1、机器人多工位码垛系统摘要本文设计的是一个可以进行多工位的码垛机器人，用于给生产包装进行码垛和装载。在现代企业中，制造流程的机械化、自动化已经是突出的问题。人工智能技术，是利用计算机的识别能力、编程技术等，操纵计算机自主完成工业生产中的某一个指定工作的技术,是当今全世界正在竞相开发的高科技内容之一。目前，工业机器人主要担负着诸如检测、喷涂、移动和堆垛等复杂性和强度都很大的工作任务，操作方法也通常采用示教或再现的方法。该机器人主要由主构架、机架，双臂、底盘和底座等构成，具有上料，翻滚位等多项功能，而且机械构造简洁，操纵简便。驱动采用伺服电机。关键词：码垛；机器人；结构设计；伺服电机Robotmul
2、ti-stationpalletizingsystemABSTRACTThistextistodesignonerobotownfourfreedomdegree,Itsusedtogivebluntpressanequipmentscairyingmaterial.Inmodementerprises,themechanizationandautomationofmanufacturingprocesshasbecomeaprominentproblem.Artificialintelligencetechnologyreferstothetechnologythatusestherecog
3、nitionabilityandprogrammingtechnologyofthecomputertomanipulatethecomputertoindependentlycompleteaspecifiedworkinindustrialproduction.Itisoneofthehigh-techcontentsbeingdevelopedallovertheworld.Atpresent,industrialrobotsaremainlyresponsiblefbrcomplexandintensivetaskssuchasdetection,spraying,movingands
4、tacking,andtheoperationmethodsareusuallyteachingorreproduction.Therobotismainlycomposedofmainframe,frame,twoarms,chassisandbase.Ithasmultiplefunctionssuchasfeedingandrollingposition,andhassimplemechanicalstructureandsimpleoperation.Thedriveadoptsservomotor.KEYWORDS:Palletizing;robot;Structuraldesign
5、;servomotor目录第一章绪论11.1 引言11.2 码垛机器人的特点与分类11.2.1 码垛机器人的特点11.2.2 码垛机器人的分类21.3 码垛机器人背景21.3.1 码垛机器人的工程背景21.3.2 国内码垛机器人发展现状21.4 课题的研究意义31.5 本文主要研究内容：31.6 本章小节4第二章机器人总体结构的设计52.1 码垛机器人本体的构型分析52.1.1 码垛机器人的技术参数52.1.2 码垛机器人总体设计62.2 臂长及参数82.2.1 臂的结构82.2.2 前臂92.2.3 小臂13224对h（小臂传动杆）的校核132.2.5 对b（前臂连动杆）的校核13226对大
6、臂的校核142.3 本章小结15第三章腰部及关节的设计163.1 电机的种类163.2 码垛机器人关节的详细设计163.2.1 回转关节T轴的设计173.2.2 旋转关节轴的设计193.2.3 小臂旋转电机的选择223.2.4 大臂旋转电机的选择233.3 本章小结24第四章手部的设计254.1 手部的结构设计254.1.1 概述254.1.2 设计时应考虑的几个问题254.1.3 手部夹紧力的计算264.2 气压缸的选择274.2.1 气压缸的简介274.2.2 气压缸的选择284.3 本章小结30第五章结论与经济性315.1 结论315.2 经济核算315.3 本章小结33参考文献34致谢
