碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書(共33頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 碼垛機(jī)器人 課程名稱： 機(jī)電一體化 課題名稱： 五自由度小型碼垛機(jī)器人 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級： 小組成員： 指導(dǎo)教師： 課設(shè)

2、時(shí)間： 2016年1月 目錄 ……1 4.1 運(yùn)動(dòng)軌跡分析…………………………………………………28 4.2 運(yùn)動(dòng)函數(shù)分析…………………………………………………29 專心---專注---專業(yè) 摘要 近年來,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速,各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。于此同時(shí),碼垛技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展,尤其是機(jī)器人碼垛發(fā)展更為迅猛,這種發(fā)展趨勢是與當(dāng)今制造領(lǐng)域出現(xiàn)的多品種小批量的發(fā)展趨勢相適應(yīng)的。本文圍繞一個(gè)小

3、型碼垛機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。 首先根據(jù)設(shè)定的工作要求確定機(jī)器人的各項(xiàng)基本技術(shù)指標(biāo),為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在參考多種相關(guān)機(jī)器人的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體方案和機(jī)械結(jié)構(gòu),碼垛機(jī)器人是四自由度機(jī)器人,所有關(guān)節(jié)均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),確定了采用舵機(jī)傳動(dòng)的方案。通過計(jì)算對機(jī)器人進(jìn)行受力分析,目的是為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度上是否能夠滿足工作的要求。本課程設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)四自由度的抓取聽裝可樂小型簡單碼垛機(jī)器人。 關(guān)鍵詞 ：碼垛機(jī)器人 機(jī)器人技術(shù) 動(dòng)態(tài)性能 第一章 背景介紹 自20世紀(jì)80年代，我國碼垛機(jī)器人在國家支持下，通過“七五”、“八五”科

4、技攻關(guān)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在機(jī)器人領(lǐng)域取得了很大成就。按機(jī)器人的發(fā)展過程，分為三代機(jī)器人。第一代機(jī)器人，具有視角再現(xiàn)功能或具有可編程的NC裝置，但對外部信息不具備反饋能力;第二代機(jī)器人，不僅具有內(nèi)部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。雖然沒有應(yīng)用人工智能技術(shù)，但是能進(jìn)行機(jī)器人環(huán)境交互，具有在線適應(yīng)能力；第三代機(jī)器人，具有多種智能傳感器，能感知和領(lǐng)會(huì)外部環(huán)境信息。目前碼垛機(jī)器人的應(yīng)用主要在以下兩個(gè)方面。惡劣工作環(huán)境，危險(xiǎn)工作場合，這個(gè)領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜與人去干的作業(yè)。例如在沖床上下料、采礦、鍛造等。 在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，碼垛機(jī)器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及

5、抓取零件重新定向等作業(yè)。一個(gè)簡單抓放作業(yè)機(jī)器人只需要較少的自由度，一個(gè)給零件定向作業(yè)的機(jī)器人要求具有更多的自由度，增加其靈巧性。工業(yè)機(jī)器人具有減少勞動(dòng)力費(fèi)用、提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、增加制造過程的柔性、減少材料浪費(fèi)、控制和加快庫存的周轉(zhuǎn)、降低成本、消除危險(xiǎn)和劣勢的勞動(dòng)崗位。目前工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)正處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國家里，工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與制造正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，全世界每年的工業(yè)機(jī)器人銷售額可達(dá)42億美元。盡管如此，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)仍在不斷拓展，不斷向新的領(lǐng)域進(jìn)軍。我國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣。但是，由于我國工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動(dòng)力比較豐富、低廉，給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)

