畢業(yè)設計（論文）-真空吸附式吸盤紙箱碼垛機器人設計

PAGEPAGE1吸盤式紙箱碼垛機摘要機械手是一種主體獨立、運動自由度高、程序轉(zhuǎn)換靈活、任意定位、自動化程度高的自動化機械。與人類相比，它移動速度更快，可以攜帶更重的物體，并且具有較高的定位精度，它可以根據(jù)外部信號自動執(zhí)行各種操作，可以擴展人類活動的范圍，機械手在人工智能中扮演著重要的角色。機械手是典型的機電產(chǎn)品，機械手的研究需要機械、電子、信息學和計算機知識的結(jié)合又稱為工業(yè)機器人，兼具高效率、連續(xù)性、精確性和靈活性等特性，可以與人在車間協(xié)同作業(yè)，成為集物料緩存、搬運、上下料等功能為一體的機器，可以取代大部分轉(zhuǎn)運、上下料等工作。本文設計吸盤式紙箱碼垛的機械臂，估算各關節(jié)所需的扭矩和功率，完成電機的選擇、相關參數(shù)的計算，校核機構(gòu)中重要部件的強度，完成了機械手部件的總體設計和裝配。機械臂設計符合要求，為包括快遞行業(yè)、建材等需要實現(xiàn)碼垛操作的行業(yè)提供一款節(jié)省人力及時間的勞動工具，具有一定的實用價值。關鍵詞：可移動；搬運機械手，結(jié)構(gòu)分析；電機選型；SolidworksSuctioncuptypepaperboxstackerAbstractManipulatorisatypicalmechanicalandelectricalproduct,thestudyofmanipulatorneedsthecombinationofmechanical,electronic,informaticsandcomputerknowledge.

Compoundmainlyusedinmobilerobotissmall,lightloadcollaborativemechanicalarm,withhighefficiency,continuity,accuracy,flexibilityandsecurity,canworktogetherintheworkshop,withpeopleintothecache,handling,loading,andotherfunctionsasoneofthemachines,canreplacemostofthetransportandloadingtheboringwork.

Themovementmentionedinthisarticlerefersonlytoground-basedsystems,nottoairborneoraquaticmachines.

Inaddition,somemobileplatformsarealsoexcluded,suchasmannedforklifts.

Remote-controlledorremotelyoperatedmobilesystemsandon-trackmobilesystemssuchasgantryrobotsarealsoexcluded.

Thispaperdesignsamobilehandlingmanipulator,completestheoverallassemblydesignanddesignofthemanipulatorcomponents,completesthemechanicalanalysisofthemanipulatormodel,estimatesthetorqueandpowerrequiredbyeachjoint,andcompletestheselectionofthemotor.

Secondly,thejointstructureofthemanipulatorisdesigned,andthestrengthoftheimportantconnectingpartsinthemechanismischecked.

Keywords:Mobile;

Handlingmanipulator,Structureanalysis;

Motorselection;

