工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)(大四機(jī)器人課設(shè)作業(yè))

1、 “工業(yè)機(jī)器人”設(shè)計(jì)大作業(yè) 作品題目： 貨物裝卸機(jī)器人 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師：陳明1 前 言 貨物裝卸作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，是指從一個(gè)加工位置移到另一個(gè)加工位置。貨物裝卸機(jī)器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件貨物裝卸工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。目前世界上使用的貨物裝卸機(jī)器人愈 10 萬臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛貨物裝卸、集裝箱等的自動(dòng)貨物裝卸。部分發(fā)達(dá)國(guó)家已制定出人工貨物裝卸的最大限度，超過限度的必須由貨物裝卸機(jī)器人來完成。

2、裝卸貨物裝卸是物流的功能要素之一，在物流系統(tǒng)中發(fā)生的頻率很高2 設(shè)計(jì)方案論證 本課題通過對(duì)貨物裝卸機(jī)器人工作對(duì)象及工作場(chǎng)所的分析研究，深入了解其工作是如何進(jìn)行，各部分零部件應(yīng)該如何運(yùn)行以及如何緊密配合，先確定其總體結(jié)構(gòu)再對(duì)主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算確定其尺寸大小以及確定電機(jī)型號(hào)。 2.1 基本思想 （1） 設(shè)計(jì)要考慮要求和工作環(huán)境的限制。 （2） 考慮到貨物裝卸貨物時(shí)所需要精確度不是很高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，境地成本，采用角鐵焊接結(jié)構(gòu)。 （3） 為了滿足設(shè)計(jì)要求，須設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各部分之間通過計(jì)算機(jī)控制、協(xié)調(diào)工作。 （4） 本次設(shè)計(jì)只是該題目的機(jī)械部分，而對(duì)應(yīng)控制部件的考慮較少。 3 倉庫

3、貨物裝卸機(jī)器人的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 貨物裝載伸縮裝置的設(shè)計(jì) 3.1.1 確定傳動(dòng)方案 我們所學(xué)的傳動(dòng)方式有以下幾種：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)等，一般地說，嚙合傳動(dòng)傳遞功率的能力高于摩擦傳動(dòng)；蝸輪傳動(dòng)工作的發(fā)熱情況較為嚴(yán)重，因而傳動(dòng)的功率不宜過大；摩擦輪傳動(dòng)由于必須有足夠的壓緊力，故而在傳遞同一圓周力時(shí)，其壓軸力比齒輪傳動(dòng)的大幾倍，因而不宜用于大功率傳動(dòng)。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低廉和緩沖吸振特點(diǎn)。可是容易磨損松弛，易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；鏈傳動(dòng)只能實(shí)現(xiàn)平行軸間同向傳動(dòng)而且運(yùn)動(dòng)時(shí)不能保持恒定瞬時(shí)傳動(dòng)比；齒輪傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比穩(wěn)定但是齒輪傳動(dòng)制

4、造及安裝精度要求高價(jià)格較貴而且不宜用于傳動(dòng)距離過大場(chǎng)合。 此次設(shè)計(jì)由于機(jī)器人用于貨物裝卸，其貨物裝卸高度為 500mm-2500mm，而且貨物架需要靈活且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)速度不宜過大，綜合考慮以上因素本次設(shè)計(jì)采用蝸輪蝸桿減速器和鋼絲繩傳動(dòng)。 鋼絲繩傳動(dòng)是利用摩擦力來傳動(dòng)的，而鋼絲繩本身截面為圓型，且鋼絲繩本身直徑很小，所以導(dǎo)致其摩擦面積很小，這樣很不利于摩擦傳動(dòng)。上圖中標(biāo)號(hào) 1 的零件為傳動(dòng)用鋼絲繩磙子，為了克服鋼絲繩的摩擦面積小的缺點(diǎn)，將該部分設(shè)計(jì)成將鋼絲繩在磙子上纏繞幾圈，以次來增加鋼絲繩與磙子之間的接觸面積，從而增加了摩擦力，增加了摩擦傳動(dòng)效率。 3.1.2 選擇電動(dòng)機(jī)的類型與結(jié)構(gòu) 電動(dòng)機(jī)在工業(yè)

