116061_徐扬_一种用于水泥包装生产线的码垛机器人的结构设计_论文定稿_143298792314

河北工业大学城市学院毕业设计说明书作者：徐扬学号：116061系：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化题目：一种用于水泥包装生产线的码垛机器人的结构设计指导者：戚开诚讲师(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2015年5月29日河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书毕业设计中文摘要题目：一种用于水泥生产线的码垛机器人的结构设计摘要：本设计为一种应用于水泥生产线的码垛机器人的结构设计，本次设计的主要内容有以下几点：1.查阅文献，了解码垛机器人的课题背景，将所查到的资料进行综合整理，对国内外的码垛机器人研究现状进行了解和学习，从而对码垛机器人的结构设计有了初步了解。2.对机器人的结构形式进行选择和优化，尽可能减轻机器人的质量，减小机器人的体积，使之运动更加灵活。在此基础之上选择适合机械手的驱动方式，经过综合的对比，最终选择了科尔摩根AKM伺服电机以及日本帝人RV系列减速器。3.结构设计完成后，选用SolidWorks软件来设计主要零部件，创建虚拟样机模型。4.最后进行运动仿真，生成动画，并且绘制装配图和主要零件的零件图。关键词：水泥，码垛机器人，结构设计。河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要Title：AstructuraldesignofpalletizingrobotforcementproductionlineAbstract：Thedesignisastructuraldesignofpalletizingrobotforcementproductionline.Thecontentofthisdesignmainlyhasthefollowingpoints:1.Consulttheliterature,weknowabouttheprojectbackgroundofthepalletizingrobot.Weputtheinformationtomakeacomprehensivearrangement，learnabouttheresearchstatusofpalletizingrobotathomeandabroad.Thenwehavethepreliminaryunderstandingofpalletizingrobot.2.Chooseandoptimizethestructureoftherobot，reductitsqualityandvolumeasfaraspossible,whichmakesitsmovementbemoreflexible.Onthisbasistochooseasuiteddrivewayforthemechanicalarm.Afteracomprehensivecomparison,wechosecoleMorganAKMservomotorandJapanteijinRVreducerseriesatlast.3.Afterthecompletionoftherobotstructuredesign,usingSolidWorkssoftwaretodesignthemaincomponentsandbuildthevirtualprototypemodel.4.Thelast,todoamovementsimulation,generateaanimation,anddrawtheassemblydrawingandpartdrawingofmainparts.Keywords：cementpalletizingrobotstructuraldesign河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书目次1引言（或绪论）………………………………………………………………………………11.1码垛机器人的课题背景…………………………………………………………11.2码垛机器人的研究现状…………………………………………………………11.3码垛机器人的研究内容及方案初步设计………………………………………41.4任务书要求完成进度……………………………………………………………52水泥码垛机器人总体方案的确定………………………………………………………62.1水泥码垛机器人结构形式的选择…………………………………………62.2码垛机器人结构设计总体方案的确定…………………………………………72.3水泥码垛机器人传动方案的设计…………………………………………102.4水泥码垛机器人结构具体设计…………………………………………………123水泥码垛机器人工程图的设计………………………………………………183.1水泥码垛机器人结构形式的选择……………………………………………183.2码垛机器人设计过程中的计算与校核………………………………………18结论…………………………………………………………………………………25参考文献………………………………………………………………………………26致谢………………………………………………………………………………29河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书-1-1引言（或绪论）1．1码垛机器人的课题背景水泥产业自从被发明出来就成为了在建筑方面无可替代的建筑材料。经济建设的同时，道路工程、水利水电、城市改建和扩张等基础建设发展迅猛，因此作为建筑材料的水泥每年都会大幅度增长，而水泥加工车间的高粉尘污染、码垛环节劳动强度大、劳动成本的暴涨等导致企业面临严重的用工困难等问题。据此，不断实现我国由“中国制造”向“中国创造”转变、提高生产效率、实现全自动化生产线的需求越来越迫切。码垛机器人是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品[1]。水泥码垛机器人技术在水泥生产过程中可以提高劳动生产效率、降低水泥的成本、使工人不再那么辛苦、改善工人的工作环境，拥有很高的经济和现实意义。