Solidworks

PAGEPAGE1目錄TOC\o"1-3"\h\u29376第一章緒論 1240251.1課題背景 1137771.2機械手的國內(nèi)外現(xiàn)狀 24601.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 28021.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 4277761.3本文研究內(nèi)容及解決問題 5206631.4.1研究內(nèi)容 5188921.4.2擬解決的主要問題 56480第二章機械臂的總體方案設計 7139992.1設計要求與技術(shù)條件 7179822.1.1設計要求 7323172.1.2技術(shù)條件 723462.2機械手臂的類型與結(jié)構(gòu)分析 8232562.2.1機械臂的種類 8114882.2.2驅(qū)動方式的選型 10179882.2.3機器人系統(tǒng)組成 10239562.3結(jié)構(gòu)組成及方案 10305572.3.1末端執(zhí)行器 10113322.3.2臂部及底座 11252062.3.3B-B腕部 13281882.4.2機械手機械傳動原理 14311422.4本章小結(jié) 1424584第三章臂部結(jié)構(gòu)及底座設計 1552653.1設計要求及參數(shù)來源 15306853.1.1臂部設計要求 15254583.1.2組件的質(zhì)量估算 15224613.2臂部轉(zhuǎn)動電機的確定 17121383.2.1伺服/步進電機確定 17157783.2.2電機及減速器的選型 20313383.3機座傳動系統(tǒng)的設計 21225793.3.1電機選型 21253833.3.2蝸桿傳動的計算 2229519第四章軸系的設計校核 2656284.1蝸桿蝸輪軸系的設計校核 26168874.1.1結(jié)構(gòu)尺寸確定 2665744.1.2蝸輪軸的強度校核 27308454.1.3蝸桿軸的設計 30326144.2相關零件的強度校核 31166674.2.1鍵連接的強度校核 31305584.2.2軸承壽命校核 3198294.2.3螺栓強度校核 3261614.3本章小結(jié) 3210805第五章腕部及末端執(zhí)行器的設計 33215005.1腕部電機選型 33135675.1.1腕部負載計算 33148815.1.2電機選型 34104105.2腕部傳動系統(tǒng) 35163685.2.1減速系統(tǒng)方案 35315955.2.2齒輪的基本參數(shù)確定 3618665.2.3按齒面接觸疲勞強度設計 3787495.2.4按齒根彎曲疲勞強度校核 39270575.3基于Solidworks的機器人建模 403983總結(jié)與展望 426629總結(jié) 4229570展望 4230590參考文獻 432306致謝 45PAGEPAGE1第一章緒論1.1課題背景機械手是目前應用廣泛的一種機械設備，可以執(zhí)行自動化處理操作的工業(yè)機器人，可以配備不同的末端執(zhí)行器，以完成不同的工程作業(yè)，從而減少了勞動力，碼垛機器人應用于工業(yè)生產(chǎn)和快遞，是一種能夠進行自動搬運的工業(yè)機器人[1][2]。機械手是現(xiàn)代自動控制領域中的新興高科技，涉及機械、電氣、氣壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)和計算機技術(shù)等學科，已成為現(xiàn)代機械制造的生產(chǎn)體系的重要部分。它的優(yōu)點是可以通過編程來完成各種預期的任務，并且在人機結(jié)構(gòu)和性能方面都有自己的優(yōu)勢，尤其體現(xiàn)了人工智能和適應性。機械臂除了極大地提高了生產(chǎn)效率，還能代替人員在更加惡劣和危險的作業(yè)環(huán)境下工作，優(yōu)勢突出。圖1-SEQ圖\*ARABIC1物料碼垛機械手機器人處理的優(yōu)點是可以通過編程完成各種預期的任務，它在自身的結(jié)構(gòu)和性能上具有人機交互的優(yōu)勢，尤其體現(xiàn)了人工智能和適應性，與傳統(tǒng)的人工物料碼垛相比，現(xiàn)代機器人碼垛具有許多優(yōu)勢，例如：①改善物流管理，使陳列更加整齊有序；②長途運輸，建立運輸線，保持長途運輸和加工；③特殊的工作環(huán)境，在不適合人員或有潛在安全隱患的環(huán)境中工作；④成本控制，可以節(jié)省大量的人工，快速收回投資；⑤安全，遇到障礙物等時很容易受傷，但機器人不會。1.2機械手的國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀2020年9月，國內(nèi)鰲祺智能技術(shù)提供了碼垛機械手的系統(tǒng)，如圖1-2所示，可用于食品生產(chǎn)、裝卸、汽車制造等行業(yè)。其系統(tǒng)主要由機器人主體和末端執(zhí)行器兩部分組成，配備視覺識別系統(tǒng)：在工件上方豎立攝像機識別工件，以滿足生產(chǎn)場景的需求，例如分揀，組裝和無序抓取。圖1-SEQ圖\*ARABIC2鰲祺智能科技機器人2021年，國內(nèi)高科的張江設計的木蟻機器人，如圖1-3所示，以移動平臺與機械臂組合的方式，體型小巧，目前被主要運用廠房或倉庫。雖然體積小，自身只有50kg，但是負載特別大，能夠載重100kg物品并靈活運動，其在國內(nèi)的智能機器人表現(xiàn)中較為突出。圖1-SEQ圖\*ARABIC3國內(nèi)木蟻機械手由于國內(nèi)外的機械手發(fā)展已經(jīng)相對完善，木蟻提出了21世紀智能搬運物流體系，通過移動機器人增加各種不同設備之后，給整個生產(chǎn)、生活就帶來了很大的一個改變?？萍几淖兾锪?，期待隨著人工智能時代的來臨，物流搬運機器人的參與能夠幫助企業(yè)進一步調(diào)整方向，實現(xiàn)更快的發(fā)展。圖1-SEQ圖\*ARABIC4木蟻智能搬運體系2022年，凌科電氣設計的移動式機械臂，如圖1-5所示，將底盤與機械臂二者協(xié)同合作，集合了傳感技術(shù)、機器視覺和甚至人工智能AI等高新技術(shù)，在指令的引導下，可以精確地定位到指定位置進行作業(yè)。優(yōu)艾智合通過復合移動機器人搭載視覺感知與人工智能技術(shù)，與傳統(tǒng)AGV、機械臂相比，搬運移動機器人的技術(shù)更復雜，成本更高昂。針對復合移動機器人生產(chǎn)成本的限制，優(yōu)艾智合選擇以移動機器人底盤、協(xié)作機械臂、末端執(zhí)行器等組態(tài)化的技術(shù)方案來快速滿足多樣的客戶定制化需求。圖1-5凌科電氣設計的機械臂圖1-6優(yōu)艾智合復合移動機器人以優(yōu)艾智合設計的機器人來看，滿足無塵作業(yè)的同時適應現(xiàn)場復雜動態(tài)環(huán)境；集成搭載6軸協(xié)作機械臂，經(jīng)過二次定位后抓取精度優(yōu)于±1mm，集成升降機構(gòu)，抓取范圍覆蓋240mm-2500mm；擁有360°無死角安全防護、3D視覺檢測、聲光報警、主動避障等安全防護，保證安全高速平穩(wěn)運行；安全電池結(jié)構(gòu)設計，支持自動充電快速換電功能等功能，滿足全日及黑液的作業(yè)環(huán)境；并支持SEMI-E84、SEMI-E82等多種通訊協(xié)議。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀由美國設計的Verstran和unimate設計機械手作為世界第一款機械臂出現(xiàn)在1960年，而目前美國機械手技術(shù)的全球水平仍然處于世界前列，日本生產(chǎn)的機械手數(shù)量和類型處于世界前列[7]。國內(nèi)機械臂技術(shù)的發(fā)展始于20世紀70年代末，目前已經(jīng)掌握了機械臂設計和控制系統(tǒng)的基本技術(shù)。與國外相比，我國機械手技術(shù)及其應用水平仍存在較大差距，圖1.7和1.8分別是美國和日本搬運機器人的實物圖。圖1-7美國搬運抓取機器人圖1-8日本搬運運輸機器人德國生產(chǎn)Max300系列機器人，如圖1-9所示，體積更小、負載大，支持多階梯、跨樓層操作，視覺和激光導航的融合還使其能夠在任何環(huán)境變化下實現(xiàn)穩(wěn)定的定位和導航。另外，較為安全可靠，支持低障礙物和動態(tài)障礙物的檢測，并且滿足人車混合操作的需求，可以精確對接生產(chǎn)線上。圖1-9Max300系列機械手2020年，波士頓動力的Handle機器人，稱之為為“移動磚塊”的物流機器人，如圖1-10所示，它與自主移動機器人OTTO匹配并配備了視覺系統(tǒng)，Handle可以搬運重13.6kg的包裝箱，并可以堆放到1.7m的高度。圖1-10波士頓Handle機器人本文將參考國內(nèi)外現(xiàn)狀，設計一種巧妙的吸盤式碼垛機械手設備來模擬人類進行作業(yè)，它具備的子功能是：底座轉(zhuǎn)動、大臂升降，前臂旋轉(zhuǎn)與俯仰、末端吸盤的俯仰與轉(zhuǎn)動，用于碼垛紙箱等物料。1.3本文研究內(nèi)容及解決問題1.4.1研究內(nèi)容本文將基于主題內(nèi)容設計一種由電機驅(qū)動的吸盤式碼垛機械手，在查閱了機械手的相關材料之后，簡要介紹了機械手的一般功能、分類和組成，完成機械手詳細的設計和計算。在進一步了解之后，根據(jù)機械手各軸的執(zhí)行特性，針對對各軸和末端執(zhí)行機構(gòu)分別進行了詳細的設計計算，最后通過三維模型軟件Solidworks完成對整體模型的設計，通過參數(shù)優(yōu)化后，AutoCAD二維軟件進行裝配圖、零件圖的繪制，本文主要完成內(nèi)容如下：（1）針對吸盤式碼垛機械手進行設計計算；介紹了機械手的研究現(xiàn)狀以及本文的任務和要求；總體方案設計，完成各部分的總體方案設計；機械手底座、臂部的結(jié)構(gòu)設計與電機選型及校核；（2）利用三維軟件對主要零件進行三維建模并進行裝配；（3）利用CAD軟件完成裝配圖、部分零件工程圖的繪制；1.4.2擬解決的主要問題針對現(xiàn)有碼垛機器人的不足，提出以下幾條設計關鍵要素：1，降低碼垛機器人的設計成本，提高經(jīng)濟性；2，盡可能的增加對碼垛機器人的結(jié)構(gòu)強度，使其承載量大；3，在保證結(jié)構(gòu)完善的前提下，盡量優(yōu)化設計。本文的研究技術(shù)路線圖如圖1-11所示。找出相關找出相關碼垛機器人資料，了解設計的要點及其重點設計設計吸盤式碼垛機器人的整體結(jié)構(gòu)選擇合適的動力源及其重要結(jié)構(gòu)選擇合適的動力源及其重要結(jié)構(gòu)繪制繪制碼垛機器人的裝配圖、零件圖完成整個論文及其查重完成整個論文及其查重圖1-11研究技術(shù)路線圖

