碼垛機器人的機械結構設計畢業(yè)設計說明書

1、<p>　　畢業(yè)設計說明書（論文）</p><p>　　論文題目：碼垛機器人的機械結構設計</p><p>　　系 部： 機械工程系 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學生姓名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2014年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　以碼垛機器人本體為研究對象，通過分析其結構特點與性能參數，明確

3、了設計的基本指標，為碼垛機器人產品開發(fā)提供指標。并依此為依據針對物流自動化行業(yè)中對箱包高速碼垛的需求，并依據搬運機器人的性能要求，設計了一種四自由度的碼垛機器人。應用CERO2.0進行三維建模，并通過CERO2.0的機械設計分析模塊，對其構建的三維模型的運動仿真。結果表明，所設計機器人完全滿足工業(yè)現場的需求。</p><p>　　關鍵詞：碼垛機器人 機械設計 CERO2.0運動分析</p>&l

4、t;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper,the structure characteristics and performance indicators of palletizing robot body are an alyzed．It provides a reference for product developmen

5、t．In accordance with the requirement of robot palletizer in logistics automation technology，a universal robot palletizer was designed based on the functional requirement. Application CERO2.0 for 3 d modeling, and through

6、 the analysis of the mechanical design CERO2.0 module, the building of 3 d motion simulation of the model。the experimen</p><p>　　Key Words： palletizing robot；machine design；cero2.0 motion analysis</p>

7、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒 論1</b></p><p>　　第1章 碼垛機器人現狀研究2</p><p><b>　　1.1 引言2</b></p><p>　　1.2 結構分析2</p><

8、p>　　1.3本體性能研究3</p><p>　　第2章 碼垛機器人的機械設計和電氣控制6</p><p><b>　　2.1機械設計6</b></p><p>　　2.2電氣控制系統(tǒng)12</p><p>　　第3章　碼垛機器人運動分析15</p><p>　　3.1 CERO2.

9、0動態(tài)機構仿真簡介15</p><p>　　3.2 CERO2.0機器人運動仿真19</p><p><b>　　致 謝28</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著21世紀工業(yè)及經濟的蓬勃發(fā)展以及對產品精度的要求不斷提高，機器人加工逐漸成為一種被普遍應

10、用的加工方法，而碼垛是物流自動化技術領域一門新興技術，碼垛按照一定模式，一件件堆成碼垛，以便使單元化的碼垛實現物料的搬運、存儲、裝卸運輸等物流活動，隨著工業(yè)化大生產規(guī)模的擴大，促使碼垛自動化，以加快物流的速度，保護工人的安全和健康，同時也能獲得整齊一致的物垛，減少物料的破損和浪費。隨著生產規(guī)模的擴大和自動化水平的提高，碼垛機器人柔性、處理能力及可靠性正在不斷地升級，應用場合也逐漸在擴大，因此開發(fā)高性能、低成本、人性化的碼垛機器人將有廣闊

11、的市場前景 。</p><p>　　碼垛機器人是當今機電一體化的高科技產品，在現代企業(yè)物流管理中占有重要地位，它對于企業(yè)提高生產效率、增進經濟效益、保證產品質量、改善勞動環(huán)境、優(yōu)化作業(yè)布局有著突出的貢獻，其應用的數量和質量標志著企業(yè)生產自動化的先進水平。所謂碼垛就是按照集成單元化的思想，將一件件的物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物料實現搬運、存儲、裝卸、運輸等物流活動。近年來，國內外碼垛機器人技術獲得了

12、前所未有的發(fā)展，碼垛機器人的吞吐量、柔性、處理速度以及抓取載荷在不斷的升級，適應場合也在不斷的擴大口。碼垛機器人以其柔性工作能力和占地面積小，并能夠同時處理多種物料和垛型，越來越受到企業(yè)的青睞并廣泛應用于碼垛作業(yè)中。</p><p>　　第1章 碼垛機器人現狀研究</p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　碼垛機器人

