自动堆垛式载运机器人设计.docx
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自动堆垛式载运机器人设计
摘要
本文运用大学所学的知识，提出了自动堆垛式载运机器人的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了自动堆垛式载运机器人总的指导思想，从而得出了该自动堆垛式载运机器人的优点是高效，经济，并且安全系数高，对提高货物搬运以及装配效率，减少人工投入等等起到了很大的作用的结论。
该自动堆垛式载运机器人是对传统的多自由度机器人的工作原理进行理解，本机器人由底盘、回转机构、升降机构、平移机构、手爪和驱动机构组成。
该机器人能实现多个自由度，从而可以从多方位多角度来对货物进行搬运和卸载。
关键词：
自动堆垛式载运机器人；计算；自由度；驱动机构；搬运
Abstract
Thispaperisusingtheuniversityknowledge,automaticstackercarryingrobotstructurecomposition,workingprincipleandmainpartsdesignmusthavethetheoreticcalculationandstrengthcheckisproposed,constructedthegeneralguidingprincipleofrobotautomaticstackercarrying,resultinginthetheautomaticstackercarryingadvantagefortherobotisefficient,economic,andhighsafetyfactor,toimprovecargohandlingandassemblyefficiency,reduceartificialinputandsoonplaysagreatroleintheconclusion.
Theautomaticstackingcarryingrobotistheworkingprincipleoftraditionalmultidegreeoffreedomrobottounderstand,therobotiscomposedofachassis,slewingmechanism,liftingmechanism,atranslationalmechanism,gripperandadrivingmechanism.Therobotcanachievemultipledegreesoffreedom,whichcanbefromvariousanglestohandlingandunloadingofgoods.
Keywords:
automaticstackerrobot；carryingcalculate；thedegreesoffreedom；drivemechanismforhandling
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1本课题研究的内容1
1.2机器人概述2
1.3机器人的组成和分类3
1.3.1机器人的组成3
1.3.2机器人的分类4
2自动堆垛式载运机器人结构的设计5
2.1自动堆垛式载运机器人总体方案图7
2.2自动堆垛式载运机器人的工作原理9
2.3机械传动部分的设计计算10
2.3.1旋转电机的选型计算10
2.3.2夹爪升降气缸的选型计算10
2.3.3轴承的选型计算11
2.3.4滚动导轨的设计12
3各主要零件部强度的校核计算12
3.1键的设计及危险截面校核13
3.2轴承的选取及校核14
3.3螺栓的校核14
4机器人的PLC控制系统设计15
4.1可编控制器的选择16
4.2可编程控制器的使用步骤17
结论18
致谢19
参考文献20
1绪论
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。
概括说来，现代机械工程有五大服务领域：
研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。
不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：
建立和发展机械工程的工程理论基础。
例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。
研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。
机械产品的生产，包括：
生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。
机械制造企业的经营和管理。
机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。
生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。
销售对象遍及全部产业和个人、家庭。
而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。
因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。
1.1本课题研究的内容
本次设计主要针对自动堆垛式载运机器人进行设计，从自动堆垛式载运机器人的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面：
（1）到图书馆里查阅大量相关知识的资料，搜集出各类自动堆垛式载运机器人的原理及结构，挑选相关内容记录并学习。
（2）分析自动堆垛式载运机器人的结构与参数
（3）确定设计总体方案
（4）确定具体设计方案（包括底盘、回转机构、升降机构、平移机构、手爪和驱动机构的设计，电机，轴承等的选型设计等等）
（5）自动堆垛式载运机器人的三维图的绘制、CAD装配图、零件图的绘制。
（6）说明书的编制与整理
1.2机器人概述
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机器人是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机器人被称为“工业机器人”。
生产中应用机器人可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:
可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机器人的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机器人。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机器人”，简称通用机器人。
由于通用机器人能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.3机器人的组成和分类
1.3.1机器人的组成
机器人主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。
（一）执行机构
包括手部、主臂、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
即与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。
手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。
平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。
常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:
手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。
传力机构型式较多时常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
（二）驱动系统
驱动系统是驱动工业机器人执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。
常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。
控制系统是支配着工业机器人按规定的要求运动的系统。
目前工业机器人的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机器人按规定的程序运动，
并记忆人们给予机器人的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（二）控制系统
控制系统是支配着工业机器人按规定的要求运动的系统。
目前工业机器人的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予机器人的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（三）位置检测装置
控制机器人执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.
