KG四自由度碼垛機(jī)器人底座設(shè)計及分析

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1、100KG四自由度碼垛機(jī)器人底座設(shè)計及分析 （……，…….，……..，…….） 摘要：本文主要設(shè)計和研究了一個抓重為100KG的四自由度的碼垛機(jī)器人，用于企業(yè)生產(chǎn)中的碼垛物品。首先對機(jī)器人的整體方案和具體的結(jié)構(gòu)按要求進(jìn)行了分析，接著主要設(shè)計了機(jī)器人底座和腰部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了建模和裝配。最后,利用分析軟件（UG）對機(jī)器人底座和腰部進(jìn)行有限元仿真分析。 關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；建模；有限元分析 Design and Analysis of 100KG4-dofPalletizing Robot Base … … … （School of Transportation，Institut

2、e of Transportation Mechanical Design Manufacturing and Automation，jixieben1104 ，20112814726） Abstract:In this paper, the design and research of a catch weight of 100KG of4-dof palletizing robots for the production of stacking items.At first, the overall program and the specific structure of the ro

3、bot were analyzed according to the requirements, then the main workisto designthe base and waist of the robotand 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；Fin

4、ite Element Analysis 1 引言 隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，企業(yè)越來越重視自動化生產(chǎn)。[1]在這種背景下，機(jī)器人的使用越發(fā)普及，碼垛機(jī)器人就是其中之一。效率高，適用性強(qiáng)，能耗低，占地面積少等諸多優(yōu)勢讓它在各個領(lǐng)域大放異彩。 2 課題的設(shè)計內(nèi)容 本設(shè)計主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是底座和腰部設(shè)計，主要工作內(nèi)容有以下幾點: 1.了解碼垛機(jī)器人發(fā)展近況以及未來發(fā)展方向，并掌握碼垛機(jī)器人的基本構(gòu)成部分。 2.對碼垛機(jī)器人的底座和腰部進(jìn)行設(shè)計。機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)部分電機(jī)和減速器的選擇和校核以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 3.用UG進(jìn)行三維模型設(shè)計。設(shè)計底座和腰部的三維模型，并將設(shè)計

5、好的底座和腰部進(jìn)行裝配。 4.利用UG對主要受力構(gòu)件進(jìn)行有限元分析。 3 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu) 本課題設(shè)計的碼垛機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)型機(jī)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(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu) 4 碼垛機(jī)器人底座和腰部設(shè)計 4.1 腰部電機(jī)和減速器的選擇 4.1.1 電機(jī)選擇 碼垛機(jī)器人腰部由于負(fù)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(jī)。 設(shè)機(jī)器人腰部繞其中心軸的轉(zhuǎn)動慣量為J，根據(jù)機(jī)器人的靜力學(xué)分析，取大臂小臂極限長度L，可得其轉(zhuǎn)動慣量為：

6、 （4-1） 其中M是腰部所要承受的重量，為200Kg，L為1m，通過計算得其轉(zhuǎn)動慣量為 66.7 電機(jī)轉(zhuǎn)矩 （4-2） 回轉(zhuǎn)加速度 （4-3） 帶入求出力矩： N·m 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量 （4-4） 取減速比i=153，帶入求出電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量 Kg·m2 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 （4-5） 帶入求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩 N·m 根據(jù)以上計算結(jié)果，可以初步選定伺服電機(jī)，根據(jù)日本安川伺服電機(jī)公司提供的參數(shù)，選取Σ-V系列的SGMGV-20A型電機(jī)，額定輸出為1.8KW，額定轉(zhuǎn)矩為11.5N·m，瞬時最大轉(zhuǎn)矩為28.7N·m

7、。 4.1.2 減速器的選擇 碼垛機(jī)器人腰部的旋轉(zhuǎn)需要克服的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比較大，所以在負(fù)載和驅(qū)動電機(jī)之間要用有比較大傳動比的減速裝置。[2]考慮到碼垛機(jī)器人體積結(jié)構(gòu)、傳動精度和經(jīng)濟(jì)性等要求，本文設(shè)計的機(jī)器人減速裝置采用RV減速器。RV減速器具有傳動比較大、結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、重量較輕、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、過載能力強(qiáng)、使用壽命較長等優(yōu)點，能夠滿足碼垛機(jī)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 停止時（max） 緊急停止沖擊時 負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m) T1=1000 T2=0 T3=1000 Tem=30

