LDR15-B02型机器人机械本体设计.doc

1、目录摘要该毕业设计的任务主要是对负载为100kg的四自由度搬运机器人进行机械本体设计。搬运机器人是一种可以进行自动化搬运作业的工业机器人，说明书中对工业机器人特别是搬运机器人的研究及应用状况进行了简要的综述。根据说明书的任务要求，给出了负载为100kg的搬运机器人的本体设计方案，并进行了具体的机械设计工作，包括对伺服电机的选型和计算，减速机的选型和计算，零件的结构设计及必要的校核计算。然后，利用Creo2.0进行了机械本体的三维建模，并绘制了整机装配图，部件图和零件图等二维图。关键词：搬运机器人；本体设计；四自由度；重负载IAbstractThe graduation project is m

2、ainly to design the mechanical body structure of a four degree-of-free transfer robot whose load is 100kg.The transfer robot is a industrial robot that can execute automated handling operation,and in the graduation design I briefly introduce the situation of research and application of industrial ro

3、bot,especially the transfer robot.According to the graduation project ,I did the design project of the mechanical body structure of transfer robot whose load is 100kg and completed the specific mechanical design work,including calculate and choose the model of motor and reduction gears,design and ch

4、eck the parts.And I also use Creo 2.0 to finish three-dimensional model building of the mechanical body and go through with two-dimensional drawing,including the section and overall robot assembly drawing,parts drawing.Keywords:transfer robot;body structure design;four degree-of-free；Heavy loadI目录摘要

5、IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2码垛机器人的特点与分类21.2.1码垛机器人的特点21.2.2码垛机器人的分类21.3码垛多机器人的国内研究现状51.3.1国外码垛机器人发展现状51.3.2国内码垛机器人发展现状61.4课题来源与意义81.5本文主要研究内容81.6本章小节8第2章 机器人机械本体设计102.1引言102.2 码垛机器人本体构型102.2.1码垛机器人技术参数102.2.2码垛机器人总体设计112.3驱动系统的选择132.3.1电机的种类132.3.2减速机的种类152.4总结18第3章 腕部详细设计与计算193.1 引言193.2 腕部的减速机的选型与

6、计算193.3腕部的电机的选型与计算223.4联轴器的计算与选型233.6轴承的选型253.7齿轮设计及计算253.7总结30第4章 旋转关节U轴（小臂）的详细设计314.1 引言314.2小臂(U轴)的减速机的选型与计算314.3电机选型的设计说明344.4交叉滚子轴承的校核354.5总结37第5章 旋转关节L轴（大臂）的详细设计385.1 引言385.2 大臂（L轴）的减速机的选型与计算385.3电机选型的设计说明415.4总结42第6章 回转关节S轴(腰部)的详细设计436.1引言436.2腰部的减速机的选型与计算436.3电机选型的设计说明466.4总结47第7章 工业机器人平衡487

7、.1工业机器人平衡原理及分类487.2工业机器人平衡系统的主要目的497.3工业机器人平衡措施49总结50参考文献51谢 辞54附录55附录一：整体的机械手55附录二：腕部结构56附录三：腰部58III第一章 绪论第一章 绪论第1章 绪论1.1 引言机器人技术是一种高新技术，它涉及诸多科学技术及技术领域，综合了计算机、机构学、信息和传感技术、控制论，仿生学和人工智能等多学科而形成的。机器人按照用途可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人等，其中工业机器人是目前应用最多，技术上发展最成熟的一类机器人。随着我国经济的快速发展和科学技术的突飞猛进，使得机器人在码垛、喷漆、焊接、测量等行业有着相当广泛

8、的应用。码垛机器人是实现物流和包装自动化的关键装备，可以实现高速、自动、连续、准确的码垛任务，满足产品码垛需求，人工码垛是强度大、重复性高的劳动，特别是高粉尘、有毒、有害等物料，基本不适合人工码垛，因此有必要研发一种码垛机器人，减低生产过程中对工人的身心伤害。工业机器人有多种不同分类方式，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手；按机器人工作空间的坐标形式可以分为：直角坐标是机器人、圆柱坐标是机器人、关节式机器人和SCARA机器人（又一个肘关节和两个肩关节定位，腕关节进行定向，如图下）

9、；按照机器人的用途可以分成：焊接机器人、喷涂机器人、码垛机器人等等。1-1垛机码器人工业机器人是通过机器人关节实现自主动作且多轴联动和广泛适用的机械设备。机器人技术不断向着：结构的模块化和简单化、控制系统的开放化、伺服驱动技术的数字化和分散化等方向发展。而且机器人技术的发展促进了机器人的大量应用，也使得人类从繁重的、重复的、单调的生产作业中解放出来。但是，目前我国的机器人研发和制造水平和国际的领先水平尚有一段距离，特别是在机器人本体结构设计、控制系统和策略、轨迹运动优化上与国外先进水平相比有很大的差距1.2码垛机器人的特点与分类1.2.1码垛机器人的特点码垛机器人相对于焊接机器人、装配机器人和