1.3.2机器人的分类
工业机器人的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
（一）按用途分
机器人可分为专用机器人和通用机器人两种:
1、专用机器人
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
专用机器人具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机器人，如自动机床、自动线的上、下料机器人和‘叻口工中心”
2、通用机器人
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机器人。
格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机器人的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机器人按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:
简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:
可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机器人属于数控类型。
（二）按驱动方式分
1、液压传动机器人
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机器人。
其主要特点是:
抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机器人的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
若机器人采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机器人的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2、气压传动机器人
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机器人。
其主要特点是:
介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机器人的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机器人
即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机器人。
它是一种附属于工作主机的专用机器人，其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。
动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机器人
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。
其中直线电机机器人的运动速度快和行程长，维护和使用方便。
此类机器人目前还不多，但有发展前途。
（三）按控制方式分
1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。
若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。
目前使用的专用和通用工业机器人均属于此类。
2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。
这类工业机器人一般采用小型计算机进行控制。
2自动堆垛式载运机器人结构的设计
2.1自动堆垛式载运机器人总体方案图
本次设计的自动堆垛式载运机器人能够实现抓取货物旋转，升降等功能。
通过夹爪到指定的货物堆积的地方夹住货物，然后机器人的机械夹爪夹住货物上升，接着整个夹爪部位平移、后退到预定的放置货物的位置，夹爪松开，货物自动被放置在指定的位置。
整个机器人的动作前程都是靠光电传感器检测信号，从而反馈信号给控制系统，通过中控系统来对机器人的各个执行机构进行有序地操作。
其具体的方案结构图如下图1所示：
图1方案结构图
2.2自动堆垛式载运机器人的工作原理
该自动堆垛式载运机器人的工作原理为：
改机器人通过夹爪到指定的货物堆积的地方夹住货物，然后机器人的机械夹爪夹住货物上升，接着整个夹爪部位平移、后退到预定的放置货物的位置，夹爪松开，货物自动被放置在指定的位置。
整个机器人的动作前程都是靠光电传感器检测信号，从而反馈信号给控制系统，通过中控系统来对机器人的各个执行机构进行有序地操作。
2.3机械传动部分的设计计算
2.3.1旋转电机的选型计算
N=
＝400w
G—旋转机构的负载，取100kg
v—旋转机构的转速。
取v＝600r/m
－传动效率，取0.75
根据N＝400w，n＝1440r/min选取型号为Y112M-4的电机。
由传动比标准系列查《机械设计手册》B2表2－1
初步取
1.76
2.5。
2.3.2夹爪升降气缸的选型计算
根据系统工况可知，自动堆垛式载运机器人夹持货物是通过气缸推动夹爪机构来实现的，根据已知条件可知：
夹爪机构的所有零件的重量为10kg。
已知夹爪部位各个零件的重量以及其他零部件的总重量为10KG，根据公式F=P*S=0.5（取气压0.6Mpa）*S,可得S=25mm。
式中：
F是所需要的输出力；
P是系统压力；
S就是活塞面积；
n是安全系数，一般气缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5；
于是算出气缸缸径为50mm，行程根据实际情况我们选择200，所以我们选择AIRTAC50X200标准型气缸。
2.3.3轴承的选型计算
根据根据条件，轴承预计寿命16×365×8=48720小时；
（1）已知nⅡ=458.2r/min 两轴承径向反力：
FR1=FR2=500.2N；
初先两轴承为深沟球轴承6204型。
根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；
（2）∵FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端
FA1=FS1=315.1N FA2=FS2=315.1N；
（3）计算当量载荷
P1、P2根据课本P263表（11-9）取f P=1.5;根据课本P262（11-6）式得
P1=fP（x1FR1+y1FA1）=1.5×（1×500.2+0）=750.3N；
P2=fp（x2FR1+y2FA2）=1.5×（1×500.2+0）=750.3N；
（4）轴承寿命计算
