碼垛機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要碼垛機械手是碼垛自動化生產(chǎn)線上的重要組成部分,通過它可以完成自動、高速、準確、連續(xù)的碼垛任務(wù)，從而滿足人們對產(chǎn)品碼垛需求。本文設(shè)計的碼垛機械手采用四軸鉸鏈式的結(jié)構(gòu)形式，具有四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都有驅(qū)動其動作的伺服電機和減速機。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將驅(qū)動小臂動作的伺服電機和減速機安裝在了主構(gòu)架上。為了滿足各項要求，整體結(jié)構(gòu)采用了三組平行四邊形機構(gòu)。通過網(wǎng)上查找主流碼垛機械手的相關(guān)資料，首先確定了碼垛機械手的整體結(jié)構(gòu)，并運用Solidworks繪制其三維造型，初步估算各部分質(zhì)量。之后對驅(qū)動各關(guān)節(jié)動作的伺服電機以及減速機進行了選型計算，并利用CAD軟件繪制出各關(guān)鍵部分工程圖。除此之外，還對關(guān)鍵部分的減速機進行了設(shè)計、校核，最終達到設(shè)計的要求。關(guān)鍵詞：碼垛機械手；四軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計ABSTRACTPalletizingrobotisanimportantpartofthepalletizingautomationproductionline,youcanfinishtheautomatic,highspeed,accurate,continuouspalletizingtasksbyusingit,anditcanmeetthedemandforproductpalletizing.ThisdesignPalletizingrobotintheformoffour-axishingestructure,withfourrotaryjoint,eachjointhasdrivenitsactionservomotorandreducer.Inordertomaintainthestabilityofthesystem,thedriveservomotorandreduceroperationarminstalledonthemainframe.Inordertomeettherequirements,theoverallstructureofthethreesetsofparallelogrammechanism.throughtheInternettofindmainstreamPalletizingrobotrelevantinformation,firstdeterminetheoverallstructureofthePalletizingrobot,anditsthree-dimensionalmodelingusingSolidworksdrawing,preliminaryestimatesofeachpartofthequality.Afterdrivingthejointoperationoftheservomotorandgearselectionhavebeencalculated,andtheuseofCADsoftwaretodrawadiagramofthekeypartoftheproject.Inaddition,alsoakeypartofthegearunithasbeendesigned,checked,andultimatelymeetthedesignrequirements.Keywords:palletizingrobot;four-axis;structuraldesign目錄TOC\o"1-3"\h\u73891緒論 頁1緒論1.1引言機器人作為時代發(fā)展和科技進步的產(chǎn)物，全方面應(yīng)用了多種學(xué)科和先進技術(shù)。按照使用環(huán)境的不同我們可以把機器人分為：工業(yè)機器人、特種機器人和服務(wù)機器人等。上個世紀60年代第一臺工業(yè)機器人誕生以后，機器人便得到了廣泛的使用，并在各個領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在我國經(jīng)濟實力穩(wěn)步提升，科學(xué)技術(shù)長足進步的情況下，機器人被廣泛應(yīng)用在各種不同的領(lǐng)域。碼垛機械手是機－電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，它是自動化生產(chǎn)線上不可或缺的一部分，通過它能夠快速、高效地完成產(chǎn)品碼垛的任務(wù)。高強度以及高重復(fù)度是人工碼垛所存在的弊端，在一些存放高危化工產(chǎn)品以及高粉塵的場所，人工碼垛基本不適用。因此研發(fā)一種碼垛機械手是非常有必要的，用以減輕生產(chǎn)過程中不良環(huán)境對碼垛工人的身心傷害。按照工作空間的坐標形式我們可以把工業(yè)機器人分成:圓柱坐標形式的機器人、直角坐標形式的機器人、SCARA機器人以及類似于關(guān)節(jié)形式的機器人。圖1-1所示的機器人分別為關(guān)節(jié)式機器人和SCARA機器人。圖1-1關(guān)節(jié)式機器人和SCARA機器人關(guān)節(jié)形式的機器人是通過兩個肩關(guān)節(jié)和一個肘關(guān)節(jié)來確定位置的，而腕關(guān)節(jié)則用來確定方向。關(guān)節(jié)形式機的器人具有以下的特點：活動范圍大，構(gòu)型緊密，安裝所需土地面積小，反應(yīng)速度快，手臂造成的干擾小。按照用途我們可以把機器人分為:碼垛機械手、焊接機器人、噴涂機器人以及特別用途的機器人等。1.2碼垛機械手的特點及分類1.2.1碼垛機械手的特點和其它類型的機器人相比，碼垛機械手存有很大的不同。具體表現(xiàn)在下列幾個方面：碼垛機械手主要是實現(xiàn)物料在環(huán)境內(nèi)的水平移動以及物料在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，物料不需要進行翻轉(zhuǎn)，沒有復(fù)雜的動作。只需要四個自由度碼垛機械手就能夠完成工作要求；“平行四邊形”機構(gòu)的使用，保證了碼垛機械手在搬運物料過程中的平穩(wěn)狀態(tài)。機械手末端的腕部關(guān)節(jié)經(jīng)由兩組平行四邊形機構(gòu)的傳動，使其軸線與地面永久保持豎直；自由度的減少，使得碼垛機械手的結(jié)構(gòu)變得簡單，從而減少了零部件的使用，增加了機械手的性能，同時降低了機械手出現(xiàn)故障的概率，便于對機械手進行養(yǎng)護；占地面積小，集成性較高，使企業(yè)優(yōu)化配置廠房面積更加方便；低功率消耗，使能源的消耗和客戶的生產(chǎn)運行成本得以大大降低；高適用性和靈活性，由于末端執(zhí)行器上安裝有控制系統(tǒng)，所以只要在控制器上修改一下程序就能夠可滿足客戶對不同產(chǎn)品進行碼垛要求，對正常的生產(chǎn)作業(yè)不會產(chǎn)生影響。相對于傳統(tǒng)碼垛裝備，這是它們不具備的；示教方式和控制方式簡單方便；相對于焊接或裝配任務(wù)，碼垛任務(wù)的精度要求較低。1.2.2碼垛機械手的分類根據(jù)自身構(gòu)造和傳遞動力的方式我們可以把碼垛機械手分為三種形式，即串聯(lián)形式、并聯(lián)形式以及混聯(lián)形式。歐美國家主要生產(chǎn)串聯(lián)形式的碼垛機械手，比如：庫卡和ABB。日本不二公司主要生產(chǎn)混聯(lián)形式的碼垛機械手。FANUC公司主要生產(chǎn)并聯(lián)形式的碼垛機械手。并聯(lián)形式的機械手特點如下：精確程度比較高，沒有疊加誤差；活動關(guān)節(jié)比較輕，反應(yīng)速度快，能夠把電動機安放在平臺上；構(gòu)型緊密；并聯(lián)機構(gòu)具有良好的各向同性。但由于其作業(yè)范圍小，承擔負載的能力差，相對于實際自動化生產(chǎn)線上大負載的環(huán)境，其適用程度和靈活程度都比較差，所以在一些行業(yè)領(lǐng)域的輕載荷自動化生產(chǎn)線上，更容易表現(xiàn)出它的優(yōu)勢。而在高速度重載荷的領(lǐng)域，大部分使用的是串聯(lián)形式的碼垛機械手和混聯(lián)形式的碼垛機械手。