一种码垛机器人的设计与仿真 2.docx

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一种码垛机器人的设计与仿真2

一种码垛机器人的设计与仿真

节I.01摘要

21世纪，科学技术的发展可谓日新月异，各种信息技术的不断发展进步，推动着社会生产的各个领域的进步，尤其是自动化技术的应用。

码垛技术是近年来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术。

码垛技术的概念是指在日常的物流运输的过程中，为了实现实现物料的搬运、装卸等物流的活动，设计一定的物料的堆码成垛的模式，这种模式是基于集成单元化的思想之上的，这种堆码成垛实现物流运输的技术就是码垛技术。

我们在实现码垛技术的同时，发明了相关的码垛机器人。

码垛机器人是基于码垛技术而产生的，它是一种具备特殊功能的机器人，具有垂直的多关节型的特点。

码垛机器人自产生以来，已经广泛应用于社会生产的不同的专业领域，比如食品加工、石油化工等。

对于不同的物流对于码垛要求参数的不同，码垛机器人可以通过自身的主计算机进行相应的参数的设置，从而进一步实现不同产品包装的码垛要求。

现代物流的发展，对于码垛机器人的要求也呈现出越来越高的趋势，比如物料的码垛的精度的提高，是的码垛机器人必须具有一定的刚度和强度，防止搬运过程中出现差池。

本文主要是设计一种码垛机器人的机械部分，应用于自动化生产线的物料的码垛。

在进行码垛机器人的设计的时候，主要是结果机械、电子以及码垛机器人的软件等方面，根据不同方面的特点进行综合的分析，实现码垛机器人的设计。

关键词：

码垛技术，机器人，有限元分析，运动仿真

Abstract

Inthe21stcentury,thedevelopmentofscienceandtechnologyischanging,allkindsofthecontinuousdevelopmentofinformationtechnologyprogress,pushtheprogressofthevariousfieldsofsocialproduction,especiallytheapplicationofautomationtechnology.Stackingtechnologyisactiveinrecentyearsanewtechnologyinthefieldoflogisticsautomation.Stackingtechnologyreferstotheconceptofinthedailylogisticstransportationprocess,inordertoachievetheimplementationoflogisticsactivitiessuchasmaterialhandling,loadingandunloading,thedesignofacertainmaterialstackingintocribmodel,thismodelisbasedontheideaofintegrationofunitized,thiskindofstackingtobuttressachievelogisticstechnologyisthepallet.

Weatthesametimeofpalletizingtechnology,inventedthepalletizingrobot.Palletizingrobotisbasedonthepalletizingtechnology,itisakindofhavethespecialfunctionoftherobot,hasthecharacteristicsofverticalmulti-jointtype.Sinceproduced,palletizingrobothasbeenwidelyusedinthedifferentfieldsofsocialproduction,suchasfoodprocessing,petrochemicalindustry,etc.Fordifferentparametersofdifferentlogisticsforstacking,palletizingrobotcanthroughownhostcomputertothecorrespondingparametersetting,thusfurtherrealizethepalletofdifferentproductpackagingrequirements.Thedevelopmentofmodernlogistics,totherequirementofpalletizingrobotalsopresentsthetrendofmoreandmorehigh,suchastheimprovementoftheprecisionofthematerialofthepallet,palletizingrobotmusthavecertainrigidityandintensity,preventmistakesappearedintheprocessofhandling.

Thispaperistodesignakindofpalletizingrobotmechanicalparts,materialsusedinautomaticproductionlineofthepallet.Inthedesignofpalletizingrobot,ismainlytheresultofmechanical,electronic,andpalletizingrobotsoftware,etc.,accordingtothecharacteristicsofthedifferentaspectsofcomprehensiveanalysis,realizethedesignofpalletizingrobot.

Keywords:

palletizingrobot,finiteelementanalysis,motionsimulation

摘要1

Abstract2

1绪论5

1.1课题的来源及意义5

1.1.1课题来源5

1.1.2课题研究的背景及意义5

1.2工业机器人国内外发展及现状............................................................................................8

1.2.1工业机器人国外发展及现状...............................................................................................8

1.2.2工业机器人国内的发展及现状..........................................................................................10