13、是實現包裝和物流自動化的關鍵裝備，針對生產線中各式產品的碼垛要求，可實現自動、高速、準確、連續(xù)的碼垛作業(yè)，并能降低工人勞動強度，</p><p>　　提高生產效率。因此，碼垛機器人被廣泛應用于飲料、食品、藥品、石化等領域，具有廣闊的應用前景。</p><p>　　目前，ABB、FANUC、KUKA等主流機器人廠家均擁有系列化的碼垛機器人產品，并壟斷了國內外市場；而在國內，碼垛機器人的研究才

14、剛剛起步，國產的、成熟的、產業(yè)化的碼垛機器人產品還未出現。本文參考國內外知名品牌機器人，通過分析已有產品的結構特點，研究各品牌機器人的本體性能參數，大致明確了產品設計的基本指標，為碼垛機器人開發(fā)提供參考。</p><p><b>　　1.2 結構分析</b></p><p>　　與通用型機器人不同，碼垛機器人有獨特的作業(yè)特點：搬運物料實現空間內的平移和水平面內的旋轉，

15、無需進行物料的翻轉，因而采用了獨特的結構。下面以KUKA的ICR180—2PA為例，對碼垛機器人一般所采用的結構形式進行分析。KR180—2PA最大負載總質量為180 kg，采用4軸鉸鏈式結構，由6部分組成：基座、腰轉部件、大臂、小臂、腕部和工具法蘭，由JT1、JT2、JT3和JT4共4個關節(jié)驅動，其結構形式如圖l所示。其中，JTl驅動腰部轉件實現回轉運動，JT2和JT3分別驅動大臂和小臂的擺動，JT4驅動工具法蘭旋轉。各關節(jié)由交叉滾子

16、軸承承載，利用交流伺服電機+精密RV減速器驅動。根據物料形狀特點，可以在工具法蘭配置不同的抓手。機器人末端工具法蘭的位置，通過控制JT1、JT2和JT3關節(jié)來實現；末端工具法蘭的姿態(tài)，則通過控制JT1和JT4關節(jié)的轉動來保證；在腕部姿態(tài)的控制上，采用了獨特的結構。通過兩組平行四連桿傳動，實現了JT4軸線與JT1軸線始終保持平行，使腕部始終保持垂直于地面的姿態(tài)。</p><p><b>　　1.3本體性能

17、研究</b></p><p>　　碼垛機器人主要用于搬運重載物體實現大空間轉移，且高速度、高精度運行，其本體的主要性能參數包括負載能力、工作空間、運動性能、重復定位精度等。這些性能參數選擇的合理與否，將直接關系碼垛機器人本體開發(fā)的成敗。以下通過分析比較已有碼垛機器人產品的性能參數，基本明確了碼垛機器人本體開發(fā)中的各項性能指標。</p><p>　　1.3.1 負載能力</

18、p><p>　　負載總質量表明了機器人搬運重物的能力，它取決于機器人的結構尺寸和驅動容量，還與機器人的運行速度有關。按照負載總質量能力劃分，各機器人廠家均形成了完整的碼垛機器人規(guī)格系列，表l列出了ABB、FANUC、KUKA、YASKAWA、KAWASAKI這5大品牌的四軸碼垛機器人負載系列</p><p>　　表1 各品牌碼垛機器人的負載總質量系列規(guī)格表（單位:kg）</p>

19、<p>　　在包裝行業(yè)，對于碼垛機器人的需求主要集中在100～300 kg負載總質量范圍內。而在這一區(qū)間里，各品牌一般擁有大小兩種規(guī)格的機型，且采用統(tǒng)一的外形尺寸與機械結構，只需替換伺服電機與減速器，即可實現型號間互換。如ABB的IRB660—180和IRB 660—250、KUKA的KR 100—2 PA和KR180—2PA、FUANC的M一410iB／160M一410iB／30OKAWASAKI的ZD130S和ZD250S

