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1、多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计Body structure design of rectangular coordinate palletizing robot with the multi-degree freedom学生姓名学号所在学院班级所在专业机械设计制造及其自动化申请学位学士指导教师职称副指导教师职称答辩时间目 录设计总说明IINTRODUCTIONII1 绪论11.1 码垛机器人的发展状况11.2 研究目的及意义12 课题内容及要求221 研究目标、内容及拟解决的关键问题22.2 参数要求33 总体机构设计33.1 机械抓手设计63.1.1 方案选择63.1.2 力学分析
2、73.1.3 气缸选择93.2 丝杆螺母副的计算与选型93.2.1 Z轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型93.2.2 x轴和y轴滚珠丝杠螺母副的计算与选型123.3 各轴驱动电机选型123.3.1 Z旋转轴电机的选择133.3.2 Z轴步进电机的计算与选型153.3.3 x轴和y轴步进电机的选用173.4 直线滚动导轨副的计算与选型183.5 轴承的选用203.5.1 Z旋转轴轴承的选用203.5.2 Z轴滚珠丝杠下端单向推力球轴承的计算与选型203.5.3 其他轴承的选用213.6 锥齿轮传动的计算与选型234 总体支架的受力分析25总 结29鸣 谢30参考文献31设计总说明直角型码垛机器人是工业
3、机器人的一种，通过对它的数控编程，它能实现可以在XYZ三维坐标系中任意一点的移动和遵循可控的运动轨迹。可以实现很多种码垛的方式，在生产线上对替代人工，提高生产效率等具备显著的应用价值。 本课题设计的设计内容是完成多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计，此码垛机器人有四个自由度，用于在流水线对纸箱整齐地码垛在托盘上，能够快速紧凑地码垛。可以通过快速替换机械抓手和重新编程对不同大小的物体进行快速码垛，可以适应不同的码垛对象，应用广泛。 第一步：是对国内外有关码垛机器人领域内的研究背景和发展状况进行了解，并了解其研究目的及意义。 第二步:是对码垛机器人的总体方案的选择：通过进行了详细的对比与选择，
4、找到最合适的设计方案，最后方案采用龙门式机构，主要采用是滚珠丝杆螺母副传动，驱动装置采用步进电机，可以通过数控编程改变码垛的路线。 第三步:是通过对履带机器人的使用情况与需求，对机构的选型与计算，主要机构有机械抓手、滚动丝杆螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、滚动轴承等。 第四步:是通过Pro/E画出该码垛机的总体三维结构图，通过CAD画出码垛机总装配图和其零件图，最后通过Pro/E画出该码垛机运动仿真。关键词：码垛机器人；丝杆螺母；步进电机IIINTRODUCTION Right angle type palletizing robot is a kind of industrial robo
5、t. Through the NC programming, it can move in the XYZ coordinate system of arbitrary point mobile and follow the trajectories of controllable.Itcan palletize in so many ways in the production line to replace the workerl, improving production efficiency and having significant application value. This
6、time, the design content of this graduation design is to complete the multi degree of freedom rectangular coordinate palletizing robot body structure design, the palletizing robot has four degrees of freedom, used in the production line of carton packaging of product palletizing in tray.It can compa
7、ct stacking quickly.ItCan replace mechanical grip and re- programe of different size objects for rapid palletizing,and adapt to different palletising object, having a wide range of applications. The first step of the design is to understand at home and abroad of palletizing robot in the field of the
8、 research background and development situation, and understand the purpose and significance of the research. The second step is the selection of the overall scheme of the palletizing robot: through detaileing comparison and selection, finding the most suitable design. Finally,i chosed the gantry mec
9、hanism, the ball screw nut transmission, drive the stepper motor, through the NC programming change stacking line. The third step is through the use condition and the demand of tracked robot, selectiing and calculating of the agency, main body with mechanical grip and rolling screw nut pair, linear
10、rolling guideways, step motor, rolling bearing and so on. The forth step is through the Pro/E to draw the palletizing machine overall three-dimensional structure, through the CAD to draw out the palletizing machine assembly drawing and the parts drawing. Finally, through the Pro / E ,i draw the pall
11、etizing machine motion simulation.KEYWORDS: Palletizing robot；Screw nut；Stepper motor本科生毕业设计多自由度直角坐标型码垛机器人本体结构设计毕业设计说明书1 绪论1.1 码垛机器人的发展状况 目前欧、美、日的各种码垛机器人在码垛市场的占有率均超过了90，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。并且基本由他们垄断了全球市场。l 我国的工业机器人在国家支持下，通过“七五”“八五”和“九五”科技攻关，并取得了长足的进步，国外码垛机器人在我国市场一统天下的局面正在被打破16。 l 但是，我国的工业码垛机器人其应用水平和技术与其
12、他发达国家相比还有很大差距，如国外同类产品可靠性比我国高，起步较晚，运动速度和精度还有很广提升空间。生产线技术水平与国外相比仍有差距。和全球市场相比，码垛机器人应用规模仍然很小，我国还未发展成专门的产业。并且当前我国的码垛机器人生产品种规格多，批量小，零部件通用化程度低16。l 因此迫切需要对码垛机器人及其相关物流产业进行全面规划，整合资源优势，积极推进产业化进程。同时立足实际，完善码垛机器人相关的产品、系统及结构，努力提高我国的机器人发展水平。 1.2 研究目的及意义人们在工业生产领域工作时，人们经常受到腐蚀、有毒气体等因素的危害，使的工人的工作环境很恶劣，甚至可能危及生命。但是自从发明机械
13、人以后，相应各种难题迎刃而解。码垛机器人就是作为机器人其中一种，码垛机器人是机、电一体化高新技术的产品。码垛机有很多种类，可以在不同的产量生产中发挥着巨大的作用。可按照要求的编组方式和层数，完成对各种产品的码垛。 当码垛机器人的自由度越高，它能发挥的作用越大，但码垛机使用最优化的设计可以使得垛形紧密、整齐。作为工业机器人的典型一种，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域正发挥着越来越大的作用。张机器人和包装线现结合，既提高了生产线的工作效率，有提高了生产线的工作效率，又增强了运行的可靠性，减少了人力资源开支，更让当代企业迅速适应不断变化的市场要求，产生巨大的经济效益16。2 课题内容及要求21
14、研究目标、内容及拟解决的关键问题 码垛机器人可以分为两类，分别是直角坐标型和关节型，如图2-1，而我要做的码垛机器人要求是直角坐标型的。图2-1（a）直角坐标型码垛机器人 图2-1（b）关节型码垛机器人 直角坐标型码垛机器人是基于空间XYZ三轴直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可重复编程反复应用，可以适合不同任务的自动化设备。它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。 本毕业设计目标是要求掌握工业码垛机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个方向的移动和一个方向的回转，完成一个四自由度的直角坐标型码垛机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确
15、定是何类形状的物体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具有较高的运动平稳性和重复精度。 主要内容是设计一具有四个自由度的直角坐标码垛机器人，4根运动轴对应直角坐标系中的 X轴、 Y 轴和 Z 轴, 以及 Z 轴上带有的一个旋转轴，能够实现自动装载和卸载功能。各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。 设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部分结构设计和手爪的设计。 在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有：1）机器人运动采用何种驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3） 导轨布局的合理性等等。2.2 参数要求1） 单箱重量15KG，一次搬运两箱，一次总搬运重量30KG。2） 托盘尺寸16001600，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面1700mm。3） 行程：X方向2200mm, Y方向1700mm, Z方向1700mm, 水平旋转：+90o.4） 最快码垛速度可达到1000mm/s，平均速度为500mm/s，码垛
