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1、搬运码垛机器人毕业设计Prepared on 22 November 20201 绪论研究背景及意义随着现代社会科技水平日新月异的变化，机器人技术已经渗透到人类生活中的方 方面面，演着不可替代的角色。机器人是多个学科技术综合而成的产物，其应用程度 已经逐渐宽广起来研究机器人已经成为了当今时代的趋势。机器人的应用状况已经可 以作为权衡一个国家现化程度高低的重要因素。 从机器人工作的环境来对机器人进行 分类，大体上能划分成两种，就是工业机器人与特种机器人。工业机器人是一种具有 良好性能的自动化机械装置，是典型的含有很高科技含量的机电一体化产品。它在提 高产品质量、增加经济效益、提高生产率方面起着重
2、要作用。同时工业机器人的发展 情况也是日新月异的，所以研发工业机器人是一件刻不容缓的事情。码垛是随着物流产业的不断壮大而发展起来的一项高新技术，其思想是把物品按 照一定规律码放在托盘上，从而能够使物品的存放、搬运、转移等活动变成单元化操 作，从而大大提高物流运输的效率。 在物料质量不大、尺寸不大、码垛速度要求不高 的情况下，码垛工作都是通过人工来实现的。后来为了减轻工人在码垛时的工作强 度，产生了托盘操作机、工业机械手等一些比较简单的机械设施。但是随着人们对码 垛速度要求的不断提高，传统的人工码垛方式越来越难以达到人们的要求，这种情况 下码垛机器人应运而生。作为工业机器人典型的一种，码垛机器人
3、技术近几年有着非常快速的发展，这样 的发展速度和当今世界制造业的小批量、多种类的发展模式是十分吻合的。码垛机器 人有着工作能力强、运行速度快、体积比较小、抓取种类多、应用范围广等特点，从 而在市场上备受青睐，正因为这些优点，才使得码垛机器人被普遍应用于制造业、码 垛、装配、焊接等诸多操作中。近年来，袋装物品的需求和产量都十分巨大，进而对袋装物品进行运输的需求也 在急剧增长。在我国有大量的袋装物品需要进行码垛、卸垛和运输。目前，对袋装物 品的火车运输来讲，火车站台卸车、站台码垛、运输装车、运输卸车、库房码垛等工 作一般均为人力操作，这样做极大地消耗了人力物力。尤其是在环境比较恶劣的情况 下，工作
4、成本会很大且效率比较低。而结合了机器人技术和码垛技术的码垛机器人既 可以大幅度地提高工作效率，又可以大大增强工作过程中的安全性，从而节约了大量 的人力资源，有很大的经济和现实意义。自从上世纪 70年代码垛领域有了机器人技术的加盟之后，机器人码垛技术取得了 很大的突破，抓取货物类型、抓取速度和运行过程中的精确性、稳定性都在不停地升 级。码垛机器人的这些优点会使码垛机器人的广泛使用变为一种不可阻挡的趋势，会 拥有极其广阔的应用前景。 人类科技文明的不断进步大大促进了人们对更有效工作方 式的渴望，减少劳动强度，以及更加高效、高质量地完成码垛工作已经逐渐被人们重 视起来。各行各业对其劳动效率和工作要求
5、都在不断的提高，因此在码垛工作上也在 寻找着更加方便、有效的工具来更好地完成各项任务，但是传统的码垛方式因为其种 种弊端，已经越来越难以满足企业的需求了。近几年来，码垛机器人在各行各业的应用在逐渐增多，特别是在物流运输过程中 有着举足轻重的作用，尤其是自动化仓库的出现，更加引导了码垛机器人的发展。目 前我国的码垛设备基本上是进口的，国内的码垛机器人研发技术还不是十分成熟，我 国的码垛机器人研究水平和国外还有着很大差距。中国又是一个劳动力密集型的发展 中国家，耗费人力资源进行的工作特别多，随着我国对码垛机器人的不断需求与我国 码垛机器人技术落后之间的矛盾日益突出，开发和研究自己的码垛机器人就显得
