码垛机器人的机械结构设计毕业设计说明书.docx
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码垛机器人的机械结构设计毕业设计说明书
码垛机器人的机械结构设计毕业设计说明书
毕业设计说明书（论文）
论文题目：
码垛机器人的机械结构设计
系部：
机械工程系
专业：
班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
2014年月日
摘要
以码垛机器人本体为研究对象，通过分析其结构特点与性能参数，明确了设计的基本指标，为码垛机器人产品开发提供指标。
并依此为依据针对物流自动化行业中对箱包高速码垛的需求，并依据搬运机器人的性能要求，设计了一种四自由度的码垛机器人。
应用CERO2.0进行三维建模，并通过CERO2.0的机械设计分析模块，对其构建的三维模型的运动仿真。
结果表明，所设计机器人完全满足工业现场的需求。
关键词：
码垛机器人机械设计CERO2.0运动分析
Abstract
Inthispaper,thestructurecharacteristicsandperformanceindicatorsofpalletizingrobotbodyareanalyzed．Itprovidesareferenceforproductdevelopment．Inaccordancewiththerequirementofrobotpalletizerinlogisticsautomationtechnology，auniversalrobotpalletizerwasdesignedbasedonthefunctionalrequirement.ApplicationCERO2.0for3dmodeling,andthroughtheanalysisofthemechanicaldesignCERO2.0module,thebuildingof3dmotionsimulationofthemodel。
theexperimentalresultsshowthattherobotmeetstheobjectivesofthelogisticsautomationrequirements．
KeyWords：
palletizingrobot；machinedesign；cero2.0motionanalysis
绪论
随着21世纪工业及经济的蓬勃发展以及对产品精度的要求不断提高，机器人加工逐渐成为一种被普遍应用的加工方法，而码垛是物流自动化技术领域一门新兴技术，码垛按照一定模式，一件件堆成码垛，以便使单元化的码垛实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动，随着工业化大生产规模的扩大，促使码垛自动化，以加快物流的速度，保护工人的安全和健康，同时也能获得整齐一致的物垛，减少物料的破损和浪费。
随着生产规模的扩大和自动化水平的提高，码垛机器人柔性、处理能力及可靠性正在不断地升级，应用场合也逐渐在扩大，因此开发高性能、低成本、人性化的码垛机器人将有广阔的市场前景。
码垛机器人是当今机电一体化的高科技产品，在现代企业物流管理中占有重要地位，它对于企业提高生产效率、增进经济效益、保证产品质量、改善劳动环境、优化作业布局有着突出的贡献，其应用的数量和质量标志着企业生产自动化的先进水平。
所谓码垛就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物料实现搬运、存储、装卸、运输等物流活动。
近年来，国内外码垛机器人技术获得了前所未有的发展，码垛机器人的吞吐量、柔性、处理速度以及抓取载荷在不断的升级，适应场合也在不断的扩大口。
码垛机器人以其柔性工作能力和占地面积小，并能够同时处理多种物料和垛型，越来越受到企业的青睐并广泛应用于码垛作业中。
第1章码垛机器人现状研究
1.1引言
码垛机器人是实现包装和物流自动化的关键装备，针对生产线中各式产品的码垛要求，可实现自动、高速、准确、连续的码垛作业，并能降低工人劳动强度，
提高生产效率。
因此，码垛机器人被广泛应用于饮料、食品、药品、石化等领域，具有广阔的应用前景。
目前，ABB、FANUC、KUKA等主流机器人厂家均拥有系列化的码垛机器人产品，并垄断了国内外市场；而在国内，码垛机器人的研究才刚刚起步，国产的、成熟的、产业化的码垛机器人产品还未出现。
本文参考国内外知名品牌机器人，通过分析已有产品的结构特点，研究各品牌机器人的本体性能参数，大致明确了产品设计的基本指标，为码垛机器人开发提供参考。
1.2结构分析
与通用型机器人不同，码垛机器人有独特的作业特点：
搬运物料实现空间内的平移和水平面内的旋转，无需进行物料的翻转，因而采用了独特的结构。
下面以KUKA的ICR180—2PA为例，对码垛机器人一般所采用的结构形式进行分析。
KR180—2PA最大负载总质量为180kg，采用4轴铰链式结构，由6部分组成：