1.3课题主要研究内容......11

1.4本章小结11

2码垛机器人的总体机构设计12

2.1码垛机器人的组成及各部分关系概述12

2.2方案的确定13

2.3总体设计思路13

3码垛机器人的机械系统设计15

3.1机器人的工作空间15

3.2码垛机器人的执行机构设计15

3.2.1末端执行机构设计15

3.2.2手臂机构的设计16

3.2.3腰部和基座设计17

3.3工业机器人的机械传动装置的选择19

3.3.1滚珠丝杠的选择19

3.3.2谐波齿轮的选择19

3.3.3联轴器的选择19

3.4本章小结20

4码垛机器人手臂结构21

4.1平面机构受力分析22

4.2手臂材料的选择22

4.3销轴校核22

4.3.1手腕销轴联接校核22

4.3.2后大臂与小臂销轴联接校核23

4.3.3前大臂与支架销轴联接校核23

5SolidWorks建模和仿真25

5.1主要部件建模及其简介25

5.2建模设计25

5.2.1底盘旋转蜗杆的建模25

5.2.2对大臂的建模27

5.2.3齿轮的建模28

5.3虚拟装配设计及干涉检查29

5.4运动仿真30

5.5结束语31

6Simulation有限元分析32

6.1有限元法概述32

6.2Simulation概述32

6.2.1SolidWorksSimulationProfessional33

6.2.2SolidWorksSimulationPremium33

6.3Simulation使用指导34

6.3.1启动Simulation插件34

6.3.2SolidWorksSimulation选项35

6.3.3SolidWorksSimulation中的单元类型37

6.3.4等效应力（也称为vonMises应力）37

6.4对6轴码垛机器人零件的Simulation分析38

6.4.1分析步骤38

6.4.2对其他重要零件的有限元分析41

6.5连杆的静力学分析42

6.5.1连杆的静力学分析示例………………………………………………………................43

6.5.2机器人大臂静力学分析………………………………………………………………….50

参考文献57

谢辞58

1绪论

1.1课题的来源及意义

1.1.1课题来源

码垛是物流自动化技术领域的一门新兴技术，它常用于食品饮料、化工、煤炭等大批量生产场合。

本课题包括码垛机器人本体设计的以下内容：

从机器人构型的确定到设计参数的确定和分配，从机器人工作空间到动态静力学的计算以及各关节驱动力矩的计算，从关键零部件有限元边界条件的确定到零件的优化。

该题目是指导老师自拟项目。

1.1.2课题研究的背景及意义

日本与瑞典是国外最早把工业机器人技术应用在物体搬运、码放的国家。

上世纪六七十年代日本将机器人技术用于码垛作业。

瑞典ABB公司在一九七四年开发了世界上第一个应用于搬运码垛作用的机器人IRB6。

随着高科技术发展和成熟，欧美等国家工业机器人的研发取得了很好的成绩，各自推出了码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等（图1．1）。

目前，FANUC、OKURA、KUKA、ABB等主流机器人厂家均拥有系列化的码垛机器人产品。

JABB公司的IRB系列；FANUC公司的M-系列；KUKA公司的有KR系列等[1]。

如国外的一些发达国家，她们的自动码垛技术水平已经达到了一定程度，码垛机的各项指标都在不断的上升，而且应用范围也越来越广。

码垛机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置组成。

连杆式关节型机构是大多数码垛机器入主体多采用的形式。

关节型机器人其功能是模仿人类搬运物件的特点，即人类搬运物件时手臂到腰部的运动，因此关节型机器人通常包括的底座、大臂、小臂、手腕及末端执行器。

以KUKA的KR180-2PA型号为例，其整机的运动由四个关节驱动，包括固定底座上的水平旋转、连杆臂的法向旋转、臂部的法向旋转以及末端执行器的水平旋转[2]。

FANUC码垛机器人OKURA码垛机器人

ABB码垛机器人KUKA码垛机器人

图1.1码垛机器人

自从20世纪80年代，我国码垛机器人在国家支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，经过几十年的发展，我国在机器人领域取得了很大成就。

按机器人的发展进程，分为三代机器人。

第一代机器人，具有示教再现功能或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，不仅具有内部传感器，能获取外部环境信息。

虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力；第三代机器人，具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息。

目前码垛机器人的应用主要在一下两个方面。

一个是恶劣工作环境和危险工作场合。

这个领域的的作业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业。

例如在冲床上下料、采矿、锻造等。

第二个是自动化生产领域。

码垛机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业[3]。

一个简单抓放作业机器人只需要较少的自由度，一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。

码垛机器人具有减少劳动力费用、提高生产率、改进产品质量、增加制造过程的柔性、减少材料浪费、控制和加快库存的周转、降低成本、消除了危险和恶劣的劳动岗位。

目前工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达100亿美元[2]。

尽管如此，工业机器人产业仍在不断扩展，不断向新的领域进军。

我国工业机器人的应用前景是十分宽广的。

但是由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展带来一定的困难。

只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和运用。

工业机器人功能部件的标准化和模块化是提高机器人的运动精度，运动速度，降低成本和提高可靠性的重要途径。

近几年注重发展组合式工业机器人。

它是采用标准化的模块件或组合件拼装而成。

除了工业机器人用的各种伺服电机，传感器外，手臂、手腕、机身也可以标准化。

随着机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，急需开发新型的微动机构来保证机器人的动作精度，开发多关节，多自由度的手臂和手指及新型的行走机构，以适应日益复杂的作业需求。

