一种码垛机器人的设计与仿真.docx

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一种码垛机器人的设计与仿真

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

1绪论

1.1课题的来源及意义

1.1.1课题来源

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，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

日本与瑞典是世界上第一个把工业机器人技术应用在货物搬运、码放的国家。

二十世纪六七十年代日本将工业机器人技术用于码垛作业。

瑞典ABB公司在一九七四年开发制造了世界上第一个应用于搬运、码放作用的机器人IRB6。

随着科学技术的不断发展，西方发达国家的工业机器人技术突飞猛进，都开发出了自己的码垛机器人，如日本、德国、瑞典等（图1．1）。

目前日本、德国、瑞典等国家的主流机器人厂家都拥有标准化的码垛机器人产品。

瑞典ABB公司的IRB系列；日本FANUC公司的M-系列；德国KUKA公司的有KR系列等。

如欧美等一些国家的自动码垛技术已经日趋成熟，码垛机器人的各项功能都在不断发展，不断应用于各个方面。

码垛机器人的组成方式包括机械本体、控制器、伺服驱动器和检测传感装置。

大多数码垛机器人是采用连杆式关节型机构的形式。

关节型机器人是采用仿生学的原理，模拟人类搬运重物时的动作特征，即人类搬运物件时上肢以及腰部的动作特征，所以关节型机器人一般有底座、大臂、小臂、手腕及末端执行器这五部分组成。

例如德国KUKA公司的KR180-2PA型码垛机器人，它的运动由四个关节的驱动完成，包括底座的水平旋转运动、连杆臂和小臂的法向旋转以及末端执行器的水平旋转[2]。

自从上世纪八十年代以来，在国家的支持下，通过数十年的不断研究、发展，我国的码垛机器人技术研发发明取得可可喜的成绩。

可以将码垛机器人的发展进程分三代。

第一代机器人，多为示教再现型工业机器人，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，开始使用内部传感器，能够自动探测外部的环境信息。