6、展和應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，運(yùn)動(dòng)速度，降低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國注重發(fā)展組合式工業(yè)機(jī)器人。它是采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機(jī)器人用的各種伺服電機(jī)，傳感器外，手臂、手腕和機(jī)身也已標(biāo)準(zhǔn)化。隨著機(jī)器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜變化，急需開發(fā)新型的微動(dòng)機(jī)構(gòu)來保證機(jī)器人的動(dòng)作精準(zhǔn)度，開發(fā)多關(guān)節(jié)，多自由度的手臂和手指及星星的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)日益復(fù)雜的作業(yè)需求。 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 2.1總體設(shè)計(jì)要求 本文研究的機(jī)器人為小型碼垛機(jī)器人，旨在讓其在桌面進(jìn)行工作。其工作過程簡單

7、描述為：無論工作前處于什么狀態(tài)，工作開始后回到原位，對桌面上的聽裝可樂等物體進(jìn)行抓取，通過腰部旋轉(zhuǎn)放到指定位置。工作范圍半徑350mm圓內(nèi)，垂直方向的極限位置300mm。 2.2機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要部分由底座、大臂、小臂、腕部和手爪裝置組成（如圖2-2-1所示）。底座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都安裝在底座上。大臂和小臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，用來支撐腕關(guān)節(jié)和手部，并使它們在工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。腕部是聯(lián)結(jié)手臂與手爪的部件，用于調(diào)整手爪的方向和姿態(tài)。手爪裝置一般指夾持裝置，主要用來傳遞工作。 圖2-2-1 碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖 圖

8、2-2-2 碼垛機(jī)器人線形圖 圖2-2-3 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 2.3電機(jī)的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式,它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)不同,適用范圍也不同。 氣壓驅(qū)動(dòng)能源成本較低,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,但是定位精度比較差。 液壓驅(qū)動(dòng)輸出力可在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),定位精度比較高,但是對溫度變化敏感,油液易泄露,噪聲比較大。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的效率比較高,運(yùn)動(dòng)速度以及位姿準(zhǔn)確度超過啟動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng),噪聲和污染都比較小。 綜上所述,根據(jù)實(shí)際的需要,本機(jī)器人選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 目前機(jī)器人電機(jī)主要有以下幾種 1） 步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,控制結(jié)構(gòu)簡單,控制性能好,成

9、本低廉通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制位置誤差不會(huì)積累。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力,適用于傳動(dòng)效率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。 2） 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性,較大的啟動(dòng)力矩,相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn),并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本較高。 3） 交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,使用維修方便,價(jià)格較為昂貴。 4） 舵機(jī)：角度可以保持在驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，控制簡單，大扭力，成本低。 結(jié)合機(jī)器人的要求,本文選用舵機(jī)，舵機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-3-1所示。 圖2-3-1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖 考慮到所需舵機(jī)的各方面要求，我們選取型號為SM-S4303R的6

10、V舵機(jī)，具體參數(shù)如下表： 表2-3-1 2.4底座的設(shè)計(jì) 底座材料選擇聚甲醛。聚甲醛是一種表面光滑、有光澤的硬而致密的材料，淡黃或白色，薄壁部分呈半透明，強(qiáng)度、剛度高，彈性好，減磨耐磨性好。其力學(xué)性能優(yōu)異，比強(qiáng)度可達(dá)50.5MPa，比剛度可達(dá)2650MPa，與金屬十分接近。 碼垛機(jī)器人的底座承載了整個(gè)機(jī)身的重量，以及底座本身內(nèi)部裝有舵機(jī)等，考慮到自身的剛度和強(qiáng)度，又結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和重量限制外形等因素，綜合考慮，設(shè)計(jì)底座結(jié)構(gòu)如圖2-4-1所示： 圖2-4-1 碼垛機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)圖 底座零件圖如下： 圖2-4-2 底座主視圖 圖2-4-3 底座左視圖