目前，国内的码垛技术和国外相比还有一定的距离，首先是产品的可靠性；其次是应用领域和生产线系统技术方面，而且国内码垛机器人项目起步较晚；最后是是应用规模方面，我国工业机器人领域已拥有码垛机器人不到1000台，占不到全球的万分之十[2]。

在我国，主要生产和研究码垛机器人公司：

沈阳新松机器人公司、安川首钢机器人公司和哈尔滨博实公司等。

上海交通大学机器人研究所开发出了广泛应用于食品、饮料、啤酒等各个领域，满足不同包装生产线的各式各样的产品码垛需求，性能可靠稳定的新一代TPR系列码垛机器人，而且运行速度全面超过ABB，KUKA等国外品牌关节机器人，生产能力与哈工大推出的码垛机器人一致。

哈尔滨工业大学于2004年推出了一条涉及机械、电子、计算机等多个学科的全自动化的包装码垛生产线，解决了现实中生产过程不准确，不快捷的难题，而且电子称重的误差不超过0.1％，生产能力可达每小时1600以上（图1.1）。

宝鸡新科研制出具有结构紧凑、外形美观、占地面积小的RMD70型码垛机械手；苏海新等人开发了一种新型具有四个独立自由度的工业码垛机器人，用四台伺服电机控制机器人的运动，完成预期动作。

李成伟等人根据搬运机器人的特点，研究设计了一种具有四个独立自由度的并联搬运码垛机器人，对于不同的场合，可以换用不同的手抓，就可有对不同的物件进行搬运以及码垛；杨灏泉等人研究了一种将拆垛作业和码垛作业合为一体的4自由度水平多关节的SCARA机器人。

作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。

据相关统计数据表明，工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工业，占整个机器人市场的61%，金属制品业占8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占7%，食品工业占2%，其他工业占15%[3]。

目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，随着我国从劳动密集型向现代化制造业方向发展，虽然机器人保有量达到一定的规模，但与发达国家相比仍然有不少差距。

仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人来讲，（日本1710台、意大利1600台、美国770台、英国610台、瑞典630台，而我国还不到90台），中国仍然是世界上相对比较落后的国家。

面对中国这样庞大的市场，每一个机器人供应商都有着非常大的用武之地。

20世纪90年代末，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地[4]。

目前，我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，不少品种已经实现了小批量生产。

“机器人产业化已呈星火燎原之势！

”尽管如此，我国工业机器人产业化却存在着巨大的问题。

除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同的观点。

首先，我国基础零部件制造能力差。

虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。

特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争力。

第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。

虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。

国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。

第三，国家认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策少。

工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径[1]。

日本战后对机器人采取的一系列相关政策，极大地推动了机器人产业的发展，目前，日本已是世界上工业机器人的第一生产大国。

工业机器人作为高新技术产品，应该比照新能源中的电动汽车，出台相应的扶植政策。

中国机器人产业化正处于关键的转折点，如果政府的扶植力度再向前推进一步，中国的机器人产业将会越过目前的“临界期”，跨上一个新的台阶，进入快速发展阶段。

同时，如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本和快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题。

这些问题为我国工业机器人提供了不同的市场需求，促进我国工业机器人的应用市场日趋成熟。

1.2工业机器人国内外发展及现状

1.2.1工业机器人国外发展及现状

工业机器人在国外的起步比较早，第一次将机器人技术应用于码垛是在20世纪70年代，由日本提出的[3]。

随着对承载能力、运行速度、运行精度、稳定性、工作空间和环境要求的不断提高，码垛也向着高速度、高精度、高承载力、高稳定性以及高效率的方向不断发展。

目前市面上的码垛机器人大体上可以分为欧系和日系两种系列[4]。

欧系的码垛机器人主要是瑞典的ABB公司生产的机器人以及德国的库卡公司生产的机器人，德国库卡机器人公司是全球最大的机器人公司之一，ABB公司在1974年生产出了全世界第一台全电控式，微处理器控制的机器人。

