包装搬运机器人的设计毕业设计

东北林业大学

毕业设计任务书包装搬运机器人的设计学生姓名： 专业班级： 包装工程 一指导教师： 一学院： 工程技术学院2012年11月15日题目名称：包装搬运机器人的设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）设计内容:对包装搬运机器人的现状进行调研分析，归纳并总结出现有包装搬运机器人存在的问题。针对一种包装件进行包装搬运机器人的设计。使用ro/E、AutoCAD.PhotoshopCS5等设计软件，绘制所设计的包装搬运机器人的结构和模型。计划进度：2012年11月15日一2012年12月15日，查阅文献，准备开题。2012年12月16日—2013年3月31日，毕业实习，为毕业论文搜集资料。2013年4月1日—2013年4月25日，进行市场调查，了解当今机器人需求，掌握包装搬运机器人的用途特点和发展前景。2013年4月26日—2013年5月10日，进行包装搬运机器人机构设计和包装搬运机器人本体方案设计。2013年5月11日—2013年5月20日，设计最终设计方案，用AutoCAD设计平面结构图并用Pro/E设计其三维结构，最后肝hotoshopCS5修图美化。2013年5月21日—2013年6月10日，完成毕业设计，最终定稿。2013年6月11日一2013年6月20日，进行答辩。其中：参考文献篇数：20篇以上说明书字数：10000字以上图纸张数：图纸19张专业负责人意见签名：年月日包装搬运机器人的设计摘要我国对食品和医药的需求量快速增长带动相关包装产业的发展。包装产业的迅速发展需要开发更加先进的包装技术。相关包装企业为提高包装设备的自动化程度和速度，进而开发出贯穿整个生产线的新型智能包装设备。包装搬运机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被包装企业所认同并采用。目前，包装搬运机器人主要承担着重复性并且劳动强度极大的搬运工作。本设计通过了解包装搬运机器人在包装产业上的应用现状，提出了具体的设计要求，并根据包装搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及手部夹持器、臂部、机身的机械结构设计，通过运删utoCAD对包装搬运机器人进行结构设计，运用ro/E对包装搬运机器人进行三维实体造型，最后使用hotoshopCS5进行修图美化。关键词：包装；搬运机器人；设计DesignofPackagingTransferRobotAbstractNowadaystherapidgrowthofdemandforfoodandmedicineinourcountrywillpromotethedevelopmentofthepackagingindustry.Therapiddevelopmentofthepackagingindustryneedstodevelopmoreadvancedpackagingtechnology.Inordertoimprovetheautomationdegreeandspeedofpackagingequipment,relatedpackagingenterprisesdevelopnewintelligentpackagingequipmentthroughouttheproductionline.Packagingtransferrobot,animportantmemberoftheautomatedproductionline,isrecognizedandadoptedbypackagingenterprisesgradually.Atpresent,packagingtransferrobotismainlyresponsiblefortransferingrepetitiveandlabor-intensivework.Throughunderstandingtheapplicationstatusofpackagingtransferrobot,thisdesignputsforwardthespecificdesignrequirements.Accordingtodesignprinciplesofvariousparts,italsocarriesonthedesignoftheoverallsystemandthemechanicalstructureofhandholder,arm,body,designingtheStructurebyAutoCAD,designingthree-dimensionalsolidmodelingbyPro/E,andretouchingbyPhotoshopCS5.Keywords:packaging；transferrobotdesign目录摘要AbstractTOC\o"1-5"\h\z1前言 1\o"CurrentDocument"包装产业发展概况 1\o"CurrentDocument"机器人概况 2\o"CurrentDocument"概述 2\o"CurrentDocument"机器人的历史、现状和应用 3\o"CurrentDocument"机器人发展趋势 4\o"CurrentDocument"本文主要研究内容 5\o"CurrentDocument"本章小结 5\o"CurrentDocument"2包装搬运机器人的总体方案 6\o"CurrentDocument"总体设计的思路 6\o"CurrentDocument"系统分析阶段 6\o"CurrentDocument"技术设计阶段 6\o"CurrentDocument"自由度和坐标系的选择 7\o"CurrentDocument"直角坐标包装搬运机器人结构 7\o"CurrentDocument"圆柱坐标包装搬运机器人结构 7\o"CurrentDocument"球坐标包装搬运机器人结构 7\o"CurrentDocument"关节型包装搬运机器人结构 