100KG四自由度碼垛機器人底座設計及分析

魯東大學本科畢業(yè)設計PAGE2100KG四自由度碼垛機器人底座設計及分析摘要：本文主要設計和研究了一個抓重為100KG的四自由度的碼垛機器人，用于企業(yè)生產中的碼垛物品。首先對機器人的整體方案和具體的結構按要求進行了分析，接著主要設計了機器人底座和腰部結構并進行了建模和裝配。最后,利用分析軟件（UG）對機器人底座和腰部進行有限元仿真分析。關鍵詞：碼垛機器人；結構設計；建模；有限元分析DesignandAnalysisof100KG4-dofPalletizingRobotBase………（SchoolofTransportation，InstituteofTransportationMechanicalDesignManufacturingandAutomation，jixieben1104，20112814726）Abstract:Inthispaper,thedesignandresearchofacatchweightof100KGof4-dofpalletizingrobotsfortheproductionofstackingitems.Atfirst,theoverallprogramandthespecificstructureoftherobotwereanalyzedaccordingtotherequirements,thenthemainworkistodesignthebaseandwaistoftherobotandcarryonthemodellingandanalyze.Finally,thispaperusestheanalysissoftware(UG)tomakefiniteelementanalysisofit.Keywords:Palletizingrobot；StructuralDesign；Modeling；FiniteElementAnalysis引言隨著科技的不斷發(fā)展和進步，企業(yè)越來越重視自動化生產。[1]在這種背景下，機器人的使用越發(fā)普及，碼垛機器人就是其中之一。效率高，適用性強，能耗低，占地面積少等諸多優(yōu)勢讓它在各個領域大放異彩。課題的設計內容本設計主要是研究碼垛機器人的結構設計，尤其是底座和腰部設計，主要工作內容有以下幾點:1.了解碼垛機器人發(fā)展近況以及未來發(fā)展方向，并掌握碼垛機器人的基本構成部分。2.對碼垛機器人的底座和腰部進行設計。機器人腰部旋轉部分電機和減速器的選擇和校核以及結構的設計。3.用UG進行三維模型設計。設計底座和腰部的三維模型，并將設計好的底座和腰部進行裝配。4.利用UG對主要受力構件進行有限元分析。碼垛機器人總體結構本課題設計的碼垛機器人屬于關節(jié)型機器人，共有四個自由度，分別是底座1的旋轉，大臂2和小臂3的轉動，還有前爪4的旋轉?？傮w結構如圖3-1所示。圖3-1碼垛機器人結構碼垛機器人底座和腰部設計腰部電機和減速器的選擇Tem=3000N·m<3920N·m（RV-80E減速器的瞬時最大允許轉矩）求出主軸承承載力（4-9）外部負載條件W1=500NL1=0.5mW2=2000NL3=0.5m求出力矩剛度求出輸出軸偏角是否符合要求的規(guī)定值（4-10）表4-2減速器彎矩剛性和軸端尺寸型式彎矩剛性Nm/arc.min.※3尺寸(mm)abRV-6E11717.691.6RV-20E37220.1113.3RV-40E93129.6143.7RV-80E※1117633.4166.0RV-80E※2117637.4166.0RV-110E147032.2176.6RV-160E294047.8210.9RV-320E490056.4251.4RV-450E744869.0292.7式中MT為彎矩剛性，查表4-2，得MT=1176N·m=0.58(分)<1(分)符合要求。求出外力矩（b.a從表4-2查得）（4-11）（4-12）(允許彎矩從表4-3查得)型式允許彎矩Nm允許軸向推力NRV-6E1961470RV-20E8823920RV-40E16665194RV-80E※121567840RV-80E※217357840RV-110E294010780RV-160E392014700RV-320E※1705619600表4-3減速器允許彎矩和允許軸向推力減速器RV-20E滿足所有要求規(guī)格，因此選定RV-80E-10。底座和腰的結構設計底座的設計底座部分要支撐腰部以上包括大臂小臂和100KG負重等所有重量，所以在設計結構方面首先考慮的是它的穩(wěn)定性和堅固性。在參考了一系列的文檔資料后，決定用圓臺作為主模型，然后將用于腰部旋轉的電機和減速器全都固定在底座上，進一步加強穩(wěn)定性。底座結構如圖4-1所示。圖4-1底座的結構設計工程圖如4-2所示。4-2碼垛機器人底座設計工程圖腰部的設計本文設計的碼垛機器人腰部有兩方面作用，一是通過底座的電機連接減速機，減速器又與腰部相連，進而帶動腰部實現360°旋轉；二是在腰部上端是與大臂相連的結構，連接部分也是利用電機與減速機的結合，最終實現大臂一定角度的轉動。因此，在設計腰部的時候，其基本要求如下：1.高精度。為了腰部在平穩(wěn)運動時能保持較高的定位精度，所以碼垛機器人的精度也很重要。2.高強度。腰部的上端支撐著包括大臂，小臂前爪以及抓重物等所有的重量，為了保證在如此負重之下腰部還能正常運動而且不會影響精度，這就對腰部的強度有了很大的要求。3.輕重量。為了降低碼垛機器人的重心，提高運動速度，還要減小整個腰部對于回轉軸的轉動慣量，腰部的設計在強度滿足條件的情況下要盡量減輕重量。4.良好的導向性。為了確保腰部的旋轉不會影響到大臂的運動，所以良好的導向性也是十分必要的。