下面就碼垛領(lǐng)域經(jīng)常使用的串聯(lián)形式的碼垛機械手和混聯(lián)形式的碼垛機械手進行對比。圖1-2為兩種不同形式的碼垛機械手。圖1-2兩種不同形式的碼垛機械手串聯(lián)形式的碼垛機械手和混聯(lián)形式的碼垛機械手的不同主要表現(xiàn)在：混聯(lián)形式的碼垛機械手的兩個關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)動作，剩下的兩個關(guān)節(jié)做水平或垂直運動；而串聯(lián)形式的碼垛機械手的所有關(guān)節(jié)都做旋轉(zhuǎn)動作。為了使機械手末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)軸線能夠和地面始終保持豎直，它們都采用了四連桿機構(gòu)的傳動方式。圖1-3為混聯(lián)形式的碼垛機械手結(jié)構(gòu)示意。圖1-3混聯(lián)形式的碼垛機械手結(jié)構(gòu)示意圖混聯(lián)形式的碼垛機械手和串聯(lián)形式的碼垛機械手的1、4關(guān)節(jié)都做旋轉(zhuǎn)動作。但混聯(lián)形式的碼垛機械手第2關(guān)節(jié)做水平運動，第3關(guān)節(jié)做豎直運動。第2、3關(guān)節(jié)由不同的電機以及減速機帶動，電機帶動同步帶輪轉(zhuǎn)動，進而帶動滾珠絲杠運動，使滑塊在上面來回動作，最終完成大臂的上下動作以及小臂的前后動作。其結(jié)構(gòu)優(yōu)點足以適應(yīng)要求。世界上有名的機械手制造企業(yè)，在對4軸碼垛機械手進行研究開發(fā)時，都選取了4個關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)動作的機構(gòu)形式。相比于混聯(lián)形式的碼垛機械手，串聯(lián)形式的碼垛機械手存在下列優(yōu)點：外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，是如今四軸碼垛機械手發(fā)展的主要方向；故障率低，維護方便，相比于其它傳統(tǒng)類型的傳動方式，RV減速機的傳動方式簡單，能夠長時間使用，維修和防護也比較方便，并且具有簡單的密封與潤滑的方式；花費相差無幾，并且它們的驅(qū)動系統(tǒng)使用的主要部件一樣多，但混聯(lián)形式的碼垛機械手還需要額外的零部件；串聯(lián)形式的碼垛機械手控制的精確程度要比混聯(lián)形式的碼垛機械手高；串聯(lián)形式的碼垛機械手的構(gòu)型比較簡單，而混聯(lián)形式的碼垛機械手的構(gòu)型較為繁雜，同時還得考慮驅(qū)動裝置以及傳動裝置的布局分配；串聯(lián)形式的碼垛機械手的工作范圍比較大。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1國外發(fā)展現(xiàn)狀生產(chǎn)工業(yè)機器人的廠商現(xiàn)在主要分布在日本以及歐洲國家等發(fā)達國家。2011年世界工業(yè)機器人的銷售額為82億美元。主要銷售的產(chǎn)品是關(guān)節(jié)形式的機器人，其中的2/3是使用在載荷≧15千克條件下的機器人。2011年底，世界工業(yè)機器人的存有量約為115萬至140萬臺。美國是最早開發(fā)出機器人的國家。上個世紀60年代第一臺工業(yè)機器人就被美國開發(fā)出來，如圖1-4所示。在發(fā)展工業(yè)機器人的道路上，美國選擇了重視鉆研理論的發(fā)展方向，忽視了對工業(yè)機器人的開發(fā)普及，這使得美國錯過了發(fā)展工業(yè)機器人最好時機，同時也丟掉了一部分市場。但是在理論研究方面，美國的機器人技術(shù)依然處在全球一流的水平。相比于其他國家，美國的機器人技術(shù)更加超前、完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。主要體現(xiàn)在下列方面：機器人定位精準，功能齊全，性能穩(wěn)定；機器人的語言種類繁多，適用范圍廣，研發(fā)速度快，其技術(shù)列于全球第一。另外，機器人智能技術(shù)發(fā)展也快，已被廣泛應(yīng)用在一些重要的技術(shù)領(lǐng)域，同時軍用機器人技術(shù)也在快速發(fā)展，并且已經(jīng)取得了一些不錯的成果。政府擔心工業(yè)機器人的發(fā)展會對就業(yè)產(chǎn)生影響，進而不支持發(fā)展工業(yè)機器人的例子已經(jīng)有前車之鑒。美國作為工業(yè)機器人的誕生地，在機器人技術(shù)發(fā)展初期并沒有將工業(yè)機器人的發(fā)展作為重點。這是因為政府害怕機器人的發(fā)展會導(dǎo)致失業(yè)問題變得嚴重，所以并不支持工業(yè)機器人的發(fā)展。戰(zhàn)后的日本，勞動力大量缺失，為了解決這個問題，日本大規(guī)模引進工業(yè)機器人用以充當勞動力，從而保證國家的正常發(fā)展。圖1-4Unimation公司于1961年生產(chǎn)的全球第一臺工業(yè)機器人上世紀60年代末，日本引進美國的機器人技術(shù)，并在短短的一年時間便試制成第一臺工業(yè)機器人“尤尼曼特”，如圖1-5所示。日本經(jīng)過短短十幾年的努力，自80年代中期，開始成為全球機器人技術(shù)最成熟的國家，并延續(xù)至今。戰(zhàn)后勞動力驟減，以及汽車在全球的普及導(dǎo)致了日本工業(yè)機器人的發(fā)展。21世紀初期全球工業(yè)機器人的銷量中，日系產(chǎn)品占七成。日本的工業(yè)機器人產(chǎn)量還有銷量都位居全球首位。精工愛普生是全球SCARA工業(yè)機器人的知名品牌，2013年旗下的新款H8機器人在日本東京問世，它主要用在零件的自動化輸送以及裝配方面，最大負載可達8千克。愛普生工業(yè)機器人被廣泛使用在汽車和電子行業(yè)零件裝配以及自動化輸送方面，具有精確程度高、性能穩(wěn)定可靠、反應(yīng)速度快的特點。為了滿足廠家對產(chǎn)量提升的要求，H系列機器人的性能參數(shù)達到了一個新的高度。H系列機器人不僅具有先進的智能運動控制技術(shù)，還具有先進的傳感技術(shù)。通過這些技術(shù)，使得機器人的機身設(shè)計更加精巧，工作能力也更加高速有效，同時讓機器人具有了振動小、速度快的特點。圖1-5川崎公司于1969年研發(fā)的第一臺工業(yè)機器人“尤尼曼特”韓國工業(yè)機器人的保有量位居全球第三。工業(yè)機器人被廣泛使用在不同的行業(yè)領(lǐng)域。上世紀80年代中期，是現(xiàn)代重工獨立研制全球超前技術(shù)難度工業(yè)機器人的開端，通過自身的不斷努力，如今公司已擁有多項核心技術(shù)專利。2000年，現(xiàn)代重工自主研制的LCD機器人問世，該產(chǎn)品主要用于電子行業(yè)，是該類型機器人中的高端品。該機器人在工作過程中時刻保持穩(wěn)定狀態(tài)，超大型產(chǎn)品更新?lián)Q代快，其超大型機器人的更新已超過10代。為了促進本國機器人技術(shù)水平的提高，韓國確立了一系列有利于機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。1.3.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀70年代初期是我國探索工業(yè)機器人技術(shù)的開端。1972年，中科院下設(shè)的沈陽自動化所著手對機器人技術(shù)進行研究?！捌呶濉逼陂g，我國對工業(yè)機器人技術(shù)進行了著重研究，主要目的在于基礎(chǔ)零部件開發(fā)、基礎(chǔ)技術(shù)的研究以及不同用途工業(yè)機器人的開發(fā)研制?！?63”計劃的扶持，使得我國第一臺工業(yè)機器人在上海交通大學(xué)研制成功，如圖1-6，這個結(jié)構(gòu)意味著我國的工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步。“九五”期間，通過自身的不斷努力使得國產(chǎn)機器人技術(shù)不斷向先進水平靠攏。但是由于種種原因，我國卻錯過了機器人發(fā)展的最好時機，致使機器人技術(shù)的發(fā)展陷入困難的局面，從而失去了一次千載難逢的機遇。我國的機器人研究缺少基礎(chǔ)工業(yè)的支持，機器人的研制需要各種傳感器和許多伺服電機，需要特殊材料和許多電子元件等，目前我國還主要依靠國外進口。我國擁有的機器人中，國產(chǎn)機器人僅占兩成，剩下的都是外購進口的。