碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人課程名稱(chēng)： 機(jī)電一體化課題名稱(chēng)： 五自由度小型碼垛機(jī)器人專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：小組成員：指導(dǎo)教師： 課設(shè)時(shí)間：2016年1月目錄摘要1-第一章背景介紹2第二章機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)42.1總體設(shè)計(jì)要求42.2機(jī)械部分總體結(jié)構(gòu)42.3電機(jī)的選擇 62.4底座的設(shè)計(jì)72.5腰部的設(shè)計(jì)102.6臂部的設(shè)計(jì)122.6.1大臂的設(shè)計(jì)與校核 122.6.2小臂的設(shè)計(jì)與校核 142.7腕部的設(shè)計(jì)162.8其他零件的設(shè)計(jì)與選擇 18第三章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)23第四章運(yùn)動(dòng)分析284.1 運(yùn)動(dòng)軌跡分析 284.2 運(yùn)動(dòng)函數(shù)分析29參考文獻(xiàn)31摘要近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種

2、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(shì)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(shì)相適應(yīng)的。本文圍繞一個(gè)小型碼垛機(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(guò)計(jì)算對(duì)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(tīng)裝可樂(lè) 小型簡(jiǎn)單碼垛機(jī)

3、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(guó)碼垛機(jī)器人在國(guó)家支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)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(guò)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(duì)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(méi)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(chǎng)合，這個(gè)領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于

4、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(lái)上下料、碼垛、卸貨以及 抓取零件重新定向等作業(yè)。一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)程的柔性、減少材料浪費(fèi)、控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn)、 降低成本、消除危險(xiǎn)和劣勢(shì)的勞動(dòng)崗位。目前工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)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(guó)家里，工業(yè)機(jī)器人的開(kāi) 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(xiāo)售額 可達(dá)42億美元。盡

5、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(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣。但是，由于我 國(guó)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)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(guó)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(kāi)發(fā)新型的微動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保證機(jī)器人的動(dòng)作精準(zhǔn)度，開(kāi)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)

6、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(guò)程簡(jiǎn)單描述為：無(wú)論工作前處于什么狀態(tài)，工作開(kāi)始后 回到原位，對(duì)桌面上的聽(tīng)裝可樂(lè)等物體進(jìn)行抓取，通過(guò)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300mm2.2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(lái)支撐腕關(guān)節(jié)和手部，并使它們?cè)诠ぷ骺臻g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

7、的方向和姿態(tài)。手爪裝置般指夾持裝置，主要用來(lái)傳遞工作圖2-2-1碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖圖2-2-2碼垛機(jī)器人線形圖小費(fèi)圖2-2-3碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì) 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(guò)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

8、直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好, 成本低廉通常不需要反饋就能對(duì)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(duì) 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(jiǎn)單，運(yùn)行可靠,使用維修方便，價(jià)格較為 曰車(chē)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(jiǎn)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

9、選取型號(hào)為SM-S4303R的6V舵機(jī)，具體參數(shù)如下表：表 2-3-12.4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)圖圖2-4-2底座主視圖120o422250圖2-4-3底座左視圖R30圖2-4-4底

10、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(lái)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(guò)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0,018A圖2-5-3腰部左視圖寸込圖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

11、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/cm 3。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(guò)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)。具體尺寸如圖圖2-6-2大臂主視圖49-200圖2-6-3大臂俯視圖2)大臂的彎曲強(qiáng)度校核+8.74),此處受大臂受力方向與大臂夾角為 53.74( 45 力分析取為60。大臂的受力分析圖及彎矩圖如下：G3xG

12、tx| JIG3y G3大臂受力圖Mx橫截面b圖2-6-4大臂的受力分析及彎矩圖大臂的體積估算為v=4X 2X 20+n X 22 X 2.8=195cm3大臂的質(zhì)量估算為 m= p v=2.8X 195=546g(T max=Mx/Wx=2G3- sin60 L/(b h2/6)+ G4- sin60 L/(b h2/6)=2 X(0.3+0.546)X (1.7322)X 9.8X 10/(4 X 22/6)+ 0.546X (1.7322)X 9.8 X 10/(4 X 22/6)= 71.23MPa t 大臂的設(shè)計(jì)符合彎曲強(qiáng)度要求。2.6.2小臂的設(shè)計(jì)與校核1）小臂的設(shè)計(jì)圖2-6-5小