7\o"CurrentDocument"包装搬运机器人的动作过程 8\o"CurrentDocument"包装搬运机器人的组成 8\o"CurrentDocument"执行机构 8\o"CurrentDocument"驱动机构 10\o"CurrentDocument"控制系统分类 11\o"CurrentDocument"传动系统 11\o"CurrentDocument"包装搬运机器人的技术参数 11\o"CurrentDocument"本章小结 11\o"CurrentDocument"3手部夹持器的结构设计 13\o"CurrentDocument"手部夹持器 13\o"CurrentDocument"手部设计基本要求 13\o"CurrentDocument"选择手抓的类型及夹紧装置 14\o"CurrentDocument"手爪的结构设计 15\o"CurrentDocument"手爪的力学分析 15\o"CurrentDocument"手部的三维结构图 16\o"CurrentDocument"本章小结 16\o"CurrentDocument"4臂部的结构设计 18\o"CurrentDocument"臂部设计的基本要求 18\o"CurrentDocument"臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 18\o"CurrentDocument"臂部惯性小、运动快 18\o"CurrentDocument"手臂动作应该灵活 19\o"CurrentDocument"位置精度要求高 19其他 19

总结 19\o"CurrentDocument"手臂的典型机构以及结构的选择 19\o"CurrentDocument"手臂的典型运动机构 19\o"CurrentDocument"手臂运动机构的选择 19\o"CurrentDocument"手臂直线运动的驱动力的简单分析 20\o"CurrentDocument"手臂摩擦力的计算和分析 20\o"CurrentDocument"手臂惯性力的计算 21\o"CurrentDocument"密封装置 21活塞杆 21\o"CurrentDocument"活塞杆强度 21活塞杆刚度 22\o"CurrentDocument"臂部伸缩液压缸的三维结构图 22\o"CurrentDocument"本章小结 22\o"CurrentDocument"5机身的结构设计及运动的简单分析 23\o"CurrentDocument"机身的整体设计 23\o"CurrentDocument"机身回转机构 24\o"CurrentDocument"回转液压缸的三维结构图 24\o"CurrentDocument"机身升降机构 25\o"CurrentDocument"手臂偏重力矩的分析 25\o"CurrentDocument"升降液压缸的三维结构图 26包装搬运机器人运动的简单分析 262627运动学分析2627包装搬运机器人的动作范围••献•••JNn••淞考俣渊结参附致1前百包装产业发展概况数字显示，中国包装产业这几年发展迅速，中国包装产业总产量已从20世纪70年代初的63亿元发展到2006年的7000亿元人民币，仅次于美国和日本。2011年我国包装产业总产量约1.4万亿元，成为第三世界包装大国，仅次于美国⑴。包装产业相关度高、吸纳就业能力强、关系面广、技术紧凑。这几年间，一批包装产业的集团企业、产业团体迅速发展。经过国际组织和国家批准，世界包装组织亚洲包装中心成立。中国第一次利用国际组织的资源在浙江杭州建设的集金融、信息、文化、制造、商贸、科技、教育、物流、建设和服务为一体的全球包装产业中心，为全球包装界开展双边、多边和区域经济贸易合作交流提供世界级平台，也是集合各方力量和睿智的重要品牌。但是，包装产业中，国有企业、大型公司、较少，民营企业散而多，产业整个规模较小，同时，在众多国外品牌的侵入后，中国产业受到威胁，比如德国肖特集团用其精湛的技术经济实力挺进中国区市场。十二五期间，通过企业收购、联合、兼并等多种方式，以致我国的包装产业进行整合，组成几个联合公司、大型企业，从而促进产业向前健康发展和技术革新。伴随着中国经济迅速地崛起，人口老龄化引起和人民生活质量提高的医疗开销增多，新药品研发强度增大，城镇居民医保的扩大和医疗保障体系改革的速度加快，包装将会持续保持快速增长的趋势。同时，包装品种和中国包材水平都低于国际标准。根据调查，发达国家中，包装占产品价值的40%,中国却不到11%。中国包装产业的快速崛起时期便是接下来的几年。《包装产业“十二五”发展规划纲要（征求意见稿）》显示，产业的重要组成部分之一是包装，它是接触药品的基本要素，对用药安全和药品质量影响很大。因而在产业〃十二五〃的计划中，包装药品是具有同等的地位的，而不是配套产业，在国家工业规划中应给予明确。包装材料的研究应该和药品的研究同步，对包装产业的政策扶持力度要大，体现包装材料的包装规章、技术领域、发展要求、重点研发的产品领域等［1］。包装产业是一个独立的生产体统，第一次被指出成为国家发展计划中，“十二五”计划中的提升改革包装业中提出：“包装产业要加快发展新型包装新材料、高端包装制品及包装装备。”在中国包装业协会的统计中，每年全世界包装销售额为7000〜8000亿美元，它占GDP的1.7%〜2.5%。一般情况下，发达国家中的包装产业在其国内属于第8位的样子，而发展中国家的产品和产业的年增长率达11%以上，甚至更多。到了2015年，世界包装市场规模将从2008年的4291亿美元增至6300亿美元，发展速度将远超全球的经济增长速度［1］。包装产业的总产值从2004年2600亿元增长到2011年约13000亿元，年复合增长率为22%,足以说明中国产业发展迅速。全球包装产业看中了亚洲，尤其是中国的包装东北林业大学本科设计市场，逐渐向亚洲转移。在以后四到六年中，国包装总产值将迅速崛起，它的年增长率将达到23%，有望超越美国的包装总产值，至于第二世界包装大国的地位是毋庸置疑的[1]。