有關(guān)專家估計，我國對工業(yè)機器人產(chǎn)品的使用量將在“十二五”期間直線上升，機器人產(chǎn)品的使用數(shù)量會以一種前所未有的態(tài)勢快速增加。有關(guān)專家估測，用不了多久，我國工業(yè)機器人的份額會超過40億人民幣。但從整體上來說，國產(chǎn)機器人技術(shù)仍有欠缺，在工業(yè)機器人的自主開發(fā)和更新?lián)Q代方面有待進步。圖1-6我國研發(fā)的第一臺工業(yè)機器人“精密一號”我國既是工業(yè)機器人消費的第一大國，同時也是工業(yè)機器人消費水平增長速度最快的國家之一。2010年全球工業(yè)機器人安裝數(shù)量將近12萬臺，幾乎是2009年安裝數(shù)量的2倍，電磁行業(yè)與汽車工業(yè)的發(fā)展是其主要驅(qū)動因素。安裝總數(shù)中，亞洲增長最多，排第1位，安裝數(shù)量達到7萬臺。而中國、韓國和東盟國家的增長數(shù)量已接近3倍。所以，工業(yè)機器人的發(fā)展前景是非常光明的。1.4課題來源及其意義所選課題來自指導(dǎo)老師自擬的題目。我國碼垛、包裝等物流產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致市場需求與生產(chǎn)效率之間的矛盾也隨之不斷增長，這就要求碼垛設(shè)備要具有更高的碼垛效率。我國的碼垛設(shè)備大部分都是國外公司的產(chǎn)品，我國每年的碼垛設(shè)備的進口額接近5億元，所以我國目前在碼垛設(shè)備領(lǐng)域亟待解決的問題是研究開發(fā)具有高技術(shù)水平以及低成本的國產(chǎn)碼垛設(shè)備。碼垛設(shè)備能夠自主完成工作任務(wù)，把物料堆垛齊整，并且能夠減輕對物料的損壞，最主要的是能夠保障員工的的人身安全。同時，碼垛設(shè)備能夠代替人工碼垛，解放了勞動力，減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)率，同時保證了產(chǎn)品的品質(zhì)。1.5設(shè)計內(nèi)容下圖所示的碼垛機械手選取了四軸鉸鏈式的整體構(gòu)造，通過四個關(guān)節(jié)完成碼垛機械手的各個動作，四個關(guān)節(jié)的位置如圖1-7所示。位于底座和主構(gòu)架之間的關(guān)節(jié)JT1，主要用于實現(xiàn)碼垛機械手整體的回轉(zhuǎn)動作；位于主構(gòu)架和大臂之間的關(guān)節(jié)JT2，主要用于實現(xiàn)大臂大俯仰動作；位于大臂和小臂之間的關(guān)節(jié)JT3，主要用于實現(xiàn)小臂的俯仰動作；位于腕部和法蘭盤之間的關(guān)節(jié)JT4，主要用于實現(xiàn)搬運物料的旋轉(zhuǎn)動作。圖1-7四軸碼垛機械手結(jié)構(gòu)四軸碼垛機械手的主要技術(shù)參數(shù)。自由度：機械手能夠自主動作的坐標軸個數(shù)，反映動作的靈敏程度。機械手的自由度越多，它的機構(gòu)性能就越與人手接近，相應(yīng)地結(jié)構(gòu)將會更加繁雜。工業(yè)生產(chǎn)中主要根據(jù)生產(chǎn)需要選擇機器人的自由度，用以避免這種矛盾性。工作范圍：主要指機械手腕部可以到達的位置在空間內(nèi)形成的區(qū)域?，F(xiàn)實生產(chǎn)作業(yè)條件下，機械手的末端執(zhí)行器或因到達工作死區(qū)而不能正常工作，所以碼垛機械手對工作范圍的要求是極其嚴格的。工作速度：包括機器人工作狀態(tài)下，各關(guān)節(jié)在單位時間內(nèi)的位移和角速度。同時還要考慮角加速度的問題，因為太快的加、減速度，會對機械手的關(guān)節(jié)造成振動，從而導(dǎo)致定位不精確，承載能力：指機械手在動作區(qū)間的任何位置和姿態(tài)上能夠負擔的最大載荷。通?？梢杂觅|(zhì)量、力矩、慣性力矩表示。精度：精度是實際與目標之間的差異。驅(qū)動方式：驅(qū)動機械手的方式主要有液體驅(qū)動、氣體驅(qū)動和電機驅(qū)動。控制方式：主要是對機械手的軸進行操控，以得到真確的末端運動，對末端運動的控制主要有伺服和非伺服控制兩種形式。1.6本章小結(jié)這一章，主要對工業(yè)機器人的特點以及分類，碼垛機械手的特點以及分類進行了簡要的說明，對國內(nèi)外機器人的發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要的概括，之后說明了課題的來源及其意義，最后對設(shè)計內(nèi)容進行了簡單的介紹。2碼垛機械手本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.1引言碼垛機械手是碼垛自動化生產(chǎn)線上的重要組成部分，其整體構(gòu)造是碼垛機械手設(shè)計的重要部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計的專業(yè)性和有效性直接關(guān)系到碼垛機械手的實際制造以及使用，這一章將重點研究碼垛機械手的本體結(jié)構(gòu)，以建立機械手的3D模型。2.2碼垛機械手本體的構(gòu)型分析本文設(shè)計的碼垛機械手選取了四軸鉸鏈式的整體構(gòu)造，其本體結(jié)構(gòu)由六個關(guān)鍵部分組成，詳細構(gòu)造可參看下圖的標注。參照主流的碼垛設(shè)備，所設(shè)計的碼垛機械手具有四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通過它們來實現(xiàn)碼垛機械手的運動，關(guān)節(jié)的具體位置參照下圖：位于底座和主構(gòu)架之間的關(guān)節(jié)JT1，主要用于實現(xiàn)碼垛機械手整體的回轉(zhuǎn)動作；位于主構(gòu)架和大臂之間的關(guān)節(jié)JT2，主要用于實現(xiàn)大臂的俯仰動作；位于大臂和小臂之間的關(guān)節(jié)JT3，主要用于實現(xiàn)小臂的俯仰動作；位于腕部和法蘭盤之間的關(guān)節(jié)JT4，主要用于實現(xiàn)搬運物料的旋轉(zhuǎn)動作。的末端執(zhí)行器能夠調(diào)整負載在空間內(nèi)的位姿；大臂對小臂起到支撐作用，大臂的動作能夠在水平方向上改變末端執(zhí)行器的運動距離，而小臂的動作則能夠在豎直方向上改變末端執(zhí)行器的位置；主構(gòu)架安裝底座上，其上裝有大臂，起到的支撐大臂的作用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)機械手的回轉(zhuǎn)動作；底座固定在地面或者支架上，承擔碼垛機械手的全部重量。碼垛機械手的腕部連接有法蘭盤，所以根據(jù)不同的要求可以選用不同的夾持工具，其整體構(gòu)造如圖2-1所示：腕部水平腕部水平保持連桿水平保持連桿小臂三角保持架小臂傳動連桿底座主構(gòu)架大臂水平保持連桿小臂三角保持架小臂傳動連桿底座主構(gòu)架大臂腕部圖2-1碼垛機械手的整體結(jié)構(gòu)主構(gòu)架安裝在底座上，它們之間存在一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線豎直向下。大臂、小臂以及腕部水平保持連桿均放置在主構(gòu)架上，主構(gòu)架承擔整個臂部的重量。碼垛機械手結(jié)構(gòu)中的平行四邊形機構(gòu)由大、小臂以及相應(yīng)連桿組成，能夠增加大、小臂的強度。碼垛機械手的工作范圍直接受到各連桿參數(shù)選擇的影響。我們把驅(qū)動小臂運動的伺服電機以及減速機安放在主構(gòu)架上，使整體結(jié)構(gòu)變得緊湊，從而減低了整體的運動慣量，讓整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。腕部安放在小臂前段，它們之間存在一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。腕部和水平保持桿相連，與小臂以及三角架共同構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)，并通過三角架與另一個平行四邊形機構(gòu)相連。腕部聯(lián)接法蘭盤，根據(jù)需求的不同，可以聯(lián)接不同的夾持工具。