第二章機械臂的總體方案設計2.1設計要求與技術(shù)條件2.1.1設計要求系統(tǒng)工程認為，機械手的整體結(jié)構(gòu)應作為一個整體來研究，系統(tǒng)內(nèi)部部件與外部環(huán)境之間的有機關系以及系統(tǒng)外部環(huán)境的綜合設計方法應予以研究。從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，應具有以下特點：整體性：由多個性能不同的子系統(tǒng)組成整個機械系統(tǒng)使其具有特定的功能。相關性：子系統(tǒng)是有機連接和運行的，并且具有一些相互關聯(lián)的特性目的性：每個系統(tǒng)應具有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)中子系統(tǒng)的組合取決于系統(tǒng)的目的和功能。環(huán)境適應性：能夠適應外部環(huán)境的變化。因此，在設計機械手時，不僅要注意構(gòu)成機械手系統(tǒng)的各個部件的設計，還要從系統(tǒng)工程的角度和機械手的功能要求來設計機械手。2.1.2技術(shù)條件構(gòu)成碼垛機器人的子系統(tǒng)和部件必須合理組合，機械手系統(tǒng)通常包括以下內(nèi)容：機械手結(jié)構(gòu)，它是完成機械手任務的主體，包括底座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)包括作為電源的驅(qū)動器、驅(qū)動單元和由各種傳動部件組成的驅(qū)動系統(tǒng)，還有控制系統(tǒng)等[8]。表2-1本文設計的碼垛機械手技術(shù)條件應用貨品碼垛自由度數(shù)目6個坐標形式關節(jié)坐標型額定負載重量（去除末端夾具體）不大于100kg最大運動范圍2900mm~3000mm主驅(qū)動臂最大高度1000mm~1200mm本體自重小于160kg~200kg驅(qū)動源電機在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性、運動范圍大、定位精度高，本文所要求的技術(shù)條件如表2-1所示，參照工業(yè)機械手設計了一種吸盤式紙箱碼垛機械手，應具有通用性強、調(diào)整靈活等特點。本次設計選用關節(jié)式機械手作為碼垛機械手，按設計要求碼垛的工件質(zhì)量達到100kg。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，降低成本、提高可靠性等。本文具有六個自由度，包括機座旋轉(zhuǎn)的自由度、大、小臂的俯仰自由度、小臂旋轉(zhuǎn)以及腕部俯仰及旋轉(zhuǎn)的自由度，對于機器人而言，其運動精度是衡量的技術(shù)指標，根據(jù)相應的尺寸要求，建立各關節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速的要求，如表2-2所示。表2-2各關節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速最大工作范圍（o）工作轉(zhuǎn)速r/minrad/so/s腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)±150（300）101.0560大臂轉(zhuǎn)動關節(jié)±110（150）101.0560小臂轉(zhuǎn)動關節(jié)+170，-150（±180）1.670.17510小臂回轉(zhuǎn)關節(jié)±180（360）1.670.17510腕部擺動關節(jié)±130（120）3.350.3520腕部回轉(zhuǎn)關節(jié)±360101.05602.2機械手臂的類型與結(jié)構(gòu)分析2.2.1機械臂的種類根據(jù)笛卡爾坐標系的定義，機械手主要分為四種結(jié)構(gòu)：直角坐標結(jié)構(gòu)、柱坐標結(jié)構(gòu)、球坐標結(jié)構(gòu)和關節(jié)結(jié)構(gòu)等，如圖2-1所示，每種結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點介紹如下[3]：（a）圓柱坐標系(b)直角坐標系（c）球坐標型機械手(d)SCARA型搬運機械手圖2-1機械手的各種形式（1）圓柱坐標系：僅有一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，其余的都是移動關節(jié)，空間定位是相對確定的，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)強度較好，但是它的移動不易控制，當手臂伸展時，它可能會與其他物體碰撞；且容易造成傾斜。（2）直角坐標系：運動的范圍為X\Y\Z軸分布，其運動部分由三條相互垂線組成，僅具有活動關節(jié)，其工作空間為矩形，控制算法簡單、無耦合，但占地面積大、工作空間小，結(jié)構(gòu)剛度高。（3）球坐標系：其主要由旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成，各自由度的運動采用球坐標系進行設計，大多采用如圖2-1（c）所示的液壓驅(qū)動方式。它具有面積大、工作空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大的特點，但結(jié)構(gòu)復雜，整機重量大。（4）SCARA型：又稱為關節(jié)坐標型，其均由旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成，其中肩關節(jié)和肘關節(jié)平行、關節(jié)軸共面，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、響應速度快，適用于平面定位和垂直搬運、碼垛等作業(yè)。故本文確定大方向為基于關節(jié)坐標型的碼垛機械手，如圖2-2的（d）所示，但采用六自由度的結(jié)構(gòu)形式。(a)直角坐標型(b)圓柱坐標型(c)球坐標型(d)關節(jié)型圖2-2四種機械手坐標形式2.2.2驅(qū)動方式的選型驅(qū)動機構(gòu)按動力源可分為以下三類：氣動、液壓和電動，驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分，也是機械手的動力源。本文中，由于機械手的設計要求需要選擇多個自由度，因此選擇電機作為機械手的驅(qū)動部分，具有運動精度高、定位精度高、動作頻率高等特點，機械手的驅(qū)動方案和相應零件的配置決定了其成本效益。2.2.3機器人系統(tǒng)組成本節(jié)概述了碼垛機器人的系統(tǒng)組成及其各部分之間的關系：它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)）、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。（1）執(zhí)行系統(tǒng)：其包括很多機構(gòu)：末端執(zhí)行器：由機械手配置的操作機構(gòu)，用于夾緊、搬運和碼垛物體；腕部：是連接末端執(zhí)行器和手臂的部分，其功能是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作位置；臂部：包括大臂及小臂，它用于承受工件的載荷，并將載荷傳遞給基座，同時起到增加運動范圍、傳動系統(tǒng)的作用；機身：起支撐機械臂重量及其他作用力的基本部件。（2）驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動大、小臂旋轉(zhuǎn)、升高或俯仰，機座的旋轉(zhuǎn)、相應的傳動系統(tǒng)和末端的執(zhí)行裝置，是整機的動力來源，驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定決定了機器人運動的穩(wěn)定性，同時也決定了機器人的扭矩。（3）控制系統(tǒng)：通過控制驅(qū)動系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)可以按照規(guī)定的要求運行，機械手的定位精度及重復定位精度等需要通過傳感器等收集信息，然后建立開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)決定了機器人的精度。2.3結(jié)構(gòu)組成及方案2.3.1末端執(zhí)行器根據(jù)已有的機械手及市場的調(diào)研，因為本課題的選用碼垛對象為紙箱，是基于對現(xiàn)有工廠的一些應用案例的調(diào)研，因此選用吸盤作為機器人的碼垛類型，可以用于方形或者其他相對形狀比較復雜、質(zhì)量相對較輕的工件。圖2-3機器人的末端執(zhí)行器圖中，1——吸盤；2——吸盤支架；3——支架罩末端執(zhí)行器是由機械手配置的操作機構(gòu)，用于夾緊、搬運或碼垛物體，如圖2-3所示，為兩側(cè)對稱的四桿組成的吸盤支架，由吸盤1和支架2組成的活動鉸鏈，外部的氣源通過內(nèi)部的氣孔供氣，通過調(diào)節(jié)足夠的氣壓可以吸附住紙箱。2.3.2臂部及底座臂部包括大臂及小臂，它用于承受工件的載荷，并將載荷傳遞給基座。機器人臂部的基本要求需要滿足其三個自由度，包括機器基座的旋轉(zhuǎn)運動、大臂架的俯仰運動和小臂架的俯仰運動；臂部是機械手的重要組成部分，它不僅用于支撐手腕，而且可以驅(qū)動手腕在空間中運動。由于機械臂在帶傳動工作過程中的運動較大，臂部受到手腕、末端執(zhí)行器和工件的靜力、動載荷的作用，因此其作用力是復雜的。通過以上分析，考慮到本文的加工成本，人工成本以及機械手機構(gòu)的簡化，采用電機的驅(qū)動方式，可以保證其準確性和穩(wěn)定性。（1）底座的旋轉(zhuǎn)運動底座起支撐機械臂重量及作用力的基本部件，同時也具備整機旋轉(zhuǎn)的自由度。本文機械臂的旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)組成如圖2-4所示，其由點擊1直接作為旋轉(zhuǎn)運動的輸入源，其將動力和扭矩通過蝸桿軸5傳遞給蝸輪2，通過嚙合帶動從動輸出軸2轉(zhuǎn)動，蝸輪軸的一端為法蘭型式，通過螺釘與大臂相連，傳動系統(tǒng)裝在箱體1中，箱體1安裝在機身箱體底座3上。圖2-5底座的旋轉(zhuǎn)運動圖中，1——傳動箱體；2——蝸輪；3——機身箱體底座；4——法蘭；5——蝸桿軸；6——配電箱；7——電機（2）大、小臂的俯仰運動圖2-6大、小臂的俯仰運動圖中，1——小臂；2——旋轉(zhuǎn)法蘭；3——傳動箱；4——頂部連接座；5——大臂；6——小臂連桿1；7——小臂連桿2；8——驅(qū)動臂座本文機器人大、小臂的俯仰運動如圖2-5所示，由電機為機身底部的驅(qū)動源，即輸入的轉(zhuǎn)動副在A處，其數(shù)量為2，分別用于大、小臂。大臂電機通過鉸鏈C直接帶動大臂5繞驅(qū)動臂座8旋轉(zhuǎn)，而小臂的驅(qū)動電機是通過由連桿6和7組成的四桿機構(gòu)，然后通過鉸鏈B帶動小臂端的旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動臂座8通過螺栓安裝在底部法蘭上與機座旋轉(zhuǎn)運動連接，小臂上的零部件1~3通過在頂端的固定板4上與大臂端相連。2.3.3B-B腕部腕部用于連接末端執(zhí)行器和臂部，其功能是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作位置。根據(jù)自由度的分類，工業(yè)機器人的腕部可分為單自由度腕部、兩自由度腕部和三自由度腕部，并非所有手腕都必須有三個自由度，這是根據(jù)末端執(zhí)行器的實際工作性能要求確定的。圖2-3腕部三維模型圖中，1——腕部A節(jié)；2——小臂；3——腕部B節(jié)；4——末端連接座腕部是由A、B兩節(jié)組成的轉(zhuǎn)動副，腕部A節(jié)通過連接法蘭座與小臂連接，小臂制成中空式，內(nèi)部具有其自身旋轉(zhuǎn)及腕部旋轉(zhuǎn)、末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)三個自由度，由于本文在腕部除了伸縮運動，還包括末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)運動，因此通過圖2-3腕部的A、B節(jié)處形成旋轉(zhuǎn)臂，共同組成腕部。通過組合R和B關節(jié)可以行程BR關節(jié)或兩個B關節(jié)形成BB關節(jié)，可以實現(xiàn)腕部兩個自由度，但兩個RR關節(jié)不能形成腕部兩個自由度，由于兩個R關節(jié)的功能是重復的，它們實際上只起到單自由度的作用，本文要求腕部達到俯仰及旋轉(zhuǎn)，即BB腕部，如圖2-4所示。圖2-4B-B型手腕示意圖由于現(xiàn)階段步進電機國產(chǎn)化產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)局限性，由于腕部具有兩個自由度，在俯仰的同時可能會旋轉(zhuǎn)，會影響機械臂的運動精度，通過建立負反饋的閉環(huán)控制可以減少干擾。2.4.2機械手機械傳動原理本文的六自由度搬運機械手的本體原理結(jié)構(gòu)組成如圖2.3。圖2.3六自由度搬運機械手本體原理組成組件和功能描述如下：基本部件包括底座、傳動部件、軸承、電機等。底座的功能是支撐組件，承擔機械臂的所有重量和受力，應具有足夠的強度、剛度和承載力。此外，底座還需要一個足夠大的法蘭外緣，以確保機械手安裝在移動平臺上穩(wěn)定運行。臂部分為大臂和小臂結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動部件驅(qū)動以實現(xiàn)各種運動，引導腕部運動的電機固定在前臂的一端。2.4本章小結(jié)本章主要完成吸盤式紙箱碼垛機械手系統(tǒng)方案的設計，確定設計方案后，完成機器人六自由度（底座的旋轉(zhuǎn)、大、小臂的俯仰、腕部的旋轉(zhuǎn)及俯仰、末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)）部分的詳細設計。