11、 圖2-4-4 底座俯視圖 2.5腰部的設(shè)計(jì) 圖2-5-1 腰部結(jié)構(gòu)圖 碼垛機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，腰部承載著大臂、小臂以及其他部件的重量，安裝在腰部一側(cè)的舵機(jī)用來實(shí)現(xiàn)大臂的前后運(yùn)動(dòng)。腰部的旋轉(zhuǎn)靠安裝在底座中的舵機(jī)完成，舵機(jī)與腰部間的聯(lián)軸器通過鍵連接與腰部聯(lián)結(jié)。腰部中間部分設(shè)計(jì)成部分中空，目的是減輕機(jī)身重量。 腰部的三視圖如下： 圖2-5-2 腰部主視圖 圖2-5-3 腰部左視圖 圖2-5-4 腰部俯視圖 2.6臂部的設(shè)計(jì) 碼垛機(jī)器人的臂部主要由大臂、小臂及其他附件組成，考慮其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，材料選擇鋁合金6061。 鋁合金

12、6061的力學(xué)性能： 極限抗拉強(qiáng)度為124 MPa，受拉屈服強(qiáng)度55.2 MPa，延伸率25.0 %，彈性系數(shù)68.9 GPa，彎曲極限強(qiáng)度228 MPa，泊松比0.330，疲勞強(qiáng)度 62.1 MPa，密度為2.8g/cm3。 2.6.1大臂的設(shè)計(jì)與校核 1) 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖2-6-1 大臂結(jié)構(gòu)圖 大臂主要做前后的擺動(dòng)動(dòng)作，通過與腰部連接的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，主要結(jié)構(gòu)如圖2-6-1所示，橫截面為矩形，一面與腰部相連，一面與小臂相連，此處舵機(jī)裝在大臂上，方便控制小臂的運(yùn)動(dòng)。具體尺寸如圖2-6-2和圖2-6-3所示。 圖2-6-2 大臂主視圖 圖2-6-3 大臂俯視圖

13、2) 大臂的彎曲強(qiáng)度校核 大臂受力方向與大臂夾角為53.74（45+8.74），此處受力分析取為60。 大臂的受力分析圖及彎矩圖如下： 圖2-6-4 大臂的受力分析及彎矩圖 大臂的體積估算為v=4220+π222.8=195cm 大臂的質(zhì)量估算為m=ρv=2.8195=546g σmax=MX/WX=2G3sin60L/(bh2/6)+ G4sin60L/(bh2/6)=2（0.3+0.546）(1.732/2)9.810/(422/6)+ 0.546(1.732/2)9.810/(422/6)= 71.23MPa﹤[σ] ∴ 大臂的設(shè)計(jì)符合彎曲強(qiáng)度要求。 2.6

14、.2小臂的設(shè)計(jì)與校核 1) 小臂的設(shè)計(jì) 圖2-6-5 小臂結(jié)構(gòu)圖 小臂的結(jié)構(gòu)相較于大臂稍簡單，兩端呈對稱結(jié)構(gòu)，如圖2-14所示，兩端分別與相應(yīng)的舵機(jī)相連，除了與大臂相連的一端，另一端與腕部相連。 圖2-6-6 小臂主視圖 圖2-6-7 小臂俯視圖 2) 小臂的彎曲強(qiáng)度校核 小臂的受力分析圖及彎矩圖如下： 圖2-6-8 小臂受力分析及彎矩圖 小臂的體積估算為v=4220+π222.8=195cm 小臂的質(zhì)量估算為m=ρv=2.8195=546g σmax=MX/WX=2G1L/(bh2/6)+ G2L/(bh2/6)=20.39.810/

15、(422/6)+ 0.5469.810/(422/6)=42.12MPa﹤[σ] ∴ 小臂的設(shè)計(jì)符合彎曲強(qiáng)度要求。 2.7腕部的設(shè)計(jì) 圖2-7-1 腕部結(jié)構(gòu)圖 腕部的主要作用是利用舵機(jī)控制手爪的工作，并有自己的工作范圍。主要結(jié)構(gòu)圖如圖2-7-1。 圖2-7-2 腕部主視圖 圖2-7-3 腕部左視圖 圖2-7-4 腕部俯視圖 2.8其他零件設(shè)計(jì)與選擇 （1）底座用吸盤的選擇： D≥（9800MS/πnp） 吸盤內(nèi)的真空度約為-67.15kpa D：需要的吸盤直徑（mm) 圖2.8.1 吸盤結(jié)構(gòu)圖 M：工件重量（KG