6、刻不 容缓。国内码垛机器人的研究现状国内的机器人相关技术起步比较晚，20 世纪 70 年代，国内才开始引进机器人技 术，因为当时受着很多因素的限制，发展相对缓慢，研究水平也较低。到了 80年代， 我国的机器人水平有了较快发展，“七五”期间，国家也投入了很多的人力、物力来进行 机器人技术的研究，并相继开发出了一些工业机器人和特种机器人，使中国的机器人 从无到有，迈出了一大步。到了新世纪，我国的机器人技术有了长足的进步，各项新 技术不断涌现，先后出现了电焊、装配、搬运、切割、码垛等很多机器人品种，码垛机器人的技术也取得了迅速的发展在国内，哈尔滨工业大学的机器人研究所和上海交通大学的机器人研究所是码
7、垛 机器人的领头研究单位。主要的机器人公司是哈尔滨博实自动化设备有限公司、沈阳 新松机器自动化股份有限公司以及首钢莫托曼机器人有限公司。 我国自行设计制造了 多种形式的码垛机器人，其中直角坐标型和关节型为主要的结构形式。其中关节型机 器人的机身比较紧凑，动作灵活并且工作空间大，是机器人中使用最多的一种，世界 上许多知名品牌的机器人公司，如 ABB、KUKA、MTOMAN、PUMA 等都采用关节 型机器人。哈尔滨工业大学研制的机器人码垛机已经成功地应用在了码垛包装的生产线上， 并且取得了良好的效果该机器人采用了双自由度的笛卡尔坐标式机器人码垛机，并结 合了编组机，这样就可以一个动作抓取两个或者三
8、个物品，从而大大提高了工作能 力，可以实现 800袋/小时的工作能力。上海交通大学机器人研究所与沃迪包装科技有限公司合作，共同研制了新一代TPR系列码垛机器人。此机器人采用的是线性四连杆机构和基于PC的控制系统，还能 对码垛现场进行3D仿真以及自动干涉检查，可以大大提高机器人的各项性能，其工作 能力可以达到1600包/小时。 哈尔滨博实自动化设备有限公司在 2006年开发了基于 FFS的高速高精度的称重包装码垛生产线，这个生产线的生产速度可以高达1600袋/小 时，而在称重方面的精度可达%。沈阳新松机器自动化股份有限公司主要研究工业机器人与工业自动化技术及产品 的开发，在自主机器人技术方面，解
9、决了机器人的控制、本体优化设计、机器人作业 和工程应用中的很多难题，成功地开发了自主的码垛机器人系统。苏海新等人设计开发了一种四自由度新型工业码垛机器人，其机械本体结构采用 以平衡吊原理为基础的连杆机构。控制系统采用的是基于PC和PMAC的分布式控制 系统，这个控制系统开放性和实时性都比较好，伺服控制的精度也十分高。杨灏泉等 人设计研制了一种码垛SCARA机器人，该机器人机械本体结构使用水平关节型，控制 系统的核心部分为基于PC的DSP多轴运动控制器。尽管我国在码垛机器人的研究上取得了一些成就，但是和国外的码垛机器人技术 相比较，我国还有明显的差距。日本和欧美等发达国家的码垛机器人技术已经到达
10、了 一个比较高的水平，码垛机器人的工作能力在不断的提高，码垛机器人的柔性、处理 速度以及负载能力方面也在不断提升，应用范围也在不断拓展，因此需要我国的科研 工作者更加努力，从而使我国的码垛机器人技术有个更好的未来码垛机器人的发展趋势为了能够适应不断变化的商品对于码垛的要求，让码垛机器人尽可能更好地为码垛 工业服务，因此码垛机器人的未来发展趋势主要有：(1) 自动化程度越来越高机电综合技术将会成为码垛机器人发展的主流，衡量码垛机器人技术水平的一个 十分重要的指标将会是自动化程度。码垛机器人的自动化主要包括自动控制和自动检 测。一大批的微电子、红外线、传感器等新技术，尤其是微小型计算机的广泛使用会
11、 使码垛机器人的自动控制和自动检测水平飞速提升，从而大大提高码垛质量。(2) 高速化不仅要促进单机高速化，而且要提高码垛系统的高速化。在不断提升自动化程度 的前提下，不断改进码垛机器人的结构。同时将整个码垛系统的生产效率重视起来， 这样才能让高速化向更深的层次发展。(3) 采用模块化结构采用模块化结构不仅能够让码垛机器人最大限度的满足不同物品对机器人的要 求，同时可以让设备的设计和制造更方便，能够降低成本、缩短生产周期。(4) 多功能码垛机器人对于生产大批量、尺寸固定的商品，一般会有相应的设备进行码垛。但是近些年 由于多品种、小批量商品市场的不断壮大以及中、小型用户的急剧增加，多功能通用 码垛