2.3碼垛機械手平行四邊形機構(gòu)尺寸的設(shè)計2.3.1驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)尺寸的設(shè)計所設(shè)計的驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)如下圖所示，圖中長度500代表連桿軸的長度，相當于驅(qū)動機構(gòu)；豎直長度1280代表大臂以及小臂驅(qū)動連桿的長度，上端長度1850則代表整個小臂的長度，這三部分都屬于從動機構(gòu)。圖2-2為驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)簡圖。圖2-2驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)簡圖2.3.2從動平行四邊形機構(gòu)尺寸的設(shè)計所設(shè)計的碼垛機械手中包含兩組從動平行四邊形機構(gòu)，一組由驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)中的小臂1850作為驅(qū)動機構(gòu)，另一組由驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)中的大臂1280作為驅(qū)機構(gòu)。圖2-3為從動平行四邊形機構(gòu)A的簡圖；圖2-4為從動平行四邊形機構(gòu)B的簡圖。圖2-3從動平行四邊形機構(gòu)A的簡圖圖2-4從動平行四邊形機構(gòu)B的簡圖2.4碼垛機械手腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計碼垛機械手腰部關(guān)節(jié)帶動整個機械手實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作，它的設(shè)計原則如下：（1）碼垛機械手的底座固定在地面或鋼架上，腰部關(guān)節(jié)則安放在底座上，底座承擔了機械手的所有重量。為了保證機械手能夠穩(wěn)定工作，在設(shè)計底座時，應(yīng)使底座面積滿足承擔碼垛機械手整體重量的要求；（2）保證機械手基座軸承的承載能力足夠大；（3）保證腰部關(guān)節(jié)擁有較高的傳動精度；（4）腰部關(guān)節(jié)要選用相匹配的驅(qū)動裝置和減速裝置。本文所設(shè)計的腰部關(guān)節(jié)，底座選用鑄鋼材料進行制作，以實現(xiàn)機械手對底座的嚴苛要求。腰部驅(qū)動形式選用伺服電機帶動RV減速機的結(jié)構(gòu)形式，從而實現(xiàn)機械手的回轉(zhuǎn)動作。圖2-5為碼垛機械手腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的三維圖。圖2-5碼垛機械手腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)三維圖2.5碼垛機械手大、小臂的設(shè)計在空間中，除了腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外，碼垛機械手末端執(zhí)行器的位置還主要由大臂和小臂來決定。碼垛機械手手臂的設(shè)計原則如下：（1）碼垛機械手大臂和小臂的長度在很大程度上決定了機器人末端執(zhí)行器能達到的范圍，所以大臂和小臂的尺寸要根據(jù)工作空間嚴格計算得出。（2）為了便于對機械手運動學(xué)進行正逆運算求解以及方便地控制機械手，應(yīng)使機械手手臂的關(guān)節(jié)軸線盡可能平行或是交于一點。（3）機械手的手臂要盡可能選擇輕質(zhì)，強度大的材料，以保證臂部的正常動作，這樣有利于提高機械手的工作速度以及精確程度。在機械手設(shè)計完成后，可使用有限元分析軟件校核小臂的強度，優(yōu)化設(shè)計。（4）設(shè)計機械手手臂時，盡可能采取質(zhì)量相互平衡的方式減少電機的負載。碼垛機械手的手臂選用回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和手臂安置在驅(qū)動臂座上的形式。電機通過RV減速器輸出轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動大、小臂的動作。本文設(shè)計的大、小臂均采用了空心矩形的形式來增加大、小臂的強度。其上裝有限位裝置。圖2-6為碼垛機械手大臂的三維圖。圖2-6碼垛機械手大臂三維圖小臂的動作是通過四連桿機構(gòu)完成的。這樣設(shè)計的好處是可以將小臂的伺服電機以及減速機安放在主構(gòu)架上，使結(jié)構(gòu)變得緊湊，同時可以降低小臂伺服電機和減速機帶給大臂及驅(qū)動臂座的彎矩，有利于提高整體的穩(wěn)定性。連桿與機械手大臂的長度相同并且相互平行，與連桿軸、小臂后半部分構(gòu)成一個四連桿機構(gòu)，有利于對小臂轉(zhuǎn)角的控制。驅(qū)動小臂的伺服電機通過RV減速機將運動傳遞到連桿軸上，進而由連桿軸帶動小臂的運動，從而實現(xiàn)小臂的動作。平行四邊形機構(gòu)如下圖所示：圖2-7平行四邊形機構(gòu)三維圖碼垛機械手小臂的三維圖如圖2-8所示。為了減輕小臂重量，同時保證小臂的強度，小臂采用了空心矩形的結(jié)構(gòu)形式，尾部兩端伸出的階梯軸用來安裝緩沖裝置以及三角架。圖2-8碼垛機械手小臂三維圖2.6碼垛機械手腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計本文設(shè)計的碼垛機械手腕部關(guān)節(jié)采用了兩組平行四邊形機構(gòu)，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的軸線始終與地面保持垂直。一組由腕部、小臂、三角架以及水平保持桿組成，另一組水平連桿、主構(gòu)架、大臂以及三角架組成。兩組平行四邊形機構(gòu)的三維圖如圖2-9所示。兩組平行四邊形機構(gòu)通過安裝在小臂上的三角架相互連接，這里用到了“平行四邊形”原理。圖2-9兩組平行四邊形機構(gòu)的三維圖本文設(shè)計的碼垛機械手腕部關(guān)節(jié)將驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的伺服電機和減速機置于腕部上，這樣設(shè)計的好處是能夠?qū)⑼蟛拷Y(jié)構(gòu)變得緊湊，提高末端執(zhí)行器的定位精度。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸能夠?qū)崿F(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，工作空間大。減速機下端連接有法蘭盤，通過法蘭盤可以連接不同的夾持工具，方便對不同物料的搬運碼垛。碼垛機械手腕部關(guān)節(jié)的三維圖如下圖所示：圖2-10碼垛機械手腕部關(guān)節(jié)三維圖2.7本章小結(jié)這一章，首先對碼垛機械手的整體結(jié)構(gòu)進行了分析，然后根據(jù)設(shè)計要求，完成了對一組驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)和兩組從動平行四邊形機構(gòu)參數(shù)的設(shè)計。通過Solidworks建模得出了碼垛機械手主要部件的尺寸。最后參照主流碼垛機械手的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了碼垛機械手的整體機械結(jié)構(gòu)及其主要部件，并對各部件的設(shè)計進行了詳細的說明。3碼垛機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選型和計算3.1驅(qū)動電機的選型相比于傳統(tǒng)的液壓以及氣壓驅(qū)動的方式，采用電機驅(qū)動的方式具有以下優(yōu)點：驅(qū)動效率高；運動速度快；定位精度高；溫度變化對其影響不大；產(chǎn)生的噪聲和污染不大。所以，根據(jù)設(shè)計要求，碼垛機械手選用電機驅(qū)動的方式。目前，工業(yè)機器人采用的電機主要有以下幾種：步進電機：步進電機能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化調(diào)控，操控性能高，操作方便，能夠自鎖以及保持轉(zhuǎn)矩。大多使用在小功率和低傳動效率的小型機器人上。直流伺服電機：直流伺服電機單位時間內(nèi)輸出功率大，變速性能好，調(diào)控技術(shù)成熟，能夠快速響應(yīng)，并且啟動轉(zhuǎn)矩大，但構(gòu)造復(fù)雜，花費較大。直流伺服電機的功率范圍在500W以內(nèi)。