虽然还没有开始使用人工智能技术，但是机器人和环境已经可以进行互动，能够自动适应外部环境；第三代机器人，采用人工智能，能够更好地适应外部环境。

现在码垛机器人在生产中主要应用于以下两个方面。

一个是环境比较恶劣甚至对人身安全造成威胁的场所。

这个方面的作业对人身危害较大，不利于健康甚至会威胁生命而不适宜人去干。

比如在冲床上下料、采矿、锻造等。

第二个是自动化生产领域。

码垛机器人可用来搬运、堆放、卸货、抓取零件重新定向等作业。

一个应用于抓放零件的机器人工作较简单，较少的自由度就能满足，而一个给零件定向作业的机器人要求更加精确，要有更多的灵活性，所以要较多的自由度才能满足使用要求。

使用机器人生产可以节约人力，提高效率、避免材料浪费，生产更稳定，质量更有保证，并消除了危险岗位，从根本上杜绝了危险事件的发生，从而降低成本，加快周转。

现在正是码垛机器人研发的黄金时间，在工业发展比较先进的国家，工业机器人的研发与制造已经形成较大规模。

全世界每年的码垛机器人销售额已达百亿美元。

尽管如此，工业机器人仍在取得日新月异的成就。

我国工业机器人的发展和应用前景巨大。

由于我国工业发展起步较晚，拥有较多的廉价劳动力，严重阻碍了工业机器人的发展。

只有从国情出发，才能加快我国工业机器人的发展和运用。

要想提高机器人的生产精度、运动速度，降低生产成本以及提高稳定性，就要将工业机器人的部件标准化、模块化。

近年来开发的重点是组合型机器人。

组合型机器人是使用标准模块组合而成。

不仅是机器人使用的电机、传感器可以标准化，甚至是手臂、手腕以及底座等都可以实现标准化生产。

现在机器人生产领域越来越广泛，对机器人生产精度的要求也越来越高，需要开发微动机构来增加机器人的精度，以适应高精度的生产要求。

现在，我国的码垛机器人技术还远远的落后于国外发达国家。

包括应用领域、生产技术以及产品的稳定性方面都比较落后。

国内的工业发展起步较晚，应用规模也远低于国际平均水平，国内拥有的工业机器人还不足千台，不足世界的万分之十。

我国研发码垛机器人的公司主要有三家：

沈阳新松机器人公司、安川首钢机器人公司和哈尔滨博实机器人公司。

上海交通大学机器人研究所开发出的新一代TPR系列码垛机器人，性能稳定，运行速度快，生产能力与哈工大推出的码垛机器人不相上下。

性能超越了ABB，KUKA等国外品牌机器人。

可应用于食品、饮料、啤酒等各个领域，可以满足各种生产线的不同产品的码垛需求。

2004年哈尔滨工业大学推出了一条全自动化的包装码垛生产线，涉及机械、电子、计算机等多个学科，解决了生产过程中产品不准确，速度慢等难题，而且电子称量的误差小，不超过0.1％。

生产效率高，每小时可达1600以上。

宝鸡新科研制出的RMD70型码垛机械手，具有结构紧凑、外形美观、占地面积小等特点；苏海新等人开发了一种新型码垛机器人，拥有四个独立自由度，用四台伺服电机控制机器人的生产运动，完成精度较高的动作。

李成伟等人以搬运机器人为蓝本，研究开发了一种具有四个独立自由度的并联搬运码垛机器人，对不同的需求，可以使用不同的手臂抓取，实现对不同物件的搬运以及码放；杨灏泉等人研究开发了一种4自由度水平多关节的SCARA机器人，可以同时实现拆垛作业和码垛作业。

工业机器人以及成为先进制造业中不可或缺的重要装备和必要手段，工业机器人的技术水平也成了衡量一个国家科技制造水平的重要因素。

根据相关统计表明，工业机器人主要应用于汽车及汽车零部件的生产，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，我国主要从日本进口工业机器人，现在我国逐渐从劳动密集型生产向现代化制造业方向发展，虽然机器人的拥有量达到了一定的规模，但是还远远落后于发达国家的水平。

汽车工业方面每百万名生产工人平均占有的机器人数量，（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），我国相当于其他国家仍然比较落后。

每一个工业机器人供应商都应该能看到我国庞大的市场空缺和市场需求量。

上世纪九十年代末，我国就建立了7个机器人科研基地和9个产业化基地。

到现在为止，我国已经可以独立研发生产在世界上都属于较高水平的平面关节型机器人、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，而且部分产品已经实现规模性生产。

“我国的机器人产业化已势不可挡！

”尽管如此，我国工业机器人产业化却依然存在着严重的问题。

不仅起步较晚，工业水平较低下，而且很多人对工业机器人产业不能理解，存在着误解。

第一，我国制造生产基础零部件的能力较低。

虽然我国在相关零部件的生产方面已经有了一定的发展，但是无论是零件的质量、样式，还是批量化生产方面都与发达国家存在较远的距离。

特别是在精密减速器和高性能交流伺服电机方面的差距尤为巨大，因此就造成了一些零部件需要高价进口，造成了我国机器人价格偏高，影响竞争力。

第二，我国研发生产的机器人还没有打响自己的品牌。

尽管已经出现了一些专门从事机器人研发的企业，但是都还没形成规模化生产，没有让市场认知的产品、品牌。

而且国产机器人还一直被国外的品牌机器人所打压，国外机器人生产技术成熟，采用规模化生产，生产成本低，整机价格低廉，吸引国内企业优先购买，占领中国市场。

然后在后续的维护以及零部件的购买方面价格很高。

第三，国家没有鼓励工业机器人研发方面的政策，不能推动各企业的研发积极性。

工业机器人的研发及应用水平，体现了一个国家的工业制造水平，我们要从国家的高度来认识提高我国工业机器人水平的必要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的必要手段和必经之路。