基座、腰转部件、大臂、小臂、腕部和工具法兰，由JT1、JT2、JT3和JT4共4个关节驱动，其结构形式如图l所示。
其中，JTl驱动腰部转件实现回转运动，JT2和JT3分别驱动大臂和小臂的摆动，JT4驱动工具法兰旋转。
各关节由交叉滚子轴承承载，利用交流伺服电机+精密RV减速器驱动。
根据物料形状特点，可以在工具法兰配置不同的抓手。
机器人末端工具法兰的位置，通过控制JT1、JT2和JT3关节来实现；末端工具法兰的姿态，则通过控制JT1和JT4关节的转动来保证；在腕部姿态的控制上，采用了独特的结构。
通过两组平行四连杆传动，实现了JT4轴线与JT1轴线始终保持平行，使腕部始终保持垂直于地面的姿态。
1.3本体性能研究
码垛机器人主要用于搬运重载物体实现大空间转移，且高速度、高精度运行，其本体的主要性能参数包括负载能力、工作空间、运动性能、重复定位精度等。
这些性能参数选择的合理与否，将直接关系码垛机器人本体开发的成败。
以下通过分析比较已有码垛机器人产品的性能参数，基本明确了码垛机器人本体开发中的各项性能指标。
1.3.1负载能力
负载总质量表明了机器人搬运重物的能力，它取决于机器人的结构尺寸和驱动容量，还与机器人的运行速度有关。
按照负载总质量能力划分，各机器人厂家均形成了完整的码垛机器人规格系列，表l列出了ABB、FANUC、KUKA、YASKAWA、KAWASAKI这5大品牌的四轴码垛机器人负载系列
表1各品牌码垛机器人的负载总质量系列规格表（单位:
kg）
ABB
30
110
180
250
450
700
KUKA
40
100
180
FANUC
40
160
300
450
700
YASKAWA
50
160
KAWASAKI
130
250
在包装行业，对于码垛机器人的需求主要集中在100～300kg负载总质量范围内。
而在这一区间里，各品牌一般拥有大小两种规格的机型，且采用统一的外形尺寸与机械结构，只需替换伺服电机与减速器，即可实现型号间互换。
如ABB的IRB660—180和IRB660—250、KUKA的KR100—2PA和KR180—2PA、FUANC的M一410iB／160M一410iB／30OKAWASAKI的ZD130S和ZD250S等。
1.3.2工作空间
工作空间指机器人末端可在空间到达的最大范围。
图2是ABB的IRB660—180、KUKA的KR180—2PA和KAWASAKI的ZD130S工作空间的叠加图。
可以看出，各款机器人的工作空间基本重合，大致反映了市场的实际需求（托盘尺寸、垛堆高度等）。
表2将各品牌码垛机器人对应型号的性能指标进行了横向比较，从中可以发现码垛机器人性能指标的共性；表3则以KUKA为例，将码垛机型KR180—2PA与其对应的通用机型KBl80—2进行了纵向比较，凸显了码垛机器人不同于通用型机器人
的性能特点。
表2中，数款机器人的最远到达距离，都约为3200mm，而最大搬运高度约为3000mm。
1.3.3运动性能
为了适应前端包装工段的生产速度，码垛作业往往对节拍要求高。
目前，世界上码垛速度最快的机器人，可达2000回／h以上。
当然，最直接的运行性能参数，还是各个轴的运动速度。
表2列出了几款机器人各个轴的最大运动速度，可作为本体设计的参考指标；表3中，各个轴逐一对比，KUKA的码垛机型KR180—2PA比通用机型KR180—2的运动速度都要快，显示了码垛机器人本体设计里运动性能的重要性。
1.3.4重复定位精度
重复定位精度，指机器人在相同的运动指令下，连续重复运动若干次，其位置之间的误差度量，是机器人的主要技术参数之一。
码垛机器人主要用于实现大尺寸物料的点位运动，对精度要求并不高。
从表2可看出，其重复定位精度能控制在±0．5mm以内即可；在表3里，码垛机型KR180—2PA比通用机型KR180—2的重复定位精度明显低了一个档次。
基于对码垛机器现状的研究选取ABB码垛机器人进行三维建模设计和分析。
第2章码垛机器人的机械设计和电气控制
2.1机械设计
此码垛机器人由底座、转盘、驱动平行四边形、两组从动平行四边形、以及抓手组成。
如图3机器人：
图3机器人
主要技术参数如表4
荷重
110kg
到达距离
2.40m
轴数
4
防护等级
IP67
安装形式
落地
物理性质
机器人底座尺寸
1007×720mm
机器人重量
925kg
性能（根据ISO9283标准测定）
重复定位精度（RP）
0.20mm
重复循环精度（RT）
0.11mm
2.1.1结构组成
底座为了到达很好的稳定性由钢结构焊接而成，主要起到支撑机械臂的作用。
如图4-1底座：
图4-1底座
转盘为机器人的驱动核心，有两组伺服电机通过减速机齿轮驱动驱动四边形，一组伺服电机通过减速机驱动整个机械臂旋转。
如图4-2转盘：
图4-2转盘
驱动平行四边形下端短臂400为驱动臂，其余均为从动臂，且上端长臂1425其中400为驱动四边形的短臂，1025部分为从动平行四边形的驱动臂。
