1=500 N L 1=0.5m W 2=2000N L 3=0.5m 求出力矩刚度求出输出轴偏角是否符合要求的规定值 3t 321110⨯+=M W W θ （4-10） 58.0=表4-2 减速器弯矩刚性和轴端尺寸式中M T 为弯矩刚性，查表4-2，得M T =1176N·mθ=0.58(分)<1(分)符合要求。
求出外力矩m 6326.0a b 2=-+=L （b.a 从表4-2查得） （4-11） 10003221c L W L W M +=（4-12）型式 弯矩刚性 Nm/arc.min.※3尺寸(mm)a b RV-6E 117 17.6 91.6 RV-20E 372 20.1 113.3 RV-40E 931 29.6 143.7 RV-80E ※1 1176 33.4 166.0 RV-80E ※2 1176 37.4 166.0 RV-110E 1470 32.2 176.6 RV-160E 2940 47.8 210.9 RV-320E 4900 56.4 251.4 RV-450E744869.0292.72156N·m 1316.3N·m <=(允许弯矩从表4-3查得)表4-3 减速器允许弯矩和允许轴向推力减速器RV-20E 满足所有要求规格，因此选定RV-80E-10。
4.2 底座和腰的结构设计4.2.1 底座的设计底座部分要支撑腰部以上包括大臂小臂和100KG 负重等所有重量，所以在设计结构方面首先考虑的是它的稳定性和坚固性。
在参考了一系列的文档资料后，决定用圆台作为主模型，然后将用于腰部旋转的电机和减速器全都固定在底座上，进一步加强稳定性。
底座结构如图4-1所示。
型式 允许弯矩 Nm 允许轴向推力N RV-6E 196 1470 RV-20E 882 3920 RV-40E 1666 5194 RV-80E ※1 2156 7840 RV-80E ※2 1735 7840 RV-110E 2940 10780 RV-160E 3920 14700 RV-320E ※1705619600图4-1底座的结构设计工程图如4-2所示。
4-2 码垛机器人底座设计工程图4.2.2腰部的设计本文设计的码垛机器人腰部有两方面作用，一是通过底座的电机连接减速机，减速器又与腰部相连，进而带动腰部实现360°旋转；二是在腰部上端是与大臂相连的结构，连接部分也是利用电机与减速机的结合，最终实现大臂一定角度的转动。
因此，在设计腰部的时候，其基本要求如下：1.高精度。
为了腰部在平稳运动时能保持较高的定位精度，所以码垛机器人的精度也很重要。
2.高强度。
腰部的上端支撑着包括大臂，小臂前爪以及抓重物等所有的重量，为了保证在如此负重之下腰部还能正常运动而且不会影响精度，这就对腰部的强度有了很大的要求。
3.轻重量。
为了降低码垛机器人的重心，提高运动速度，还要减小整个腰部对于回转轴的转动惯量，腰部的设计在强度满足条件的情况下要尽量减轻重量。
4.良好的导向性。
为了确保腰部的旋转不会影响到大臂的运动，所以良好的导向性也是十分必要的。
腰部结构设计如图4-3所示。
图4-3 码垛机器人腰部结构设计其工程如图4-4所示。
4.3底座和腰部的装配装配如图4-5所示。
、图4-5码垛机器人底座腰部装配图码垛机器人装配剖面图如图4-6所示。
图4-6 码垛机器人装配剖面图5UG有限元分析5.1对底座的有限元分析5.1.1UG有限元分析结果底座有限元分析结果如表5-1，图5-1，图5-2和图5-3所示。
表5-1 码垛机器人底座有限元分析载荷工况 1 : Number of Iterations = 1位移(mm) 应力(mN/mm^2(kPa))X Y Z Magnitude Von-MisesMinPrincipalMaxPrincipalMaxShear静态步长 1M a x 3.685e-0048.906e-0048.904e-0049.554e-0047.953e+0021.264e+0014.924e+0024.409e+002M in -1.253e-006-8.904e-004-8.904e-0040.000e+0005.325e-001-6.975e+002-9.231e+0012.966e-001图5-1底座未受力时网格划分图5-2底座有限元分析-位移变化图5-3底座有限元分析-应力变化5.1.2图表分析表5-1是底座在受力情况下所产生的位移和应力变化。