日本战后政府采取的对研发机器人的一系列相关奖励政策，极大地推动了机器人产业的发展，目前，日本已经成了世界上生产工业机器人的第一大国。

工业机器人作为必要的高新技术产品，政府应该像鼓励新能源电动汽车一样，出台相应的奖励政策。

中国机器人产业化已经到了最关键的时刻，如果政府能推出大力度的鼓励政策，我国的机器人产业就能翻过面前的大山，走上一个新的平台，进入高速发展的阶段。

同时，我国的机器人研发企业应该开始考虑如何适应国内外市场需要，如何提高产品质量、降低生产成本，如何在市场中取得生存和发展。

不同的市场需要将引领我国的工业机器人应用市场健康发展，走向成熟。

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上世纪七十年代，由日本提出的。

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，瑞典的ABB公司在1974年制造出了世界上第一台全电控式、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，日本的安川公司在1977年制造出了第一台全电动的工业生产机器人，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。

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。

在2015年4月13日举行的世界工业博览会——德国汉诺威工业博览会上，瑞典的ABB公司展示了世界上第一款真正实现了人机协同作业的双臂工业机器人YuMi。

ABB公司在1974年曾推出全世界第一款全电动的微处理器控制的工业机器人，此次YuMi的推出是ABB公司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指引了全新的道路，使小件装配领域产生了突飞猛进的变化。

YuMi的出现原本是为了满足电子产业生产和制造的精确性的需求，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。

库卡机器人公司是研发工业机器人和自动化生产技术领域的领路人，是世界前列的工业机器人制造商。

库卡公司的工业机器人品种繁多，功能多样，几乎能满足各行各业所需要的生产机器人类型。

适用于各种产品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

环境的制约，发展比较缓慢，码垛机器人的应用相当稀少。

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。

随着社会的不断发展进步，直到上世纪八十年代，我国工业机器人技术的开发和研究才取得了一些成绩，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，在步行机器人方面、精密装配机器人方面、多自由度关节机器人方面的研制等国际前沿领域与世界先进国家的差距正在逐渐减小。

进入二十一世纪以来，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

本课题主要是研究码垛机器人的结构设计，主要研究内容如下：

1）了解搬运机器人的发展历史、使用现状以及未来几年的发展趋势，掌握码垛机器人的机械构成方式及基本的结构特点。

2）设计研究码垛机器人的整体方案。

设计几套不同的方案，通过对比选出最佳方案。

最佳方案确定后，再研究设计各个细节部分的方案。

包括腕关节的电机型号、轴承以及联轴器的选择；臂部材料的选择、结构的设计、受力分析、关节处销轴的校核、关节轴承的选型；传动系统的设计：

电机、联轴器、轴承的选型，滚动丝杠、滑动导轨的选型与校核；腰部电机、联轴器、轴承型号的选择。

3）用SolidWorks软件进行三维模型设计。

绘制各零部件的三维模型，并将设计好的零部件进行装配实验，装配完成后进行仿真运动实验。

不断改变系统参数，观察各部件的运动是否发生变化。

4）利用Simulation软件对主要运动构件进行有限元分析，生成应变、应力图。

1.4本章小结

本章首先介绍了码垛机器人研究的背景，介绍了国内外在此领域内相关研究状况，在综合分析国内外研究现状的基础上，提出了一种科学选择码垛机器人的方案。

对课题中用到的研究方法作了综合性的论述，通过比较，本方案运用SolidWorks软件建立码垛机器人的三维模型，并进行码垛机器人运动算例模拟仿真，对重要零部件使用Simulatioan进行有限元分析，观察其受力情况，最后对本文重点研究内容进行了简要阐述。

