100KG四自由度码垛机器人底座设计及分析要点

1、鲁东大学本科毕业设计100KG四自由度码垛机器人底座设计及分析(,”).”)摘要：本文主要设计和研究了一个抓重为100KG的四自由度的码垛机器人，用于企业生产中的码垛物品。首先对机器人的整体方案和具体的结构按要求进行了分析，接着主要设 计了机器人底座和腰部结构并进行了建模和装配。最后，利用分析软件(UG)对机器人底座和腰部进行有限元仿真分析。关键词：码垛机器人；结构设计；建模；有限元分析Design and Analysis of 100KG 4-dof Palletizing Robot Base(School of Transportation , Institute of Transpo

2、rtation Mechanical Design Manufacturing and Automation , jixieben1104 ,20112814726)Abstract: In this paper, the design and research of a catch weight of 100KG of 4-dof palletizing robots for the production of stacking items.At first, the overall program and the specific structure of the robot were a

3、nalyzed according to the requirements, then the main work is to design the base and waist of the robot and carry on the modelling and analyze.Finally, this paper uses the analysis software (UG) to make finite element analysis of it.Key words: Palletizing robot ; Structural Design ; Modeling ; Finite

4、 Element Analysis1引言随着科技的不断发展和进步，企业越来越重视自动化生产。1在这种背景下，机器人的使用越发普及，码垛机器人就是其中之一。效率高，适用性强，能耗低，占地面积 少等诸多优势让它在各个领域大放异彩。2课题的设计内容本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，尤其是底座和腰部设计，主要工作内容有以下几点：1 .了解码垛机器人发展近况以及未来发展方向，并掌握码垛机器人的基本构成部分。2 .对码垛机器人的底座和腰部进行设计。机器人腰部旋转部分电机和减速器的选择 和校核以及结构的设计。3 .用UG进行三维模型设计。设计底座和腰部的三维模型，并将设计好的底座和腰 部进行装配。4 .

5、利用UG对主要受力构件进行有限元分析。3码垛机器人总体结构本课题设计的码垛机器人属于关节型机器人， 共有四个自由度，分别是底座1的旋 转，大臂2和小臂3的转动，还有前爪4的旋转。总体结构如图3-1所示。/图3-14码垛机器人底座和腰部设计/码垛机器人结构54.1 腰部电机和减速器的选择4.1.1 电机选择码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或 者低速电机。设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为 J,根据机器人的静力学分析，取大臂小臂极限长度L,可得其转动惯量为：其中M是腰部所要承受的重量，为mL3(4-1)200Kg, L为1m,通过计算得其转动惯量为一 _266

6、.7Kg m电机转矩T = J (4-2)回转加速度 = 2兀 rad /s2(4-3)带入求出力矩： T = J: = 66. 7 2二=419 N m电机的转动惯量J G2 = F(4-4)取减速比i=153,带入求出电机的转动惯量电机的转矩, J 66. 72J G2 = = = 0. 0028 Kg mi21532Td = T(4-5)i带入求出电机转矩429=27153根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参 数，选取方V系列的SGMGV-20A型电机，额定输出为1.8KW,额定转矩为11.5Nm, 瞬时最大转矩为28.7N m。4.1.2减速器的选择

7、码垛机器人腰部的旋转需要克服的负载转动惯量比较大，所以在负载和驱动电机之间要用有比较大传动比的减速装置。2考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性 等要求，本文设计的机器人减速装置采用 RV减速器。RV减速器具有传动比较大、结 构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点, 能够满足码垛机器人的各种要求。选减速器所需各种数据如表4-1所示表4-1减速器选型条件启动时（max）稳定时 停止日（ maX）紧急停止冲击时负数转矩（N m）T1=1000T2=0T3=1000Tem=3000转速(r/min)N1=5Nb=10N=5Zm=20时间(sec)11=0.5

8、12=4.213=0.5t em=0.05确定负裁特性求出平均负载转矩10-101010T _ 斗 NT/ FN2T2后 +t3&T3?m Y3Ni +t2N2 +13电()=510 N m求出平均输出转速Nm JM+2t 3N3mt1 t2 t3=9 r min暂时选定RV-80E-10计算减速机寿命是否满足要求的规格值10Lh = Km（48）NmTm=41862h20000hLh远大于20000小时求出输出转速最大输出转速10r/min75r/min （RV-80E减速器允许最高输出转速）求出启停转矩T1=1000N m1960Nm （ RV-80E减速器的启动时允许转矩）T3=1000

9、N m1960Nm （ RV-80E减速器的停止时允许转矩）求出紧急制动力矩鲁东大学本科毕业设计Tem=3000Nm3920Nm （ RV-80E减速器的瞬时最大允许转矩） 求出主轴承承载力775,5 M To10、飞Cem Tem J Nem 40 em tem 60 em(4-9)78274次外部负载条件Wi=500 NLi=0.5mW2=2000NL3=0.5m求出力矩刚度求出输出轴偏角是否符合要求的规定值(4-10)WiW2310-0. 58表4-2减速器弯矩刚性和轴端尺寸型式弯矩刚性Nm/arc.min. X 3尺寸（mm）abRV-6E11717.691.6RV-20E37220.