日本、德国、美国在码垛机器人的开发中已取得了很好的成绩，我国则是初生婴儿，还需继续努力，抓紧提高研究水平。1．2码垛机器人的研究现状国外研究现状：最早应用码垛机器人的国家是日本和瑞典。在上世纪70年代末期，日本首次使用了码垛机器人进行作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运[2]。另外，对机器人的研究有很好的水准的国家还有德、韩和意大利等国家。日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家靠着计算机技术、机器人技术以及人工智能控制等技术的不断发展，在包装码垛机器人的研究上做了很多工作，相继推出了属于自己的码垛机器人，如瑞典国家研发的ABB系列、德国研发的的KUKA系列（见图1.1）、日本研发的的FANUC和OKURA以及FUJI系列等（见图1.2）。这些码垛机器人轴数一般为4～6轴。一般采用铸铝材料来制作机器人主体，这种材料很轻巧，机构河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书-2-型式为带有连杆的关节型，全部进行了结构的优化，机械和抵抗震动的性能很好。图1.1德国KUKA码垛机器人图1.2瑞典ABB码垛机器人和日本FANUC码垛机器国内研究现状：我国初次使用码垛机器人是在80年代，引进了大型石化设备。随后在上世纪90年代初期，我国开始了对码垛机器人的研发，并在“863计划”的支持下进一步加强了全自动包装机器人码垛生产线的开发，使科研成果更好地实现产业化[3]。我国伴随着改革，开放对于工业机器人的开发也取得了一定的进步，其中，码垛机器人也获得了进步。我国自主研发的机器人主要有直角坐标和关节型两种形式。直角坐标码垛机器人为4轴机器人。4根运动轴分别对应直角坐标系中的X轴、Y轴、Z轴以及Z轴上带有的一个旋转轴。直角坐标机器人可以在空间直角坐标系里进行编程控河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书-3-制，能够实现搬运物体、操作工具等各种作业。直角坐标机器人的定位精度较高，用计算机控制时很简单方便，因为是直角坐标，很有规律，所以空间的轨迹容易求解，但他需要的空间比较大、运动速度相对较低，灵活性一般。相对于直角坐标型而言，关节型机器人更加灵活，通常是5～6轴，工作轨迹几乎可以达到空间的任何位置。为了提高我国的关节型机器人在市场的占有率，我国近10年出现了很多优秀的、致力于专家企业、产业基地和科研院校。沈阳新松机器人自动化股份有限公司研发出了码垛机器人系统。哈尔滨工业大学于2004年成功开发出了基于FFS的1600型生产线，精度高，速度快，生产速度可达每小时1600袋。新一代TPR系列码垛机器人是由上海交通大学机器人研究所和沃迪包装科技有限公司共同研发成功的,采用了独特的线性四连杆机构,用具有高强度的铝合金制作手臂。基于工业PC的控制器系统以及工作环境三维仿真以及干涉的检测方便可靠,操作和维修简单。国内机器人如图1.3所示。图1.3国内码垛机器人存在的问题：尽管日本、德国等国家在码垛机器人研发工作中取得了很好的成绩，我国在近几年的研发中也相应取得了一定的成效，但是目前码垛机器人仍存在部分不容忽视的问题。河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书-4-(1)码垛能力受限制。目前的码垛机器人一般采用2个平行四边形机构并联的方式来控制腕部动作，可以省去腕部的电机，同时他可以起到平衡作用，使手爪始终处于水平位置，但这样也使机器人本体结构变得复杂，增加了重量，使机器人不够灵活，影响机器人的工作效率。(2)可靠性、稳定性需提高。抓取、运输和码垛动作往复进行，这便要求码垛机器人平稳性好，保证有很高的重复定位精度,累积误差将不会越来越大导致堆放不稳。(3)成本高、品种繁多。水泥码垛机器人的设计、制造费时费力，造价昂贵，由于其操作环境和对象的不同，用户需求也有多样性。1．3码垛机器人的研究内容及方案初步设计研究内容：码垛机器人具备码垛和搬运两种功能。码垛的过程就是把一定大小的规整产品按照一定排列样式码放在托板上[4]。（1）水泥码垛过程中，提高码垛质量和生产率是关键，确保安全性，使工人工作环境变好，同时节省原料并降低成本。在水泥生产过程中使用机器人，可以提高生产速率，使码垛整齐，避免不必要的浪费。（2）希望通过研究，结合所学知识，提高水泥码垛机器人的灵活性、可靠性、稳定性。高速码垛机器人可以选用6自由度垂直多关节型机器人，但最常使用的还是4自由度水平多关节型机器人。[5]这种机器人运行速度快，如不考虑末端执行器的动作时间，它具有每小时1100袋的码垛能力。方案初步设计：该机器人的臂部连接在可以旋转的腰部上，小臂通过前大臂、后大臂实现搬运和码垛作业。该机器人由4个结构构成，进行4种不同的动作：腰部旋转，上下运动，前后运动和手腕回转运动，且4种运动旋转电机进行驱动。具体结构如图1.4所示。河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书-5-图1.4总体机械结构图1．4任务书要求完成进度（1）1-3周，查阅文献，确定总体设计方案，完成前期报告。（2）4-7周，进行装配图的绘制，以及三维装配图的绘制，完成中期报告。（3）8周，利用软件进行动画仿真。（4）9、10周，拆画主要零件图。（5）11、12周，完成论文初稿。（6）13周，终稿提交。（7）14、15周，成绩评审及答辩。河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书-6-2水泥码垛机器人总体方案的确定为提高水泥码垛机器人机械系统的控制性能，要求机械传动部件的转动惯量小、摩擦小、阻尼比合理、刚度大，并满足体积小、质量轻、高速、低噪音和高可靠性等要求。[6]由此可见，合理的设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人伺服控制性能的基本要求。［7］2．1水泥码垛机器人结构形式的选择工业机器人的坐标形式有图2.1所示五种形式，其特点如下：1）直角坐标型机器人的运动的笛卡尔方程可以独立地进行处理，容易实现计算机控制；它刚性较大，定位精度不随工作场所而发生变化。然而，它存在运动范围较小，速度较低，密封性较