臂部結(jié)構(gòu)及底座設計3.1設計要求及參數(shù)來源3.1.1臂部設計要求臂部是機器人的主要部分，支撐并驅(qū)動末端執(zhí)行器在空間中移動，通過修改關節(jié)的方位角將末端執(zhí)行器移動到空間中的指定位置。一般來說，臂部設計的基本要求是：（1）具有承載力大、剛度好、重量輕的特點臂部不僅會受到彎矩的影響，仍會受到扭矩，因此，應選擇具有高彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的橫截面形狀。在橫截面積相同的情況下，鋼板及鋼管的轉(zhuǎn)動慣量遠大于工字鋼、槽鋼和圓鋼。因此采用鋼板及鋼管作為臂部主體，這不僅提高了機器人的剛度，而且大大減輕了機器人的重量。同時臂內(nèi)的空隙還可以安裝傳動裝置、電線等，結(jié)構(gòu)緊湊，外觀整潔，如圖3.1所示。（2）臂部的運動速度應高，慣性應小在正常情況下，臂部需要以恒定的速度移動，但在臂部的開始和結(jié)束時，會產(chǎn)生較大的加速度，會造成沖擊和振動。因此應減小慣性矩，可以采取以下措施：（a）使用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料減輕重量；（b）縮小臂部活動部位的外形尺寸；（c）減小回轉(zhuǎn)半徑。（3）手臂動作應靈活：使用滾動摩擦代替滑動摩擦減少臂部運動部件之間的摩擦阻力。定位精度要高：該機械手為六自由度關節(jié)，關節(jié)位置較難控制，精度較低，因此需對本文的臂部進行輕量化設計，采用鋁合金設計薄壁零件。不僅可以保證機械手的剛性，還可以減輕機械手的重量，提高機械手的動態(tài)響應能力。3.1.2組件的質(zhì)量估算根據(jù)指定的技術(shù)要求，機器人總重不能過大，零部件采用鑄造進行加工。在特殊的鑄造方法中，應根據(jù)不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄造結(jié)構(gòu)設計，臂部的構(gòu)件為鑄造鋁合金、方形結(jié)構(gòu)，具有重量輕、強度高等優(yōu)點，具體尺寸見零件圖。砂型鑄件的最小壁厚，取決于合金類型和鑄尺寸，如表3-1所示：鑄件尺寸鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金＜200×200200×200~500×500＞500×5005~810~1215~203~54~1010~154~68~1212~203~56~8—3~3.54~6—3~56~8—表3-1砂型鑄造鑄件最小壁厚（mm）在特殊的鑄造方法中，應根據(jù)不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄造結(jié)構(gòu)設計。本文設計的機械手臂部桿件鑄造鋁合金，方形結(jié)構(gòu)，重量輕，強度高，具體尺寸見零件圖。（a）小臂組件（b）腕部組件（c）大臂組件（d）機座組件圖3-1各關節(jié)組件的質(zhì)量估算目前，CAE技術(shù)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展，當需要得到部件的重量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等，通過Solidworks進行建模，在指定機器人模型的材料屬性后，可以得到相關參數(shù)，為動態(tài)計算提供了基礎，如圖3-1所示，取大臂組件的總質(zhì)量為55kg，小臂組件的總質(zhì)量為37kg，腕部質(zhì)量取為16kg，機座的質(zhì)量取為90kg。根據(jù)上述各部位的質(zhì)量，可以粗略估算機器人總體質(zhì)量：（3-1）在估算的質(zhì)量計值時，取較大值代入進行估算，而在應用時由于加工工藝、輕量化、薄壁化等，實際質(zhì)量更低，因此滿足設計要求。3.2臂部轉(zhuǎn)動電機的確定3.2.1伺服/步進電機確定機械手驅(qū)動方式的選擇對于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)至關重要，為了快速準確地完成預期的操作，機器人驅(qū)動方式具有以下要求：（1）體積小，額定輸出轉(zhuǎn)矩大，機械效率高，維護容易。（2）響應速度快，動態(tài)性能好，傳動平穩(wěn)。（3）控制精度高，具有一定的承受過載能力，安全可靠。（4）壽命盡可能長，成本低。本文采用以下驅(qū)動方案：在機器人臂座的旋轉(zhuǎn)關節(jié)上直接安裝帶內(nèi)置減速機構(gòu)的電機，兩個關節(jié)通過電機輸出軸直接連接，實現(xiàn)機器人的運動，這種電動機連接方式集成度高，安裝、拆卸簡單。電機的控制可以分為步進驅(qū)動和伺服驅(qū)動，工作要滿足具有一定的負載、轉(zhuǎn)矩負載、定位要精準，因此在步進電機和伺服電機中進行選擇，表3-2為步進電機和伺服電機的對比。結(jié)合上述電機的分析，機器人工作時，運動相比較較為頻繁，而且所要求的工作精度也較高；同時本文中機械臂部的兩個自由度為平面旋轉(zhuǎn)，若軸承光滑，旋轉(zhuǎn)所需的靜態(tài)扭矩相對較小，在臂部沿直線延伸時慣性矩最大，此時步進電機在旋轉(zhuǎn)開始時產(chǎn)生的扭矩可能不足，因此選擇采用伺服電機，使得工作更加平穩(wěn)準確，定位精度可達±1°。表3-2步進電機與伺服電機對比伺服電機步進電機控制類型閉環(huán)控制，能夠及時反饋位置，定位精度高開環(huán)控制低頻特性低速運轉(zhuǎn)時的交流伺服電機運行相對平穩(wěn)，沒有振動現(xiàn)象平穩(wěn)性差，低速易出現(xiàn)振動，噪音大矩頻特性恒力矩輸出，一般額定轉(zhuǎn)速在2000r/min-3000r/min力矩輸出隨轉(zhuǎn)速升高而變大，一般額定轉(zhuǎn)速在300r/min-600r/min過載能力具有較強過載能力，伺服電機的過載能力約為步進電機的三倍一般不具有過載能力，但在工作時受慣性力矩，所以在選型時選取較大轉(zhuǎn)矩的步進電機來克服，常常造成力矩浪費現(xiàn)象。進行選型電機的計算較為復雜，需要考慮臂部的主要性能（啟動、過載和調(diào)速），所選電機的額定功率、額定轉(zhuǎn)速和扭矩應滿足設計要求。在計算扭矩時需要先建立碼垛機器人各關節(jié)的計算簡圖，如圖3-2所示。圖3-2碼垛機器人的關節(jié)計算簡圖（1）小臂轉(zhuǎn)動扭矩的計算假設雙臂（兩側(cè)板）和手腕繞各自重心軸的慣性矩分別為JG1、JG2、JG3。。根據(jù)平行軸定理，繞第三關節(jié)軸（點C）的慣性矩為：（3-2）其中：為額定負載重量，100kg，為小臂質(zhì)量；為腕部質(zhì)量。分別其至第三關節(jié)轉(zhuǎn)軸的長度。