机器人概况概述在日常工作中包装搬运机器人就是一个机器人，机器人的崛起是因为它的独特功能渐渐被我们所认识：（1）它按照一些程序步骤，生产工艺的规章、位置和时间来完成包装件的搬运；（2）它能部分的为工人工作；（3）它能进行必要的机具进行装卸和装载，工人的劳动条件被很好地改善了，劳动生产率也提高了不少，因此有力促进了产业机械化和自动化的进度。所以，很多国家花大量的人力财力来研究开发。特别是在恶劣环境（例如噪音、高压，高温和带有放射性污染的场地，机器人的应用率跟高。中国这几年的机器人发展也得到机械人产业的推广重视。机器人的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的根据编好的程序达到重复工作，应用面积较广的“程序控制式通用机器人”，也可以成为通用机器人。通用机器人的工作程序能方便更改，并且它适应性不错，所以在不断变换生产品种的中小批量生产中，它得到广泛应用。机器人，简单的来说是用机器代替人手进行工作，把包装件从一个地方搬到指定的工作地点，或者按照工作标准把包装件进行其他处理。一般情况下，机器人分为三种：第一种，是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它从原子、军事领域发展过来的。首先使用操作机来完成一些的工作，后来就发展到使用无线电讯号指挥机器人来进行探测。工业中锻造操作机也是这一种。第二种，它是一种独立的、不附属于某一主体、无需人工操作的装置，你课根据工作的需要编制特定程序，来完成特定操作。这种机器人具有一般机器外的物理功能外，还有机械、记忆智能的功能。第三种，叫专业机器人，通常附属于在自动生产线上，来完成生产线上包装件的搬运，也就是本论文要研究的对象。该种机器人在国外通常叫做“MechanicalHand”，它由主机驱动，并且为主机服务。除一些特殊例子外，它的工作程序是不变的，所以叫专用的⑵。机器人可分为好多种类型，根据的一点是它的结构形式。应用最广泛的一种是关节型机器人，它的特点是占用空间体积小，构造紧凑，使用的工作空间较大。如果跟好的话，它能绕过底座周围的一些障碍物进行工作，因此它成为机器人中使用最广泛的一种设备，全球集中有名机器人的主体结构都采用这种形式。为了使机器人像人一样搬运包装件，最基本的要素是要有一套像指、腕、臂、关节等部分组成的抓取及移动机构一一执行机构；如同肌肉那种使整个机构运动的驱动一传动系统；如同头脑那种指挥手动作的工作中心一一控制系统。机器人的性能是由这些系统的性能所决定。通常情况下，执行机构、驱动一传动系统和控制系统这三部分就组成本设计所定义的机器人，如图1-1所示。1刖百机器人电、液或气驱动装置驱动-传动系统图1-1机器人的一般组成机器人电、液或气驱动装置驱动-传动系统图1-1机器人的一般组成现代的智能机器人还具有一些特别的智能系统，主要是语言识别装置、感觉装置及视觉装置等等。给予机器人“眼睛”是现在研究的主要内容，该研究的目的是使机器人能够躲避障碍物是识别障碍物。还有改进机器人的触觉装置。这些组成的功能部分并不是各自分开的，也不是机械式地叠加在一起，而是有机地构成一个智能机器人。机器人的各部分需要存在一定相互制约、相互联系及相互影响，这样才能完成人们预期的操作功能。它们之间的相互关系如图1-2所示。♦工作对象智能系统♦工作对象智能系统图1-2机器人各部分之间的关系由执行机构和驱动一传动系统组成了机器人的机械系统。机器人赖以完成工作任务的实体是执行机构，它通常由关节和连杆组成，同时由驱动一传动系统提供驱动力，按控制系统的程序完成工作流程。机器人的历史、现状和应用第一台机器人是由美国开始研发制造的，1958年，第一台机器人在美国联合控制公司诞生。它的结构特点是一回转长臂被安置在机体上，前端安置电磁铁的包装件抓放机构，控制系统是演示教学型的。亚洲的日本是工业机器人革新最快、技术最先进的国家之一。1969年，日本从美国购入两种典型机器人后，就重点进行机器人的研究开发。现在的大部分机器人技术还一般，仅仅属于第一代，需要人为进行操控进行作业；没有识别功能，控制方式还是开环式；提高精度和降低成本是以后改进的研发改进方东北林业大学本科设计向。目前，全球正在加紧研发第二代机器人，它内部装有微型电子计算机控制系统，具有触觉功能和视觉功能，甚至还具有思考和听录的功能。各种传感器安置在机器人上，把感觉到的信息反馈控制中心，使机器人具有感觉功能。至于第三代机器人，它能独立地完成工作过程中的操作，电子计算机和远程设备与它相连接，渐渐成为柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)和柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)中的重要一步[3]在社会的进步和科学技术的迅速发展的产业中，一些企业对机器人系统本身提出越来越多的要求。由于机器人需要适应不同的应用场地和多品种、大小批量的生产流程，故制造业要求机器人系统要有更好的柔性和更先进的编程环境。生产中的计算机集成制造系统要求机器人系统要能与工作场地中的其它自动化系统很好地融合在一起，这样能更流畅地完成操作。机器人的科研工作人员们为了提高机器人系统及智能功能水平，就日益开发机器人系统的开放结构和能融合各种传感器的功能结构。在人类社会中，都能看到机器人的身影。机器人的应用已经从海洋开发和宇宙探测等高端的技术科学领域向服务产业、建造产业等日常生活领域延生了，同时形形色色的机器人正在被研究出来，以飞快的速度延生到人们日常生活的各个方面。人类生产水平正在逐渐发展，生活质量正在提高和工作的效率正在逐渐提高，因此机器人出现了。然而机器人的特点是帮助人们完成重复的，精确度高、单调的的工作，帮助人们在恶劣的工作场地中完成人类不能完成或不想完成的操作，所以，机器人的诞生大大提高了人类的生产效率。因此，机器人的不断革新是社会进步的产物。如今，许多经济发达的国家，如日本，正在积极地开发和研究各种机器人，而且几个国家已经达到了先进的时代，制备出了各种新型并且实用的机器人。比如：狗狗机器人AIBO、日本的跳舞机器人。