交流伺服電機：交流伺服電機的花費雖大，但構(gòu)造簡單，能夠快速響應(yīng)，可靠性高，便于維護，可以不斷改變轉(zhuǎn)動方向以及加速減速，短時間內(nèi)承擔過載的能力優(yōu)異。碼垛機械手驅(qū)動關(guān)節(jié)動作的電機應(yīng)具有大功率，大扭矩的特點外，還要具有啟動轉(zhuǎn)矩大、速度調(diào)節(jié)范圍廣的特點。尤其是碼垛機械手的腕部關(guān)節(jié)，由于需要快速響應(yīng)，所以采用重量輕，體積小巧的伺服電機作為驅(qū)動電機，而且要求工作狀態(tài)平穩(wěn)、短時間內(nèi)承擔過載的能力優(yōu)異。所以，選用交流伺服電機。用于驅(qū)動機械手的電機交流伺服系統(tǒng)大部分使用永磁同步的形式，這些電機主要從國外進口。相比于其他公司的電機，安川電機的性能最優(yōu)。所以，最終選用安川公司生產(chǎn)的交流伺服電機作為碼垛機械手的驅(qū)動電機。3.2減速機的選型碼垛機械手所使用的伺服電機以及減速機的精度決定了末端執(zhí)行器的定位精度。用于碼垛機械手的減速機要具備下列優(yōu)點：具有較高的輸出轉(zhuǎn)矩以及較小的回程間隙，同時要保證強度以及潤滑性能等。目前，工業(yè)機器人采用的減速機主要有以下幾種：行星減速機行星減速機的主要通過太陽輪、行星輪以及外齒圈三部分進行傳動，其構(gòu)造簡單，極數(shù)一般≦3，減速比一般≦10。行星減速機的減速比范圍大，傳動效率高，同時具有較高的制造精度，同軸輸入、輸出，剛度較好。行星減速機大部分使用在伺服電機以及步進電機上，由于對制造精度的嚴苛要求，將其大多使用在構(gòu)型緊密的場合。諧波減速機諧波傳動是一種新型傳動，它是上個世紀五十年代太空技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)過多年的發(fā)展，諧波減速機的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅局限于太空技術(shù)，現(xiàn)已被應(yīng)用在其它技術(shù)領(lǐng)域。諧波減速器的實物圖和結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。諧波減速機具有以下特點：傳動范圍廣，傳動速比大。諧波減速機的單級傳動比在70到320之間。傳動精確程度高。和其它減速機比較，在同等的制造精度條件下，諧波減速機的傳動精度要高1級，并且它的回差率小，能夠出現(xiàn)零回差。傳動效率高。在傳動比相同的條件下，諧波傳動的效率和行星齒輪傳動的效率基本一致。傳動比在100時，其傳動效率約為0.85。同一時間嚙合的齒輪齒數(shù)多。在運行狀況下，諧波減速機同一時間嚙合的齒輪齒數(shù)占總齒數(shù)的三到五成。具有柔性的特點。能夠在封閉的空間里傳動，其它機械傳動無法實現(xiàn)這種傳動方式。柔輪的制造難度大，承擔載荷的能力差，故將其主要應(yīng)用在大傳動比、小功率的場合。圖3-1諧波減速機的實物圖和結(jié)構(gòu)圖RV減速機擺線針輪傳動是RV減速機發(fā)展的基礎(chǔ)。RV減速機的優(yōu)點表現(xiàn)在：傳動效率高、傳動速比大、體積小巧、質(zhì)量輕等幾方面。圖3-2為RV減速機的結(jié)構(gòu)簡圖以及原理圖。圖3-2RV減速機的結(jié)構(gòu)簡圖及其原理圖RV減速機的減速原理為：第一級減速：直齒輪減速直齒輪與輸入齒輪嚙合并隨之旋轉(zhuǎn)，并與曲柄軸相連接。這里按齒數(shù)差減速，為第一級減速。第二級減速：行星齒輪減速直齒輪驅(qū)動曲柄軸，使兩個RV齒輪做偏心運動，為了提供平衡負載RV齒輪相轉(zhuǎn)180°；位于外殼內(nèi)的圓柱形針齒與擺線輪因為RV齒輪做偏心運動而互相嚙合；曲柄軸旋轉(zhuǎn)360°，RV齒輪逆向旋轉(zhuǎn)1個齒數(shù)距離。輪齒與針齒由于RV齒輪的偏心運動而緊密接觸，許多輪齒共同承擔負載。輸出方式既可以是軸也可以是外殼，若外殼固定，則軸為輸出；若軸固定，則外殼為輸出。下圖為RV減速機立體剖視結(jié)構(gòu)圖。圖3-3RV減速機立體剖視結(jié)構(gòu)圖碼垛機械手的關(guān)節(jié)需要承受較大的傾覆力矩，尤其是第一軸的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機械手的臂展越大，基座承受的傾覆力矩就越大。相比于其它減速機，RV減速機自身配有主軸承，與減速機集成一體。它的優(yōu)點足以滿足碼垛機械手在工作狀況下對其傳動裝置的要求。所以我們選用RV減速機作為碼垛機械手的傳動裝置。3.3碼垛機械手各關(guān)節(jié)的設(shè)計計算3.3.1碼垛機械手的主要技術(shù)參數(shù)按照碼垛機械手設(shè)計任務(wù)書上面的要求，碼垛機械手能夠完成堆放碼垛的任務(wù)，機械手整體能夠靈活運動，末端需連接執(zhí)行器，實現(xiàn)物料的抓取功能。根據(jù)要求，表2-1列出了碼垛機械手的各項設(shè)計參數(shù)。表3-1碼垛機械手主要技術(shù)參數(shù)表3.3.2回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T軸的設(shè)計計算機械手的腕部關(guān)節(jié)（即T軸）位于碼垛機械手手臂的最前端，起到驅(qū)動夾持裝置旋轉(zhuǎn)的作用。夾持裝置和搬運物料共同組成末端負載，將其看作一個長、寬、高分別為a、b、c的長方體，利用慣量計算公式計算慣量：上式中，m為腕部載荷的質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計要求可知機械手末端承受負載≦180kg，取最大值為180kg，適用棧板L1200mm×W1200mm，代入上式得：碼垛機械手在工作過程中，速度與加速度隨著空間位姿的變化而不斷變化。假定啟動加速時間為0.1s，則回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的速度與加速度分別為：上式中，為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的額定轉(zhuǎn)速，為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角加速度。轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的慣性力矩與角加速度成正比，由公式得：初步選擇安川公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)型伺服電機作為驅(qū)動電機，型號為：SGMSV－30A，其額定輸出功率為3.0KW，額定轉(zhuǎn)矩為9.80，瞬時最大轉(zhuǎn)矩為29.4，額定轉(zhuǎn)速3000，最高轉(zhuǎn)速5000，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為。減速機選用納博特斯克公司生產(chǎn)的RV－80E，減速比為110:1，輸出轉(zhuǎn)矩為784，啟動、停止容許轉(zhuǎn)矩為1960，最大容許轉(zhuǎn)矩為3920，減速機輸入軸慣性力矩為3.53×。通過轉(zhuǎn)換，可以得到電機端的轉(zhuǎn)動慣量：根據(jù)下面的公式，求出相應(yīng)的比值：機械手系統(tǒng)對慣量匹配的要求是上式比值小于15，上式比值為3.92，符合要求，即慣量得到匹配。轉(zhuǎn)速為時，所選減速機的傳動效率為0.9，根據(jù)公式計算，可得：伺服電機能夠提供到減速機末端的轉(zhuǎn)速為：通過比較伺服電機供給到減速機末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機供給到減速機末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機以及減速機是匹配的。表2-2給出了T軸電機和減速機的參數(shù)。表3-2T軸電機及減速機的參數(shù)伺服電機RV減速機型號SGMSV－30ARV－80E額定功率3.0－額定轉(zhuǎn)速3000－轉(zhuǎn)動慣量9.20.353減速比－110最大轉(zhuǎn)速500070額定轉(zhuǎn)矩9.80784最大轉(zhuǎn)矩29.43920RV減速機對安裝精度、裝配密封以及養(yǎng)護等方面有著嚴格的要求?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)處RV減速機的安裝如下圖所示：電機安裝座的設(shè)計必須在公差范圍內(nèi)，要確保軸承擋圈碰不到電機安裝座。