5、生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止以及速度調(diào)節(jié)，完成各種生產(chǎn)工藝過程的要求，保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)有多種，主要有以下幾種：直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)（三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)）、伺服電動(dòng)機(jī)等。交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用得最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是應(yīng)用于倉庫貨物裝卸業(yè)，而且貨物裝卸貨物最大重量為 40 ，故而需要一個(gè)能夠提供足夠大動(dòng)力的電機(jī)來提供動(dòng)力，因此應(yīng)選用冶金及起重用三相異步電動(dòng)機(jī)。 3.1.3 選擇電動(dòng)機(jī)的功率（容量） 依據(jù)所選擇的電動(dòng)機(jī)額定功率應(yīng)

6、大于工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率 由于考慮到動(dòng)力設(shè)備不能與所貨物裝卸貨物干涉，因此動(dòng)力設(shè)備應(yīng)盡可能的占用較少面積。因此選用電動(dòng)機(jī)和蝸輪蝸桿整合在一起的動(dòng)力設(shè)備，以此來減少所占用的空間。 因此查表可選 Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)：德國(guó)動(dòng)力設(shè)備 GKS05-3MV071-32。 該設(shè)備將蝸輪蝸桿減速器和制動(dòng)設(shè)備整合在一起。有效的控制了動(dòng)力設(shè)備所占用的空間。 3.1.4 鋼絲繩的選用 根據(jù)伸縮裝置與導(dǎo)軌的摩擦力 以及鋼絲繩作用種類為牽引及傳動(dòng)，所以選擇鋼絲繩種類為點(diǎn)接觸鋼絲繩，查表可選鋼絲繩牌號(hào)為 6*19。 根據(jù)伸縮裝置結(jié)構(gòu)布局，查表選擇鋼絲繩直徑為 3mm。 3.1.5 鋼絲繩磙子的設(shè)計(jì) 根據(jù)伸縮裝置的結(jié)

7、構(gòu)及功能需求，可知需要 2 種鋼絲繩磙子。一種為傳動(dòng)作用，一種為導(dǎo)向作用。由于傳動(dòng)用鋼絲繩磙子上受鋼絲繩的徑向載荷，因此設(shè)計(jì)其直徑為 16mm，材料選用 45 號(hào)鋼。其與磙子支架之間以滑動(dòng)軸承連接。由于導(dǎo)向用鋼絲繩磙子不與鋼絲繩有載荷，因此設(shè)計(jì)其直徑為 8mm，材料選用 45 號(hào)鋼。其與磙子支架之間以滑動(dòng)軸承連接。 上圖為貨物裝載伸縮裝置的側(cè)視圖，其中： （1）電機(jī)減速器 （2） 鋼絲繩 （3） 貨物伸縮托架 （4） 鏈板及整體托架 （5） 磙子鏈條 3.2 底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.2.1 確定傳動(dòng)方案 我們所學(xué)的傳動(dòng)方式有以下幾種：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)等，一般地說，

8、嚙合傳動(dòng)傳遞功率的能力高于摩擦傳動(dòng)；蝸輪傳動(dòng)工作的發(fā)熱情況較為嚴(yán)重，因而傳動(dòng)的功率不宜過大；摩擦輪傳動(dòng)由于必須有足夠的壓緊力，故而在傳遞同一圓周力時(shí)，其壓軸力比齒輪傳動(dòng)的大幾倍，因而不宜用于大功率傳動(dòng)。帶傳動(dòng)容易磨損松弛易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；齒輪傳動(dòng)制造及安裝精度要求高價(jià)格較貴而且不宜用于傳動(dòng)距離過大場(chǎng)合；鏈傳動(dòng)與摩擦型帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高；又因?yàn)殒湶恍枰駧菢訌埖煤芫o，故而作用于軸上的徑向壓力較?。绘湕l采用金屬材料制造，在同樣的使用條件下，鏈傳動(dòng)的整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)比較緊湊，多用于低速重載。綜合考慮以上因素本次設(shè)計(jì)采用蝸桿減速和鏈傳動(dòng)

9、。 3.2.2 選擇電動(dòng)機(jī)的類型與結(jié)構(gòu) 電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止以及速度調(diào)節(jié)，完成各種生產(chǎn)工藝過程的要求，保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)有多種主要有以下幾種：直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)（三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)）、伺服電動(dòng)機(jī)等。交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用得最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是應(yīng)用于倉庫貨物裝卸業(yè)而且貨物裝卸貨物最大重量為 40 ，故而需要一個(gè)能夠提供足夠大動(dòng)力的電機(jī)來提供動(dòng)力，因此綜上所述選用冶金及起重用三相異步電動(dòng)機(jī)。 3.2.3