英国人研制出了履带式“手推车”和“超级手推车”排爆机器人。美国iRobot公司开推出了吸尘器机器人Roomba，它能绕开障碍，自动设计前行路线。另外还有2010年的上海世博会展示过的福娃机器人。虽然中国开始研制机器人仅比日本晚了大概五六年，但是各种原因存在研发过程中，它的发展比较迟缓。如今我国通过引入、仿造、改进、革新，智能机器人正逐步迅速地发展，同时，与各国进行机器人的研究交流探讨。机器人发展趋势现代科技技术的改革进步，使机器人在生产线上的生产效率提高了。特别当机器人的生产与柔性制造单元和柔性化制造系统相融合的时候，因而改变了当前制造的人工操作环境，整个企业的生产总值也提高了。就当前状况来说，一般来说现代机器人有以下几个发展现状：(1)增高动作精度和提快动作速度，减小重量及占用空间，机器人结构零件应该得到标准化和通用化。机器人的各种执行模块、驱动模块、检控模块组合成功能不同的机器人；1刖百(2)为了适合不同类型的工作地点，应该设计各种功能特别的结构，如设计多自由度多个关节的臂部；设计微动机械用以保证动作精度；设计一些多种会走路的机器人；(3)开发各种电子元件和模块。例如感官和距离探测的电子元件等。使用电子元件摄取操作对象四周的方位信息、环境信息、动作信息以达到识别检测的目的。还要用权威系统进行解决各种问题和动作的设计。微机进行控制已经逐步成为趋势。本文主要研究内容本文研究了国内包装产业和机器人的发展概况，并且学习机器人的工作原理和熟悉了包装搬运机器人的操作机理。基于这个理论基础上，设计包装搬运机器人的主要系统结构，对包装搬运机器人的运动进行了简单的力学分析，设计了包装搬运机器人各个执行机构的构造和的三维实体结构及外观造型。本章小结本章主要内容是包装产业的发展和机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，例举了生产和生活中的一些特别的机器人，同时为设计一种包装搬运机器人的方案做好铺垫和资料准备。东北林业大学本科设计2包装搬运机器人的总体方案本章对包装搬运机器人的机械结构部分进行了简单分析和设计。总体设计的思路设计包装搬运机器人总体上可分为两个阶段，分别为系统分析阶段和技术设计阶段。系统分析阶段(1)根据系统的目标，明确所采用包装搬运机器人的目的和任务；(2)分析了解包装搬运机器人所在系统的操作环境；(3)根据包装搬运机器人的工作标准，确定包装搬运机器人的设计方案和主要功能。比如自由度的个数、信息容量、抓取对象的重量、空间运动范围、电子计算机控制内容、动作精度的标准以及对振动和温度等环境的适应性。技术设计阶段(1)依照系统的设计标准确定包装搬运机器人的允许的空间工作范围和自由度，从而选择其坐标形式；(2)初步确定包装搬运机器人的动作步骤；(3)确定驱动系统的类型；(4)设计各个部位的具体结构类型，进行包装搬运机器人总体规划；(5)绘制包装搬运机器人的零件图。结合设计的基本要求和总体原则确定包装搬运机器人的总体方案。见图2-1。手部夹持器机身(垂直手臂)臂部(水平手臂)机身(回转机构)底座手部夹持器机身(垂直手臂)臂部(水平手臂)机身(回转机构)底座图2-1包装搬运机器人的总体方案图2包装搬运机器人的总体方案自由度和坐标系的选择包装搬运机器人的自由度的定义：包装搬运机器人部件在三维空间中相当于确定的坐标系所体现的独立运动数。针对于一个机构，它有几个运动坐标就称它有几个自由度。各个运动的部件自由度的总和数为包装搬运机器人的自由度数。包装搬运机器人的手部如果像人手灵活完成摸个特定操作还是比较难的。要知道人的手掌、腕、大小臂由19个关节组成，算起来共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为三到六个。本毕业设计中的包装搬运机器人为4个自由度即：手部张合；臂部水平伸缩；臂部绕轴回转；臂部竖直升降。包装搬运机器人的结构形式按照坐标大体可分为球坐标结构、直角坐标结构、圆柱坐标结构、关节型结构四种。直角坐标包装搬运机器人结构直角坐标包装搬运机器人的空间运动是用三条相互垂直的直线运动来表示的。如图2-2（a）所示。因为直线运动方便于达到全闭环的位置控制的设计要求，故直角坐标包装搬运机器人的位置精度能达到〃m级。这种机器人的特点：其运动空间范围余一般包装搬运机器人的范围尺寸相比较，还是比较小的。所以为了执行特定的运动空间范围，直角坐标包装搬运机器人的结构尺寸还是要比其他种类的包装搬运机器人的结构尺寸大得多［4］。直角坐标包装搬运机器人的工作空间实际上是一个空间长方体。该包装搬运机器人的结构可以分为天车式、悬臂式及龙门式。圆柱坐标包装搬运机器人结构圆柱坐标包装搬运机器人的空间运动是由两个直线运动和一个回转运动来展现的，如图2-2（b）。这种包装搬运机器人有简单的结构，精度一般，常常用于搬运操作。该机器人的工作空间范围是一个圆柱状的空间范围⑷。球坐标包装搬运机器人结构球坐标包装搬运机器人的空间运动是由一个直线运动和两个回转运动来展现，如图2-2（c）。该包装搬运机器人制造维修成本低，构造相对简单，然而精度一般⑷。关节型包装搬运机器人结构关节型包装搬运机器人的空间运动是由三个回转运动展现的，如图2-2（d）。该包装搬运机器人占地使用面积很小，有紧凑的结构，动作起来很灵活。相对包装搬运机器人主尺寸的大小，它的操作范围还是比较大。因此该包装搬运机器人在工业中应用在包装产业中的应用非常普及⑷。关节型包装搬运机器人的结构可分为垂直关节型和水平关节型两个类型。依据该包装搬运机器人在包装生产线上的功能作用和设计要求，本次设计采用圆柱坐标包装搬运机器人的方案。东北林业大学本科设计包装搬运机器人的动作过程包装搬运机器人为了完成包装件搬运的任务，需要执行以下几个动作：（1）竖直下降（臂部在竖直方向下行1000mm，使终端执行机构能够到达与包装件水平的位置）；（2）夹紧包装件（终端执行机构夹住包装件使包装件能在搬运时不掉落）；（3）竖直上升（在确定包装件被夹住后，臂部在竖直方向上行1000mm，将终端执行机构将包装件提出原地）；（4）逆向转动（臂部绕机身中心轴逆时针水平转动90°，使得臂部能正对包装件的搬运终点）；（5）水平伸出（臂部向水平方向伸出500mm，使终端执行机构能够到达搬运终点正上方）；（6）竖直下降（臂部在竖直方向下行100mm，将包装件平稳放入到搬运终点）；（7）松开包装件（手部夹持机构迅速松开包装件）；（8）竖直上升（在确定包装件被放好后，臂部在竖直方向上行100mm）；（9）水平收缩（臂部向水平方向收缩500mm，使终端执行机构回到初始位置）；（10）顺向转动（臂部绕机身中心轴顺时针水平转动90°，使臂部回到初始位置）；以上便是包装搬运机械手完成搬运所需要的动作。包装搬运机器人的组成总的来说，包装搬运机器人的组成部分为执行机构、驱动机构和控制机构。执行机构手部手部是直接与包装件接触的部分，一般分为平动型和回转性（多数为回转型，主要因为它的结构简单）。通常用两指的手部（也有多指的类型）；依据实际要求和操作需