如图5驱动四边形机构简图，图6驱动四边形。
图5驱动四边形机构简图
图6驱动平行四边形
两组从动平行四边形,一组由驱动四边形的短臂1425作为驱动臂，如图7从动四边形机构简图A，图8从动四边形A;
图7从动四边形机构简图A
图8从动四边形A
另一组从动四边B是由驱动四边形的长臂作为驱动臂，如图9从动四边形机构简图B,图10从动四边形B;
图9从动四边形机构简图B
图10从动四边形B
抓手由一个伺服减速电机通过齿轮驱动抓手旋转，抓手通过一组伸缩气缸实现夹紧，从而实现抓取物体的目的。
如图11抓手:
图11抓手
2.2电气控制系统
2.2.1硬件控制系统
硬件控制系统结构如图11所示。
由图11可看出，系统设计采用了模块化的形式，且总体结构采用了分布式控制结构。
上位机采用普通工业控制计算机，主要处理系统的监控和作业管理，如示教盒控制、显示服务、坐标转换、I／O控制等，根据使用者的命令和动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补运算及坐标变换，计算出各轴电机的位置，然后向下一级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值，实现对各关节运动的协调和控制作用。
下位机采用DSP控制器和PLC，DSP控制器即为所采用的PMAC104运动控制卡，主要是执行实时运动学计算、轨迹规划、插补计算、伺服控制等，不断地读取各轴编码器的脉冲量，计算机器人的现行位置。
图11硬件控制系统
2.2.2软件控制系统
开放式通用机器人控制系统的软件应在标准的语言环境下进行开发，做到可移植，易修改、重构及扩充，并能提供用户接口和程序接口，所以笔者采用面向对象的模块化的工程设计方法，如图12所示。
与硬件结构相对应，控制系统软件也分为上、下两层，各个模块都具有自己独立的功能，相互问调用关系简单，为了适应时刻变化的对象，必须使伺服系统的动作具有某种柔性，这种柔性是通过计算机程序来实现的，故称为软伺服.
图12软件控制结构图
如图13所示，通过在串口和示教盒之间进行通讯，将接收到的控制指令按照软件设计的要求判断控制指令的类型，调用相应的控制指令子程序以实现对各轴运动参数的修改、运动方式的控制和示教点位置信息的存储。
此外，在保存当前的示教点特征值时，用一个结构体来记录数据。
结构体定义如下：
structpoint—type
{intsum；第几个示教点
longinthaunchrotation．sum；／示教点腰部旋转角度；
longintwristrotation-SUm；／示教点腕部旋转轴角度；
longintlevellengthsum；／示教点水平伸长量；
longintuprightlengthsum：
／示教点垂直伸长量；}pointer[200]；
当记录完一个示教点后num加1，为记录下一个
示教点作准备。
图13示教盒流程图
第3章 码垛机器人运动分析
对机器人进行运动学仿真，有利于检查结构设计的干涉情况，运动特性等。
3.1CERO2.0动态机构仿真简介
在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。
对于提高设计效率降低成本有很大的作用。
CreoParametric2.0中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。
design（机械设计）和Mechanismdynamics（机械动态）两个方面的分功能。
在装配环境下定义机构的连接方式后，单击菜单栏菜单“应用程序”→“机构”，如图14所示。
系统进入机构模块环境，呈现图15所示的机构模块主界面：
菜单栏增加如图所示的“机构”下拉菜单，模型树增加了如图所示“机构”一项内容，窗口上边出现如图16所示的工具栏图标。
下拉菜单的每一个选项与工具栏每一个图标相对应。
用户既可以通过菜单选择进行相关操作。
也可以直接点击快捷工具栏图标进行操作。
图14由装配环境进入机构环境图
图15机构模块下的主界面图
图16机构菜单
图17模型树菜单
如图17所示的“机构树”工具栏图标和图16中下拉菜单各选项功能解释如下：
连接轴设置：
打开“连接轴设置”对话框，使用此对话框可定义零参照、再生值以及连接轴的限制设置。
凸轮：
打开“凸轮从动机构连接”对话框，使用此对话框可创建新的凸轮从动机构，也可编辑或删除现有的凸轮从动机构。
3D接触：
打开“3D接触从动机构连接”对话框，使用此对话框可创建新的3D接触从动机构，也可编辑或删除现有的3D接触从动机构。
齿轮：
打开“齿轮副”对话框，使用此对话框可创建新的齿轮副，也可编辑、移除、复制现有的齿轮副。
伺服电动机：
打开“伺服电动机”对话框，使用此对话框可定义伺服电动机，也可编辑、移除或复制现有的伺服电动机。
执行电动机：
打开“执行电动机”对话框，使用此对话框可定义执行电动机，也可编辑、移除或复制现有的执行电动机。