8、00 轉(zhuǎn)速(r/min) N1=5 N2=10 N3=5 Nem=20 時間(sec) t1=0.5 t2=4.2 t3=0.5 tem=0.05 確定負(fù)載特性 求出平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （4-6）N·m 求出平均輸出轉(zhuǎn)速 （4-7） 暫時選定RV-80E-10 計算減速機(jī)壽命是否滿足要求的規(guī)格值 （4-8） 遠(yuǎn)大于20000小時 求出輸出轉(zhuǎn)速 最大輸出轉(zhuǎn)速10r/min<75r/min（RV-80E減速器允許最高輸出轉(zhuǎn)速） 求出啟停轉(zhuǎn)矩 T1=1000N·m<1960N·m（RV-80E減速器的啟動時允許轉(zhuǎn)矩） T3=1000N·m<1960N·m（R

9、V-80E減速器的停止時允許轉(zhuǎn)矩） 求出緊急制動力矩 Tem=3000N·m<3920N·m（RV-80E減速器的瞬時最大允許轉(zhuǎn)矩） 求出主軸承承載力 （4-9） 外部負(fù)載條件 W1=500 N L1=0.5m W2=2000N L3=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) a b RV-6E 117 17.6 91.6 RV-20E 372 20.1 113.3 RV-40E 931 29.6 14

10、3.7 RV-80E※1 1176 33.4 166.0 RV-80E※2 1176 37.4 166.0 RV-110E 1470 32.2 176.6 RV-160E 2940 47.8 210.9 RV-320E 4900 56.4 251.4 RV-450E 7448 69.0 292.7 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 N R

11、V-6E 196 1470 RV-20E 882 3920 RV-40E 1666 5194 RV-80E※1 2156 7840 RV-80E※2 1735 7840 RV-110E 2940 10780 RV-160E 3920 14700 RV-320E※1 7056 19600 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。 4.2 底座和腰的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.2.1 底座的設(shè)計 底座部分要支撐腰部以上包括大臂小臂和100KG負(fù)重等所有重量，所以在設(shè)計結(jié)構(gòu)方面首先考慮的是它的穩(wěn)

12、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(zhuǎn)的電機(jī)和減速器全都固定在底座上，進(jìn)一步加強(qiáng)穩(wěn)定性。 底座結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 圖4-1底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 工程圖如4-2所示。 4-2 碼垛機(jī)器人底座設(shè)計工程圖 4.2.2 腰部的設(shè)計 本文設(shè)計的碼垛機(jī)器人腰部有兩方面作用，一是通過底座的電機(jī)連接減速機(jī)，減速器又與腰部相連，進(jìn)而帶動腰部實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)；二是在腰部上端是與大臂相連的結(jié)構(gòu)，連接部分也是利用電機(jī)與減速機(jī)的結(jié)合，最終實現(xiàn)大臂一定角度的轉(zhuǎn)動。 因此，在設(shè)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(yùn)動時能保持較高的定位精度，所以碼

13、垛機(jī)器人的精度也很重要。 2.高強(qiáng)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(fù)重之下腰部還能正常運(yùn)動而且不會影響精度，這就對腰部的強(qiáng)度有了很大的要求。 3.輕重量。為了降低碼垛機(jī)器人的重心，提高運(yùn)動速度，還要減小整個腰部對于回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，腰部的設(shè)計在強(qiáng)度滿足條件的情況下要盡量減輕重量。 4.良好的導(dǎo)向性。為了確保腰部的旋轉(zhuǎn)不會影響到大臂的運(yùn)動，所以良好的導(dǎo)向性也是十分必要的。 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4-3所示。 圖4-3 碼垛機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 其工程如圖4-4所示。 圖4-4碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計工程圖 4.3 底座和腰部的裝配 裝配如圖4-5所

14、示。 、 圖4-5碼垛機(jī)器人底座腰部裝配圖 碼垛機(jī)器人裝配剖面圖如圖4-6所示。 圖4-6 碼垛機(jī)器人裝配剖面圖 5 UG有限元分析 5.1 對底座的有限元分析 5.1.1 UG有限元分析結(jié)果 底座有限元分析結(jié)果如表5-1，圖5-1，圖5-2和圖5-3所示。 表5-1 碼垛機(jī)器人底座有限元分析 載荷工況 1 : Number of Iterations = 1 位移 (mm) 應(yīng)力 (mN/mm^2(kPa)) X Y Z Magnitude Von-Mises Min Principal Max Principal Max Shear 靜態(tài)步長