∵P1=P2故取P=750.3N；
∵深沟球轴承ε=3；
2.3.4滚动导轨的设计
设导轨的滑座数M＝4个，每分钟往复4次，载荷F∑＝2800N，工作台丝杠载荷每天开机6h，每年300个工作日，寿命8年，由所设条件得该导轨的额定工作时间。
寿命Th＝6×300×8＝14400h
由Th＝Ts×103/2Lsn
=>Z向导轨Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.34×4×60/103＝2350km
Y向导轨Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.25×4×60/103＝1728km
因滑座数M=4所以每导轨上使用2个滑座。
fC＝0.81；fH＝1;fT＝1;fW＝2
=>Ts＝K（fHXfTXfCX/fWXCa/F）3
=>Ca＝F（Ts/K）1/3fw/（fHfTfC）
其中F＝F∑/M＝2800/4＝700N
=>Z向Ca＝700（2350/50）1/3×2/（0.81×1×1）＝5333N
若选汉江机床厂的HJG-D系列滚动导轨，
选用HJG-D25型号能满足要求,同理Y向取HJG-D25型号。
3各主要零件部强度的校核计算
3.1键的设计及危险截面校核
键联结是通过键实现轴和轴上零件的周向固定以传递运动和转矩。
其中有类型也可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动联结，于在圆锥筛的轴上主要通过键来实现传递转矩和轴向固定所以，只需选用常见的普通平键，键的类型可根据使用要求、工作条件和联结的结构特点表5-3-15选定，键的长度根据轴毂的长度从标准中选取，键的b×h根据径来确定。
轴和同步带轮的联结，d=20mm,参考资料2P5-194表5-3-18（GB/T1095-1979）
选用B8×30，B6×25的普通A型平键，键长分别为30㎜、25mm。
3.2轴承的选取及校核
轴承的选用在以上的说明中已经给出，选用的是带紧定套的滚子轴承，型号为22218CK/W33+H318，其基本参数为主要是额定载荷：
C
=240000N，
=322000N，e=0.23,Y
=2.5,
，假定轴承的寿命为3年，每天工作10小时，一年工作300天，所以轴承的基本额定动载荷可按一下公式进行计算：
C=
其中：
C—基本额定动载荷计算值，N；
P—当量动载荷，按式
计算，
为轴承所受径向载荷，
轴向动载荷，X为径向动载荷系数，Y为轴向动载荷系数；
—寿命因数，按表7-2-8选取；
—速度因数，按表7-2-9选取；
—力矩载荷因数，力矩较小时
=1.5,力矩较大时
=2;
—冲击载荷因数,按表7-2-10选取;
—温度系数,按表7-2-11选取;
—轴承尺寸及性能表中所列基本额定动载荷;
由表查得
=1.19,
=0.366,
=1.5,
=1.2（中等冲击）,
=;1.0；
因为轴向载荷
=0，即
，所以当量动载荷
即
，
，
所以此轴承选的合适,能满足要求。
4机器人的PLC控制系统设计
4.1可编程控制器的选择
目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON（立石）公司的C型、P型PC等。
考虑到本机器人的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。
4.2可编程序控制器的工作过程
可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。
为此采用了循环扫描的工作方式。
具体的工作过程可分为4个阶段。
第一阶段是初始化处理。
可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。
输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。
其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。
开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。
当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。
第二阶段是处理输入信号阶段。
在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。
在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。
第三阶段是程序处理阶段。
当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。
在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。
第四阶段是输出处理阶段。
CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。
此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。
然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。
结论
本文所设计的自动堆垛式载运机器人，该设计功能比较突出，通过构思，实施，计算，画图，论文总算完成了。
在论文完成之际，我首先向我的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意！
在这期间，导师在学业上严格要求，精心指导，在生活上给了我无微不至的关怀，给了我人生的启迪，使我在顺利的完成学业阶段的学业的同时，也学到了很多做人的道理，明确了人生目标。
导师严谨的治学态度，渊博的学识，实事求是的作风，平易近人、宽以待人和豁达的胸怀，深深感染着我，使我深受启发，必将终生受益。
经过近半年努力的设计与计算，论文终于可以完成了，我的心里无比的激动。
虽然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因为它是我用心、用汗水成就的，也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现。
四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多。
在此，向他们表示深深的谢意与美好的祝愿。
参考文献
[1]孙恒、陈作模主编<<机械原理>>，高等教育出版社，2006年出版
[2]濮良贵、纪名刚主编<<机械设计>>,高等
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