10、喷涂等机器人有很大的区别，主要体现在以下几个方面：（1） 码垛机器人搬运的物料实现水平面内的旋转和空间内的平移，动作难度较小，无需进行物料的翻转动作。码垛机器人只需要四个自由度；（2） 码垛机器人利用了“平行四边形”原理，通过两组平行四连杆的转动，是机器人末端的腕部关节轴线始终与地面垂直，保证了包装的袋子或这箱子在搬运过程中的平稳状态；（3） 码垛机器人减少了两个自由度，结构简单，零部件少，性能更可靠，故障率降低，保养和维护起来方便；（4） 集成性较高，占地面积小，方便企业优化配置厂房面积；（5） 功率消耗低，大大降低了客户的生产运行成本和能源的消耗；（6） 适用性和灵活性高，面对产品的多样性

11、或特定客户的产品的尺寸、形状、体积及托盘的形状和尺寸发生的变化时，只需要在控制器上小作修改即可满足需求，不会影响正常的生产，这是传统的码垛装备无可比拟的；（7） 控制方式和示教方法简单；（8） 码垛的任务相对于焊接或装配任务，定位精度要求相对较低。1.2.2码垛机器人的分类 垛机器人按照驱动传动和结构的不同可以分为：混联码垛机器人、并联码垛机器人和关节码垛机器人。欧洲和美国主要以关节式串联码垛机器人为主，例如ABB、KUKA。混联码垛机器人主要以日本的FUJI机器人为代表。并联码垛机器人生厂商有ABB和FANUC。并联机器人具有以下特点：无累计误差，精度较高；运动部分重量较轻，速度较高，动态响

12、应好，驱动装置可置于固定平台上；结构紧凑，承载能力大；并联机构的各向同性优异。同时，由于并联机器人工作空间小，承载能力弱，在实现的自动化生产线重载环境下，适用性和灵活性不高。因此，在食品行业和快速分拣、筛选行业等轻载环境下，并联机构突显出它的优势，在高速重载行业，主要是混联码垛机器人和串联关节式码垛机器人。本节是码垛行业常用的混联码垛机器人和串联式码垛机器人两种机器人做出对比。如下图：1-2混联码垛机器人1-3串联关节式码垛机器人如上图1-2所示为混联码垛机器人和1-3关节式码垛机器人，两者的区别在于混联码垛机器人四关节中，两个关节为移动关节，其余为旋转关节，后者的四个关节皆为旋转关节。两者都

13、经过两个四连杆机构传动，是末端的腕部关节旋转轴线始终与地面垂直。混联码段机器人的结构如图1-4混联码垛机器人结构件图混联码垛机器人和关节式码垛机器人的第一关节与第四关节同为旋转关节。而混联码垛机器人的第二关节和第三关节为移动关节，第二关节为水平移动，第三关节为垂直移动，两部分关节各有驱动系统，每个电机控制同步带轮的旋转驱动滚珠丝杠，从而带动其滑块的运动，可以实现大臂上下运动，小臂前后运动。这样结构的优点是可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精度定位的要求。目前，国际四大机器人生产商ABB、FUKA、YASKAWA和KUKA在4轴搬运机器人研发方面，均采用四轴旋转的关节是结构，与两个旋转和两个移

14、动关节的混联码垛机器人比较，具有如下优势：（1） 结构紧凑，外形美观，为目前四轴搬运码垛机器人的主流发展方向；（2） 维护方便，故障率低，与滚珠丝杠、精密行星减速器的传动方式相比，RV减速机传动简单，易于维护，使用寿命长，前者在润滑与密封方面较后者复杂；（3） 成本基本持平，两者使用相同数量的伺服电机和减速机，混联码垛机器人还另需要滚珠丝杠和导轨；（4） 关节是码垛机器人的旋转关节方式定位精度高于混联码垛机器人的直线关节方式的定位精度；（5） 在机械结构设计方面，混联码垛机器人的结构较关节式码垛机器人更为复杂，需要解决伺服电机、同步带传动、滚珠丝杠和导轨的布置问题；（6） 混联码垛机器人也有行

15、程放大的机构，但由于机构外观尺寸的限制，滚珠丝杠和导轨的长度受限，运动空间小于关节式码垛机器人。1.3码垛多机器人的国内研究现状从上世纪八十年代开始，欧洲以及日本等国家，在推广搬运码垛的自动化和机器人化方面取得了很大的进步，在国家“七五”、“八五”期间，我国许多高校科研研究所也研究和开发了码垛机器人，并取得了一些成果。1.3.1国外码垛机器人发展现状工业机器人技术在国外起步较早，第一次将机器人技术应用于码垛机作业的是在20世纪70年代，有日本提出的。目前，世界各发达国家的机器人公司针对各种载荷、运行空间和运动环境，不断推出高性能、高可靠性、高速、高精度的码垛机器人。码垛机器人市场主要分布为欧系和日系。欧系码垛机器人以ABB和KUKA为代表，日系码垛机器人以FANUC和YASKAWA为代表。ABB公司是全球领先的工业机器人供应商，在码垛作业方面，有着全套先进的机器人解决方案。1974年，ABB设计研发了全世界第一台全电控式、微处理器控制的工