1、魯東大學本科畢業(yè)設計100KG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(chǎn)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Design and Analysis of 100KG 4-dof Palletizing Robot Base(School of Transportation , Institute of Transpo

2、rtation Mechanical Design Manufacturing and Automation , jixieben1104 ,20112814726)Abstract: In this paper, the design and research of a catch weight of 100KG of 4-dof palletizing robots for the production of stacking items.At first, the overall program and the specific structure of the robot were a

3、nalyzed according to the requirements, then the main work is to design the base and waist of the robot and carry on the modelling and analyze.Finally, this paper uses the analysis software (UG) to make finite element analysis of it.Key words: Palletizing robot ; Structural Design ; Modeling ; Finite

4、 Element Analysis1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(chǎn)。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。2課題的設計內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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 .

5、利用UG對主要受力構件進行有限元分析。3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(zhuǎn)，大臂2和小臂3的轉(zhuǎn)動，還有前爪4的旋轉(zhuǎn)。總體結構如圖3-1所示。/圖3-14碼垛機器人底座和腰部設計/碼垛機器人結構54.1 腰部電機和減速器的選擇4.1.1 電機選擇碼垛機器人腰部由于負重較大，所以要求旋轉(zhuǎn)的速度不宜過快，因此要選擇中速或 者低速電機。設機器人腰部繞其中心軸的轉(zhuǎn)動慣量為 J,根據(jù)機器人的靜力學分析，取大臂小臂極限長度L,可得其轉(zhuǎn)動慣量為：其中M是腰部所要承受的重量，為mL3(4-1)200Kg, L為1m,通過計算得其轉(zhuǎn)動慣量為一 _266

6、.7Kg m電機轉(zhuǎn)矩T = J (4-2)回轉(zhuǎn)加速度 = 2兀 rad /s2(4-3)帶入求出力矩： T = J: = 66. 7 2二=419 N m電機的轉(zhuǎn)動慣量J G2 = F(4-4)取減速比i=153,帶入求出電機的轉(zhuǎn)動慣量電機的轉(zhuǎn)矩, J 66. 72J G2 = = = 0. 0028 Kg mi21532Td = T(4-5)i帶入求出電機轉(zhuǎn)矩429=27153根據(jù)以上計算結果，可以初步選定伺服電機，根據(jù)日本安川伺服電機公司提供的參 數(shù)，選取方V系列的SGMGV-20A型電機，額定輸出為1.8KW,額定轉(zhuǎn)矩為11.5Nm, 瞬時最大轉(zhuǎn)矩為28.7N m。4.1.2減速器的選擇

7、碼垛機器人腰部的旋轉(zhuǎn)需要克服的負載轉(zhuǎn)動慣量比較大，所以在負載和驅(qū)動電機之間要用有比較大傳動比的減速裝置。2考慮到碼垛機器人體積結構、傳動精度和經(jīng)濟性 等要求，本文設計的機器人減速裝置采用 RV減速器。RV減速器具有傳動比較大、結 構簡單、體積較小、重量較輕、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、過載能力強、使用壽命較長等優(yōu)點, 能夠滿足碼垛機器人的各種要求。選減速器所需各種數(shù)據(jù)如表4-1所示表4-1減速器選型條件啟動時（max）穩(wěn)定時 停止日（ maX）緊急停止沖擊時負數(shù)轉(zhuǎn)矩（N m）T1=1000T2=0T3=1000Tem=3000轉(zhuǎn)速(r/min)N1=5Nb=10N=5Zm=20時間(sec)11=0.5

8、12=4.213=0.5t em=0.05確定負裁特性求出平均負載轉(zhuǎn)矩10-101010T _ 斗 NT/ FN2T2后 +t3&T3?m Y3Ni +t2N2 +13電()=510 N m求出平均輸出轉(zhuǎn)速Nm JM+2t 3N3mt1 t2 t3=9 r min暫時選定RV-80E-10計算減速機壽命是否滿足要求的規(guī)格值10Lh = Km（48）NmTm=41862h20000hLh遠大于20000小時求出輸出轉(zhuǎn)速最大輸出轉(zhuǎn)速10r/min75r/min （RV-80E減速器允許最高輸出轉(zhuǎn)速）求出啟停轉(zhuǎn)矩T1=1000N m1960Nm （ RV-80E減速器的啟動時允許轉(zhuǎn)矩）T3=1000

9、N m1960Nm （ RV-80E減速器的停止時允許轉(zhuǎn)矩）求出緊急制動力矩魯東大學本科畢業(yè)設計Tem=3000Nm3920Nm （ RV-80E減速器的瞬時最大允許轉(zhuǎn)矩） 求出主軸承承載力775,5 M To10、飛Cem Tem J Nem 40 em tem 60 em(4-9)78274次外部負載條件Wi=500 NLi=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)WiW2310-0. 58表4-2減速器彎矩剛性和軸端尺寸型式彎矩剛性Nm/arc.min. X 3尺寸（mm）abRV-6E11717.691.6RV-20E37220.