弹簧：
打开“弹簧”对话框，使用此对话框可定义弹簧，也可编辑、移除或复制现有的弹簧。
阻尼器：
打开“阻尼器”对话框，使用此对话框可定义阻尼器，也可编辑、移除或复制现有的阻尼器。
力/扭矩：
打开“力/扭矩”（对话框，使用此对话框可定义力或扭矩。
也可编辑、移除或复制现有的力/扭矩负荷。
重力：
打开“重力”对话框，可在其中定义重力。
初始条件：
打开“初始条件”对话框，使用此对话框可指定初始位置快照，并可为点、连接轴、主体或槽定义速度初始条件。
质量属性：
打开“质量属性”对话框，使用此对话框可指定零件的质量属性，也可指定组件的密度。
拖动：
打开“拖动”对话框，使用此对话框可将机构拖动至所需的配置并拍取快照。
连接：
打开“连接组件”对话框，使用此对话框可根据需要锁定或解锁任意主体或连接，并运行组件分析。
分析：
打开“分析”对话框，使用此对话框可添加、编辑、移除、复制或运行分析。
回放：
打开“回放”对话框，使用此对话框可回放分析运行的结果。
也可将结果保存到一个文件中、恢复先前保存的结果或输出结果。
测量：
打开“测量结果”对话框，使用此对话框可创建测量，并可选取要显示的测量和结果集。
也可以对结果出图或将其保存到一个表中。
轨迹曲线：
打开“轨迹曲线”对话框，使用此对话框生成轨迹曲线或凸轮合成曲线
除了这些主要的菜单和工具外。
还有几个零散的菜单需要注意。
3.2CERO2.0机器人运动仿真
3.2.1机械设计模块的分析流程
要进行机构运动仿真设计，必须遵循一定的步奏。
CreoParametric“机械设计”模块包括“机械设计运动”（运动仿真）和“机械设计动态”（动态分析）两部分，使用“机械设计”分析功能，可在不考虑作用于系统上的力的情况下分析机构运动，并测量主体位置、速度和加速度。
和前者不同的是“机械动态”分析包括多个建模图元，其中包括弹簧、阻尼器、力/力矩负荷以及重力。
可根据电动机所施加的力及其位置、速度或加速度来定义电动机。
除重复组件和运动分析外，还可运行动态、静态和力平衡分析。
也可创建测量，以监测连接上的力以及点、顶点或连接轴的速度或加速度。
可确定在分析期间是否出现碰撞，并可使用脉冲测量定量由于碰撞而引起的动量变化。
由于动态分析必须计算作用于机构的力，所以它需要用到主体质量属性。
两者进行分析时流程基本上一致：
类型
机械设计流程
机械动态动流程
创建模型
定义主体
生成连接
定义连接轴置
生成特殊连接
定义主体
指定质量属性
生成连接
定义连接轴设置
生成特殊连接
添加建模图元
应用伺服电动机
应用伺服电动机
应用弹簧
应用阻尼器
应用执行电动机
定义力/力矩负荷
定义重力
创建分析模型
运行运动学分析
运行重复组件分析
运行运动学分析
运行动态分析
运行静态分析
运行力平衡分析
运行重复组件分析
获得结果
回放结果
检查干涉
查看测量
创建轨迹曲线
创建运动包络
回放结果
检查干涉
查看定义的测量和动态测量
创建轨迹曲线和运动包络
创建要转移到Mechanica结构的负荷集
表5分析流程表
3.2.2机械运动学仿真的思路
仿真模型建立
底座主要是焊接件且主要起支撑作用,可简化为主体,内部连接形式均为焊接.
转盘与底座的连接形式通过齿轮传动实现的,此部分连接可简化为齿轮连接,转盘与驱动四边形和从动四边形的杆连接形式均定义为销轴连接.
驱动/从动四边形的连接形式均为销轴连接;
抓手与从动四边形的连接为销轴连接,抓手的旋转运动是由齿轮传动实现的,故抓手与四爪的连接简化为齿轮连接,四爪的收缩夹紧可简化为圆轴连接.
运动分析
转盘的运动分析如图18-1,18-2,18-3
图18-1转盘
图18-2转盘
图18-3转盘
驱动臂的运动分析如19-1,19-2,19-3
图19-1驱动臂
图19-2驱动臂
图19-3驱动臂
抓手的运动分析如图20-1,20-2,20-3
图20-1抓手
图20-2抓手
图20-3抓手
转盘/驱动臂和抓手合成运动分析如图21-1,21-2,21-3,21-4
图21-1合成
图21-2合成
图21-3合成
图21-4合成
图21-5合成
综上分析,结构设计是合理可行的.
致谢
本设计的完成是在我们的导师××老师的细心指导下进行的。
在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。
从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了xx老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！
导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！
还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。
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