16、） S：安全系數(shù)（水平起吊S=4，垂直起吊S=8） n：吸盤的個(gè)數(shù) P：真空壓力（-Kpa) 考慮到吸附工件的可吸附尺寸（面），所選的吸盤直徑應(yīng)設(shè)定為大于根據(jù)目錄所得出的所需吸盤直徑（D）。因?yàn)槲P在吸附工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，所以吸盤的外徑大小要增大10%左右。求出的吸盤直徑如果超出目錄上的數(shù)值時(shí)，按2個(gè)以上計(jì)算。 帶入所需數(shù)據(jù)得出D≧16.7mm，根據(jù)需求選擇D=20mm的真空吸盤四個(gè)。 （2）底座與腰部連接軸一設(shè)計(jì) 圖2-8-2 軸一整體結(jié)構(gòu)圖 其設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示： 圖2-8-3 軸一主視圖 圖2-8-4 軸一左視圖

17、 （3）軸二的設(shè)計(jì) 圖2-8-5 軸二整體結(jié)構(gòu)圖 其設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示： 圖2-8-6 軸二主視圖 圖2-8-7 軸二左視圖 本設(shè)計(jì)中，在腰部與大臂間、大臂與小臂間、小臂與腕部間均采用軸二連接。為了增加強(qiáng)度與剛度，軸一與軸二均采用45號鋼材料設(shè)計(jì)加工。 （4）深溝球軸承6013 GB/T276-1994，結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-8-8 （5）推力球軸承51207 GB/T301-1995，結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-8-9 （6）螺釘M2x10、M2x7 GB/T818-2000 （7）鍵B4x4x16 GB/T1096-2003 （8

18、）塞子的設(shè)計(jì)，如圖2-8-10所示： 圖2-8-10 此塞子采用聚甲醛材料設(shè)計(jì)，由于塞緊大臂、小臂與舵機(jī)軸連接處的通孔。 （9）舵盤選擇，其結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-8-11 舵盤整體結(jié)構(gòu)圖 此舵盤即是所謂的聯(lián)軸器，與舵機(jī)配套，購買舵機(jī)時(shí)配有此舵盤，用于舵機(jī)與軸一、軸二的連接。 第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 考慮到本文選擇舵機(jī)為動(dòng)力裝置，故選擇用51單片機(jī)編程控制。 圖3-1 單片機(jī)硬件接線圖 考慮到碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立了主程序和幾個(gè)子程序，具體流程圖如下： 圖3-2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)流程圖 圖3-3 內(nèi)部運(yùn)行流程 （1）小臂伸縮子

19、程序流程如圖3-4所示。P1.0為小臂收縮輸入端，P1.1為小臂伸出輸入端，P0.0，P0.1，P.0.2分別為小臂伸縮輸出端。 圖3-4 小臂前后運(yùn)動(dòng)流程圖 （2）大臂上下運(yùn)動(dòng)子程序流程圖如圖3-5所示。P1.2為大臂下降輸入端，P1.3為大臂上升輸入端，P0.3，P0.4，P0.5分別為大臂上下輸出端。 圖3-5 大臂上下運(yùn)動(dòng)流程圖 （3）控制腰部旋轉(zhuǎn)時(shí)，P1.4為腰部左旋輸入端，P1.5為腰部右旋輸入端，P0.6，P0.7，P2.7分別為腰部左右旋輸出端，腰部左右旋子程序流程如圖3-6所示。 圖3-6 機(jī)體（腰部）左右轉(zhuǎn)動(dòng)圖 （4）控制手爪的