7、35附录36第一章绪论1.1 引言机器人技术是一种新兴技术，包括了多个专业和科技领域，涉及计算机、组织科学、信号与传感科技、控制论、仿生学，以及人工智能技术等多个领域。机器人在应用方面可分成工业机器人、服务机器人和特种机器人，由于工业机器人使用的最多、所以也是技术上最完善的一种机器人。由于快速发展的经济和突飞猛进的科学技术，工业机器人在码垛、喷涂、焊接、测量等行业扮演者重要的角色。如今码垛机器人已经可以进行自动化物流和包装，也可以完成快速、自动、持续、精准的码垛任务，满足产品的需求。由于人工码垛费时又费力，特别是粉尘多、有毒且有害等材料，基本不能用人工来码垛，因此我们必须研发一种机器人来帮助我
8、们进行码垛，来减轻生产过程中对工人的人身伤害。工业机器人有很多种的分类方式，根据机器人工作空间的位置坐标可以分成：直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和关节式机器人等等。关节式机器人的定位方式是由一个腕关节和二个肩关节进行的，再由腕关节进行定向，并且构型动作多样化，工作范围大，体积小，结构紧凑。根据机器人发挥的作用又可以分为：焊接机器人、喷涂机器人、码垛机器人、组装机器人以及专门使用的机器人。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对比于其他种类的机器人，主要有以下几个方面：码垛机器人主要是来完成水平面内物料的旋转和空间内的平移，难度较小，不用进行翻转物料，实现动作只
9、需要四个自由度。只需要掌控好末端的位置和姿态，就可以使得机器人手臂末端保持水平。经过两组平行四连杆的传动，使机器人末端的腕部关节轴线始终与地面垂直，保证了物料在搬运时的平稳。“平行四边形”结构使得机器人手臂运动只需要4个自由度，结构更优化，零部件更简单，性能稳定、机器人结构不容易出现错误，保养和维护更加容易、整体的装配更加简洁，体积小，降低了材料消耗。在适用性方面，当用户要求的产品发生变化，只需要在软件方面上进行修改即可满足需求，不会影响正常的生产，这是一般的码垛装备所不能达到的、控制方式简便、码垛的任务相对于其他的机器人任务的定位精度需求较低。122码垛机器人的分类码垛机器人按照驱动传动和结
10、构的不同可以分成：混联码垛机器人，并联码垛机器人和关节式串联码垛机器人。目前搬运机器人研发方面，均采用四轴旋转的关节式结构,与两个旋转和两个移动关节的混联码垛机器人比较，具有如下优势：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；维护方便，故障率低，与滚珠丝杠、精密行星减速机的传动方式相比，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；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外需要滚珠丝杠和导轨；关节式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；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
11、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；混联码垛机器人虽然也有行程放大的机构，但由于外观尺寸的限制，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。1411.3 码垛机器人背景131码垛机器人的工程背景近年来随着企业生产自动化程度提高，劳动力成本的增长，企业对生产线包装码垛生产线的自动化程度也越来越高，机器人在该领域的应用也在逐渐扩大。工业码垛机器人属于典型的机电一体化高科技产品，码垛机器人的应用不仅可以提高生产效率、降低人力资源成本、还可以改善工人的工作条件，其应用的数量和质量标志着企业生产自动化的先进水平。机器人在成品袋装（纸箱）码垛上的应用越来越广
12、，越来越多地被市场认识，它有其他设备无法比拟的优势，近年来在欧美、日本等发达国家的应用已超过70%以上，在日本码垛机器人在码垛市场的占有率超过了90%,绝大数码垛作业由码垛机器人完成。码垛机器人能适应于纸箱、袋装、罐装、箱体、瓶装等各种形状的包装成品码垛作业。1.3.2国内码垛机器人发展现状我国工业机器人技术研究与应用开始于上世纪70年代，自主研发的码垛机器人主要结构形式有直角坐标式和关节式。近几年，在码垛机器人方面，出现了一批具有较强研发实力的科研院所和专家企业。图上海交通大学与上海沃迪科技有限公司研发了TPR系列码垛机器人。TPR系列机器人与日本码垛机器人结构相似，具有独特的线性四连杆机构