10、1113.3RV-40E93129.6143.7RV-80EX 1117633.4166.0RV-80EX 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 9 =0.58（分）1（分）符合要求。求出外力矩2 = L + b a = 0.632m (b.a從表 4-2 查得)(4-11)1000=1316.3N - m -0000B00ilei-OOb ZO.OOOeiD0OANALYSIS 1 WOR

11、KMagnitu Von-Mide ses靜態(tài)步長1MinPrincipal9.554e-0 7.953e+ 1.264e+04002001-8.904e- 0.000e+0 5.325e-00400001Max Max Principa Shear l4.924e+ 4.409e+0 00202-6.975e+ -9.231e+0020012.966e-001魯東大學本科畢業(yè)設計圖5-3底座有限元分析-應力變化199目“為口4fl.75Se-007.96?e-004示369&勾口 45 與了*-Q944空”1岫3.eie-d04JB 用*34XANALYSIS_1 WORK小小】E卬田8 I

12、曲和也II I I il, I I I F1 |m皿.EDm I O.OO&e 呼。叫 工I 1m - nn圖5-2底座有限元分析-位移變化im ! SnIufaicn | RqsuIb11 j 11 I. rrm luu, rm. vo MimBCD I *mci臾心口叫 CD 1 、膜Q口口，NffliAJlWPoJ m I CD - CEDI .OOBOQQS. JUte-OOJ九史白學-】6 川 001占.卸mi*且03.M6e-00J2,75le-00J I，便自10。口ANALYSIS1 WORK魯東大學本科畢業(yè)設計5.1.2 圖表分析表5-1是底座在受力情況下所產(chǎn)生的位移和應力變

13、化。可以很清楚的看到底座在受 力時分別在X,Y,Z軸產(chǎn)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。可以看出底座受力時，最上端發(fā)生的位移量最大，然后之上往下逐漸遞減，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。可以看出底座受力時，最大應力出現(xiàn)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。5.2對腰部的有限元分析5.2.1 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 : Number of Iterations = 1X位移（

14、mm）應力(mN/mmA2(kPa)YZMagnitu de靜態(tài)J IVon-Mi ses 1Min Principa lMax Principa lMax ShearM4.964e-2.014e-1.490e-7.255e-05.357e+2.048e+5.008e+2.921e+0a0020030020200300300303x M-5.565e-5.129e-2.798e-0.000e+06.015e-8.534e+-3.621e+3.059e-0in00200200200001003003017.2SSe-0028 班QmWN6.心卻5白8之54lr-00Z也再舊QQ14*Z3Zr-0

15、QZ工62 71 口口 23.023f 0026.5#-0030-QOOe-OODin I O.0OD&r-OD&r m aH I B - rm皿m臼h圖5-4腰部未受力時網(wǎng)格劃分orh * Soliiibii口m | 如胃u11?11 n 工 u ii i iB，mm I 0 qge 叩。Q. 1 m * m - cm7.2S5S-0026.650e-00Z6 045400?6.44I/8Z%耳3即卬圮*238口麻3-627tClO23.023&-00?3引皆-00?I .Sik-OOi?J .2ok-OO?y xb,小15十口。3O.OCOe-OOOANALYSISWORK居 I 小】：S

16、o I ut i on II Resu 峰UTE LCm IED J It rm、Von M 厘w I 5.G日至 004. m 1I.53W+W, N/MiA?lbiPoj口 i e - cm LE3ltKK)JJ*4O3&-aOJ.276e-00lk J40fri-OOJ-HJQ1日“更g+QW九曲主i-aotiS.37Qfti-OOD，時少0皿 3,32k00?.場也卜口口。Y XJ ,276&-aOO5.網(wǎng)與箕7圖5-6腰部有限元分析-應力變化ANALYSISWORK5.2.2 圖表分析表5-2是腰部在受力情況下所產(chǎn)生的位移和應力變化。 可以很清楚的看到腰部在受 力時分別在X,Y,Z軸

17、產(chǎn)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。可以看出底座受力時，最大應力出現(xiàn)在腰部最下端的中間部分，然后自下而上逐漸遞減。6總結經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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

18、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。23魯東大學本科畢業(yè)設計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(chǎn)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(jīng)十分廣闊，為人們的生產(chǎn)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(xiàn)自己的人生價值。25參考文獻1張楊林.國內(nèi)工業(yè)機器人市場及發(fā)展趨勢Z.大眾科技，2006 (6): 191192.2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):97101.3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(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2010.5何