20、夾緊與放松中，P1.6為手爪抓緊輸入端，P1.7為手爪放松輸入端，P2.6為手爪輸出端，手爪子程序流程圖如圖3-7所示。 圖3-7 手爪夾緊放松流程圖 （5）在基于單片機(jī)碼垛機(jī)器人控制中P3.0為臂部啟動(dòng)引腳，P3.1為臂部停止引腳。 第四章 運(yùn)動(dòng)分析 4.1 運(yùn)動(dòng)軌跡分析 本設(shè)計(jì)軌跡分析主要基于計(jì)算機(jī)繪圖的幾何尺寸分析，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4-1-1所示 圖4-1-1 運(yùn)動(dòng)軌跡圖 軌跡分析：本分析主要針對于豎直向下此段較難軌跡的分析。假設(shè)機(jī)器人初始位置為大臂AB與豎直方向夾角45度、小臂BC水平，腕部CD豎直，運(yùn)動(dòng)軌跡為D處的夾手豎直向下110毫米處夾取物體

21、，設(shè)AB=200mm,BC=200mm，由圖4-1-1所示，機(jī)械夾手從D運(yùn)動(dòng)到D1處，既可簡化為從C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C2點(diǎn)，以C2為原點(diǎn)半徑200做個(gè)圓，再以A為原點(diǎn)半徑200做個(gè)圓，得出兩圓交點(diǎn)，既圖中B1點(diǎn)，則當(dāng)從C到C2時(shí)，必須同時(shí)讓B到B1處，設(shè)兩臂的旋轉(zhuǎn)時(shí)間定為某一相等時(shí)間，則只需要知道兩臂各自的擺動(dòng)角度即可得出兩臂的旋轉(zhuǎn)速度，而此兩個(gè)角度通過計(jì)算機(jī)繪圖仿真即可測出，如圖中所測。知道兩臂各自旋轉(zhuǎn)的角度，這時(shí)假設(shè)CD時(shí)不轉(zhuǎn)的，則CD被自然旋轉(zhuǎn)的角度為兩臂旋轉(zhuǎn)的角度和，于是在兩臂旋轉(zhuǎn)的同一時(shí)間內(nèi)將腕部CD反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度大小為兩臂旋轉(zhuǎn)角度之和，如此即可保證腕部CD時(shí)刻處于豎直狀態(tài)。 4.2

22、運(yùn)動(dòng)函數(shù)分析 本次函數(shù)分析是基于UG運(yùn)動(dòng)仿真中的STEP函數(shù)進(jìn)行分析，假設(shè)從D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D1點(diǎn)處的時(shí)間為5秒，則此時(shí)可計(jì)算出A點(diǎn)處電機(jī)的速度為 Va=8.74/5s=1.748/s B點(diǎn)處電機(jī)的速度為 Vb=17.00/5s=3.4/s C點(diǎn)處電機(jī)的速度為 Vc=-25.74/5s=-5.148/s 由此可得出在這5秒內(nèi)控制各個(gè)電機(jī)的STEP函數(shù)為 A處電機(jī)： STEP( x, 0, 0, 0.001, 1.748)+STEP( x, 5, 0, 5.001, -1

23、.748) B處電機(jī)： STEP( x, 0, 0, 0.001, 3.4)+STEP( x, 5, 0, 5.001, -3.4) C處電機(jī)： STEP( x, 0, 0, 0.001, -5.148)+STEP( x, 5, 0, 5.001, 5.148) 參考文獻(xiàn) [1]劉濤.層碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)性能分析.蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2010.5. [2] 曹志民.四自由度碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)、承載能力分析與優(yōu)化研究.武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2014.5. [3]吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊（第三版）. [4]楊世明.機(jī)械設(shè)計(jì)（下冊）——機(jī)械零件設(shè)計(jì).北京.電子工業(yè)出版社2014.1.