2包装搬运机器人的总体方案要，分为内抓式和外抓式两个类型；使用过程中也可以用电磁吸盘和真空式和负压式的空气吸盘（通常使用的对象为可吸附的，光滑表面的包装件或包装薄板材料）。传力机构形式各式各样，类型通常有：重力式、滑槽杠杆式、弹簧式、连杆杠杆式、丝杠螺母式、斜楔杠杆式及齿轮齿条式。根据生产要求，本次设计的包装搬运机器人的手部选择夹持类的回转型结构。该次设计的包装搬运机器人手部执行部件如图2-3和图2-4。图2-3包装搬运机器人手部执行部件示意图图2-4手部执行部件的机构运动简图东北林业大学本科设计如图2-3的机构简图，手部执行依靠驱动杆的直线往复运动来推动两杆手指各绕支点作回转运动，从而手指松开或闭合。驱动杆的动力源来自后续驱动源的液压缸。臂部手臂部件是握持部件，对于包装搬运机器人是非常重要的。它的功能最主要的功能是支持手部重量，并带动它（们）在空间完成设定的动作。臂部主要的目的就是把手部传递到空间运动范围内任何一点。增加腕部的自由度也可以增加手臂的空间姿态。总的来说，具有三个自由度的臂部才能满足包装搬运机器人的工作要求，即手臂的竖直升降运动、水平伸缩运动、绕轴旋转运动。各种驱动机构（如气缸或者液压缸）和传动机构来实现臂部在操作中的各种动作。臂部的受力情况还是比较复杂的，它在包装生产线中既受手部和包装件的动、静的载荷，又自身操作动作较为繁多。故它的所抓包装件的大小重量和定位精度程度、运动场地、操作灵活度将直接影响包装搬运机器人的工作性能和工作效率。在本毕业设计中实现臂部的绕轴回转运动、竖直上下运动、水平伸缩运动。臂部的运动参数设定如下：竖直升降行程：1000mm；竖直升降速度：8000/$；水平伸缩行程：50000；水平伸缩速度：80mm/s；绕轴回转角度：90°o包装搬运机器人水平手臂的伸缩动作使其手臂的工作半径发生变化。圆柱坐标式的包装搬运机器人的结构中，臂部的最大工作范围决定其手部所能触及的圆柱表面半径。根据设计要求和包装件搬运标准，该伸缩式臂部机构的驱动需要用液压缸来驱动工作。机座机座是包装搬运机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式包装搬运机器人，直接联接在地面上，对可移动式包装搬运机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转等运动驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的包装搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。驱动机构包装搬运机器人的重要组成部分之一是驱动机构。依据包装搬运机器人的动力源的不同，其驱动机构一般可分为液压驱动、电动机驱动、机械驱动及气动驱动四类。对气动驱动来说，它的压力较小，导致输出的动力较小。当需要输出较大的动力时，会导致它结构尺寸过大，低速状态下不易控制，阻尼性能也较差。然而它有其它的优点，如制造维修成本低、构造简单，能源获取容易。电动机驱动有两种；异步电动机和步进电动机。电动机使用便捷，材料性能正在渐渐提高，因而电动机性能也逐渐增强。液压驱动压力较高，因而可以取得较大的输出动力，动作反馈灵敏，也可以实现连续轨迹控制。然而，油路比较复杂，液压的零件设备比较昂贵。本次设计的包装搬运机器人的驱动机构采用液压驱动的方案。-10-2包装搬运机器人的总体方案控制系统分类点动控制和连续控制这两种方式一般都用在包装搬运机器人上。一般常用用插销板实现点位控制，当然也有使用计算机控制和可编程序控制器控制，采用穿孔卡、凸轮、磁盘磁带等记录要进行操作的预设程序。它们主要控制的是坐标位置，其次控制其加速度属性，目的保持精度。传动系统包装搬运机器人所进行的最终工作是反映在其手部的运动上，这种运动是通过传动链来实现的。手部末端点的重复定位精度是包装搬运机器人设计中一个重要的指标，它主要依靠伺服系统的精度和机械传动链的精度这两个方面的要素。传动系统的设计标准就是传动链越简短越好，动作操作精度自然而然就高，但是中间环节的传动在实际操作中是必不可少的。谐波减速齿轮的特点：它能实现较大的减速比、整体重量轻、构造紧凑，这些特点对包装搬运机器人的设计是重要的参考依据。另外包装搬运机器人的动力学性能将严重受到减速装置重量的增加的影响。但是，由于谐波减速器运动精度低、回差大，因而极大大地影响了手部的重复定位精度的要求。至于蜗轮蜗杆和齿轮传动，在保证加工精度的条件下，通过啮合间隙调整到足够小的允许范围，可以满足手部重复定位精度的要求。因此，在包装搬运机械手传动设计中均采用齿轮传动实现速度的变化，即根据实际操作要求而去选择适当的传动比[5]包装搬运机器人的技术参数用途：在包装自动生产线上实现包装件搬运设计技术参数：(1)包装件：重量：20Kg；尺寸：300mm义300mm义300mm；(2)自由度数：4个自由度(手部张合；臂部绕轴回转；臂部水平伸缩；臂部竖直升降)；(3)坐标型式：圆柱坐标系；(4)最大工作半径：1500mm；(5)手臂最大中心高：1800mm；(6)手臂运动参数：伸缩行程：500mm；伸缩速度：80mm/s；升降行程：1000mm；升降速度：80mm/s；回转范围：0〜90°；本章小结本章设计了一套包装搬运机器人总体设计方案，而且，根据包装生产线的生产要求-11-东北林业大学本科设计确定圆柱坐标系作为本次设计的坐标系。