摘要本文運用大學所學的知識，提出了自動堆垛式載運機器人的結構組成、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，構建了自動堆垛式載運機器人總的指導思想，從而得出了該自動堆垛式載運機器人的優點是高效，經濟，并且安全系數高，對提高貨物搬運以及裝配效率，減少人工投入等等起到了很大的作用的結論。該自動堆垛式載運機器人是對傳統的多自由度機器人的工作原理進行理解，本機器人由底盤、回轉機構、升降機構、平移機構、手爪和驅動機構組成。該機器人能實現多個自由度，從而可以從多方位多角度來對貨物進行搬運和卸載。關鍵詞：自動堆垛式載運機器人；計算；自由度；驅動機構；搬運AbstractThispaperisusingtheuniversityknowledge,automaticstackercarryingrobotstructurecomposition,workingprincipleandmainpartsdesignmusthavethetheoreticcalculationandstrengthcheckisproposed,constructedthegeneralguidingprincipleofrobotautomaticstackercarrying,resultinginthetheautomaticstackercarryingadvantagefortherobotisefficient,economic,andhighsafetyfactor,toimprovecargohandlingandassemblyefficiency,reduceartificialinputandsoonplaysagreatroleintheconclusion.Theautomaticstackingcarryingrobotistheworkingprincipleoftraditionalmultidegreeoffreedomrobottounderstand,therobotiscomposedofachassis,slewingmechanism,liftingmechanism,atranslationalmechanism,gripperandadrivingmechanism.Therobotcanachievemultipledegreesoffreedom,whichcanbefromvariousanglestohandlingandunloadingofgoods.Keywords:automaticstackerrobot；carryingcalculate；thedegreesoffreedom；drivemechanismforhandling目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1本課題研究的內容 11.2機器人概述 21.3機器人的組成和分類 31.3.1機器人的組成 3

1.3.2機器人的分類 42自動堆垛式載運機器人結構的設計 52.1自動堆垛式載運機器人總體方案圖 72.2自動堆垛式載運機器人的工作原理 92.3機械傳動部分的設計計算 102.3.1旋轉電機的選型計算 102.3.2夾爪升降氣缸的選型計算 102.3.3軸承的選型計算 112.3.4滾動導軌的設計 123各主要零件部強度的校核計算 123.1鍵的設計及危險截面校核 133.2軸承的選取及校核 143.3螺栓的校核 144機器人的PLC控制系統設計 154.1可編控制器的選擇 164.2可編程控制器的使用步驟 17結論 18致謝 19參考文獻 20 1緒論機械工業是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業。不論是傳統產業，還是新興產業，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業的規模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發展機械工業作為發展本國經濟的戰略重點之一。機械工程的服務領域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產的部門，都需要機械工程的服務。概括說來，現代機械工程有五大服務領域：研制和提供能量轉換機械、研制和提供用以生產各種產品的機械、研制和提供從事各種服務的機械、研制和提供家庭和個人生活中應用的機械、研制和提供各種機械武器。