13、利用工控机、运动控制卡、PLC实现机器人的控制，并且可以通过人机交互，核心算法由工控机完成，控制软件在平台上编写，实现码垛机器人生产能力达到1600包/小时。沈阳新松机器人自动化公司是我国工业机器人的产业化基地，我国第一台工业机器人样机，就是在该公司研发与制造成功的。在机器人技术方面，新松机器人优化了机器人控制、操作机设计、工程应用和机器人作业等关键技术难题，解决了高精度插补、机器人语言、多轴协调和传感器控制等技术，研发了具有我国自主版权的机器人控制器其应用涵盖搬运、焊接、冲压、喷涂以及机加工等领域。清华大学陈恳、杨向东和北京邮电大学李金泉以及北京理工大学付铁，共同开发了TH50型码垛机器人，
14、负载50kg,可搬运1000袋小时。HT50型码垛机器人的结构与ABB、KUKA等机器人不同，第二关节和第三关节采用滚珠丝杠驱动，HT50码垛机器人是各关节直接驱动方式，这种驱动方式的好处是可以减小驱动电机和减速机的功率，不需要平衡气杠、弹簧等元器件。相对于国外工业机器人技术，我国工业机器人技术在产品研发和生产制造方面与国外还存在一定的差距，大部分技术还是被国外公司掌握，自主产权的核心技术较少因此，发展自主产权和核心竞争力的工业机器人产品，已成为我国机器人产业的当务之急。1411.4 课题的研究意义本课题的机器人码垛系统在柔性生产线和自动化立体库之前起到承上启下的作用。生产线上生产的产品首先被
15、送到扫描工位光电传感器检测到产品到达条码扫描位时触发条码扫描器扫描条码扫描器将扫描到的条码发送至上位机等待下一件产品。上位机接收到产品条码信息后从数据库中查询相应尺寸规格并根据码垛原则为产品分配码垛位并将目标码垛位信息发送至下位机PLCoPLC接收到码垛指令后给机器人发搬运命令,机器人收到搬运命令后按预先示教好的轨迹运动将产品码放至相应托盘。常见的应用情况是生产线在一定时间内只生产一种产品码垛机器人只需要按设定好的轨迹将产品从输送线末端码放到托盘.不需要上位机。而本项目涉及的是一种单台机器人多码垛位对多种规格产品柔性化生产线的应用，大大的挺高生产效率。1.5 本文主要研究内容：对本课题中对小型
16、多工位码垛机器人结构设计的主要任务包含以下几个方面：1 .码垛机器人的驱动机构的三维设计。2 .码垛机器人手臂和手抓的原理和结构的设计。3 .码垛机器人动力部分的选型和参数的确定。4 .6本章小节本章详细介绍了多工位码垛机器人特点及分类，同时也阐述码垛机器人研究背景，最后叙述了本课题的研究意义及主要研究内容，整体概括了机器人的组成和发展情况。31第二章机器人总体结构的设计2.1 码垛机器人本体的构型分析作为机器人结构设计的核心环节，码垛机器人的机械手臂的设计是至关重要的。手臂是机械手的执行部件，它主要起到对机械手腕部和抓取手部的支撑作用，并带动它们进行空间的往复，循环等运动。川码垛机器人手臂部
17、分的设计需要满足以下几个目标：（1）机器人手臂重量轻，承载能力好，强度和刚度良好.（2）机器人手臂灵活且性能稳定。（3）机器人手臂快速且精准。码垛机器人手臂采用四杆平行机构，双摇杆机构,以使调整器、大臂和上臂组成的双平行四边形结构能够保证末端执行器始终与水平面平行。如图2所示，为了使码垛机器人轻量化，其操作臂均采用空心薄壁杆件。2.1.1 码垛机器人的技术参数根据码垛机器人项目任务书上的设计要求，机器人要能完成码垛的基本功能，末端需要连接执行手爪，机器人本体能够灵活运动，能够实现抓取袋状或箱体的功能。虽然码垛机器人的机构构型、用途以及客户的个性化要求各异，国内外机器人供应商提供的技术参数也不相
18、同，但一般来说码垛机器人的主要技术参数有：自由度、重复定位精度、工作空间范围、运行速度和末端承载能力。本文项目要求的码垛机器人臂展为2000mm,末端承载能力达到50kg,具有个4个自由度的关节分布，重复定位精度为lmm。下表列出了码垛机器人各项参数。表1码垛机器人参数项目参数项目参数本体构造关节型（多自由度）最大速度S轴（旋转）90度每秒载荷50kgL轴（大臂）85度每秒重复定位精度土1mmU轴（小臂）85度每秒动作S轴（旋转）90度T轴（同转）210度每秒L轴（大臂）0度90度本体重量W800kg范U轴（小臂）135度180度末端执行器重量W60kg围T轴（同转）360度功率W10KW2.
