碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人課程名稱： 機(jī)電一體化課題名稱： 五自由度小型碼垛機(jī)器人專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：小組成員：指導(dǎo)教師：課設(shè)時(shí)間：2016年1月4錯(cuò)誤 !未定義書簽。6710錯(cuò)誤 !未定義書簽。錯(cuò)誤 !未定義書簽。錯(cuò)誤 !未定義書簽。16錯(cuò)誤 !未定義書簽。2328目錄要第一章 背景介紹 錯(cuò)誤 !未定義書簽。第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 4總體設(shè)計(jì)要求機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu)電機(jī)的選擇底座的設(shè)計(jì)腰部的設(shè)計(jì)臂部的設(shè)計(jì)大臂的設(shè)計(jì)與校核小臂的設(shè)計(jì)與校核腕部的設(shè)計(jì)其他零件的設(shè)計(jì)與選擇第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四章 運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)軌跡分析 28運(yùn)動(dòng)函數(shù)分析29參考文獻(xiàn) 31摘要近年來(lái) , 機(jī)器人技術(shù)

2、發(fā)展非常迅速, 各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。于此同時(shí), 碼垛技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展, 尤其是機(jī)器人碼垛發(fā)展更為迅猛, 這種發(fā)展趨勢(shì)是與當(dāng)今制造領(lǐng)域出現(xiàn)的多品種小批量的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)的。本文圍繞一個(gè)小型碼垛機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。首先根據(jù)設(shè)定的工作要求確定機(jī)器人的各項(xiàng)基本技術(shù)指標(biāo), 為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在參考多種相關(guān)機(jī)器人的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體方案和機(jī)械結(jié)構(gòu), 碼垛機(jī)器人是四自由度機(jī)器人, 所有關(guān)節(jié)均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié), 確定了采用舵機(jī)傳動(dòng)的方案。通過(guò)計(jì)算對(duì)機(jī)器人進(jìn)行受力分析, 目的是為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度上是否能夠滿足工作的要求。本課程設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)四自由度的抓取

3、聽裝可樂(lè)小型簡(jiǎn)單碼垛機(jī)器人。關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)動(dòng)態(tài)性能第一章背景介紹自 20 世紀(jì) 80 年代， 我國(guó)碼垛機(jī)器人在國(guó)家支持下，通過(guò) “七五” 、“八五”科技攻關(guān)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域取得了很大成就。按機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程，分為三代機(jī)器人。第一代機(jī)器人，具有視角再現(xiàn)功能或具有可編程的NC裝置，但對(duì)外部信息不具備反饋能力 ; 第二代機(jī)器人，不僅具有內(nèi)部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒(méi)有應(yīng)用人工智能技術(shù)，但是能進(jìn)行機(jī)器人環(huán)境交互，具有在線適應(yīng)能力；第三代機(jī)器人，具有多種智能傳感器，能感知和領(lǐng)會(huì)外部環(huán)境信息。目前碼垛機(jī)器人的應(yīng)用主要在以下兩個(gè)方面。惡劣工作環(huán)境，危險(xiǎn)工作場(chǎng)合，這個(gè)

4、領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜與人去干的作業(yè)。例如在沖床上下料、采礦、鍛造等。在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，碼垛機(jī)器人可用來(lái)上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件重新定向等作業(yè)。一個(gè)簡(jiǎn)單抓放作業(yè)機(jī)器人只需要較少的自由度， 一個(gè)給零件定向作業(yè)的機(jī)器人要求具有更多的自由度，增加其靈巧性。工業(yè)機(jī)器人具有減少勞動(dòng)力費(fèi)用、提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、 增加制造過(guò)程的柔性、減少材料浪費(fèi)、控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn)、降低成本、消除危險(xiǎn)和劣勢(shì)的勞動(dòng)崗位。目前工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)正處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家里，工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與制造正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界每年的工業(yè)機(jī)器人銷售額可達(dá) 42

5、 億美元。盡管如此，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)仍在不斷拓展，不斷向新的領(lǐng)域進(jìn)軍。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣。但是，由于我 國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動(dòng)力比較豐富、低廉，給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 和應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 精度，運(yùn)動(dòng)速度，降低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國(guó)注 重發(fā)展組合式工業(yè)機(jī)器人。它是采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊件或組合件拼裝而 成。除了工業(yè)機(jī)器人用的各種伺服電機(jī)，傳感器外，手臂、手腕和機(jī) 身也已標(biāo)準(zhǔn)化。隨著機(jī)器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜變化， 急需開發(fā)新型的微動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保證機(jī)器人的動(dòng)作精準(zhǔn)度，開發(fā)多關(guān)節(jié)， 多自由度的手臂和手指及星星的行走機(jī)構(gòu)， 以適應(yīng)日益