13、臂結(jié)構(gòu)圖小臂的結(jié)構(gòu)相較于大臂稍簡(jiǎn)單，兩端呈對(duì)稱(chēng)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2-6-7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：G2小臂受力圖rG1彎矩圖Mx橫截面b圖2-6-8小臂受力分析及彎矩圖小臂的體積估算為v=4X 2X 20+n X 22 X 2.8=195cm3小臂的質(zhì)量估算為 m= p v=2.8X 195=546g2 2(T max=Mx/Wx=2G1 L/(b h2/6)+ G2 - L/(b h2/6)=2X 0.3X 9.8X 10/(4X 22/6)+ 0.546X 9.8X 10/(4

14、 X 22/6)=42.12MPa t 二小臂的設(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8HE6263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(pán)的選擇：D（ 9800MS/n np）吸盤(pán)內(nèi)的真空度約為-67.15kpaD :需要的吸盤(pán)直徑（mm）M:工件重量（KG圖2.8.1吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖S:安全系數(shù)（水平起吊S=4,垂直起吊S=8）n：吸盤(pán)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(pán)直徑應(yīng)設(shè)定為 大于根據(jù)目錄所得出的所

15、需吸盤(pán)直徑（D）。因?yàn)槲P(pán)在吸附工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，所以吸盤(pán)的外徑大小要增大 10%左右。求出的吸盤(pán)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DM 16.7mm根據(jù)需求選擇D=20mm勺真空吸 盤(pán)四個(gè)。(2)底座與腰部連接軸一設(shè)計(jì)圖2-8-3軸一主視圖圖2-8-2軸一整體結(jié)構(gòu)圖其設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示:4*454120圖2-8-4軸一左視圖(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(5)推力球軸承51207GB/T301-1995，結(jié)構(gòu)如下圖所示:012h6(?OO11)三0. 018A2 21 4OO020圖2-8-7軸二左視圖本設(shè)計(jì)

16、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(hào)鋼材料設(shè)計(jì)加工。(4)深溝球軸承6013GB/T276-1994，結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖 2-8-8圖 2-8-9(6) 螺釘 M2x10、M2x7 GB/T818-2000(7) 鍵 B4x4x16GB/T1096-2003(8) 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(pán)選擇，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2-8-11舵盤(pán)整體結(jié)構(gòu)圖此舵盤(pán)即是所謂的聯(lián)軸器，與舵機(jī)配套，購(gòu)買(mǎi)舵機(jī)時(shí)配有此舵盤(pán), 用于舵機(jī)與軸一、軸二的連接

17、。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AT89C51小甘輸岀丸情輸岀購(gòu)部輸出P0.0POAP0.2P0.3PiePl.lPQ.4P1.2Pl,3Pl-4P0.5P0.6P0.7P1.5Pl.P1-7RXDTXDP2.7INTO1NT1VccENDRSTP3.0P3.1小暫輸入大骨輅人1手機(jī)輸入啟動(dòng)停止考慮到碼垛機(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:開(kāi)始設(shè)詈系統(tǒng)參數(shù)機(jī)器人回罔檢測(cè)是否來(lái)料運(yùn)行碼垛程陰圖3-2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)流程圖J李2T松IaIj卻r上升圖3-3內(nèi)部運(yùn)行流程(1) 小臂伸縮子程序流程如圖3-4所示。P1.0為小臂收縮輸入端，

18、P1.1為小臂伸出輸入端,PO.O, P0.1, P0.2分別為小臂伸縮輸出小臂前進(jìn)(X軸正轉(zhuǎn)】子程序小臂后退瀝反轉(zhuǎn))子程序圖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大臂上升（大臂Y軸正轉(zhuǎn)）于程序大臂下降（大臂丫軸反轉(zhuǎn) 子程序圖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。機(jī)體右轉(zhuǎn)（機(jī)怵丫軸正轉(zhuǎn)） 子程序機(jī)體左轉(zhuǎn)機(jī)體

19、軸反轉(zhuǎn)） 子程序圖3-6機(jī)體（腰部）左右轉(zhuǎn)動(dòng)圖P1.73-7手爪夾緊（液壓缸進(jìn)油） 子程序啟動(dòng)廷時(shí)CL 5pn efio手爪放松液壓缸出油） 子程序啟動(dòng)延時(shí)55P2. &置：（4）控制手爪的夾緊與放松中，P1.6為手爪抓緊輸入端, 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 所示。廠）(_ RET圖3-7手爪夾緊放松流程圖P3.1（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，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(duì)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，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(jiǎn)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)，貝V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