10、選擇電動(dòng)機(jī)的功率（容量） 依據(jù)所選擇的電動(dòng)機(jī)額定功率應(yīng)大于工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率 即： 6) 計(jì)算中心距 580.52mm (4)聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中的一種常用軸系部件，它的基本功用是聯(lián)接兩軸，并傳遞動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩。 聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸，只有在其停車后并經(jīng)過拆卸才能被彼此分開。在機(jī)械中應(yīng)用聯(lián)軸器，可以方便地將組成機(jī)器的各個(gè)部分連接起來，有利于機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和維修。 聯(lián)軸器的類型很多，通常根據(jù)相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類 剛性聯(lián)軸器對(duì)相對(duì)位移無補(bǔ)償能力，且全部由剛性零件組成，也沒有緩沖減震能力，故適用于被聯(lián)接的兩軸嚴(yán)格對(duì)中，在和平穩(wěn)的場(chǎng)合。 撓性聯(lián)軸器因具

11、有撓性，對(duì)相對(duì)位移具有補(bǔ)償能力。他按是否具有彈性元件又分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的腦性聯(lián)軸器兩種。有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，可以依靠彈性元件的變形與蓄能性來緩沖、減振、改善傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能。 選用 GB/T58431986 YL 型凸緣聯(lián)軸器。 （5）滾動(dòng)軸承的選擇 選擇軸承時(shí)，首先必須了解和掌握所需配備軸承的機(jī)械設(shè)備性能，再根據(jù)各類軸承的技術(shù)特性和具體工作條件等要求進(jìn)行軸承類型的選擇，最終應(yīng)該滿足設(shè)備的使用要求。具體選擇時(shí)可以參考以下幾個(gè)方面： 1）軸承的載荷 軸承所承受載荷的大小、方向、和性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。 一般棍子軸承的承載能力大于求軸承，并且承受沖擊載荷的能力強(qiáng)

12、，所以載荷較大的工作場(chǎng)合，優(yōu)先選用棍子軸承。 軸承承受純徑向載荷時(shí)，可以選用深溝球軸承，圓柱滾子軸承或者滾針軸承；所承受純軸向載荷，可選用推力軸承；當(dāng)徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時(shí)，一般選用角接觸球軸承和圓錐滾子軸承；若徑向載荷很大，而軸向載荷很小時(shí)，也可以選用深溝球軸承，若軸向載荷很大，徑向載荷較小時(shí)，可用推力調(diào)心滾子軸承，也可用圓柱滾子軸承或者深溝球軸承和推力軸承聯(lián)合使用。 2）支撐限位要求： 可以承受雙向軸向載荷的軸承，可以作固定支撐用。只承受單向軸向載荷的軸承可以作單向限位支撐。游動(dòng)支撐軸向不限位，可使軸在支撐上自由伸縮游動(dòng)，此時(shí)可用內(nèi)，外圈不可分的向心軸承在座孔內(nèi)游動(dòng)，也可以用內(nèi)，外圈

13、可用的圓柱滾子軸承，其內(nèi)，外圈相對(duì)游動(dòng)。 3）軸承的調(diào)心性能 當(dāng)軸的中心線與軸承座中心線由于加工、安裝等誤差的影響而不重合時(shí)，或因受力后使軸向彎曲而撓度較大時(shí)，會(huì)造成軸承的內(nèi)外圈軸線發(fā)生偏斜，這時(shí)應(yīng)該選用調(diào)心性能好的調(diào)心球軸承或者調(diào)心滾子軸承，使軸的偏轉(zhuǎn)角控制在需用值以內(nèi)，否則會(huì)降低軸承壽命。 4）軸承的安裝和拆卸 方便地裝拆軸承，也是選用軸承類型時(shí)應(yīng)該考慮的因素之一。當(dāng)軸承座保護(hù)是剖分式而必須沿軸向安裝和拆卸軸承時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)外圈可分離的軸承。 上邊所設(shè)計(jì)的底盤鋼架結(jié)構(gòu)由材料力學(xué)知識(shí)計(jì)算能夠滿足設(shè)計(jì)要求且具有成本低的特點(diǎn)。此底盤的擴(kuò)展空間較大，可適合于各種方位的貨架，并且具有較高的承載能力