2码垛机器人的总体机构设计

2.1码垛机器人的组成及各部分关系概述

码垛机器人的组成如图包括机械系统（执行机构、驱动机构）、控制系统、智能系统。

执行机构：

执行机构是工业机器人完成搬运物件，实现生产运动所必需的机械部件，它主要包括手部、腕部、机身等。

手部：

又称手爪或抓取机构，直接用来抓取和搬运物件。

。

腕部：

又称手腕，用来连接手部和臂部，用来调整或改变手部的运动方位。

臂部：

是连接、支承腕部的部件，主要受力部件，支撑腕部将物件运到指定位置。

机身：

是承载手臂的部件，它的作用是带动臂部做出各种动作，移动到不同的工作位置。

驱动系统：

为整个机器人各部件提供机械动力，并驱动其他部件运动的装置。

常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。

控制系统：

控制驱动系统的动力，使执行机构按照工作要求进行运动，当发生错误或故障时发出报警信号。

检测系统：

通过多种传感装置、检测工具，监督执行机构的工作情况，并将监督情况反馈给控制系统，由控制系统判断运动是否符合生产要求。

2.2方案的确定

码垛机器人的基本类型有两种：

一、四轴SCARA机器人（以下称为四轴机器人）二、六轴关节式器人（以下简称六轴机器人）。

其中，四轴机器人特别是为高速取放的操作所设计的，而六个轴的机器人在生产中提供了更大的灵活性。

“四轴SCARA机器人”是指“选择装配关节机器人手臂”，四轴机器人手臂部分可以在一个平面内自由运动。

前两个关节SCARA机器人可以在水平面内自由转动。

第三节由金属杆（quill）和夹持器组成。

金属杆可以在垂直平面上下移动或绕着金属杆的垂直轴旋转，但不能倾斜。

这种独特的设计使四轴机器人具有很强的刚性，使他们能够胜任高速度和高重复的工作。

在包装应用中，四轴机器人能够完成高速取放和其他处理任务。

六轴机器人比四轴机器人多两个关节，使其更自由的行动。

六轴机器人的第一个关节能像四轴机器人一样在水平方向上自由旋转，后两个关节能在垂直平面自由移动。

此外，六轴机器人有一个“手臂”，两个“腕”关节，使他能够像人类的手臂和手腕那样自由运动。

六轴机器人更多的关节意味着他们更灵活更精密，可以将产品以任意的角度放入包装内。

他们能完成很多只有熟练工人才能完成的精确工作。

综合考虑，本设计要求搜集有关资料独立完成六自由度关节式码垛机器人的机械结构本体设计。

2.3总体设计思路

码垛机器人主要的功能是完成不同包装外形的物体的搬运工作。

在了解了码垛机器人的运动原理以后，就能拥有一个较清晰的设计思路。

本课题主要研究码垛机器人的机构设计，想要实现码垛机器人在半径为1.5米的圆周内的码垛运动，必须由四个方面的动作才能完成，包括腰部的旋转运动、后臂的上下运动、前臂的前后运动以及手腕的回转运动，而这四个动作的动力全部由电机提供。

图2.3是该机器人的三维模型。

六个关节均采用谐波减速器驱动，谐波减速器在国内已经成功应用了三十多年，比较稳定可靠，适合在工业上进行应用。

谐波减速器组件安装和维修都比较方便。

关节的回转轴承采用了交叉滚子轴承、两对圆锥滚子轴承和两对角接触轴承。

手腕关节处如图2.４所示，第四轴采用伺服电机加谐波减速器驱动。

第五个轴处，伺服电机带动同步带，同步带带动谐波减速器，谐波减速器输出使关节上下摆动。

第六个轴处，伺服电机带动同步带，同步带带动同步带轮，同步带轮与锥齿轮同轴传动，锥齿轮带动另一个锥齿轮，另一个锥齿轮带动谐波减速器，谐波减速器输出驱动第六轴传动。

3码垛机器人的机械系统设计

3.1机器人的工作空间

工作空