同时，就包装搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、机座和臂部的构造尺寸；本次设计的包装搬运机器人驱动机构为液压驱动。同时确定了设计的技术参数。-12-3手部夹持器的结构设计3手部夹持器的结构设计手部夹持器手部是包装搬运机器人的其最重要的机构。根据形状和工作的功能特性，分为两种手部：一种是工业机器人的手部，第二种是类人机器人的手部。就当前的研发状况来说，第一种在产业中的使用较多，第二种正在积极进行革新开发中。包装搬运机器人的手部（也称抓取机构）是用来抓取包装件的机构，由于被抓取的包装件的重量、材料、形状、尺寸及表面粗糙状态的不同，因而现在手部结构的种类繁多，一般手部结构是根据生产线上的包装件而设计的。根据抓取原理，一般的手部夹持器分为下面两类⑹（1）夹持式：又可以分为外夹式内撑式，另外还有弹簧式和勾托式。（2）吸附式：包括气吸式与磁吸式等。在设计包装搬运机器人手部时，下面的问题值得重点考虑：包装搬运机器人手部是根据操作要求来进行设计的。如果一种包装搬运机器人需要应用在新的应用场所，那么需要一个新型的手部执行器被研发出来。所以说，依据上生产线上操作标准以及科学家的思考而创造的最新包装搬运机器人手部，将会延伸到各个领域。包装搬运机器人手部的重量、被抓取包装件的重量、操作力和其容许的载荷将影响其工作效率和精度。故要求包装搬运机器人手部体积小、构造紧凑、重量小。包装搬运机器人手部的专用性语通用性是相互矛盾的。通用手部在结构上很复杂，一般的制造技术很难创造出。比如，仿人的万能包装搬运机器人能进行各种搬运动作，可是至今尚未普及。如今，在生产线上工作的还都是那些只能完成几个动作的的包装搬运机器人手部。包装产业正在迅速崛起，各类包装集团和企业正在开发各种专用的、高效率的包装搬运机器人手部，也在研究手部执行器的模块更换。以实现包装搬运机器人多种操作要求。那是因为那种万能的手部不但制造昂贵，而且构造很不简单。万能性和通用性和是两个不同的思想：万能性的的定义是一机多能，但是对于通用性来说，它的定义是指有限的手部执行器可以应用在不同的领域。这样一来，手部执行器要有标准的模块，便于手部的模块更换。便于安装和维修是手部执行器的要求之一，跟好的话，实现计算机的控制。电气式执行机构可以方便地由计算机进行操作。故包装搬运机器人执行机构的常常用电气式，其次是液压式和气压式。手部设计基本要求手部的设计基本要求有以下五点：（1）应具有适当的驱动力及夹紧力。一般情况下，在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需要的驱动力大小也是截然不一样的。-13-东北林业大学本科设计（2）手指为了使一定的开闭角度，理应具有一定的开闭范围（手指从闭合到张开绕支点所转过的角度）e，方便抓取包装件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能手部的重量降到最小，构造紧凑，主要目的是减小手臂的负荷。（4）确保手部的抓取方位准确，确保每个包装件都能准确地安置在手部。故包装搬运机器人的手部在抓取包装件后应保持相对的位置精度。（5）通用性和一些特殊操作标准是应该值得重视的。针对一条包装自动生产线，对应一种专用手部执行器。不断增大它的使用范围和通用化程度来方便抓取不同形状和结构尺寸的包装件。这就需要调整手部的方法。手指、整个手部都可以更换。依据不同的工作场地也要调整手部执行器。根据调研，包装搬运搬运机器人的手部最合适的设计为双支点连杆杠杆式手部结构（见图2-3）。选择手抓的类型及夹紧装置本次包装搬运机器人的设计，考虑到所要达到的原始参数：手爪夹取重量为20Kg。常用的包装搬运机器人手部，按握持包装件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取包装件表面平整或面积较大的板状包装材料，不适合用于本方案。本设计包装搬运机器人采用夹持式手指，夹持式机器人按运动形式可分为平动型及回转型。平动型手指的的动作机理：它是靠手指的平动来实现手指张合，这种手部结构简单，适于夹持平板包装材料，且包装材料径向尺寸的变化不影响其轴心的方位，重要的是它的理论夹持误差没有。但是这种平移型手指有个缺点：在手指平动的方向上要安置驱动力装置，这样一来，手部的结构变得复杂和巨大。根据实际要求，这种设计不在考虑范围内。本设计采用手部夹紧缸：夹持式手部的驱动装置常用的是作往复直线运动的液压缸。从结构上说，单杆活塞缸应用最多。所以，包装搬运机器人夹紧液压缸采用单向作用的单杆活塞缸。设计时，夹紧液压缸侧面装有弹簧，液压缸的回程靠弹簧的弹力驱动.。手指靠驱动杆的直线伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。根据抓取包装件的要求，手部采用二指回转型手抓，采用滑槽杠杆结构。手指材料的恰当选用，对机械手的使用效果影响很大。本设计为了符合手部的结构尺寸，同时保证手指有足够的强度，包装搬运机器人的手部材料选用硬铝合金。-14-3手部夹持器的结构设计手爪的结构设计手爪的力学分析图3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图如图杠杆3向上运动，销轴2受到的拉力为F，方向经过销轴中心O点。同时，手指1的滑槽对销轴的反作用力为匕和以他们方向垂直于滑槽的中心线。。/口oo2而且TOC\o"1-5"\h\z进过O点，交\和F2的延长线于A及B。。 1 2根据受力平衡得F=-F-12cosaF=-F