14、?？梢詽M足提升各種貨物的需求。 3.3 升降裝置的設(shè)計(jì) 3.3.1 確定傳動(dòng)方案 我們所學(xué)的傳動(dòng)方式有以下幾種：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)等，一般地說，嚙合傳動(dòng)傳遞功率的能力高于摩擦傳動(dòng)；蝸輪傳動(dòng)工作的發(fā)熱情況較為嚴(yán)重，因而傳動(dòng)的功率不宜過大；摩擦輪傳動(dòng)由于必須有足夠的壓緊力，故而在傳遞同一圓周力時(shí)，其壓軸力比齒輪傳動(dòng)的大幾倍，因而不宜用于大功率傳動(dòng)。帶傳動(dòng)容易磨損松弛易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；齒輪傳動(dòng)制造及安裝精度要求高價(jià)格較貴而且不宜用于傳動(dòng)距離過大場(chǎng)合；鏈傳動(dòng)與摩擦型帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高；又因?yàn)殒湶恍枰駧菢訌?/p>

15、得很緊，故而作用于軸上的徑向壓力較小；鏈條采用金屬材料制造，在同樣的使用條件下，鏈傳動(dòng)的整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)比較緊湊，多用于低速重載。綜合考慮以上因素本次設(shè)計(jì)采用蝸輪蝸桿減速和鏈傳動(dòng)。 3.3.2 選擇電動(dòng)機(jī)類型與結(jié)構(gòu) 電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止以及速度調(diào)節(jié)，完成各種生產(chǎn)工藝過程的要求，保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)有多種主要有以下幾種：直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)（三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)）、伺服電動(dòng)機(jī)等。交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用得最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。由于此

16、次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是應(yīng)用于倉庫貨物裝卸業(yè)而且貨物裝卸貨物最大重量為，故而需要一個(gè)能夠提供足夠大動(dòng)力的電機(jī)來提供動(dòng)力，因此綜上所述選用冶金及起重用三相異步電動(dòng)機(jī)。 聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸，只有在及其停車后并經(jīng)過拆卸才能被彼此分開。在機(jī)械中應(yīng)用聯(lián)軸器，可以方便地將組成機(jī)器的各個(gè)部分連接起來，有利于機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和維修。 聯(lián)軸器的類型很多，通常根據(jù)相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。 剛性聯(lián)軸器對(duì)相對(duì)位移無補(bǔ)償能力，且全部由剛性零件組成，也沒有緩沖減震能力，故適用于被聯(lián)接的兩軸嚴(yán)格對(duì)中，在和平穩(wěn)的場(chǎng)合。 撓性聯(lián)軸器因具有撓性，對(duì)相對(duì)位移具有補(bǔ)償能力。3.4 重心與整機(jī)性能的關(guān)系 貨

17、物裝卸機(jī)器人的重心是機(jī)器人所受外力的合力的作用點(diǎn)。 質(zhì)心的位置，與受力的情況有密切的關(guān)系，直接影響軸荷分配、穩(wěn)定性和平順性以及制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和坡道行駛時(shí)的 前后軸質(zhì)量的轉(zhuǎn)移。質(zhì)心過高，則穩(wěn)定性就不好，轉(zhuǎn)彎時(shí)容易發(fā)生側(cè)傾。在機(jī)器人使用時(shí)，要注意合理裝載，降低質(zhì)心高度。較重的貨物應(yīng)盡可能裝在下部，而把較輕的貨物裝在上部。 重心的高低,直接影響機(jī)器穩(wěn)定性的好壞。另外,在整機(jī)運(yùn)輸當(dāng)中,也是一個(gè)必不可少的技術(shù)參數(shù)。所以在 JB2405-79 標(biāo)準(zhǔn)中,把重心位置的測(cè)定列為整機(jī)性能試驗(yàn)的項(xiàng)目之一。最近，在具體設(shè)計(jì)中，在對(duì)機(jī)器人整體發(fā)動(dòng)機(jī)功率和牽引性能計(jì)算時(shí)，就需要用到有關(guān)機(jī)器人的總重及重心所在位置。機(jī)器人的自重及其位置對(duì)于一些舊有車型的改進(jìn)設(shè)計(jì)來說，可以方便地取得，而且比較準(zhǔn)確可靠。 3.5 貨物裝卸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程（1）計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)裝置，使倉庫貨物裝卸機(jī)器人在倉庫內(nèi)固定軌跡上前進(jìn)，車輪上裝有傳感器，隨時(shí)將車體位置形成反饋傳到計(jì)算機(jī)中。到達(dá)所要求位置時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制底盤驅(qū)動(dòng)裝置中的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因所選用的電機(jī)本身具有制動(dòng)功能，且減速器采用了蝸輪蝸桿裝置，所以具有定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 （2）到達(dá)指定貨架前時(shí)，計(jì)算機(jī)接受到傳感器反饋的信息，經(jīng)處理，向升降裝置中的電機(jī)發(fā)出指令，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，貨叉開始上升，到達(dá)所要求的位置后，計(jì)算機(jī)