20、等。</p><p><b>　　1.3.2工作空間</b></p><p>　　工作空間指機器人末端可在空間到達的最大范圍。圖2是ABB的IRB660—180、KUKA的KR 180—2PA和KAWASAKI的ZD130S工作空間的疊加圖。可以看出，各款機器人的工作空間基本重合，大致反映了市場的實際需求(托盤尺寸、垛堆高度等)。</p><p&g

21、t;　　表2將各品牌碼垛機器人對應型號的性能指標進行了橫向比較，從中可以發(fā)現碼垛機器人性能指標的共性 ；表3則以KUKA為例，將碼垛機型KR180—2PA與其對應的通用機型KBl80—2進行了縱向比較 ，凸顯了碼垛機器人不同于通用型機器人</p><p>　　的性能特點。表2中，數款機器人的最遠到達距離，都約為3 200 mm，而最大搬運高度約為3 000 mm。</p><p><

22、b>　　1.3.3運動性能</b></p><p>　　為了適應前端包裝工段的生產速度，碼垛作業(yè)往往對節(jié)拍要求高。目前，世界上碼垛速度最快的機器人，可達2 000回／h以上。當然，最直接的運行性能參數，還是各個軸的運動速度。表2列出了幾款機器人各個軸的最大運動速度，可作為本體設計的參考指標；表3中，各個軸逐一對比，KUKA的碼垛機型KR180—2PA比通用機型KR180—2的運動速度都要快，顯示

23、了碼垛機器人本體設計里運動性能的重要性。</p><p>　　1.3.4 重復定位精度</p><p>　　重復定位精度，指機器人在相同的運動指令下，連續(xù)重復運動若干次，其位置之間的誤差度量，是機器人的主要技術參數之一。碼垛機器人主要用于實現大尺寸物料的點位運動，對精度要求并不高。從表2可看出，其重復定位精度能控制在±0．5 mm以內即可；在表3里，碼垛機型KR180—2PA比通

24、用機型KR180—2的重復定位精度明顯低了一個檔次。</p><p>　　基于對碼垛機器現狀的研究選取ABB碼垛機器人進行三維建模設計和分析。</p><p>　　第2章 碼垛機器人的機械設計和電氣控制</p><p><b>　　2.1機械設計</b></p><p>　　此碼垛機器人由底座、轉盤、驅動平行四邊形、兩組

25、從動平行四邊形、以及抓手組成。如圖3機器人：</p><p><b>　　圖3機器人</b></p><p><b>　　主要技術參數如表4</b></p><p><b>　　2.1.1結構組成</b></p><p>　　底座為了到達很好的穩(wěn)定性由鋼結構焊接而成，主要起到支

26、撐機械臂的作用。如圖4-1底座：</p><p><b>　　圖4-1底座</b></p><p>　　轉盤為機器人的驅動核心，有兩組伺服電機通過減速機齒輪驅動驅動四邊形，一組伺服電機通過減速機驅動整個機械臂旋轉。如圖4-2轉盤：</p><p><b>　　圖4-2轉盤</b></p><p>　

27、　驅動平行四邊形下端短臂400為驅動臂，其余均為從動臂，且上端長臂1425其中400為驅動四邊形的短臂，1025部分為從動平行四邊形的驅動臂。如圖5驅動四邊形機構簡圖，圖6驅動四邊形。</p><p>　　圖5驅動四邊形機構簡圖 </p><p><b>　　圖6驅動平行四邊形</b></p><p>　　兩組從動平行四邊形,一組由驅動四邊形的

28、短臂1425作為驅動臂，如圖7從動四邊形機構簡圖A，圖8從動四邊形A;</p><p>　　圖7從動四邊形機構簡圖A </p><p><b>　　圖8從動四邊形A </b></p><p>　　另一組從動四邊B是由驅動四邊形的長臂作為驅動臂，如圖9從動四邊形機構簡圖B,圖10從動四邊形B;</p><p>　　圖9從動

