碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、課程名稱(chēng)：機(jī)電一體化課題名稱(chēng)：五自由度小型碼垛機(jī)器人 專(zhuān) 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月目錄翻1第一章背景介紹2第二章機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)42.1總體設(shè)計(jì)要求42.2機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu)42.3電機(jī)的選擇62.4底座的設(shè)計(jì)72.5腰部的設(shè)計(jì)102.6臂部的設(shè)計(jì)122.6.1大臂的設(shè)計(jì)與校核122.6.2小臂的設(shè)計(jì)與校核142.7腕部的設(shè)計(jì)162.8其他零件的設(shè)計(jì)與選擇18第三章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)23第四章運(yùn)動(dòng)分析284. 1運(yùn)動(dòng)軌跡分析284.2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)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)

2、,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(mǎn)足工作的要求。本課程設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)自巾度的抓取聽(tīng)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

3、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；笫三代機(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。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)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

4、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)m位。目前工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)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(kāi) 發(fā)與制造正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界毎年的工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)售額 可達(dá)42億美元。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

5、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(kāi)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(kāi)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)2.1總體設(shè)計(jì)要求本

6、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(kāi)始后 回到原位，對(duì)桌面上的聽(tīng)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。.丁.作范圍半徑350mm圓|a，垂宜方向的極限位置300mm2.2機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu)木文設(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)整手爪的方向和姿態(tài)。手爪裝置 一般指夾持裝置，主

7、要用來(lái)傳遞工作。圖2-2-1碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖圖2_2_2碼垛機(jī)器人線形圖小賢2-2-3碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3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a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)輸出力可在很人的范闈內(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，本機(jī)器人選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。0前機(jī)器人電機(jī)主要有以'卜*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)

8、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，較人的啟動(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。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)格較為曰屮w w o4）舵機(jī)：角度可以保持在驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，穂定性好，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，本文選用駝機(jī)，駝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-3-1所示b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 6

9、v駝機(jī)，具體參數(shù)如下表：jr接口，360°旋轉(zhuǎn)機(jī)器人舵機(jī)，1銅齒輪+4塑膠齒輪，雙 軸承4.8v6v尺寸(mm)重量速度扭力速度扭力abcdegozr/mkg-cra oz-inr/mkg-cm oz-insm-s4303f42.020.539.549.010.0441.5560.03.3 45. 870.05.170.8表 2-3-12. 4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)50.5mpa,比剛度可 達(dá)2650mpa，與金屬十分接近。碼垛機(jī)器人的

10、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a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:19(1120250圖2-4-3底座左視r(shí)302. 5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，0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 102. 6臂

11、部的設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人的臂部主要巾大臂、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 mpa，受拉屈服強(qiáng)度55.2 mpa，延仲率 25.0%,彈性系數(shù)68.9 gpa,彎曲極限強(qiáng)度228 mpa,泊松比0.330, 疲勞強(qiáng)度62.1 mpa,密度為2.8g/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-

12、2和圖2-6-3所示。012400c02006viohia圖2-6-2人臂主視012p7：獨(dú)4x02v7050/ra6. 4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53.74°(45° +8.74° )，此處受力分析取為60°。大轉(zhuǎn)的受力分析圖及彎矩圖如下：b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=4x2x20+ji x22x2.8=195cm3 大臂的質(zhì)量估算為m=p v=2.8x195=546go max=mx/wx=2g3 sin6o° l/(b h2/6)+ g4 sin60°

13、; l/(b h2/6)=2 x (0.3+0.546) x(1.73於)x9.8x 10/(4 x 22/6)+0.546x(1.73%)x9.8 x 10/(4x22/b)= 71.23mpa < o 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)小臂的結(jié)構(gòu)相較于大臂稍簡(jiǎn)單，兩端呈對(duì)稱(chēng)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。2）小臂的彎曲強(qiáng)度校核 小臂的受力分析圖及彎矩圖如下:圖2-6-8小臂受力分析及彎矩圖 小臂的體積估算為 v=4x2x20+ji x22x2.8=195cm3 小臂的質(zhì)