腰部結構設計如圖4-3所示。圖4-3碼垛機器人腰部結構設計其工程如圖4-4所示。圖4-4碼垛機器人腰部設計工程圖底座和腰部的裝配裝配如圖4-5所示。、圖4-5碼垛機器人底座腰部裝配圖碼垛機器人裝配剖面圖如圖4-6所示。圖4-6碼垛機器人裝配剖面圖UG有限元分析對底座的有限元分析UG有限元分析結果底座有限元分析結果如表5-1，圖5-1，圖5-2和圖5-3所示。表5-1碼垛機器人底座有限元分析載荷工況1:NumberofIterations=1位移(mm)應力(mN/mm^2(kPa))XYZMagnitudeVon-MisesMinPrincipalMaxPrincipalMaxShear靜態(tài)步長1Max3.685e-0048.906e-0048.904e-0049.554e-0047.953e+0021.264e+0014.924e+0024.409e+002Min-1.253e-006-8.904e-004-8.904e-0040.000e+0005.325e-001-6.975e+002-9.231e+0012.966e-001圖5-1底座未受力時網格劃分圖5-2底座有限元分析-位移變化圖5-3底座有限元分析-應力變化圖表分析表5-1是底座在受力情況下所產生的位移和應力變化?？梢院芮宄目吹降鬃谑芰r分別在X,Y,Z軸產生的最大位移量和應力的極限變化。圖5-2形象的表示了底座受力時各部分的位移變化情況?？梢钥闯龅鬃芰r，最上端發(fā)生的位移量最大，然后之上往下逐漸遞減，到了最低端幾乎沒有位移變化。圖5-3則形象的表示了底座受力時各部分的應力情況?？梢钥闯龅鬃芰r，最大應力出現在底座下端的圓臺結構和上端的圓柱結構的交匯處，然后分別向上下遞減。對腰部的有限元分析UG有限元分析結果有限元分析結果如表5-2，圖5-4，圖5-5和圖5-6所示。表5-2碼垛機器人腰部有限元分析載荷工況1:NumberofIterations=1位移(mm)應力(mN/mm^2(kPa))XYZMagnitudeVon-MisesMinPrincipalMaxPrincipalMaxShear靜態(tài)步長1Max4.964e-0022.014e-0031.490e-0027.255e-0025.357e+0032.048e+0035.008e+0032.921e+003Min-5.565e-002-5.129e-002-2.798e-0020.000e+0006.015e-001-8.534e+003-3.621e+0033.059e-001圖5-4腰部未受力時網格劃分圖5-5腰部有限元分析-位移變化圖5-6腰部有限元分析-應力變化圖表分析表5-2是腰部在受力情況下所產生的位移和應力變化?？梢院芮宄目吹窖吭谑芰r分別在X,Y,Z軸產生的最大位移量和應力的最大和最小極限變化。圖5-2形象的表示了腰部受力時各部分的位移變化情況。可以看出腰部受力時，最上端發(fā)生的位移量最大，然后之上往下逐漸遞減。圖5-3則形象的表示了腰部受力時各部分的應力情況?？梢钥闯龅鬃芰r，最大應力出現在腰部最下端的中間部分，然后自下而上逐漸遞減?？偨Y經過此次關于碼垛機器人的設計，我了解和學會了很多東西：1.切實體會到了學以致用的含義。畢業(yè)設計之前我一直以為自己在學校已經學了很多知識，就算出了校門我也可以輕而易舉的解決那些機械問題。但這次真正讓我做這個碼垛機器人的時候我才發(fā)現自己真是一個井底之蛙。學到的知識不能單單的去說，而是要腳踏實地的去動手實踐。只有自己親自動手，才能真正理解那些課堂上所講的，自己所學的和自己將要學的都是什么。2.通過對于碼垛機器人的設計和研究，我也看到了我國機械自動化生產的飛速發(fā)展，和未來發(fā)展方向。從無到有，從落后到先進，我國自動化的發(fā)展十分迅速，自動化的覆蓋范圍已經十分廣闊，為人們的生產加工提供了非常便捷的條件。當然還存在很多問題，這都需要我們這一代人去努力和奮斗，同時也能實現自己的人生價值。MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc參考文獻[1]張楊林.國內工業(yè)機器人市場及發(fā)展趨勢[Z].大眾科技，2006（6）：191~192.[2]孫潔、李倩.四軸碼垛機器人的機構設計及運動分析[Z].山東科學，2011（6）：97~101.[3]劉建華、任義磊主編.機械設計課程設計第二版[M].北京：電子工業(yè)出版社.2013.1.[4]張新偉.四自由度機器人控制系統(tǒng)設計[R].內蒙古：內蒙古工業(yè)大學，2010.[5]何銘新.機械制圖[M].北京：高等教育出版社,2010.[6]王伯平主編.互換性與測量技術基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.12[7]單輝祖主編.材料力學（1）第二版[M].北京：高等教育出版社，2004.8.[8]王亮申主編.三維數字設計與制造：UGNX操作與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.3.MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc致謝時光荏苒，大學四年就這樣即將匆匆的結束了?；厥姿哪甑拇髮W生活，充滿了酸甜苦辣，無助過但也得助過，放棄過但也堅持過，但是總是難忘的。在我即將踏上一個新的征程的日子里，我尤其要感謝我的畢業(yè)設計指導老師—劉長霞老師。從我一開始的選題，到撰寫開題報告，再到學年論文的撰寫，最后到本畢業(yè)設計的完工，劉長霞老師在這段時間里給予了我莫大的幫助，在我沒有頭緒的時候，她幫助我理清了寫作思路；