29、四邊形機構簡圖B </p><p>　　圖10從動四邊形B </p><p>　　抓手由一個伺服減速電機通過齒輪驅動抓手旋轉，抓手通過一組伸縮氣缸實現夾緊，從而實現抓取物體的目的。如圖11抓手:</p><p><b>　　圖11抓手</b></p><p><b>　　2.2電氣控制系統(tǒng)</b>&

30、lt;/p><p>　　2.2.1 硬件控制系統(tǒng)</p><p>　　硬件控制系統(tǒng)結構如圖11所示。由圖11可看出，系統(tǒng)設計采用了模塊化的形式，且總體結構采用了分布式控制結構 。上位機采用普通工業(yè)控制計算機，主要處理系統(tǒng)的監(jiān)控和作業(yè)管理，如示教盒控制、顯示服務、坐標轉換、I／O控制等，根據使用者的命令和動作程序語句的要求進行軌跡規(guī)劃、插補運算及坐標變換，計算出各軸電機的位置，然后向下一級各關節(jié)

31、位置伺服系統(tǒng)傳送一次與設定點相應的位置更新值，實現對各關節(jié)運動的協(xié)調和控制作用。下位機采用DSP控制器和PLC，DSP控制器即為所采用的PMAC104運動控制卡，主要是執(zhí)行實時運動學計算、軌跡規(guī)劃、插補計算、伺服控制等，不斷地讀取各軸編碼器的脈沖量，計算機器人的現行位置。</p><p><b>　　圖11硬件控制系統(tǒng)</b></p><p>　　2.2.2 軟件控制

32、系統(tǒng)</p><p>　　開放式通用機器人控制系統(tǒng)的軟件應在標準的語言環(huán)境下進行開發(fā)，做到可移植，易修改、重構及擴充，并能提供用戶接口和程序接口，所以筆者采用面向對象的模塊化的工程設計方法，如圖12所示。與硬件結構相對應，控制系統(tǒng)軟件也分為上、下兩層，各個模塊都具有自己獨立的功能，相互問調用關系簡單，為了適應時刻變化的對象，必須使伺服系統(tǒng)的動作具有某種柔性，這種柔性是通過計算機程序來實現的，故稱為軟伺服.<

33、/p><p>　　圖12軟件控制結構圖</p><p>　　如圖13所示，通過在串口和示教盒之間進行通訊，將接收到的控制指令按照軟件設計的要求判斷控制指令的類型，調用相應的控制指令子程序以實現對各軸運動參數的修改、運動方式的控制和示教點位置信息的存儲。</p><p>　　此外，在保存當前的示教點特征值時，用一個結構體來記錄數據。結構體定義如下：</p>

34、<p>　　struct point—type</p><p>　　{int sum；第幾個示教點</p><p>　　long int haunch rotation．sum；／示教點腰部旋轉角度；</p><p>　　long int wrist rotation-SUm；／示教點腕部旋轉軸角度；</p><p>　　long

35、int level length sum；／示教點水平伸長量；</p><p>　　long int upright length sum：／示教點垂直伸長量；}pointer[200]；</p><p>　　當記錄完一個示教點后num加1，為記錄下一個</p><p><b>　　示教點作準備。</b></p><p>

36、;<b>　　圖13示教盒流程圖</b></p><p>　　第3章　碼垛機器人運動分析</p><p>　　對機器人進行運動學仿真，有利于檢查結構設計的干涉情況，運動特性等。</p><p>　　3.1 CERO2.0動態(tài)機構仿真簡介</p><p>　　在進行機械設計時，建立模型后設計者往往需要通過虛擬的手段，在電腦

37、上模擬所設計的機構，來達到在虛擬的環(huán)境中模擬現實機構運動的目的。對于提高設計效率降低成本有很大的作用。Creo Parametric 2.0中“機構”模塊是專門用來進行運動仿真和動態(tài)分析的模塊。</p><p>　　design（機械設計） 和Mechanism dynamics（機械動態(tài)）兩個方面的分功能。在裝配環(huán)境下定義機構的連接方式后，單擊菜單欄菜單“應用程序”→“機構”，如圖14所示。系統(tǒng)進入機構模塊環(huán)境