6、復(fù)雜的作業(yè)需 求。第二章機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)要求本文研究的機(jī)器人為小型碼垛機(jī)器人，旨在讓其在桌面進(jìn)行工作。其工作過(guò)程簡(jiǎn)單描述為：無(wú)論工作前處于什么狀態(tài)，工作開始后 回到原位，對(duì)桌面上的聽裝可樂(lè)等物體進(jìn)行抓取， 通過(guò)腰部旋轉(zhuǎn)放到指定位置。工作范圍半徑 350mml內(nèi)，垂直方向的極限位置 300mm機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要部分由底座、大臂、小臂、腕 部和手爪裝置組成（如圖2-2-1所示）。底座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都安裝在底座上。大臂和小臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，用來(lái)支撐腕關(guān)節(jié)和手部，并使它們?cè)诠ぷ骺臻g內(nèi)運(yùn)動(dòng)。腕部是聯(lián)結(jié)手臂與手爪的部件，用于調(diào)整手爪的

7、方向和姿態(tài)。手爪裝 置一般指夾持裝置，主要用來(lái)傳遞工作。圖2-2-1碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖鼠T圖 2-2-2小臂 舵機(jī)4/腕部4舵機(jī)5翎題 孑_印上 /碼垛機(jī)器人線形圖舵機(jī)3:Wx舵機(jī)2 舷機(jī)1圖2-2-3碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖電機(jī)的選擇機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式 它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)不同，適用范圍也不同。氣壓驅(qū)動(dòng)能源成本較低，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是定位精度比較差。液壓驅(qū)動(dòng)輸出力可在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié) ，定位精度比較高，但是 對(duì)溫度變化敏感，油液易泄露，噪聲比較大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的效率比較高，運(yùn)動(dòng)速度以及位姿準(zhǔn)確度超過(guò)啟 動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)，噪聲和污染都比較小。綜上所述，根據(jù)實(shí)際的需要

8、，本機(jī)器人選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前機(jī)器人電機(jī)主要有以下幾種1) 步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能 好，成本低廉通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制位 置誤差不會(huì)積累。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力， 適用于傳動(dòng)效率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。2) 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì) 功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)比較 復(fù)雜，成本較高。3) 交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，價(jià)格較 為昂貴。4) 舵機(jī)：角度可以保持在驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊， 易于安裝，控制簡(jiǎn)單，大扭力，成本低。結(jié)合機(jī)器人的要求，本文選用舵機(jī)，舵機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2

9、-3-1所示。圖2-3-1舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖考慮到所需舵機(jī)的各方面要求，我們選取型號(hào)為SM-S4303R的表 2-3-1底座的設(shè)計(jì)底座材料選擇聚甲醛。聚甲醛是一種表面光滑、有光澤的硬而致 密的材料，淡黃或白色，薄壁部分呈半透明，強(qiáng)度、剛度高，彈性好， 減磨耐磨性好。其力學(xué)性能優(yōu)異，比強(qiáng)度可達(dá)，比剛度可達(dá)2650MPa 與金屬十分接近。碼垛機(jī)器人的底座承載了整個(gè)機(jī)身的重量， 以及底座本身內(nèi)部裝 有舵機(jī)等，考慮到自身的剛度和強(qiáng)度，又結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和重量限制外形等因素，綜合考慮，設(shè)計(jì)底座結(jié)構(gòu)如圖 2-4-1所示：圖2-4-1碼垛機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)圖底座零件圖如下:圖2-4-2底座主視圖圖2-4-3底座左視圖圖2-4

10、-4底座俯視圖腰部的設(shè)計(jì)圖2-5-1 腰部結(jié)構(gòu)圖碼垛機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，腰部承載著大臂、小臂以 及其他部件的重量，安裝在腰部一側(cè)的舵機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)大臂的前后運(yùn) 動(dòng)。腰部的旋轉(zhuǎn)靠安裝在底座中的舵機(jī)完成， 舵機(jī)與腰部間的聯(lián)軸器 通過(guò)鍵連接與腰部聯(lián)結(jié)。腰部中間部分設(shè)計(jì)成部分中空，目的是減輕 機(jī)身重量。腰部的三視圖如下：圖2-5-2腰部主視圖0.018A圖2-5-4腰部俯視圖碼垛機(jī)器人的臂部主要由大臂、小臂及其他附件組成，考慮其運(yùn) 動(dòng)特點(diǎn)及整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，材料選擇鋁合金 6061。鋁合金6061的力學(xué)性能：極限抗拉強(qiáng)度為124 MPq受拉屈服強(qiáng)度 MPa,延伸率%,彈 性系數(shù)GPa,彎曲極限強(qiáng)度