不論服務于哪一領域，機械工程的工作內容基本相同，主要有：建立和發展機械工程的工程理論基礎。例如，研究力和運動的工程力學和流體力學；研究金屬和非金屬材料的性能，及其應用的工程材料學；研究熱能的產生、傳導和轉換的熱力學；研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理、結構、設計和計算的機械原理和機械零件學；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等等。研究、設計和發展新的機械產品，不斷改進現有機械產品和生產新一代機械產品，以適應當前和將來的需要。機械產品的生產，包括：生產設施的規劃和實現；生產計劃的制訂和生產調度；編制和貫徹制造工藝；設計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發運；對產品質量進行有效的控制。機械制造企業的經營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復雜的制品。生產批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產。銷售對象遍及全部產業和個人、家庭。而且銷售量在社會經濟狀況的影響下，可能出現很大的波動。因此，機械制造企業的管理和經營特別復雜，企業的生產管理、規劃和經營等的研究也多是肇始于機械工業。1.1本課題研究的內容本次設計主要針對自動堆垛式載運機器人進行設計，從自動堆垛式載運機器人的整體方案出發，然后具體細化出具體內部結構，其具體內部結構主要包括以下幾個方面：（1）到圖書館里查閱大量相關知識的資料，搜集出各類自動堆垛式載運機器人的原理及結構，挑選相關內容記錄并學習。（2）分析自動堆垛式載運機器人的結構與參數（3）確定設計總體方案（4）確定具體設計方案（包括底盤、回轉機構、升降機構、平移機構、手爪和驅動機構的設計，電機，軸承等的選型設計等等）（5）自動堆垛式載運機器人的三維圖的繪制、CAD裝配圖、零件圖的繪制。（6）說明書的編制與整理1.2機器人概述工業機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機器人是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機器人被稱為“工業機器人”。生產中應用機器人可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的引用.機器人的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機器人。隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機器人”，簡稱通用機器人。由于通用機器人能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。1.3機器人的組成和分類1.3.1機器人的組成機器人主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖2-1所示。(一)執行機構包括手部、主臂、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。(二)驅動系統驅動系統是驅動工業機器人執行機構運動的動力裝置調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動。控制系統是支配著工業機器人按規定的要求運動的系統。目前工業機器人的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機器人按規定的程序運動，并記憶人們給予機器人的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機器人的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。(二)控制系統控制系統是支配著工業機器人按規定的要求運動的系統。目前工業機器人的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機器人按規定的程序運動，并記憶人們給予機器人的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機器人的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。(三)位置檢測裝置控制機器人執行機構的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.1.3.2機器人的分類工業機器人的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。(一)按用途分機器人可分為專用機器人和通用機器人兩種:1、專用機器人它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機器人具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產的自動換刀機器人，如自動機床、自動線的上、下料機器人和‘叻口工中心”2、通用機器人它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機器人。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統和控制系統是獨立的。通用機器人的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機器人按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現連續軌控制，伺服型具有伺服系統定位控制系統，一般的伺服型通用機器人屬于數控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機器人是以液壓的壓力來驅動執行機構運動的機器人。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機器人的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機器人采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，使機器人的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機器人是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機器人。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機器人的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。3、機械傳動機器人即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機器人。它是一種附屬于工作主機的專用機器人，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機器人即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機器人的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機器人目前還不多，但有發展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用和通用工業機器人均屬于此類。2、連續軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜。這類工業機器人一般采用小型計算機進行控制。2自動堆垛式載運機器人結構的設計2.1自動堆垛式載運機器人總體方案圖本次設計的自動堆垛式載運機器人能夠實現抓取貨物旋轉，升降等功能。通過夾爪到指定的貨物堆積的地方夾住貨物，然后機器人的機械夾爪夾住貨物上升，接著整個夾爪部位平移、后退到預定的放置貨物的位置，夾爪松開，貨物自動被放置在指定的位置。整個機器人的動作前程都是靠光電傳感器檢測信號，從而反饋信號給控制系統，通過中控系統來對機器人的各個執行機構進行有序地操作。其具體的方案結構圖如下圖1所示：圖1方案結構圖2.2自動堆垛式載運機器人的工作原理該自動堆垛式載運機器人的工作原理為：改機器人通過夾爪到指定的貨物堆積的地方夾住貨物，然后機器人的機械夾爪夾住貨物上升，接著整個夾爪部位平移、后退到預定的放置貨物的位置，夾爪松開，貨物自動被放置在指定的位置。整個機器人的動作前程都是靠光電傳感器檢測信號，從而反饋信號給控制系統，通過中控系統來對機器人的各個執行機構進行有序地操作。2.3機械傳動部分的設計計算2.3.1旋轉電機的選型計算N=＝400wG—旋轉機構的負載，取100kgv—旋轉機構的轉速。取v＝600r/m－傳動效率，取0.75根據N＝400w，n＝1440r/min選取型號為Y112M-4的電機。由傳動比標準系列查《機械設計手冊》B2表2－1初步取1.762.5。2.3.2夾爪升降氣缸的選型計算根據系統工況可知，自動堆垛式載運機器人夾持貨物是通過氣缸推動夾爪機構來實現的，根據已知條件可知：夾爪機構的所有零件的重量為10kg。已知夾爪部位各個零件的重量以及其他零部件的總重量為10KG，根據公式F=P*S=0.5(取氣壓0.6Mpa）*S,可得S=25mm。式中：F是所需要的輸出力；P是系統壓力；S就是活塞面積；n是安全系數，一般氣缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5；于是算出氣缸缸徑為50mm，行程根據實際情況我們選擇200，所以我們選擇AIRTAC50X200標準型氣缸。2.3.3軸承的選型計算根據根據條件，軸承預計壽命16×365×8=48720小時；(1）已知nⅡ=458.2r/min

兩軸承徑向反力：FR1=FR2=500.2N；初先兩軸承為深溝球軸承6204型。根據課本P265（11-12）得軸承內部軸向力FS=0.63FR則FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；(2)∵FS1+Fa=FS2Fa=0

故任意取一端為壓緊端，現取1端為壓緊端FA1=FS1=315.1N

FA2=FS2=315.1N；(3)計算當量載荷P1、P2根據課本P263表（11-9）取f

P=1.5;根據課本P262（11-6）式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5×(1×500.2+0)=750.3N；