其中，，故可忽略不計，以繞第三關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：（3-3）同理可得小臂及腕部繞第四關節(jié)軸（D點）的轉(zhuǎn)動慣量：（3-4）設小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時間，則電機所需工作轉(zhuǎn)矩為：(3-5)設傳遞效率為：，則電機應輸出力矩為：（3-6）（2）大臂轉(zhuǎn)動扭矩的計算折算到第二關節(jié)軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量：（3-7）式中，——各關節(jié)的質(zhì)量；——各關節(jié)至第二關節(jié)轉(zhuǎn)軸（B點）的作用距離。取大臂的轉(zhuǎn)速為10r/min，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可表示如下：（3-8）式中：T——電機工作轉(zhuǎn)矩N.m；J——轉(zhuǎn)動慣量kg.m2；——角加速度rad/s2。假設電動機的轉(zhuǎn)動慣量，加速時間，（1）由線性加速力矩的計算公式如下：（3-9）得（2）計算階躍加速力矩：大臂從到，所需的時間假設為：，則：(3-10)設傳遞效率為：，則電機輸出力矩為：(3-11)3.2.2電機及減速器的選型本文大、小臂的兩個關節(jié)（B、C）均位于機座的鉸鏈處，為了標準化，為了標準化，采用相同的電機進行驅(qū)動，因此根據(jù)所需的最大扭矩進行選型，由于扭矩較大，需要搭配相應的減速器，根據(jù)以上計算和查參考文獻，選擇臺灣傳仕的TVM2-611-17擺線減速機，采用整體式鑄造箱體,箱體結(jié)構(gòu)剛度好,易于提高軸的強度和軸承壽命，同時傳動比范圍較大，速比為17，則此時電機所需的扭矩為：（3-12）參考相關的六軸工業(yè)機器人，選擇多摩川TBL-iⅢ系列電機，型號為2207N8280E224，其額定功率為1.5kW，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定扭矩為7.2Nm，其額定轉(zhuǎn)動慣量為7.7kgm2，滿足使用要求。為了保證機械傳動系統(tǒng)的慣性合理匹配，系統(tǒng)的負載慣量與電機的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應符合公式。本文中，，滿足慣性匹配要求。圖3-3多摩川TBL-iⅢ系列電機和TVM611減速機的外形圖小臂的主體采用中空的軸形殼體，而大臂的主體為兩塊側(cè)板，均采用鋁合金A6061經(jīng)鑄造制成，可以滿足結(jié)構(gòu)強度、輕量化的設計要求。3.3機座傳動系統(tǒng)的設計3.3.1電機選型當大小臂的位置關系如圖3-4所示位置時（極限位置），此時第一關節(jié)驅(qū)動電機需要的扭矩數(shù)值最大。圖3-4大小臂處于極限位置取大臂組件的總質(zhì)量為55kg，小臂組件的總質(zhì)量為37kg，腕部質(zhì)量取為16kg，機座的質(zhì)量取為90kg。在計算大、小臂的轉(zhuǎn)動慣量時，按理論力學可得：（3-13）相對中心線oa的垂直距離如下：（3-14）代入式得：在底部旋轉(zhuǎn)電機上安裝驅(qū)動臂座，采用鋁合金材料，估算其質(zhì)量約：；；（3-15）則得出：10.17kg，根據(jù)空心圓盤轉(zhuǎn)動慣量的計算公式：（3-16）則底部電機承受的慣性力矩：（3-17）——第一關節(jié)啟動時間，取0.1s——輸出軸轉(zhuǎn)動角速度，由技術(shù)條件可知為1.05rad/s由于， 則電機所需的轉(zhuǎn)動慣量為（3-18）蝸桿的傳動比取為60，因此根據(jù)上述要求，選擇安川2系列伺服電機SGMGH-13A，額定功率為1.3kW，速度響應頻率1500r/min，額定扭矩為6Nm，其外形尺寸如圖3-5所示：圖3-5伺服電機SGMGH-13A外形圖3.3.2蝸桿傳動的計算（1）輸入功率計算：蝸桿軸功率：（3-19）蝸桿軸功率：（3-20）式中，——電機的傳遞效率，取0.98；——蝸桿的傳遞效率，取0.8；——軸承的傳遞效率，取0.97（2）各軸的輸入轉(zhuǎn)矩：電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Td：（3-21）因此蝸桿軸：（3-22）蝸輪軸：（3-23）將上述計算結(jié)果匯總于表3-3中，以備查用。表3-3各軸的基本參數(shù)軸名功率P/W轉(zhuǎn)矩T/(N·mm)轉(zhuǎn)速n(r/min)傳動比i效率η電機軸13008276.7150010.98蝸桿軸12748111.1150010.8蝸輪軸956366321.82560（43）-（3）蝸桿直徑的確定1、渦輪蝸桿的材料選擇蝸桿材料選用45#，整體調(diào)質(zhì)、表面淬火，齒面硬度45~50HRC，根據(jù)（3-24）其中，n1為蝸桿轉(zhuǎn)速；T2為蝸輪轉(zhuǎn)矩，Nm。（3-25）初估蝸桿副的滑動速度vs=5.6m/s，選擇蝸輪的材料為鋁青銅合金。2、按疲勞強度設計，根據(jù)公式：（3-26）其中，為渦輪的齒數(shù)，取蝸桿頭數(shù)為1，初選為重合度系數(shù)，查《機械設計手冊》取160，為材料的許用應力，選用45#，查得為180Mpa。K為載荷系數(shù)，根據(jù)《機械設計手冊》查得動載系數(shù)使用系數(shù)KA=1，KV=1.05，螺旋角系數(shù)，因此總載荷系數(shù)為：（3-27）參考文獻[1]表7.6取，則有：（3-28）由參考文獻[1]表7.1，按，取m=5，則。則取蝸桿分度圓直徑式中，——蝸桿直徑系數(shù)，取為12。（4）基本參數(shù)的確定由于整體結(jié)構(gòu)尺寸的布置，蝸輪蝸桿傳遞的中心距為：a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2)（3-29）選擇蝸桿與蝸輪的中心距為a=175mm。則蝸輪分度圓直徑：（3-30）1、蝸桿導程角：（3-31）2、蝸輪圓周速度：（3-32）3、蝸桿副滑動速度：（3-33）4、蝸桿圓周速度：（3-34）故選擇蝸桿傳動的類型為蝸桿側(cè)置。查參考文獻[1]，查《機械設計手冊》取當量摩擦角則蝸桿的實際傳動效率：（3-35）由參考文獻[1]表7.8知符合初取的效率值，后文計算按0.72進行。（5）熱平衡的校核1）估算散熱面積A：（3-36）2）驗算散熱面積A：取油溫,室溫：通常取C。散熱系數(shù)=14~17.5：通風良好，取Ks=6.5W/(㎡·℃)；傳動效率，則（3-37）故散熱面積符合要求，不用加裝散熱片等。（6）選擇蝸桿和渦輪的精度等級蝸輪的圓周速度：，通過查表選用精度等級為9級，因為該傳動平穩(wěn)，選用的側(cè)隙種類為c，即傳動9c(GB/T10089-1988)。蝸桿的圓周速度：，通過查表選用精度等級為8級，因為該傳動平穩(wěn)，選用的側(cè)隙種類為c，即傳動8c(GB/T10089-1988)。