14、量估算為m=p v=2.8x195=546go max=mx/wx=2gl l/(b h2/6)+g2 l/(b h2/6)=2 x0.3 x 9.8 x 10/(4 x22/b)+ 0.546x9.8x 10/(4x22/6)=42.12mpa < o 小臂的設(shè)計(jì)符合彎曲強(qiáng)度耍求。2. 7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駝機(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腕部主視圖圖2-7-3腕部左視圖2-7-4腕部俯視圖2.8其他零件設(shè)計(jì)與選擇(1)底座用吸盤(pán)的選擇：d彡(9800ms/h np)吸盤(pán)內(nèi)的真空度約為-67. 15kpad

15、：需要的吸盤(pán)直徑(mm)圖2. 8. 1吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖m：工件重量(kg)s：安全系數(shù)(水平起吊s=4，垂直起吊s=8) n：吸盤(pán)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(pán)直徑應(yīng)設(shè)定為 大于根據(jù)冃錄所得出的所需吸盤(pán)直徑(d)。因?yàn)槲P(pán)在吸附工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，所以吸盤(pán)的外徑大小要增大10%左右。求出的吸盤(pán)直徑 如果超出0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d16. 7mm,根據(jù)需求選擇d=20mm的真空吸 盤(pán)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:2-8-3軸一主視圖2-8-4軸一左視（3）軸二的設(shè)計(jì)圖2-8-5軸

16、二整體結(jié)構(gòu) 其設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示：圖2-8-6軸二主視4x02 不406012h6(%.on)020之2.59. 5%. 10. 0183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。(4)深溝球軸承6013 gb/t276-1994,結(jié)構(gòu)如下圖所示: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

17、-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)駝盤(pán)選擇，其結(jié)構(gòu)如不圖所示：圖2-8-11舵盤(pán)整體結(jié)構(gòu)圖此舵盤(pán)即是所謂的聯(lián)軸器，與駝機(jī)配套，購(gòu)買(mǎi)舵機(jī)時(shí)配有此舵盤(pán)， 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。圖3-1 單片機(jī)硬件接線考慮到碼垛機(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:i幵始圖3-2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)流程圖閣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。p1.0為小臂收縮輸入 端，p1.1為小臂伸出輸入端，po.o, po.l，p.0.2分別為小臂

18、伸縮輸出端。小臂前進(jìn)（x軸正轉(zhuǎn)） 子程序小臂fi退（x軸反轉(zhuǎn)） 子程序(2)大臂上下運(yùn)動(dòng)子程序流程圖如圖3-5所示。p1.2為大臂下 降輸入端，p1.3為大臂上升輸入端，p0.3, p0.4, p0.5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)，p1.4為腰部左旋輸入端，p1.5為腰部右 旋輸入端，p0.6, p0.7, p2.7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)體丫軸正轉(zhuǎn)） 子程序啟動(dòng)延時(shí)0.5sp2.7置 0機(jī)體左轉(zhuǎn)（機(jī)體丫軸反轉(zhuǎn)） 子程序硅時(shí)0.5sp2&#

19、171;7置 1p0. 7置1p0. 7董 0po.6«i出脈?中圖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，p1.6為手爪抓緊輸入端，p1.7 為手爪放松輸入端，p2.6為手爪輸出端，手爪子程序流程圖如圖3-7 所示。手爪夾緊（液壓缸進(jìn)油） 子程序p2. 6置0手爪放松（液壓缸出油） 子程序c ret ）c ret ）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p3.0為臂部啟動(dòng)引腳，p3.1為臂部停止引腳。第四章運(yùn)動(dòng)分析4.1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=200mm，由圖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)角度即可得出兩臂的旋轉(zhuǎn)速度，而此兩個(gè)角度通 過(guò)計(jì)算機(jī)繪圖仿真即可測(cè)出，如圖中所測(cè)。知