11、228 MPq泊松比，疲勞強(qiáng)度 MPa,密 度為cm3。2.6.1 大臂的設(shè)計(jì)與校核1）大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-6-1 大臂結(jié)構(gòu)圖大臂主要做前后的擺動(dòng)動(dòng)作，通過(guò)與腰部連接的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，主要 結(jié)構(gòu)如圖2-6-1所示，橫截面為矩形，一面與腰部相連，一面與小臂 相連，此處舵機(jī)裝在大臂上，方便控制小臂的運(yùn)動(dòng)。具體尺寸如圖 2-6-2和圖2-6-3所示。圖2-6-3大臂俯視圖2）大臂的彎曲強(qiáng)度校核大臂受力方向與大臂夾角為。（45 +0 ）,此處受力分析取為60。大臂的受力分析圖及彎矩圖如下：大普受力圖/彎柜圖Mx橫截面圖2-6-4大臂的受力分析及彎矩圖大臂的體積估算為v=4 X 2 X 20+兀X 22 x

12、=195cn3大臂的質(zhì)量估算為 m=p v= x 195=546g(T ma戶M/WX=2G3 sin60 L/(b h2/6)+ G4 sin60 L/(b h2/6)=2 x (+) x 2) x x 10/(4 x 22/6)+ x 2) + x 10/(4 x 22/6)= < a大臂的設(shè)計(jì)符合彎曲強(qiáng)度要求。2.6.2 小臂的設(shè)計(jì)與校核1）小臂的設(shè)計(jì)圖2-6-5小臂結(jié)構(gòu)圖小臂的結(jié)構(gòu)相較于大臂稍簡(jiǎn)單，兩端呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖 2-14所示，兩端分別與相應(yīng)的舵機(jī)相連，除了與大臂相連的一端，另一端與 腕部相連。圖2-6-6小臂主視圖圖2-6-7小臂俯視圖2）小臂的彎曲強(qiáng)度校核小臂的受力分析

13、圖及彎矩圖如下：G2小臂受力圖rG1彎矩圖Mx橫截面圖2-6-8小臂受力分析及彎矩圖小臂的體積估算為v=4 X 2 X 20+兀x 22 x =195cm3小臂的質(zhì)量估算為 m=p v= x 195=546g(Tma戶M/WX=2G1L/(b - h2/6)+ G2 - L/(b -h2/6)=2 xxx 10/(4 X22/6)+ xx 10/(4 x22/6)= < a小臂的設(shè)計(jì)符合彎曲強(qiáng)度要求。腕部的設(shè)計(jì)圖2-7-1 腕部結(jié)構(gòu)圖腕部的主要作用是利用舵機(jī)控制手爪的工作， 并有自己的工作范圍。主要結(jié)構(gòu)圖如圖2-7-1圖2-7-2腕部主視圖6圖2-7-3腕部左視圖其他零件設(shè)計(jì)與選擇（1）

14、底座用吸盤的選擇:DA （9800MS/兀 np）吸盤內(nèi)的真空度約為D :需要的吸盤直徑（mm）圖2.8.1吸盤結(jié)構(gòu)圖M:工件重量（KGS:安全系數(shù)（水平起吊S=4,垂直起吊S=8）n：吸盤的個(gè)數(shù)P:真空壓力（-Kpa）考慮到吸附工件的可吸附尺寸（面），所選的吸盤直徑應(yīng)設(shè)定為 大于根據(jù)目錄所得出的所需吸盤直徑（D）。因?yàn)槲P在吸附工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，所以吸盤的外徑大小要增大 10%fc右。求出的吸盤直徑如果超出目錄上的數(shù)值時(shí)，按 2個(gè)以上計(jì)算。帶入所需數(shù)據(jù)得出DB,根據(jù)需求選擇D=20mm)真空吸盤四個(gè)(2)底座與腰部連接軸一設(shè)計(jì)圖2-8-2軸一整體結(jié)構(gòu)圖其設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示:圖2-8-3軸一主