12、机器人的发展速度很快，应用前景也十分开阔。2 设计方案设计要求在生产过程中，经常要搬运桶装的重物，工作简单枯燥，为了满足某工厂生产的直 径X高=042Ox5OOmm重量100kg的桶装化学品，本论文设计了工作寿命为15年，每 年工作 300 天，两班制，每班 8 小时的搬运码垛机器人，来满足生产要求。机构组成本文设计了一种专门针对桶装物品的搬运码垛机器人，该机人结构简单，制造成 本低廉，运营维护方便，定位精度高，工作节拍快，适合在劳动密集型企业推广使 用。该搬运码垛机器人结构主要分为三大部分，分别为：起升机构，旋转机构，堆垛 机构，三个机构相互独立。各个机构有自己独立的电机驱动。搬运码垛机器人
13、起升机构示意图如图（）所示图（）起升机构示意图它的工作原理是：电机 1 连接接弹性联轴器 2 连接制动器 3，通过减速器 4，链接 刚性联轴器 7，带动卷筒 6，通过滑轮机构提升重物 5 起升或下降。搬运码垛机器人旋转机构采用齿轮机构带动悬臂转动，槽轮每转一周，悬臂转动 90，从而实现机器人搬运工能。堆垛过程示意图如图（2-2）所示，采用用单销四槽槽轮机构和曲柄滑块机构组合 实现机器人的堆垛功能。图（2-2）堆垛过程示意图堆垛装置工作原理：每框的第一桶放在如图所示位置，然后通过曲柄滑块装置带 动和滑块连在一起的木桶动作到中间位置。以后每次动作将木桶放置到左上角，堆垛 装置旋转 90，直至其余四
14、个位置都被装满为一个循环。码垛机器人路径规划图(2-3)运动轨迹(1) 码垛机器人工作时，首先从初始位置A旋转45到达物品层B上方，角加速度a= s2额定=s所需时间T =2-1 +1 =1 1 2计算：令加/减速阶段所用时间=,旋转角度n/24 rad,则匀速运动角度n/6 rad,所用时间为t2兀 1=-a -12a= s2242 i=a t -1 t =6 1 2 2 = rad/s(2) 然后抓手下放抓取重物，下放高度500mm,下降速度1m/s，耗时T =。抓取重2物后上升到初始位置高度500mm，额定上升速度v=1m/s，加速运动减速运动的加速度a =5m/s2，所需时间 T =2
15、 t +1 =。2345计算：令抓取重物后加速/减速上升距离100mm，耗时t =，匀速上升距离300mm,4耗时t5，贝910.1= at2 贝a =5m/s2 v= a t =1m/s2 2 4224=a t t 贝 g t =2 4 55(3) 抓手带动重物旋转由B到C位置，转过角度90。角加速度a= s2额定ro=s所需时间T =2 t +1 =。467计算：令加/减速阶段所用时间t =，旋转角度2n/18 rad,则匀速运动角度5n/186rad,所用时间为t7込=丄a= rad/ s 218 2 65兀 t t t = s18 6 7 2a t = rad/s6(4) 然后抓手下放抓取重物至堆垛平台上，下放高度500mm，下降速度1m/s,耗 时T5 0.5s。堆垛结束后做复合运动返回初始位置，额定上升速度v=1m/s，角加速度 a= s2额定3=s，加速运动减速运动的加速度a =5m/s2，所需时间T =。26 所以，搬运码垛机器人完成一次工作循环所消耗的时间为T T + T + T + T + T + T 4.275 s总 123456(5) 堆垛机构在接受起吊装置吊装的第一个重物后，由曲柄滑块机构将重物运送到平台中央，然后每接受一次重物，平台旋转 90，直到平台四个角落的位置填满(平台上 共搭载5个重物)为一