安裝時要精準，保證能夠穩(wěn)定工作；安裝減速機時，提前加入規(guī)定型號和規(guī)定量的潤滑脂；固定減速機的時候，要保證減速機兩輸出軸的緊密連接；將輸出軸的螺栓擰緊時，要按照要求選擇緊固扳手，以保證減速機的精度；裝配腕部關(guān)節(jié)時，為了保證伺服電機和減速機之間能夠密封，我們選擇使用唇形密封圈，以達到裝配要求。按照輸出軸形式的不同，我們可以把伺服電機分為：直軸、不帶鍵槽的伺服電機和直軸、帶鍵槽以及螺孔的伺服電機。第一種伺服電機要配套使用相應(yīng)的聯(lián)軸器，因為構(gòu)型松散，所以維護起來有一定的難度，并不適合在碼垛機械手上使用。所以我們選擇第二種伺服電機，這種伺服電機不需要額外的聯(lián)軸器來傳遞轉(zhuǎn)矩，并且結(jié)構(gòu)簡單。為了保證電機能夠正常工作，我們要定期更換電機的潤滑油，所以設(shè)置了更換潤滑油的裝置。在RV減速機中裝有主軸承，它的作用相當于其它減速機在連接關(guān)節(jié)時使用到的交叉滾子軸承，這種結(jié)構(gòu)使得RV減速機的體型變得小巧、緊湊。圖3-4為伺服電機和減速機在關(guān)節(jié)處的安裝示意圖。圖3-4回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T軸電機和減速機的安裝示意圖3.3.3旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的設(shè)計計算腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的伺服電機所承載的轉(zhuǎn)動慣量是整個機械手工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量，所以只需求出機械手最大負載轉(zhuǎn)動慣量即可。我們?nèi)≈鳂?gòu)架、大臂、小臂和腕部在各關(guān)節(jié)軸心處的轉(zhuǎn)動慣量分別為、、、，由平行軸定理，求得：其中，、、、分別為上述各部件的大致重量，它們的重量可以通過在Solidworks中建模初步計算出來。主構(gòu)架上還裝有大臂和小臂的驅(qū)動裝置以及傳動裝置，腕部還裝有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置以及傳動裝置，同時還有載荷的重量，所以必須把它們都考慮進來。通過計算，我們得到：，，，。、、、是上述各部分的質(zhì)量中心到腰部旋轉(zhuǎn)軸線的距離。查閱相關(guān)資料，可知：，，，所以我們可以把、、忽略不計。腰部的質(zhì)量中心在其關(guān)節(jié)的軸線上，所以。在Solidworks中我們可以得到各部件質(zhì)量中心的位置，其中、、；同時還能夠得到各部件繞各自質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動慣量。腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的等效轉(zhuǎn)動慣量為：腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的速度與加速度的分別為：上式中，為S軸的額定轉(zhuǎn)速，為S軸的角加速度。轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的慣性力矩與角加速度成正比，由公式得：初步選擇安川公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)型伺服電機，型號為：SGMSV－50A，瞬時最大轉(zhuǎn)矩為47.6，額定轉(zhuǎn)矩為15.8，最高轉(zhuǎn)速5000，額定轉(zhuǎn)速3000，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為，額定輸出功率為5.0KW。減速機選用納博特斯克公司生產(chǎn)的RV－320C，減速比為35.61:1，輸出轉(zhuǎn)矩為3538，啟動、停止容許轉(zhuǎn)矩為，最大容許轉(zhuǎn)矩為39200，減速機輸入軸慣性力矩為68×。通過轉(zhuǎn)換，可以得到電機端的轉(zhuǎn)動慣量：根據(jù)下面的公式，求出相應(yīng)的比值：機械手系統(tǒng)對慣量匹配的要求是上式比值小于15，上式比值為12.9，符合要求，即慣量得到匹配。轉(zhuǎn)速為時，所選減速機的傳動效率為0.99，根據(jù)公式計算，可得：伺服電機能夠提供到減速機末端的轉(zhuǎn)速為：通過比較伺服電機供給到減速機末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機供給到減速機末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機以及減速機是匹配的。表3-3給出了S軸電機和減速機的參數(shù)。表3-3腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的電機及減速機的參數(shù)伺服電機RV減速機型號SGMSV－50ARV－320C額定功率5－額定轉(zhuǎn)速3000－轉(zhuǎn)動慣量14.568減速比－35.61最大轉(zhuǎn)速500025額定轉(zhuǎn)矩15.83538最大轉(zhuǎn)矩47.639200本文設(shè)計的碼垛機械手在選擇腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動裝置時，選用了RV減速機的C系列。相比于E系列RV減速機，C系列的RV減速機具有以下特點：C系列的RV減速機采用特殊的中空構(gòu)造，減速機內(nèi)部能夠放置電纜，這樣可以充分利用多余的部分，使減速機的內(nèi)部構(gòu)造變得更加緊密；C系列的RV減速機將壓力角球軸承安放在里面，和E系列的RV減速機比較，C系列減速機選用的軸承級別要大，這種構(gòu)造優(yōu)化了減速機承擔載荷的能力，同時也提高了減速機自身的剛性強度，使用更加可靠。采用這種結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部所需組件的數(shù)量，從而降低了生產(chǎn)成本，便于減速機的安裝和維護。圖3-5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸減速機的安裝示意圖上面我們已經(jīng)對碼垛機械手腰部關(guān)節(jié)和腕部關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置以及傳動裝置的選型進行了詳細的說明，但是相比于上面兩個關(guān)節(jié)的選型，大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)的選型就顯得繁瑣。利用轉(zhuǎn)動慣量求取驅(qū)動力矩的辦法并不適用在這兩個關(guān)節(jié)的選型上。為了保證選型的準確性，達到設(shè)計的準確性，同時為了降低選型計算的難度，所以下一節(jié)我們將通過牛頓-歐拉公式遞推的辦法來選取大、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動裝置以及減速裝置。3.3.4旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)L軸驅(qū)動系統(tǒng)的選型計算通過牛頓-歐拉公式遞推的原理，我們得到大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的最大驅(qū)動力矩為。通過得到的力矩可以選擇出大臂關(guān)節(jié)處的伺服電機和減速機。表2-4給出了L軸電機和減速機的參數(shù)。表3-4L軸電機及減速機的參數(shù)由上表可得：減速機輸出轉(zhuǎn)矩為：減速機輸出額定轉(zhuǎn)速：通過比較伺服電機供給到減速機末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機供給到減速機末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機以及減速機是匹配的。3.3.5U軸驅(qū)動系統(tǒng)的選型計算通過牛頓-歐拉公式遞推的原理，我們得到大臂關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動力矩為。