। ।根据杠杆平衡得 -hF'=Fb1N综上，得 h=，cosa_一bF=2-cos2aF （3.1）aN-15-东北林业大学本科设计式中：a一手指绕轴回转的支点到对称轴的距离（mm）；。一包装件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角的大小。根据理论分析，驱动力F不变时，角度a增大，则抓取力Fn也随之增大。然而如果角度过大a则会导致手部结构增大和拉杆行程过大的负效果。故本设计a为45°。根据给定的数据：抓取的重物为：m=20Kg纸板与钢的静摩擦因数〃设定为：n=0.25G=2rFNMg=2rFN取FN=400Na=200mmb=300mmb故：F=2—cos2aF=600NaN3.4.2手部的三维结构图图3-2包装搬运机器人手部夹持器结构图3.5本章小结本章主要针对手部结构展开讨论，根据手部夹持器的结构形式（夹持式和吸附-16-3手部夹持器的结构设计式）及手部设计的基本要求选择手爪类型为双支点连杆杠杆手部。同时进行了手部简单的力学计算，通过计算得出手部实现抓取包装件所需力因素。-17-东北林业大学本科设计4臂部的结构设计手臂机构是包装搬运机器人的主要支持机构，包括垂直手臂(大臂)和水平手臂(小臂)。在毕业设计中，臂部结构指水平手臂结构，垂直手臂结构安置在机身结构中。它的作用是支撑腕部和手部(包括包装件)，并带动它们作空间运动。手臂运动应该有三种动作：绕轴回转、水平伸缩以及竖直升降⑺。水平手臂的伸缩运动在本章中详细叙述，垂直手臂子在第五章设计叙述。臂部把手部(包括包装件)传递到空间范围内的任何一个方位。通常来说，臂部的运动应该有三个自由度，这样才能完成一些必要的操作。三种自由度为手臂伸缩、绕轴回转升降运动。各种驱动机构(如气缸或者液压缸)和传动机构来实现臂部在操作中的各种动作。臂部的受力情况还是比较复杂的，它在包装生产线中既受手部和包装件的动、静的载荷，又自身操作动作较为繁多。故它的所抓包装件的大小重量和定位精度程度、运动场地、操作灵活度将直接影响包装搬运机器人的工作性能和工作效率。臂部设计的基本要求臂部动作首先要满足包装自动生产线上的动作规定。臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于包装搬运机器人臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。刚度是指臂部在外部力量作用下抗变形的能力。比值小则刚度大。对包装搬运机器人来说，一般臂部的刚度在设计中值得被重视的环节。它子啊结构上通常使用悬臂梁形式。理论分析，臂部的悬伸长度越大，刚度则变得越差。臂部的伸缩不断变化导致它的刚度也在不断变化。对包装搬运机器人的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。使刚度变大应该着重考虑以下六点要求⑻：(1)选择合适外形尺寸和截面形状；(2)合理确定支撑点的距离以及增大支持刚度；(3)根据受力分析确定比较适当作用力的方向和方位；(4)注意简化结构；(5)提高配合精度；(6)缩短悬伸长度。臂部惯性小、运动快包装搬运机器人的主要指标之一是手部的运动快慢，运动速度快，则说明它的工作效率高。惯性也是影响包装搬运机器人工作效率的因素。在速度和回转角速度不变的状态下，减轻它的重量是最好的办法。以下四点是减小惯量具体方法：(1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料或工程塑料；(2)减小臂部运动件的外形；(3)在设计包装搬运机器人动作步骤时，尽量减小回转半径p可以先缩后转，也-18-4臂部的结构设计可以先转后缩；（4）缓冲装置安置在驱动系统中是必不可少的。手臂动作应该灵活用滚动摩擦代替滑动摩擦，以便尽量减少手臂运动之间的摩擦阻力。悬臂式的包装搬运机器人的传动部件，导向和定位部件放置应该确切，使手臂的移动尽可能平衡，这样才可以减少对升降支撑轴线的偏心力矩。尤其要防止机构发生自锁现象。出于这个原因，需要设计计算使其不自锁。位置精度要求高通常来讲，生产企业对直角和圆柱坐标式机器人位置精度要求还是比较高的；实际上，几种包装搬运机器人之中，最难控制的是关节式包装搬运机器人的位置精度，所以准确性差；把检测结构和定位装置安置臂部上，它的位置精度就很好掌控了，最后的动作环节里应该安置有检测设备，这样可以消除或减少传动以及啮合件间的间隙。传动系统力求简短，以提高传动效率和精度。其他各驱动装置、传动件、管线系统以及各个运动的控制检测元件等布置要紧凑合理，维修操作要方便。总结除此之外，要求包装搬运机器人的通用性要好，能适合多种包装搬运作业的要求；方便与加工和安装，而且工艺性不错；在热环境运作的包装搬运机器人，还要考虑它是否有冷却、隔热的功能；在粉尘大的场地运作的包装搬运机器人还必须安装防尘设备。在设计过程中理应注意并解决这些问题，不断发现这些问题和解决问题才可以设计出能提高包装产业价值的包装搬运机器人。手臂的典型机构以及结构的选择手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构可以分为以下四种⑼（1）双导杆手臂伸缩结构；（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；绕轴回转，比如手臂的水平面上回转；组合运动，例如直线和回转运动的组合等；（3）双活塞杆液压缸机构；（4）齿轮齿条和活塞杆结构。手臂运动机构的选择根据包装件搬运的设计要求，该设计选择如下：水平伸缩式液压缸。-19-

东北林业大学本科设计手臂直线运动的驱动力的简单分析开始阶段，进行一个粗略的估计，或者与类似的结构相比较，依据有关的运动参数大概设计出有关机构的主要尺寸大小，其次校核计算，得到反馈信息后再进行修正设计。反反复复，把该机构的结构图绘制出来。为了确定关于水平伸缩直线运动液压缸的驱动力，那先要得到液压缸运动时所要充服的惯性力和摩擦力等几个的阻力，然后才能确定其驱动力。手臂摩擦力的计算和分析当摩擦力的计算不同的导向截面形状和不同的配置，得到的摩擦阻力是不一样的。根据具体情况进行估算。图4-1图4-1包装搬运机器人臂部受力示意图计算如下:ZM=0AG总L=叫ZY=0GJFb=FaI"Fa摩I"Fa摩・二F摩二rG总*摩2L+a