第四章軸系的設計校核碼垛機器人具有多根軸段，尤其是腕部及末端自由度，由于篇幅過長，且計算方法相同，取機座的轉(zhuǎn)動自由度的軸系進行計算。4.1蝸桿蝸輪軸系的設計校核4.1.1結(jié)構(gòu)尺寸確定（1）材料及軸徑確定軸的材料選擇：因傳遞功率不大，并對質(zhì)量及結(jié)構(gòu)尺寸無特殊要求，考慮到經(jīng)濟性選用常用材料45#，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。按扭轉(zhuǎn)強度初算軸徑，查參考文獻[1]表9.4得C=106~118，考慮到軸端的彎矩和轉(zhuǎn)矩的大小，故取C=110，則最小軸徑為：（4-1）考慮到鍵槽的影響，將最小軸徑增大5%，取,考慮結(jié)構(gòu)強度，選最小軸外徑為70mm。（2）結(jié)構(gòu)設計：蝸輪主軸的結(jié)構(gòu)模型如圖所示：圖4-1蝸輪主軸的結(jié)構(gòu)模型1）從左至右為各軸段，軸段1的設計：軸段1為法蘭段，通過M10的螺栓與驅(qū)動臂座進行連接，沿周向130mm的直徑均布分布10個；其外徑為160mm，用于安裝法蘭油封；長度根據(jù)底盤及蝸桿軸的法蘭蓋厚度確定，取63mm。同時安裝軸承：考慮到蝸桿傳動有軸向力，軸承類型選擇深溝球軸承，要使軸承便于安裝又符合軸承內(nèi)徑系列，根據(jù)軸徑選擇型號6032軸承，查軸承手冊，其內(nèi)徑為160mm，外徑為240mm，寬度為38mm。軸承采用右側(cè)凸輪進行軸向固定，考慮到安裝擋油板時的側(cè)隙，軸段1除了安裝軸承外還需加工倒角。2）軸段2的設計：該處是為了定位蝸桿的，取D2=120mm，軸肩高度H=22.5mm，由于僅起定位作用，故取軸段總長取25mm；2）軸段3的設計：軸段3上安裝蝸輪，為了方便安裝蝸輪D3應該略大于D2，取D3=75mm，按照蝸輪的設計，蝸輪的輪轂寬為（1.5~1.9）D3，取輪轂寬為100mm，蝸輪的軸向連接采用普通平鍵連接，采用B型方頭平鍵連接，考慮鍵的結(jié)構(gòu)強度，選擇沿周向分布三鍵進行連接，鍵的尺寸（寬*高*長）分別為12×10×100mm（GB/T1096-1990）。考慮到蝸桿傳動有軸向力，右側(cè)安裝51315軸承，其內(nèi)徑為75mm，外徑為135mm，寬度為44mm，由蝸輪軸下部法蘭進行定位。在其末端安裝兩個6215軸承，其內(nèi)徑為75mm，外徑為130mm，寬度為25mm，僅起支承作用，綜合考慮，軸段3的長度取L5=190mm。4）軸段4的設計：其為最小軸徑段，取其軸徑為D4=70mm，用于安裝軸段擋圈定位軸承，取其長度為23.5mm。4.1.2蝸輪軸的強度校核（1）軸受力分析圖4-2蝸輪軸的受力分析簡圖1）蝸輪的受力：（4-2）（4-3）（4-4）2）計算支撐反力在水平面上：（4-5）（4-6）在垂直平面上：（4-7）（4-8）軸承Ⅰ上的總支承反力：（4-9）軸承III上的總支承反力：（4-10）彎扭力矩的計算在水平面上B-B剖面左側(cè)：（4-11）B-B剖面右側(cè)：（4-12）在豎直平面上B-B剖面左側(cè)：（4-13）B-B剖面右側(cè)：（4-14）合成彎矩的計算：A-A剖面左側(cè)：（4-15）剖面右側(cè)：（4-16）4）彎矩計算：：T=366321.8Nmm（2）軸的強度校核B-B剖面右側(cè)因彎矩大、有轉(zhuǎn)矩，還有鍵引起的應力集中，故A-A剖面右側(cè)為危險截面，按彎扭合成強度計算。根據(jù)參考文獻[1]式9.3，有（4-17）式中：——I-I截面處彎矩；——I-I截面處轉(zhuǎn)矩；——抗彎截面系數(shù)，由參考文獻[1]表9.6;（4-18）——根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)，對于脈動的轉(zhuǎn)矩，；——對稱循環(huán)的許用應力，由參考文獻[1]表9.7，=75Mpa；因此，蝸輪軸的校核通過。（3）軸的安全系數(shù)校核計算彎曲應力：（4-19），（4-20）扭轉(zhuǎn)應力：（4-21）（4-22）由參考文獻[1]式9.4、9.5、9.6，可知疲勞強度的安全系數(shù)為：（4-23）（4-24）（4-25）式中：——彎矩安全系數(shù)；——轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)；、——材料對稱循環(huán)的彎曲疲勞極限和扭轉(zhuǎn)疲勞極限，由《機械設計手冊》表9.3，45#鋼調(diào)質(zhì)處理，；——有效應力集中系數(shù)，查表得；——絕對尺寸系數(shù)，查表得；——表面質(zhì)量系數(shù)，，查表得；——應力幅的等效系數(shù)，；、——彎曲應力、扭轉(zhuǎn)剪應力的應力幅和平均應力；——許用安全系數(shù)，由《機械設計手冊》表9.13，；經(jīng)校核安全系數(shù)滿足要求。4.1.3蝸桿軸的設計與蝸輪軸相同，選用45#鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。取C=110，按扭轉(zhuǎn)強度初步估算最小軸徑：（4-26）考慮到鍵槽的影響，取，根據(jù)結(jié)構(gòu)強度要求及蝸桿尺寸，取最小軸徑為50mm。軸的各段長度在草圖繪制過程中逐段確定：兩端軸段用于安裝軸承，選擇深溝球軸承61910，軸徑為50mm；蝸桿的螺旋段為135mm，兩側(cè)為光軸段，用于定位，蝸桿為175mm；蝸桿軸的總長為L=391.5mm。圖4-3蝸桿軸的結(jié)構(gòu)簡圖對于蝸桿軸的強度及剛度校核，與蝸輪軸一致，故此處不再闡述。4.2相關零件的強度校核4.2.1鍵連接的強度校核蝸輪處鍵連接的擠壓應力：（4-27）蝸輪、聯(lián)軸器的材料都為鋼，機械設計教材上表得。顯然，故強度足夠。蝸桿軸鍵連接的擠壓應力：（4-28）查表6.1得。顯然，因此強度足夠。4.2.2軸承壽命校核由參考文獻[2]表12.4知，軸段左邊用深溝球軸承6032，額定動態(tài)載荷Cr=137kN，靜態(tài)載荷C0r=135kN；深溝球軸承6215的額定動態(tài)載荷Cr=66kN，靜態(tài)載荷C0r=49.5kN；則各軸承的當量動載荷：（4-29）校核軸承壽命：軸承在以下工作，查參考文獻[1]表11.9得。平穩(wěn)，查表11.10，得，因此軸承III的壽命為：（4-30）假設機器人使用10年，三班制工作，則預期壽命為：（4-31）顯然，故軸承壽命很充裕。4.2.3螺栓強度校核當?shù)鬃D(zhuǎn)時，通過蝸輪軸端面法蘭上的螺栓傳遞給驅(qū)動臂座，根據(jù)所受彎矩T=366321.8Nmm，則螺栓的受力為：（4-32）螺栓的總拉力為：式中：F0——預緊力，N；F——工作拉力，N；——螺栓的相對剛度，取金屬墊片，則。在實際中電機的旋轉(zhuǎn)工作中，一定會發(fā)生振動、沖擊，在工作負荷的參數(shù)不穩(wěn)定的狀態(tài)下，需要按照取殘余預緊力F1=0.6F。又因為：（4-33）所以，總拉力為：根據(jù)上述的設計中定為螺栓標稱直徑為d1=10mm。考慮到螺栓擰緊作用，總拉力增加30%，校核如下：（4-34）經(jīng)查表得到，，因此滿足強度要求。4.3本章小結(jié)本節(jié)以機器人機座旋轉(zhuǎn)傳動中的蝸桿軸及蝸輪軸系進行了設計及強度校核，并對相關的軸承進行了壽命計算。第五章腕部及末端執(zhí)行器的設計腕部連接機器人的小臂和末端執(zhí)行器，以改變末端執(zhí)行器的姿勢。腕部設計要求：結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；運動靈活穩(wěn)定，定位精度高；所用材料具有較高的強度和剛度；結(jié)構(gòu)合理，布置安裝合理。本課題設計的碼垛機器人廣泛應用于紙箱搬運等作業(yè)，腕部作用于工作空間的前部，有時需要延伸到狹窄的空間進行操作，手腕應緊湊、輕便、靈活。故腕部使用的材料為鑄鋼，密度為kg/m3。5.1腕部電機選型腕部旋轉(zhuǎn)、俯仰運動及末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動電機安裝在小臂部件的末端位置，通過齒輪的傳動系統(tǒng)將動力傳輸給腕部及末端關節(jié)（為第四、第五、第六關節(jié)的轉(zhuǎn)動副），實現(xiàn)碼垛機器人的運動。腕部的驅(qū)動力來自步進電機，首先計算腕部俯仰所需的扭矩，根據(jù)輸出扭矩以確定電機型號，從而可以計算所設計齒輪的傳動參數(shù)。