KG四自由度碼垛機(jī)器人底座設(shè)計(jì)及分析

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1、100KG四自由度碼垛機(jī)器人底座設(shè)計(jì)及分析 （……，…….，……..，…….） 摘要：本文主要設(shè)計(jì)和研究了一個(gè)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(duì)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(jì)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(duì)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(jì)；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(lái)越重視自動(dòng)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(shì)讓它在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩。 2 課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是底座和腰部設(shè)計(jì)，主要工作內(nèi)容有以下幾點(diǎn): 1.了解碼垛機(jī)器人發(fā)展近況以及未來(lái)發(fā)展方向，并掌握碼垛機(jī)器人的基本構(gòu)成部分。 2.對(duì)碼垛機(jī)器人的底座和腰部進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)。 3.用UG進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)底座和腰部的三維模型，并將設(shè)計(jì)

5、好的底座和腰部進(jìn)行裝配。 4.利用UG對(duì)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(jì)的碼垛機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人，共有四個(gè)自由度，分別是底座1的旋轉(zhuǎn)，大臂2和小臂3的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì) 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(guò)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(dòng)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(zhǎng)度L，可得其轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)計(jì)算得其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量 （4-4） 取減速比i=153，帶入求出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(shí)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(dòng)慣量比較大，所以在負(fù)載和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間要用有比較大傳動(dòng)比的減速裝置。[2]考慮到碼垛機(jī)器人體積結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)精度和經(jīng)濟(jì)性等要求，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人減速裝置采用RV減速器。RV減速器具有傳動(dòng)比較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、重量較輕、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、過(guò)載能力強(qiáng)、使用壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)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(dòng)時(shí)（max） 穩(wěn)定時(shí) 停止時(shí)（max） 緊急停止沖擊時(shí) 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(shí)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(shí)選定RV-80E-10 計(jì)算減速機(jī)壽命是否滿(mǎn)足要求的規(guī)格值 （4-8） 遠(yuǎn)大于20000小時(shí) 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(dòng)時(shí)允許轉(zhuǎn)矩） T3=1000N·m<1960N·m（R

9、V-80E減速器的停止時(shí)允許轉(zhuǎn)矩） 求出緊急制動(dòng)力矩 Tem=3000N·m<3920N·m（RV-80E減速器的瞬時(shí)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(mǎn)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(jì) 4.2.1 底座的設(shè)計(jì) 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(jì)結(jié)構(gòu)方面首先考慮的是它的穩(wěn)

12、定性和堅(jiān)固性。在參考了一系列的文檔資料后，決定用圓臺(tái)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(jì) 工程圖如4-2所示。 4-2 碼垛機(jī)器人底座設(shè)計(jì)工程圖 4.2.2 腰部的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人腰部有兩方面作用，一是通過(guò)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(dòng)腰部實(shí)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(shí)現(xiàn)大臂一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。 因此，在設(shè)計(jì)腰部的時(shí)候，其基本要求如下： 1.高精度。為了腰部在平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)而且不會(huì)影響精度，這就對(duì)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(dòng)速度，還要減小整個(gè)腰部對(duì)于回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，腰部的設(shè)計(jì)在強(qiáng)度滿(mǎn)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(huì)影響到大臂的運(yùn)動(dòng)，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(jì)如圖4-3所示。 圖4-3 碼垛機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 其工程如圖4-4所示。 圖4-4碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)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(duì)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(zhǎng)

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(shí)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(shí)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(shí)各部分的位移變化情況?？梢钥闯龅鬃芰r(shí)，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(méi)有位移變化。 圖5-3則形象的表示了底座受力時(shí)各部分的應(yīng)力情況。可以看出底座受力時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座下端的圓臺(tái)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(duì)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(zhǎng) 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(shí)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(shí)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(shí)各部分的位移變化情況?？梢钥闯鲅渴芰r(shí)，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(shí)各部分的應(yīng)力情況?？梢钥闯龅鬃芰r(shí)，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(guò)

19、此次關(guān)于碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)，我了解和學(xué)會(huì)了很多東西： 1.切實(shí)體會(huì)到了學(xué)以致用的含義。畢業(yè)設(shè)計(jì)之前我一直以為自己在學(xué)校已經(jīng)學(xué)了很多知識(shí)，就算出了校門(mén)我也可以輕而易舉的解決那些機(jī)械問(wèn)題。但這次真正讓我做這個(gè)碼垛機(jī)器人的時(shí)候我才發(fā)現(xiàn)自己真是一個(gè)井底之蛙。學(xué)到的知識(shí)不能單單的去說(shuō)，而是要腳踏實(shí)地的去動(dòng)手實(shí)踐。只有自己親自動(dòng)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(guò)對(duì)于碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究，我也看到了我國(guó)機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)的飛速發(fā)展，和未來(lái)發(fā)展方向。從無(wú)到有，從落后到先進(jìn)，我國(guó)自動(dòng)化的發(fā)展十分迅速，自動(dòng)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(wèn)題，這都需要我們這一代人去努力和奮斗，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1]張楊林.國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)及發(fā)展趨勢(shì)[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(jì)及運(yùn)動(dòng)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(jì)課程設(shè)計(jì)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(jì)[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(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[

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