通過得到的力矩可以選擇出大臂關(guān)節(jié)處的伺服電機和減速機。表2-5給出了U軸電機和減速機的參數(shù)。表3-5U軸電機及減速機的參數(shù)伺服電機RV減速機型號SGMGV－44ARV－160E額定功率4.4－額定轉(zhuǎn)速1500－轉(zhuǎn)動慣量760.151減速比－101最大轉(zhuǎn)速300045額定轉(zhuǎn)矩28.41568最大轉(zhuǎn)矩71.17840由上表可得：減速機輸出轉(zhuǎn)矩為：減速機輸出額定轉(zhuǎn)速：通過比較伺服電機供給到減速機末端的角速度和腕部關(guān)節(jié)額定角速度的大小，以及伺服電機供給到減速機末端的最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩的大小，我們可以得到下面的結(jié)果：所選擇的伺服電機以及減速機是匹配的。下圖為L軸和U軸的電機和減速機的安裝示意圖。圖3-6L軸和U軸關(guān)節(jié)電機減速機的安裝示意圖3.4本章小結(jié)這一章主要確定了碼垛機械手的主要技術(shù)參數(shù)，簡要介紹了用于工業(yè)機器人的驅(qū)動電機和減速機的類型以及特點，同時選擇了適合碼垛機械手的類型。之后對碼垛機械手的整體構(gòu)造進行了說明，通過采用平行四邊形機構(gòu)來使末端執(zhí)行器的軸線能夠永久與地面保持豎直。最后對碼垛機械手驅(qū)動系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計計算。4RV減速機的設(shè)計4.1RV減速機的傳動原理RV傳動是由兩部分組成的：一部分是漸開線齒輪傳動，另一部分是擺線針輪傳動。采用RV傳動的傳動方式可以使減速機的構(gòu)造變得緊密，有利于減小減速機的整體尺寸，降低減速機的質(zhì)量。此外，RV傳動具有傳動效率高，傳動范圍大的優(yōu)點。目前，RV傳動在工業(yè)機器人行業(yè)非常受歡迎，受到國內(nèi)為工業(yè)機器人制造商的重視。RV減速機在碼垛機械手的腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及大、小臂的驅(qū)動等精密傳動的地方起著尤為重要的作用。下圖為RV減速機的傳動簡圖。1.太陽輪2.行星輪3.偏心軸4.擺線輪5.針齒6.輸出軸7.針齒外殼圖4-1RV減速機的傳動簡圖如圖4-1所示，輸入軸驅(qū)動太陽輪轉(zhuǎn)動，太陽輪反向自轉(zhuǎn)，同時帶動行星輪繞輸入軸公轉(zhuǎn)。行星輪與曲柄軸相互連接，從而帶動擺線輪的轉(zhuǎn)動。兩個擺線輪的相位相差180°。擺線輪與固定的針輪嚙合，同時帶動三根安裝在擺線輪上的曲柄軸轉(zhuǎn)動，從而帶動輸出機構(gòu)向外輸出動力。RV減速機的傳動比為：上式中，－中心齒輪數(shù)；－行星齒輪數(shù)；－針輪齒數(shù)。4.2RV傳動的特點傳動效率高；傳動比范圍大；傳動精度高，間隙??；扭轉(zhuǎn)剛度大。4.3傳動比的分配RV減速機由圓柱齒輪減速裝置和擺線針輪行星減速裝置兩部分構(gòu)成。將4-1的傳動簡圖進一步簡化，可得下圖：圖4-2RV傳動的結(jié)構(gòu)簡圖計算RV減速機的傳動比：當RV減速機剛輪固定，輸出盤6輸出時：聯(lián)立以上三式，即得RV傳動的傳動比計算公式：式中，—漸開線中心輪齒數(shù)；—漸開線行星輪齒數(shù)；—擺線輪齒數(shù)；—針輪齒數(shù)本文設(shè)計的RV減速機減速比為50，初步分配齒數(shù)如下：4.4中心輪和行星齒輪的設(shè)計（1）零件材料以及熱處理方法的選擇：中心輪：40Cr調(diào)質(zhì)，硬度為240～280HBW；行星輪：40Cr調(diào)質(zhì)，硬度為220～250HBW；齒輪齒數(shù)的確定（3）齒輪模數(shù)的確定根據(jù)齒根彎曲強度進行設(shè)計：上式中各計算數(shù)值的確定如下：查閱資料，得齒輪的彎曲疲勞強度：查閱資料，得彎曲疲勞壽命系數(shù)：彎曲疲勞許用應(yīng)力的計算查閱資料，取彎曲疲勞應(yīng)力安全系數(shù):得：載荷系數(shù)的計算查閱資料，得：使用系數(shù)動載系數(shù)齒間分布系數(shù)齒向分布系數(shù)所以載荷系數(shù)：查閱資料，得齒形系數(shù)：查閱資料，得應(yīng)力校正系數(shù)：計算的值并比較大小行星輪傳遞轉(zhuǎn)矩的計算設(shè)計計算取m=1.5。得行星輪的分度圓直徑:齒寬：齒面接觸疲勞強度的校核查閱資料，得齒面接觸應(yīng)力：上式中，-材料彈性系數(shù)-節(jié)點區(qū)域系數(shù)-載荷系數(shù)-行星輪間載荷分配不均勻系數(shù)-行星輪分度愿直徑-行星輪傳遞的轉(zhuǎn)矩-齒寬-齒數(shù)比查閱資料，得：材料的彈性系數(shù)：節(jié)點區(qū)域系數(shù)：載荷系數(shù)：K=1.566載荷分配不均系數(shù)：KHp=1.85易得：查閱資料，得許用接觸應(yīng)力：查閱資料，得：接觸疲勞強度極限σH1im=600MPa壽命系數(shù)工作硬化系數(shù)尺寸系數(shù)Zx=1安全系數(shù)S=1.05得許用接觸應(yīng)力：由于：所以，接觸疲勞強度滿足設(shè)計要求。齒輪幾何尺寸的設(shè)計計算計算分度圓直徑d=m×=1.5×39=58.5mm=m×=1.5×61=91.5mm計算齒頂圓直徑=×m=1.5mm=+2=58.5+3=61.5mm=+2=91.5+3=94.5mm計算齒根高=（+）*m=1.25m=1.875mm計算齒根圓直徑=-2=58.5-3.75=54.75mm=-2=91.5-3.75=87.75m計算齒寬=×=0.34×58.5=20mm=+5=20+5=25mm計算中心距=m/2(+)=1.5/2×(61+39)=75mm4.5本章小結(jié)本章主要介紹了RV傳動的原理以及特點，初步分配了傳動比，之后對RV減速器的設(shè)計進行了詳細的計算說明。最后對計算結(jié)果進行了驗證，確定了最終的參數(shù)。5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)行星齒輪的設(shè)計計算5.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)行星齒輪的方案設(shè)計為了滿足設(shè)計和使用的要求，這里我們選用立式一齒差行星齒輪減速器（不帶電機）作為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的傳動裝置。因為減速機的傳動比，所以采用N型減速器的形式進行設(shè)計。使用條件為連續(xù)傳動，而且對傳動效率有較高的要求，所以輸出機構(gòu)采用孔銷式輸出機構(gòu)－類似于平行四邊形機構(gòu)。由行星輪輸出，內(nèi)齒輪固定不動。5.2少齒差內(nèi)齒輪副的設(shè)計計算（1）內(nèi)、外齒輪齒數(shù)的設(shè)計計算作為太陽輪與底座固連的內(nèi)齒輪2不做轉(zhuǎn)動，在結(jié)構(gòu)上對稱布置的兩個外齒輪1作為行星輪自轉(zhuǎn)，并且繞著內(nèi)齒輪2做公轉(zhuǎn)運動。行星架作為高速軸輸入，繞其轉(zhuǎn)動中心自轉(zhuǎn)的行星輪作為低速軸輸出。上一節(jié)的設(shè)計方案中，少齒差行星齒輪減速器的齒差數(shù)為1，傳動比。查閱資料，行星齒輪的傳動比：取齒輪2和齒輪1的齒數(shù)差為1，那么由上面的行星齒輪傳動比的計算公式可得，，。（2）壓力角的選取。按照標準壓力角選取。（3）齒頂高系數(shù)的選取。。（4）變位系數(shù)的選取。初選外齒輪1的變位系數(shù)為。查閱資料，可知：上式中，那么：化簡，得內(nèi)齒輪變位系數(shù)：初步選取，那么：下列各項均按進行試算。（5）計算標準中心距查閱資料，可得：（6）計算中心距根據(jù)中心距公式，求得：（7）計算嚙合角根據(jù)中心距公式：求得：（8）計算中心距分離系數(shù)根據(jù)中心距分離系數(shù)公式，求得：（9）計算反變位系數(shù)根據(jù)反變位系數(shù)公式，求得：(10)計算內(nèi)、外齒輪的分度圓半徑計算外齒輪分度圓半徑：計算內(nèi)齒輪分度圓半徑：（11）計算內(nèi)、外齒輪的基圓半徑計算行星外齒輪1的基圓半徑：計算內(nèi)齒輪2的基圓半徑：（12）計算內(nèi)、外齒輪的齒頂圓半徑計算行星外齒輪1的齒頂圓半徑：計算內(nèi)齒輪2的齒頂圓半徑：（13）計算內(nèi)、外齒輪的齒頂壓力角根據(jù)下列公式，計算外齒輪的齒頂壓力角：根據(jù)下列公式，計算外齒輪的齒頂壓力角：（14）計算重合度根據(jù)重合度計算公式，可得因為，所以不需要重新計算。