5.1.1腕部負載計算當腕部俯仰時，必須超過摩擦阻力矩、工件的負載阻力矩和慣性矩，根據(jù)腕部偏轉(zhuǎn)所需力矩的計算公式[15]：（5-1）其中，—摩擦阻力矩（N·m）；—負載阻力矩（N·m）；—腕部偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩（N·m）；根據(jù)已知條件：，,,則式中，L—腕部的長度，90（mm）；則腕部部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為：（5-2）式中，—腕部質(zhì)量（kg）；—腕部部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；—腕部部分外徑和內(nèi)徑，取110mm；式中，—啟動時間，取0.01s；則腕部所受的負載阻力矩：（5-3）則手腕偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩：（5-4）則5.1.2電機選型因為腕部傳動是通過齒輪傳動實現(xiàn)的，查《機械設計手冊》[15]得：齒輪傳動效率；滾動軸承傳動效率(一對）；電機傳動效率；計算得傳動的裝置的總效率：電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩為：（5-5）式中，i——齒輪傳動比，本文取2；根據(jù)計算出的腕部偏轉(zhuǎn)所需的扭矩，選擇采用高精密行星減速的步進電機，如圖5-1所示，選擇普蘭特的60系列STH100-10的步進電機，屬于大力矩、1.8°步距的步進電機，電機的保持扭矩為4Nm，其額定功率為150W，額定電流為5.6A，減速機輸出端的額定保持力矩為36Nm。圖5-1STH60系列步進電機選型表由于步進電機不存在額定轉(zhuǎn)速，在下文的齒輪計算中需要，因此電機的計算工作轉(zhuǎn)速取500r/min，電機經(jīng)減速器后輸出端的轉(zhuǎn)速為：5.2腕部傳動系統(tǒng)5.2.1減速系統(tǒng)方案（1）蝸輪蝸桿傳動：可以獲得較大的傳動比，接觸面是線性表面，還具有自鎖功能，當渦輪和蝸桿嚙合進行傳動時，在嚙合傳動過程中，相對轉(zhuǎn)速相差較大，因此摩擦造成的損壞仍然較大，傳動效率不理想。（2）齒輪傳動：具有較高的工作效率，結(jié)構(gòu)非常緊湊；但成本相對較高。如果精度不能滿足要求，會出現(xiàn)較大的振動和噪聲，這種傳動裝置不適用于軸間距較大的機構(gòu)。（3）帶傳動：帶傳動機構(gòu)根據(jù)不同部件之間的摩擦來傳遞扭矩，可以減少沖擊載荷，減輕沖擊載荷，使機構(gòu)運行非常平穩(wěn)、平緩，運行時產(chǎn)生的噪音也非常小。但有一定的彈性滑動，容易打滑，如果傳遞相同的周向力，則輪軸上的壓力大于齒輪傳遞力，因此皮帶的壽命較小。方案確定：齒輪傳動可以減輕負載的沖擊力，使結(jié)構(gòu)運行非常穩(wěn)定可靠、運行穩(wěn)定，效率較大，因此采用齒輪作為減速系統(tǒng)。5.2.2齒輪的基本參數(shù)確定計算結(jié)果表明，該齒輪符合要求。（1）選擇齒輪材料為20CrMnTi，表面滲碳再淬火，硬度為58-63HRC，工作壽命10年（每年工作360天），每天二班制工作。（2）精度：表面滲碳，齒廓變形小，選擇7級精度。（3）直齒圓柱齒輪傳動，壓力角。根據(jù)傳動比的大?。篿2=2，選小齒輪齒數(shù)z1=16，大齒輪齒數(shù)z2=16×2=32，取z2=32。齒輪的分度圓直徑：(5-6)則中心距為：(5-7)齒頂高：(5-8)齒根高：(5-9)式中，--齒頂高系數(shù)，取1；--頂隙系數(shù)，取0.25因此齒頂圓直徑：(5-10)齒根圓直徑:(5-11)5.2.3按齒面接觸疲勞強度設計齒輪計算的方法類似，本文以一級齒輪傳動計算為例。（1）試算小齒輪分度圓直徑，即：（5-12）1）確定公式中的各參數(shù)值。①試選載荷系數(shù)：KHt=1.3②小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩：（5-13）（5-14）③小齒輪看作懸臂布置，選取齒寬系數(shù)：φd=0.5④由圖查取區(qū)域系數(shù)：ZH=2.4⑤查表得材料的彈性影響系數(shù)：ZE=189.8MPa1/2⑥計算重合度系數(shù)：(5-15)(5-16)(5-17)則重合度系數(shù)為：(5-18)⑦計算接觸疲勞許用應力[H]查表得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為Hlim1=1500MPa、Hlim2=1450MPa，計算小齒輪應力循環(huán)次數(shù)：（5-19）則齒輪應力循環(huán)次數(shù)：（5-20）查取接觸疲勞壽命系數(shù):取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,得:（5-21）（5-22）取和中的較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應力，即試算小齒輪分度圓直徑（5-23）（2）調(diào)整小齒輪分度圓直徑1）在計算實際負載系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備圓周速度v：（5-24）齒寬b：（5-25）2）計算實際載荷系數(shù)KH①由表查得使用系數(shù)KA=1。②根據(jù)v=0.08m/s、7級精度，由圖查得動載系數(shù)KV=1.05。查表得齒間載荷分配系數(shù)KHα=1.5。④由表用插值法查得7級精度、小齒輪懸臂布置時，KH=1.184。則載荷系數(shù)為：（5-26）3）可得按實際負載系數(shù)算得分度圓直徑（5-27）及相應的齒輪模數(shù)考慮彎曲強度，以及主軸的高速運轉(zhuǎn)，模數(shù)取為標準值m=2mm，其齒寬取為b1=b2=20mm。齒輪的圓周力：（5-28）（3-40）滿足使用要求。5.2.4按齒根彎曲疲勞強度校核20CrMnTi的彎曲疲勞強度FE=850Mpa。因變速器的使用應滿足高可靠度的要求，故取安全系數(shù)SH=1.5，SF=2.0REF_Ref28294\r\h[7]。由（3-42）得：[F1]=[F2]=425Mpa。齒根彎曲疲勞強度條件：（3-43）查表得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為，這里為了節(jié)省篇幅，僅給出計算驗算大小齒輪齒根疲勞彎曲疲勞極限：因此滿足齒根彎曲疲勞的強度要求。然后經(jīng)由一對m=2、齒數(shù)z=40的錐齒輪用于變向，齒寬為17.5mm，總長27.5mm，然后帶動B-B腕部關節(jié)的前端旋轉(zhuǎn)法蘭轉(zhuǎn)動。在小臂的旋轉(zhuǎn)及末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動自由度中，傳動系統(tǒng)仍采用相似的齒輪機構(gòu)，由于篇幅過長且計算相同，此處省略，詳見圖紙。5.3基于Solidworks的機器人建模通過Solidworks首先建立機座、臂部和腕部的模型，然后通過協(xié)作建立自由度運動：有六個自由度，即機座旋轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、旋轉(zhuǎn)、腕部俯仰和旋轉(zhuǎn)。在建立機器人的三維模型后，進行干涉檢查，以確保部件在裝配過程中不會“合并”在一起，在發(fā)生干涉的情況下，需要調(diào)整干涉零件的配合和尺寸。圖2.2碼垛機器人裝配圖1——末端執(zhí)行器；2——腕部；3——小臂組件；4——小臂齒輪箱；5——步進電機組；6——大臂組件；7——大臂四桿機構(gòu)；8——大、小臂俯仰伺服電機；9——驅(qū)動臂座；10——機座蝸桿傳動箱；11——蝸桿電機本文的總體方案如圖5-2所示，由底座電機11通過蝸桿傳動箱10組成的底盤作為基體，將其他零部件通過螺栓或螺釘安裝在底盤上，機械臂由末端執(zhí)行器1、由電機配以法蘭組成的腕部結(jié)構(gòu)2、小臂組件3及相應的傳動齒輪箱4、大臂部件6等組成，在小臂部分3的末端位置安裝腕部俯仰的電機，然后通過齒輪進行傳動，機械臂的驅(qū)動臂座9作為第一關節(jié)實現(xiàn)繞基體的旋轉(zhuǎn)，其通過法蘭連接座安裝在底座上。載荷確定主要考慮機械手沿每個運動方向的力受力，包括機械手末端執(zhí)行器的重量、工件的重量，以及在加速度下產(chǎn)生的慣性力。根據(jù)本次設計的應用情況（碼垛紙箱），初步估計本文設計屬于中荷載的工作情況。