38、，呈現圖15所示的機構模塊主界面：菜單欄增加如圖所示的“機構”下拉菜單，模型樹增加了如圖所示“機構”一項內容，窗口上邊出現如圖16所示的工具欄圖標。下拉菜單的每一個選項與工具欄每一個圖標相對應。用戶既可以通過菜單選擇進行相關操作。也可以直接點擊快捷工具欄圖標進行操作。</p><p>　　圖14 由裝配環(huán)境進入機構環(huán)境圖</p><p>　　圖15機構模塊下的主界面圖</p>

39、<p><b>　　圖16 機構菜單</b></p><p><b>　　圖17 模型樹菜單</b></p><p>　　如圖 17所示的“機構樹”工具欄圖標和圖16中下拉菜單各選項功能解釋如下：</p><p>　　連接軸設置：打開“連接軸設置”對話框，使用此對話框可定義零參照、再生值以及連接軸的限制設置。&

40、lt;/p><p>　　凸輪：打開“凸輪從動機構連接”對話框，使用此對話框可創(chuàng)建新的凸輪從動機構，也可編輯或刪除現有的凸輪從動機構。</p><p>　　3D 接觸：打開“3D接觸從動機構連接”對話框，使用此對話框可創(chuàng)建新的3D接觸從動機構，也可編輯或刪除現有的3D接觸從動機構。</p><p>　　齒輪：打開“齒輪副”對話框，使用此對話框可創(chuàng)建新的齒輪副，也可編輯、移

41、除、復制現有的齒輪副。</p><p>　　伺服電動機：打開“伺服電動機”對話框，使用此對話框可定義伺服電動機，也可編輯、移除或復制現有的伺服電動機。 </p><p>　　執(zhí)行電動機：打開“執(zhí)行電動機”對話框，使用此對話框可定義執(zhí)行電動機，也可編輯、移除或復制現有的執(zhí)行電動機。</p><p>　　彈簧：打開“彈簧” 對話框，使用此對話框可定義彈簧，也可編輯、移除

42、或復制現有的彈簧。</p><p>　　阻尼器： 打開“阻尼器”對話框，使用此對話框可定義阻尼器，也可編輯、移除或復制現有的阻尼器。</p><p>　　力/扭矩： 打開“力/扭矩”(對話框，使用此對話框可定義力或扭矩。也可編輯、移除或復制現有的力/扭矩負荷。</p><p>　　重力：打開“重力” 對話框，可在其中定義重力。</p><p>

43、;　　初始條件：打開“初始條件”對話框，使用此對話框可指定初始位置快照，并可為點、連接軸、主體或槽定義速度初始條件。</p><p>　　質量屬性：打開“質量屬性”對話框，使用此對話框可指定零件的質量屬性，也可指定組件的密度。</p><p>　　拖動：打開“拖動”對話框，使用此對話框可將機構拖動至所需的配置并拍取快照。</p><p>　　連接：打開“連接組件”對

44、話框，使用此對話框可根據需要鎖定或解鎖任意主體或連接，并運行組件分析。</p><p>　　分析：打開“分析”對話框，使用此對話框可添加、編輯、移除、復制或運行分析。</p><p>　　回放：打開“回放” 對話框，使用此對話框可回放分析運行的結果。也可將結果保存到一個文件中、恢復先前保存的結果或輸出結果。</p><p>　　測量：打開“測量結果”對話框，使用此對

45、話框可創(chuàng)建測量，并可選取要顯示的測量和結果集。也可以對結果出圖或將其保存到一個表中。</p><p>　　軌跡曲線：打開“軌跡曲線”對話框，使用此對話框生成軌跡曲線或凸輪合成曲線</p><p>　　除了這些主要的菜單和工具外。還有幾個零散的菜單需要注意。</p><p>　　3.2 CERO2.0機器人運動仿真</p><p>　　3.2.