10、1113.3RV-40E93129.6143.7RV-80EX 1117633.4166.0RV-80EX 2117637.4166.0RV-110E147032.2176.6RV-160E294047.8210.9RV-320E490056.4251.4RV-450E744869.0292.7式中Mt为弯矩刚性，查表4-2,得Mt=1176N m 9 =0.58（分）1（分）符合要求。求出外力矩2 = L + b a = 0.632m (b.a从表 4-2 查得)(4-11)1000=1316.3N - m -0000B00ilei-OOb ZO.OOOeiD0OANALYSIS 1 WOR

11、KMagnitu Von-Mide ses静态步长1MinPrincipal9.554e-0 7.953e+ 1.264e+04002001-8.904e- 0.000e+0 5.325e-00400001Max Max Principa Shear l4.924e+ 4.409e+0 00202-6.975e+ -9.231e+0020012.966e-001鲁东大学本科毕业设计图5-3底座有限元分析-应力变化199目“为口4fl.75Se-007.96?e-004示369&勾口 45 与了*-Q944空”1岫3.eie-d04JB 用*34XANALYSIS_1 WORK小小】E卬田8 I

12、曲和也II I I il, I I I F1 |m皿.EDm I O.OO&e 呼。叫 工I 1m - nn图5-2底座有限元分析-位移变化im ! SnIufaicn | RqsuIb11 j 11 I. rrm luu, rm. vo MimBCD I *mci臾心口叫 CD 1 、膜Q口口，NffliAJlWPoJ m I CD - CEDI .OOBOQQS. JUte-OOJ九史白学-】6 川 001占.卸mi*且03.M6e-00J2,75le-00J I，便自10。口ANALYSIS1 WORK鲁东大学本科毕业设计5.1.2 图表分析表5-1是底座在受力情况下所产生的位移和应力变

13、化。可以很清楚的看到底座在受 力时分别在X,Y,Z轴产生的最大位移量和应力的极限变化。图5-2形象的表示了底座受力时各部分的位移变化情况。可以看出底座受力时，最上端发生的位移量最大，然后之上往下逐渐递减，到了最低端几乎没有位移变化。图5-3则形象的表示了底座受力时各部分的应力情况。可以看出底座受力时，最大应力出现在底座下端的圆台结构和上端的圆柱结构的交汇处，然后分别向上下递减。5.2对腰部的有限元分析5.2.1 UG有限元分析结果有限元分析结果如表5-2,图5-4,图5-5和图5-6所示。表5-2码垛机器人腰部有限元分析载荷工况 1 : Number of Iterations = 1X位移（

14、mm）应力(mN/mmA2(kPa)YZMagnitu de静态J IVon-Mi ses 1Min Principa lMax Principa lMax ShearM4.964e-2.014e-1.490e-7.255e-05.357e+2.048e+5.008e+2.921e+0a0020030020200300300303x M-5.565e-5.129e-2.798e-0.000e+06.015e-8.534e+-3.621e+3.059e-0in00200200200001003003017.2SSe-0028 班QmWN6.心却5白8之54lr-00Z也再旧QQ14*Z3Zr-0

15、QZ工62 71 口口 23.023f 0026.5#-0030-QOOe-OODin I O.0OD&r-OD&r m aH I B - rm皿m臼h图5-4腰部未受力时网格划分orh * Soliiibii口m | 如胃u11?11 n 工 u ii i iB，mm I 0 qge 叩。Q. 1 m * m - cm7.2S5S-0026.650e-00Z6 045400?6.44I/8Z%耳3即卬圮*238口麻3-627tClO23.023&-00?3引皆-00?I .Sik-OOi?J .2ok-OO?y xb,小15十口。3O.OCOe-OOOANALYSISWORK居 I 小】：S

16、o I ut i on II Resu 峰UTE LCm IED J It rm、Von M 厘w I 5.G日至 004. m 1I.53W+W, N/MiA?lbiPoj口 i e - cm LE3ltKK)JJ*4O3&-aOJ.276e-00lk J40fri-OOJ-HJQ1日“更g+QW九曲主i-aotiS.37Qfti-OOD，时少0皿 3,32k00?.场也卜口口。Y XJ ,276&-aOO5.网与箕7图5-6腰部有限元分析-应力变化ANALYSISWORK5.2.2 图表分析表5-2是腰部在受力情况下所产生的位移和应力变化。 可以很清楚的看到腰部在受 力时分别在X,Y,Z轴

17、产生的最大位移量和应力的最大和最小极限变化。图5-2形象的表示了腰部受力时各部分的位移变化情况。可以看出腰部受力时，最上端发生的位移量最大，然后之上往下逐渐递减。图5-3则形象的表示了腰部受力时各部分的应力情况。可以看出底座受力时，最大应力出现在腰部最下端的中间部分，然后自下而上逐渐递减。6总结经过此次关于码垛机器人的设计，我了解和学会了很多东西：1 .切实体会到了学以致用的含义。毕业设计之前我一直以为自己在学校已经学了很多知识，就算出了校门我也可以轻而易举的解决那些机械问题。但这次真正让我做这个码垛机器人的时候我才发现自己真是一个井底之蛙。学到的知识不能单单的去说，而 是要脚踏实地的去动手实

18、践。只有自己亲自动手，才能真正理解那些课堂上所讲的，自己所学的和自己将要学的都是什么。23鲁东大学本科毕业设计2 .通过对于码垛机器人的设计和研究，我也看到了我国机械自动化生产的飞速发 展，和未来发展方向。从无到有，从落后到先进，我国自动化的发展十分迅速，自动化 的覆盖范围已经十分广阔，为人们的生产加工提供了非常便捷的条件。当然还存在很多 问题，这都需要我们这一代人去努力和奋斗，同时也能实现自己的人生价值。25参考文献1张杨林.国内工业机器人市场及发展趋势Z.大众科技，2006 (6): 191192.2孙洁、李倩.四轴码垛机器人的机构设计及运动分析Z.山东科学，2011 (6):97101.3刘建华、任义磊主编.机械设计课程设计第二版M.北京：电子工业出版社.2013.1.4张新伟.四自由度机器人控制系统设计R.内蒙古：内蒙古工业大学，2010.5何