（15）齒廓重疊干涉的驗算根據(jù)公式，可得：上式中，由計算結(jié)果可知：不會發(fā)生齒廓重疊干涉，即滿足齒廓重疊干涉的條件。（16）模數(shù)m的設(shè)計計算漸開線少齒差行星齒輪減速器中相互嚙合的兩個內(nèi)外齒輪，它們的齒廓曲率中心位于同一方向。因為兩個齒輪的齒廓曲率半徑幾乎相等，所以它們有比較大的接觸面積，它們的接觸應(yīng)力就相對的小。相比于其它減速器，這種就不需要驗算接觸應(yīng)力，只要對彎曲強度進行計算，這里根據(jù)彎曲強度公式進行設(shè)計計算。齒輪為直齒時，根據(jù)計算得到的齒根彎曲應(yīng)力，可以得出輪齒彎曲的強度條件：上式中，—齒根彎曲應(yīng)力，MPa—齒寬，mm—分度圓上的圓周力，N—模數(shù)，mm—齒寬載荷分配系數(shù)—輪齒載荷分配系數(shù)—齒形系數(shù)—動載系數(shù)—使用系數(shù)內(nèi)齒輪2和行星外齒輪1在傳動過程中的許用齒根彎曲應(yīng)力，可以通過下面的公式進行計算：上式中，—實驗齒輪的彎曲極限應(yīng)力，MPa—應(yīng)力集中系數(shù)—齒根彎曲強度最小安全系數(shù)—尺寸系數(shù)—壽命系數(shù)—齒根圓角表面狀況系數(shù)根據(jù)上面的驗算公式，設(shè)齒寬系數(shù)為齒寬與小齒輪的分度圓直徑的比值，即，其中代入上面的驗算公式，得：上式中，—傳動過程中行星外齒輪1所傳遞的轉(zhuǎn)矩，?！X寬系數(shù)，這里取0.1~0.2。—外齒輪的齒數(shù)齒形系數(shù)的確定齒形系數(shù)出現(xiàn)在載荷作用在齒頂時，采用霍菲30o切線法來確定齒根彎曲強度的危險截面位置，因此可以用簡單的作圖法來求出任何漸開線齒形（標準的或特殊的）的齒形系數(shù)。根據(jù)下面的公式求出齒形系數(shù)：當行星外齒輪1的齒頂高系數(shù)為時，查閱資料，可得：。當內(nèi)齒輪2的齒頂高系數(shù)為時，查閱資料，可得：。2）確定載荷分配系數(shù)涉及總圓周力能否均等分配在幾對相嚙合齒輪上的問題時要使用載荷分配系數(shù)。因為少齒差行星齒輪減速器的側(cè)隙很小，所以當齒輪受力時會發(fā)生彈性變形，此時多對齒輪同時接觸，進行傳動。在計算強度的時候，可以假設(shè)實際的重合度為2，且由兩對齒輪承擔載荷，這里可以取。3）確定使用系數(shù)涉及外部附加動載荷對齒輪強度的影響以及工作條件的問題時要用到使用系數(shù)。工作機械和原動機的質(zhì)量、特性、工作條件以及聯(lián)軸器等關(guān)系到使用系數(shù)的大小。所設(shè)計的減速器動力源為電動機，且在正常狀態(tài)下能夠平穩(wěn)工作，查閱相關(guān)資料，選取使用系數(shù)。4）確定動載系數(shù)保持瞬時傳動比是常數(shù)的前提是：齒廓是理想漸開線，并且要求嚙合尺寸絕對準確。在實際制造齒輪的過程中難免會產(chǎn)生各種不希望有的變形以及制造誤差等。其結(jié)果是，會使齒輪在嚙合的過程中承受附加動載荷?？紤]到在齒輪傳動的過程中，附加動載荷會對輪齒齒根彎曲應(yīng)力產(chǎn)生影響，進而引入了動載荷系數(shù)。周節(jié)誤差、齒輪的剛度、齒形誤差、圓周速度、整個傳動系統(tǒng)以及內(nèi)外齒輪的額定載荷、質(zhì)量及軸承的剛度等是影響傳動過程中動載荷系數(shù)的主要因素。這里我們初步設(shè)定圓周速度為：。并且由設(shè)計需要和相關(guān)要求我們選取傳動過程中齒輪的平穩(wěn)性精度為7級。查閱相關(guān)資料，選取。5）確定齒寬載荷分布系數(shù)齒寬載荷分布系數(shù)是考慮到齒寬上載荷分布對齒根彎曲應(yīng)力所造成的影響而引入的，目的是用來修正它對設(shè)計參數(shù)影響。影響齒寬載荷分布系數(shù)的主要因素有：齒輪的剛度、軸心線的不平行度及歪斜度、齒向誤差、齒輪的相對寬度、安裝精度、箱體、軸和齒輪體的變形等。由于在齒數(shù)差為1的少齒差行星齒輪減速器中，齒輪布置在兩個軸承之間，并且齒寬系數(shù)，因此我們近似的選取。6）計算許用齒根彎曲應(yīng)力根據(jù)下面的公式計算許用齒根彎曲應(yīng)力：根據(jù)需求選用行星外齒輪1的材料為40Cr，熱處理方法為：經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后進行表面淬火，其布氏硬度可以達到241-286HBS，根據(jù)設(shè)計的需要這里我們?nèi)⌒行峭恺X輪1的布氏硬度為280HBS；根據(jù)設(shè)計要求和傳動的需要選用內(nèi)齒輪2的制造材料為45鋼，熱處理方法為：經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后進行表面淬火，其布氏硬度可以達到217-255HBS，在這我們選取外齒輪的布氏硬度為240HBS。根據(jù)調(diào)質(zhì)處理鋼的彎曲疲勞強度圖，分析可得：行星外齒輪1的彎曲極限應(yīng)力，內(nèi)齒輪的彎曲疲度極限應(yīng)力為。，根據(jù)設(shè)計要求，我們選取。選取尺寸系數(shù)，考慮實驗齒輪齒根圓角的表面狀況與實際齒輪的不同對齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力系數(shù)的影響時，要用到齒根圓角表面狀況系數(shù)。通常狀況下，取齒差數(shù)為1的少齒差行星齒輪減速器的?？紤]設(shè)計壽命與齒根彎去疲勞強度值之間的關(guān)系時，要用到壽命系數(shù)。通常狀況下取齒差數(shù)為1的少齒差行星齒輪減速器的。那么：7）模數(shù)m的計算計算外齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：由上面的計算結(jié)果，參照標準模數(shù)表，我們選取。（17）計算實際中心距（18）計算內(nèi)、外齒輪的實際齒頂圓半徑外齒輪的實際齒頂圓半徑：內(nèi)齒輪的實際齒頂圓半徑：（19）計算內(nèi)、外齒輪的實際分度圓半徑外齒輪的實際分度圓半徑：內(nèi)齒輪的實際分度圓半徑：（20）選擇插齒刀1）插制外齒輪插齒刀的選用a.查閱相關(guān)資料，根據(jù)設(shè)計要求，初步選定最小變位系數(shù)。當選定的插齒刀齒數(shù)時，?。划斶x定的插齒刀齒數(shù)時，??；通過這種方式選擇的插齒刀最小變位系數(shù)，在制造齒輪的過程中，不會發(fā)生插制的行星外齒輪1根切的狀況。b.外齒輪不發(fā)生切頂狀況所要求最少齒數(shù)的確定。查閱相關(guān)資料，可知：當，，時，根據(jù)設(shè)計要求所選插齒刀的最少齒數(shù)為18；當，，時，根據(jù)設(shè)計要求所選插齒刀的最少齒數(shù)≧20。C.根據(jù)插齒刀最少齒數(shù)的要求，查閱相關(guān)資料，可得：當模數(shù)時，選用插齒刀的齒數(shù)為22。d.插齒刀刃磨后，工作狀態(tài)下的刀刃是否發(fā)生根切的驗算。查閱相關(guān)資料，可知：當插齒刀的齒數(shù)選取為22，變位系數(shù)選取為-0.315或-0.263時，會發(fā)生根切的狀況。不過只要在插制過程中插齒刀切削工作部分不發(fā)生根切，依然能夠加工出需要的齒廓。所以選取插齒刀的齒數(shù)為22時，只要刃磨到變位系數(shù)為-0.315或-0.263，根切就不會發(fā)生。e.選用結(jié)果通過上面的計算和分析，確定的插齒刀齒數(shù)和最小變位系數(shù)如下表所示：表5-1插制外齒輪的插齒刀參數(shù)2）插制內(nèi)齒輪插齒刀的選用A內(nèi)齒輪不發(fā)生切頂狀況所要求最少齒數(shù)的確定。查閱相關(guān)資料，可知：當，，，時，所選插齒刀的齒數(shù)及相應(yīng)的最大變位系數(shù)分別為：22和0.126。B.內(nèi)齒輪不發(fā)生漸開線干涉頂切所要求最少齒數(shù)的確定。查閱相關(guān)資料，可知：當時，根據(jù)設(shè)計要求所選的插齒刀的齒數(shù)≧16；當時，根據(jù)設(shè)計要求所選的插齒刀的齒數(shù)≧17。C.選用結(jié)果。根據(jù)上面的分析和驗算，可知選用的插齒刀齒數(shù)，以及最小和最大變位系數(shù)分別為：。3）利用同一把插齒刀來完成加工行星外齒輪1以及內(nèi)齒輪2的加工任務(wù)，其前提