總結(jié)與展望總結(jié)由于物流行業(yè)在時代前進的過程中發(fā)展的迅速，在進行對貨品的碼放時只依靠人工的力量來進行搬運碼放，這遠遠不能讓人們對此的需求得到滿足。這些年以來，在各行各業(yè)里已經(jīng)慢慢的使用碼垛機器人來對人工碼垛進行取代了，這對于我國的經(jīng)濟發(fā)展有非常大的良好的作用，因為在很大程度上讓我國的勞動強度和成本都有了減輕。本文針對吸附式紙箱碼垛機器人的結(jié)構(gòu)進行設計，具體完成以下內(nèi)容：（1）介紹碼垛機器人發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外碼垛機器人特點及的功能和使用范圍。（2）對碼垛機器人的基本性能參數(shù)、工作要求的確定。（3）確定碼垛機器人的驅(qū)動方式、自由度方案，進行整體結(jié)構(gòu)設計。（4）對控制系統(tǒng)進行設計。展望本文設計了吸附式紙箱碼垛機器人的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并對其性能進行了分析。由于作者水平有限，對傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等相關學科了解不多，仍有許多問題需要解決，還有許多問題值得進一步探討和深入研究與展望：（1）機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化在碼垛機器人的設計過程中，采用模塊化設計，分別設計不同的功能結(jié)構(gòu)，各模塊之間的連接采用優(yōu)化的方式。（2）通過計算機有限元軟件的深入挖掘，零件的強度和剛度以及碼垛機器人的力學分析將實現(xiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)，