P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5×(1×500.2+0)=750.3N；

(4)軸承壽命計算∵P1=P2故取P=750.3N；

∵深溝球軸承ε=3；2.3.4滾動導軌的設計設導軌的滑座數M＝4個，每分鐘往復4次，載荷F∑＝2800N，工作臺絲杠載荷每天開機6h，每年300個工作日，壽命8年，由所設條件得該導軌的額定工作時間。壽命Th＝6×300×8＝14400h由Th＝Ts×103/2Lsn=>Z向導軌Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.34×4×60/103＝2350kmY向導軌Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.25×4×60/103＝1728km因滑座數M=4所以每導軌上使用2個滑座。fC＝0.81；fH＝1;fT＝1;fW＝2=>Ts＝K(fHXfTXfCX/fWXCa/F)3=>Ca＝F(Ts/K)1/3fw/(fHfTfC)其中F＝F∑/M＝2800/4＝700N=>Z向Ca＝700(2350/50)1/3×2/(0.81×1×1)＝5333N若選漢江機床廠的HJG-D系列滾動導軌，選用HJG-D25型號能滿足要求,同理Y向取HJG-D25型號。3各主要零件部強度的校核計算3.1鍵的設計及危險截面校核鍵聯結是通過鍵實現軸和軸上零件的周向固定以傳遞運動和轉矩。其中有類型也可以實現軸向固定和傳遞軸向力，有些類型并能實現軸向動聯結，于在圓錐篩的軸上主要通過鍵來實現傳遞轉矩和軸向固定所以，只需選用常見的普通平鍵，鍵的類型可根據使用要求、工作條件和聯結的結構特點表5-3-15選定，鍵的長度根據軸轂的長度從標準中選取，鍵的b×h根據徑來確定。軸和同步帶輪的聯結，d=20mm,參考資料2P5-194表5-3-18(GB/T1095-1979)選用B8×30，B6×25的普通A型平鍵，鍵長分別為30㎜、25mm。3.2軸承的選取及校核軸承的選用在以上的說明中已經給出，選用的是帶緊定套的滾子軸承，型號為22218CK/W33+H318，其基本參數為主要是額定載荷：C=240000N，=322000N，e=0.23,Y=2.5,，假定軸承的壽命為3年，每天工作10小時，一年工作300天，所以軸承的基本額定動載荷可按一下公式進行計算：C=其中：C—基本額定動載荷計算值，N；P—當量動載荷，按式計算，為軸承所受徑向載荷，軸向動載荷，X為徑向動載荷系數，Y為軸向動載荷系數；—壽命因數，按表7-2-8選取；—速度因數，按表7-2-9選取；—力矩載荷因數，力矩較小時=1.5,力矩較大時=2;—沖擊載荷因數,按表7-2-10選取;—溫度系數,按表7-2-11選取;—軸承尺寸及性能表中所列基本額定動載荷;由表查得=1.19,=0.366,=1.5,=1.2（中等沖擊）,=;1.0；因為軸向載荷=0，即，所以當量動載荷即，，,所以此軸承選的合適,能滿足要求。4機器人的PLC控制系統設計4.1可編程控制器的選擇目前，國際上生產可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機器人的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。4.2可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。第一階段是初始化處理。可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態的詢問是針對輸入輸出狀態暫存器而言的。輸入輸出狀態暫存器也稱為I/0狀態表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態信息的存儲區。其中存放輸入狀態信息的存儲器叫輸入狀態暫存器;存放輸出狀態信息的存儲器叫輸出狀態暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態信息送到I/0狀態表中存放。在同一掃描周期內，各個輸入點的狀態在I/0狀態表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內用戶程序的正確執行。第三階段是程序處理階段。當輸入狀態信息全部進入I/0狀態表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據各I/0狀態和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態表的輸出狀態暫存器中。第四階段是輸出處理階段。CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態表狀態暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執行下一個循環的掃描周期。結論本文所設計的自動堆垛式載運機器人，該設計功能比較突出，通過構思，實施，計算，畫圖，論文總算完成了。在論文完成之際，我首先向我的導師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導師在學業上嚴格要求，精心指導，在生活上給了我無微不至的關懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業階段的學業的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導師嚴謹的治學態度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發，必將終生受益。經過近半年努力的設計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。參考文獻[1]孫恒、陳作模主編<<機械原理>>，高等教育出版社，2006年出版[2]濮良貴、紀名剛主編<<機械設計>>,高等教育出版社，2006年出版[3]大連理工大學主編<<機械制圖>>,高等教育出版社，2007年出版[4]劉鴻問主編<<材料力學>>，高等教育出版社，2004年出版[5]成大先主編<<機械設計手冊>>，化學工業出版社,2002年出版[6]天津大學主編<<工業機器人設計基礎>>，天