a(4.1)-20-4臂部的结构设计式中：G总一运动中的零部机构所受到的总重力（含包装件）（N）；/AL一手臂与运动中的零件机构的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m），参考上一节的计算；♦导向支撑的长度（m）；〃一当量摩擦系数，数值与导向支撑的截面有关；对于圆柱面：〃---摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取h=0.1~0.15钢对铸铁：取h=0.18~0.3选取：|i=0.3，G总=500N，L=1.69—0.28=1.41m,导向支撑a设计为0.16m。把相关数据代入进行计算：F=r'G 2L-a=2794N摩 总|_ a手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=80mm/s；假定：在计算惯性力的时候，设置启动时间，启动速度；F_GJv惯 gAt（4.2）已知 At_0.02s,g_10N/KgF_G^AV_200N惯 gAt4.3.3密封装置不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封［10］。活塞杆活塞杆强度活塞（或液压缸）强度要求和运动的要求的要求满足了，活塞杆的尺寸也满足了。杆长要求：L大于直径d的15倍以上［11］。本包装搬运机器人的该机构的活塞杆的材料选为碳钢。-21-

东北林业大学本科设计活塞杆刚度图4-2刚度校核示意图要按照伸出液压缸的最小直径进行校核，为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂梁。臂部伸缩液压缸的三维结构图图4-3包装搬运机器人臂部伸缩液压缸结构图本章小结本章对包装搬运机器人的手臂结构进行了设计，液压驱动伸缩机构作为臂部的驱动机构。同时，对臂部的摩擦力进行了简单分析，同时对臂部的各个部分也进行了简单分析。-22-5机身的结构设计及运动的简单分析5机身的结构设计及运动的简单分析机身可以算是主体机构了，它起到直接连接、支撑并带动臂部的机构了。运作过程中，垂直手臂要实现升降和绕轴回转，这两个运动的传动机构需要安置在机身内［⑵。还可以是直接构成机身的躯干后再与底座相连接。总的来说，在机身内的臂部动作或步骤越多，机身本身的结构和受力状况就越复杂化。机身可以行走，也可以安置在固定地点。本设计采用固定式的机身。5.1机身的整体设计按照设计要求，包装搬运机器人要实现手臂900的回转运动，其动力靠同步带来传递，同步带传动以其体积小，重量轻，结构简单，传动比准确而保证了手臂定位的正确性和运动的灵便性。通常情况下，在机身内安装着能实现手臂的回转运动机构。要通过综合思考分析，以便设计出最好的运动机构。机身支持着手臂进行升降、回转动作。一般的机身结构有以下三种类型［13］：CD升降缸在回转缸之上的结构。它的优点：可以抵抗非常大的偏重力矩。缺点：在设计的回转运动路线较长的情况下，回转精度将受到花键轴的变形的影响。(2)升降缸在回转缸之下的结构。这种结构的特点就是运用内部导向，单杠活塞杆，并且构造紧凑。缺点：进行操作的时候回转缸和臂部一并升降，运动机构较大。(3)齿条齿轮和活塞缸机构［14］。通过齿条齿轮机构来实现手臂的回转运动。要实现臂部绕轴回转，需要齿条做往复直线运动，再带动与手臂连接的齿轮作往复回转。通过系统思考，本设计采用齿条齿轮和活塞缸机构。-23-

东北林业大学本科设计5.2机身回转机构回转液压缸的三维结构图包装搬运机器人—回转（齿条）液压缸包装搬运机器人—回转（齿条）液压缸图5-1包装搬运机器人回转（齿条）液压缸结构图-24-5机身的结构设计及运动的简单分析5.3机身升降机构5・3.1手臂偏重力矩的分析图5-2手臂各部件重心位置图-25-东北林业大学本科设计5・3・2升降液压缸的三维结构图包装搬运机器人图包装搬运机器人图5-3包装搬运机器人升降液压缸结构图包装搬运机器人运动的简单分析运动学分析运动学分析，也就是根据具体研究对象简化后的物理模型，对其内部各机构之间的相对位置以及各机构与时间的关系用合理的数学方程进行表达［15］。包装搬运机器人的运动学分析主要分为两个方向进行研究分析［16］：第一个方向是在已定的末端机构和基坐标系之间的关系，求解机器人各机构的参考坐标系和基坐标的关系；第二个方向是在给定机器人各机构参考坐标系与基坐标系的关系，求解末端机构和基坐标系的关系。在用理论运动学的方法对其进行建立的数学模型里，利用已经给定的关节位置，可以直接计算出其对应机器人的方位，而且得出的解也是唯一的。但是在逆运动学中，由于在解逆速度问题常常会涉及到雅可比矩阵，它在某些区域里面会有奇特的状况出现，因此得不到唯一解甚至不存在闭式解在解逆运动学中的位置问题时是很常见的。因此，在简单的包装搬运机器人的运动学分析中逆向运动学的研究并不是重点。-26-5机身的结构设计及运动的简单分析在本设计中不做具体的运动学分析。包装搬运机器人的动作范围通常为了更好地表达手部在空间的方位，需要将基准坐标系设定在包装搬运机器人的手臂的根部，或者是基准轴［⑺。一般情况下，描述空间任一点的方法可以是，采用圆柱坐标系、直角坐标系以及球坐标系。本次设计中涉及的坐标系为圆柱坐标系，其手臂的运动由两个直线移动和一个回转运动所组成。其结构简图见图6-1。图6-1包装搬运机器人结构简图本次设计的包装搬运机器人的运动形式可描述为［18］：臂：绕竖直方向的回转运动，沿竖直方向的上下运动，沿水平方向的伸缩运动；手部：张合夹持包装件的运动；相比之下，圆柱坐标式的包装搬运机器人，本体占据的空间较小而动作范围较大，同时具有直观性强、结构简单等优点，用于搬运包装件。但受到升降结构的限制，一般不能提升地面上或较低位置的物体，在垂直方向升降范围有限［19］。圆柱坐标式包装搬运机器人的动作范围简图如图6-2所示-27-

东北林业大学本科设计空间工作范围上下行程上下行程空间工作范围上下行程上下行程图6-2包装搬运机器人动作范围示意图本章小结本章对包装搬运机器人的机