15、1 Max 3.685e-004 8.906e-004 8.904e-004 9.554e-004 7.953e+002 1.264e+001 4.924e+002 4.409e+002 Min -1.253e-006 -8.904e-004 -8.904e-004 0.000e+000 5.325e-001 -6.975e+002 -9.231e+001 2.966e-001 圖5-1底座未受力時網(wǎng)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(yīng)力變化 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(yīng)力變化?？?/p>

16、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(yīng)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(yīng)力情況?？梢钥闯龅鬃芰r，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座下端的圓臺結(jié)構(gòu)和上端的圓柱結(jié)構(gòu)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(jié)果 有限元分析結(jié)果如表5-2，圖5-4，圖5-5和圖5-6所示。 表5-2碼垛機(jī)器人腰部有限元分析 載荷工況 1 : Number of Iterati

17、ons = 1 位移 (mm) 應(yīng)力 (mN/mm^2(kPa)) X Y Z Magnitude Von-Mises Min Principal Max Principal Max Shear 靜態(tài)步長 1 Max 4.964e-002 2.014e-003 1.490e-002 7.255e-002 5.357e+003 2.048e+003 5.008e+003 2.921e+003 Min -5.565e-002 -5.129e-002 -2.798e-002 0.000e+000 6.015e-001 -8.534e+003

18、 -3.621e+003 3.059e-001 圖5-4腰部未受力時網(wǎng)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(yīng)力變化 5.2.2 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(yīng)力變化?？梢院芮宄目吹窖吭谑芰r分別在X,Y,Z軸產(chǎn)生的最大位移量和應(yīng)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?？梢钥闯鲅渴芰r，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(yīng)力情況?？梢钥闯龅鬃芰r，最大應(yīng)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(jié) 經(jīng)過

19、此次關(guān)于碼垛機(jī)器人的設(shè)計，我了解和學(xué)會了很多東西： 1.切實體會到了學(xué)以致用的含義。畢業(yè)設(shè)計之前我一直以為自己在學(xué)校已經(jīng)學(xué)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(jī)械問題。但這次真正讓我做這個碼垛機(jī)器人的時候我才發(fā)現(xiàn)自己真是一個井底之蛙。學(xué)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(xué)的和自己將要學(xué)的都是什么。 2.通過對于碼垛機(jī)器人的設(shè)計和研究，我也看到了我國機(jī)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(jìn)，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。

20、當(dāng)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。 參考文獻(xiàn) [1]張楊林.國內(nèi)工業(yè)機(jī)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動分析[Z].山東科學(xué)，2011（6）：97~101. [3]劉建華、任義磊主編.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)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(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[R]. 內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2010. [5]何銘新.機(jī)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(shù)基礎(chǔ)[

21、M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.12 [7]單輝祖主編.材料力學(xué)（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(shù)字設(shè)計與制造：UG NX操作與實踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.3. 致 謝 時光荏苒，大學(xué)四年就這樣即將匆匆的結(jié)束了?；厥姿哪甑拇髮W(xué)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(shè)計指導(dǎo)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(xué)年論文的撰寫，最后到本畢業(yè)設(shè)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；當(dāng)我在設(shè)計過程中遇到困難的時候，她幫我排除疑難：當(dāng)我在設(shè)計中出現(xiàn)錯誤的時候，她耐心的給我講解。在這段時間里劉老師不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握了基本的研究方法，同時還使我明白了平易近人、熱情待人所給與我們的獨(dú)特魅力。在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師表示崇高的敬意和衷心的感謝！同時我也要感謝本篇畢業(yè)設(shè)計所參考文獻(xiàn)的的各位作者，正因為各位作者的研究和探索，才給予了我很大的幫助和啟發(fā)。最后我要感謝陪伴我走過四年大學(xué)生活的每一位老師和我的每一位同學(xué)，感謝老師們的教導(dǎo)和培育，感謝同學(xué)們的陪伴和幫助，謝謝你們，讓我能夠在異鄉(xiāng)過地如此精彩和充實。