而日系机器人则主要是安川公司以及FAUNC的LTD生产的机器人，安川公司于1977年生产出第一台全电动的工业机器人，其MP系列主要用于码垛工作，FAUNC机器人共拥有200多种系列，负载范围非常大，该公司年产工业机器人25000多台。

（a）（b）

图1.4（a）双臂工业机器人YiMi（b）库卡轻载工业机器人LBRIIWA7R800

上图所示为ABB公司和库卡机器人公司最近推出的最新产品双臂工业机器人YuMi和库卡轻载工业机器人LBRIIWA7R800。

2015年4月13日，在世界工业博览会——德国汉诺威工业博览会上，ABB公司推出了全球首款真正实现人机协作的双臂机器人。

ABB公司正式推出了全球首款真正实现人机协作的双臂工业机器人YuMi。

ABB公司自1974年推出全球首款全电动的微处理器控制的工业机器人以来，此次YuMi的推出又是在工业机器人领域的更大突破，YuMi的推出为工业自动化生产方式开拓了全新的领域，使小件装配领域发生了更大的更新变革。

YuMi的出现本来是为了迎合电子产业对生产和制造的灵活性的需求，现如今不仅在电子产业中，在其他小件的装配环境里面，YuMi出现同样也受到了欢迎。

YuMi的紧凑的构型使其具有与人体相应的尺寸和肢体动作，使操作或相协作的人可以获得舒适感和工作愉快感。

此外Yumi的安全可靠性也是相当突出的，当其受到轻微碰撞时或者与操作员肢体相互碰触时，能够立刻停止运作再迅速恢复正常的工作。

库卡机器人是机器人和自动化技术领域的先驱，是全球领先的工业机器人制造商。

库卡公司的工业机器人种类齐全、多种多样，几乎涵盖了所有负载范围和机器人类型。

适用于各种应用的兼容控制系统和软件包完善了库卡公司的产品系列。

库卡机器人公司可以制造3kg至1000kg铰接臂工业机器人，其涵盖可低负荷（5kg-16kg）、中等负荷（30kg-60kg），高负荷（90kg-300kg）和重负载（300kg-1300kg）的工业机器人。

最近其生产的低负荷机器人LBRIIWA7R800和LBRIIWA14R820协作机器人敏感度极高，具有高度安全性，且学习速度快，容易操作，在人机合作方面开辟了全新应用领域，突破了机器人以往无法跨越的界限。

1.2.2工业机器人国内的发展及现状

表1.2近年来我国工业机器人发展情况

研究单位及机构

产品功能

研发及应用情况

哈尔滨博士自动化设备有限公司

自动包装、码垛、弧焊、点焊

化肥自动称重、包装码垛生产，石油、化工、化纤等行业

上海机电一体化工程有限公司

搬运、上下料、用于自动化立体仓库

用于钣材FMS、装配及专用机器人，用于机械、汽车、电器等

昆明船舶设备有限公司

码垛、搬运、自动化物流系统

用于应用于立体仓库以及烟草行业

沈阳新松机器人自动化股份有限公司

用于自动化生产线、水切割、弧焊、码垛等

用于弧焊、冲压、AVG运输、装配、浇铸等

北京机械工业自动化研究所

喷涂、弧焊、搬运、装配

应用于汽车、陶瓷、医药等行业，完成喷涂、码垛、焊接、涂胶等任务

20世纪70年代，我国对工业机器人的研究和应用刚刚开始，当时受经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，机器人应用于码垛的情况并不普及。

当时，仅由中国科学院沈阳自动化研究所及一些地方的研究单位和院校对于机器人开始进行研究和开发，并且种类限于一些固定程序、液压伺服型的机器人。

随着改革开放的不断深入，直到20世纪80年代我国工业机器人技术的开发和研究才达到一定水平，研究生产的机器人可以完成喷涂、弧焊、点焊以及搬运等的小批量作业。

近年来我国主要工业机器人研究情况如上表所示。

进入20世纪90年代，我国工业机器人得到进一步大发展，在汽车制造行业乃至其他制造业和非制造行业得到逐步扩展和应用，逐步缩小了在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域与世界先进水平的差距[5]。

进入21世纪以来，我国部分高等院校也开始了对工业机器人的教学和研究，其主要研究的机构类型有直角坐标型和关节型。

在国家技术发展（863）计划支持下，我国工业机器人已经在产业化道路上迈开了步伐[6]。

1.3课题主要研究内容

本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，主要工作内容有以下几点：

1）了解搬运机器人发展历程、现状以及未来发展趋势，掌握码垛机器人的机械结构特点以及基本构成部分。

2）对码垛机器人的总体方案进