15、視圖012h6ffOiOu)圖2-8-7軸二左視圖本設(shè)計(jì)中，在腰部與大臂間、大臂與小臂間、小臂與腕部間均采用軸二連接。為了增加強(qiáng)度與剛度，軸一與軸二均采用45號(hào)鋼材料設(shè)計(jì)加工。圖 2-8-8(5)推力球軸承51207 GB/T301-1995 ,結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖 2-8-9(6)螺釘 M2x10 M2x7 GB/T818-2000(7)鍵 B4x4x16 GB/T1096-2003(8)塞子的設(shè)計(jì)，如圖2-8-10所示：圖 2-8-10此塞子采用聚甲醛材料設(shè)計(jì)，由于塞緊大臂、小臂與舵機(jī)軸連 接處的通孔。(9)舵盤選擇，其結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖2-8-11舵盤整體結(jié)構(gòu)圖此舵盤即是所謂的聯(lián)軸器，與舵

16、機(jī)配套，購(gòu)買舵機(jī)時(shí)配有此舵盤, 用于舵機(jī)與軸一、軸二的連接第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到本文選擇舵機(jī)為動(dòng)力裝置，故選擇用51單片機(jī)編程控制考慮到碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 建立了主程序和幾個(gè)子程序，具體流程圖如下:開始設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)T系統(tǒng)初始化檢測(cè)是否來(lái)料卜與兩 I運(yùn)行碼垛程序繼續(xù)運(yùn)行程序圖3-2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)流程圖圖3-3內(nèi)部運(yùn)行流程(1)小臂伸縮子程序流程如圖3-4所示。為小臂收縮輸入端,為小臂伸出輸入端，一 P.0.2分別為小臂伸縮輸出端小臂前避(謝工科;子程序建盯.Ec口工活。小曾后退3抽反特 子程序FD.匿 IiSo卜'0.(41出排產(chǎn)r(2)大臂上下運(yùn)動(dòng)子程序流程圖如圖 3-5所示。為大臂

17、下降輸入端，為大臂上升輸入端，分別為大臂上下輸出端。大臂上升(大臂丫軸正轉(zhuǎn)) 子程序大臂下降大臂Y軸反轉(zhuǎn)) 子程序圖3-5大臂上下運(yùn)動(dòng)流程圖(3)控制腰部旋轉(zhuǎn)時(shí)，為腰部左旋輸入端，為腰部右旋輸入端，一分別為腰部左右旋輸出端，腰部左右旋子程序流程如圖3-6所示。機(jī)體右轉(zhuǎn)：:機(jī)體=軸正轉(zhuǎn)） 子程序機(jī)體左轉(zhuǎn)£機(jī)體T琲氣轉(zhuǎn)）子程序圖3-6 機(jī)體（腰部）左右轉(zhuǎn)動(dòng)圖（4）控制手爪的夾緊與放松中，為手爪抓緊輸入端，為手爪放松輸入端，為手爪輸出端，手爪子程序流程圖如圖3-7所示。手爪放松C液壓缸出油） 子程序手爪夾緊（液壓缸進(jìn)油） 子程序圖3-7手爪夾緊放松流程圖（5）在基于單片機(jī)碼垛機(jī)器人控制中為

18、臂部啟動(dòng)引腳，為臂部停止引腳第四章運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)軌跡分析本設(shè)計(jì)軌跡分析主要基于計(jì)算機(jī)繪圖的幾何尺寸分析，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4-1-1所示圖4-1-1運(yùn)動(dòng)軌跡圖軌跡分析：本分析主要針對(duì)于豎直向下此段較難軌跡的分析。假設(shè)機(jī)器人初始位置為大臂 AB與豎直方向夾角45度、小臂BC水平，腕部CD豎直，運(yùn)動(dòng)軌跡為 D處的夾手豎直向下110毫 米處夾取物體，設(shè) AB=200mm,BC=200m附圖4-1-1所示，機(jī)械 夾手從D運(yùn)動(dòng)到D1處，既可簡(jiǎn)化為從 C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C2點(diǎn)，以C2 為原點(diǎn)半徑200做個(gè)圓，再以A為原點(diǎn)半徑200做個(gè)圓，得出兩圓交點(diǎn)，既圖中B1點(diǎn)，則當(dāng)從C到C2時(shí)，必須同時(shí)讓B到B1 處， 設(shè)兩臂的旋轉(zhuǎn)時(shí)間定為某一相等時(shí)間，則只需要知道兩臂各自的擺動(dòng)角度即可得出兩