46、1機械設計模塊的分析流程</p><p>　　要進行機構運動仿真設計，必須遵循一定的步奏。Creo Parametric “機械設計”模塊包括“機械設計運動”（運動仿真）和“機械設計動態(tài)”（動態(tài)分析）兩部分，使用“機械設計”分析功能，可在不考慮作用于系統(tǒng)上的力的情況下分析機構運動，并測量主體位置、速度和加速度。和前者不同的是“機械動態(tài)”分析包括多個建模圖元，其中包括彈簧、阻尼器、力/力矩負荷以及重力?？筛鶕妱訖C

47、所施加的力及其位置、速度或加速度來定義電動機。除重復組件和運動分析外，還可運行動態(tài)、靜態(tài)和力平衡分析。也可創(chuàng)建測量，以監(jiān)測連接上的力以及點、頂點或連接軸的速度或加速度?？纱_定在分析期間是否出現碰撞，并可使用脈沖測量定量由于碰撞而引起的動量變化。由于動態(tài)分析必須計算作用于機構的力，所以它需要用到主體質量屬性。兩者進行分析時流程基本上一致：</p><p><b>　　表5 分析流程表</b>&

48、lt;/p><p>　　3.2.2機械運動學仿真的思路</p><p><b>　　仿真模型建立</b></p><p>　　底座主要是焊接件且主要起支撐作用,可簡化為主體,內部連接形式均為焊接.</p><p>　　轉盤與底座的連接形式通過齒輪傳動實現的,此部分連接可簡化為齒輪連接,轉盤與驅動四邊形和從動四邊形的桿連接形式

49、均定義為銷軸連接.</p><p>　　驅動/從動四邊形的連接形式均為銷軸連接;</p><p>　　抓手與從動四邊形的連接為銷軸連接,抓手的旋轉運動是由齒輪傳動實現的,故抓手與四爪的連接簡化為齒輪連接,四爪的收縮夾緊可簡化為圓軸連接.</p><p><b>　　運動分析</b></p><p>　　轉盤的運動分析如圖

50、18-1,18-2,18-3</p><p><b>　　圖18-1轉盤</b></p><p><b>　　圖18-2轉盤</b></p><p><b>　　圖18-3轉盤</b></p><p>　　驅動臂的運動分析如19-1,19-2,19-3</p>&

51、lt;p><b>　　圖19-1驅動臂</b></p><p><b>　　圖19-2驅動臂</b></p><p><b>　　圖19-3驅動臂</b></p><p>　　抓手的運動分析如圖20-1,20-2,20-3</p><p><b>　　圖20-1

52、抓手</b></p><p><b>　　圖20-2抓手</b></p><p><b>　　圖20-3抓手</b></p><p>　　轉盤/驅動臂和抓手合成運動分析如圖21-1,21-2,21-3,21-4</p><p><b>　　圖21-1合成</b>&l

53、t;/p><p><b>　　圖21-2合成</b></p><p><b>　　圖21-3合成</b></p><p><b>　　圖21-4合成</b></p><p><b>　　圖21-5合成</b></p><p>　　綜上分

54、析,結構設計是合理可行的.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本設計的完成是在我們的導師××老師的細心指導下進行的。在每次設計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設計順利的進行。從設計的選題到資料的搜集直至最后設計的修改的整個過程中，花費了xx老師很多的寶貴時間和精力，在此向導師表示衷心地感謝！導師嚴謹的治學態(tài)度，

55、開拓進取的精神和高度的責任心都將使學生受益終生！ 還要感謝和我同一設計小組的幾位同學，是你們在我平時設計中和我一起探討問題，并指出我設計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現問題把設計順利的進行下去，沒有你們的幫助我不可能這樣順利地結稿，在此表示深深的謝意。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 徐忠．離心式壓縮機[M]．北京：機械工業(yè)出版社，

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