19、1.2 码垛机器人总体设计码垛机器人本体主要由底座、主构架、大臂、小臂、腕部和末端执行器组成的，具有四个自由度，即四个旋转关节，四个关节分别为：底座与主构架之间，主构架与大臂之间，大臂与小臂之间以及腕部与末端执行器之间的四个旋转关节。底座是码垛机器人的承重基础部件，固定在地面或支架上，主构架是大臂的支撑部件，实现机器人的回转功能，主构架可以在底座上进行旋转，大臂是小臂的支撑部件，大臂的摆动可以改变末端执行器在水平方向上的行程，而、臂的俯仰则可以实现末端执行器在垂直方向上的位置变换，腕部的末端执行器旋转关节可以调整承载目标的旋转角度和位置。码垛机器人可用于箱状、块状和袋状等物料的码垛搬运,机器人
20、本体结构如图所示：图1码垛机器人的整体结构（1）底座通过一个轴线垂直于地面的旋转关节与主构架联接。（2）主构架安装在底座上，为整个臂部提供支撑，其上安装有大臂、小臂和保持腕部水平的连杆。大臂、小臂与连杆相互构成平行四边形，增加了整个臂部的刚度。各连杆参数的选择将直接影响码垛机器人的工作范围。（3）第三关节的驱动系统采用后置式，即第三关节的驱动伺服电机和减速机在主构架上，这样将明显改善系统的动态特性和降低系统的运动惯量。（4）腕部与臂部之间有一个转动关节，末端关节通过串联平行四边形机构的叠加效应，满足腕部的易控性。码垛机器人为了保持末端腕部的轴线与地面垂直，利用了“平行四边形原理，通过水平保持连
21、杆和腕部水平保持连杆组成的两个平行四边形，保证末端腕部的轴线与地面垂直。其原理是：理是：61+62+33=180如图所示，无论码垛机器人处于何种位置与姿态，61,62和。3的角度始终不变，并且三个角度之和等于180。另外小臂传动连打利用一个四连杆机构，将小臂的动力传递到支撑小臂，这样的四连打机构具有四个功能：1、增加整个臂部刚度：平行四边形的相互耦合作用，增加了整个机器人传动系统的刚度减小了启动与急停情况下造成的机器人颤动。2、行程放大功能：见图3,线段FAB在同一直线上，即FAB是同一连杆，OERG是平行四边形，线段OG和FA是等长的，OG即是小臂，在小臂转动时，驱动连杆FAB会绕点转动，回
22、转的角速度和角加速度相同，而线段AB的长度大于线段FA的长度，因此小臂和支撑小臂组成的平行四边形具有行程放大的作用，放大系数为线段AB长度与线段FA长度的比值。3、减小系统惯量：码垛机器人第三关节（u轴）的驱动电机和减速机采用了后置式分布，通过平行四边形传递动力，使驱动传动系统可以放置在主构架上，减小了系统的惯量。在选择第一关节和第二关节的驱动系统时，对驱动电机可作适当的调整，降低驱动电机的功率和力矩，节约成本，同时增加了系统的稳定性。4、码垛机器人利用“平行四边形”原理简化了机器人位姿的控制，降低了过程控制的难度，可以缩短机器人的工作周期和研发设计成本。图2码垛机器人的本体结构2.2 臂长及
23、参数2.2.1 臂的结构本文设计的机械结构如下图所示：图3机械臂的机械结构首先确定k/k的值。根据经验，比值一般为2飞，根据实际需要选取5o因此在本设计中取k为1.5m,l5=l6/5=30cmo令L的长度与k的长度相等，也为1.5m。调整器为等腰直角三角形，腰长为15cm。水平保持架连杆12的长度为1.5m,小臂L的长为30cm，小臂连动杆1,=12=1.5mo17=12=150cmo因此，L,13,L,h组成平行四边形结构，可以保证前臂与小臂一直保持平行。A,B,C,D也构成平行四边形结构，因此在三角形调整器的调整下，AE可以一直与DO?保持平行，C,B,也保持平行，从而使得机器人的执行机
24、构一直保持水平。经过仔细的分析，并在实际需要的基础上，当前臂转动到水平位置，大臂转动到竖直位置，如图实线所示位置时，爪手上升到最高点；当机构处在如图所示虚线位置时执行机构爪手下降到最低点，此时大臂L与水平面成45度角。2.2.2 前臂对前臂处于实线位置时进行受力分析，如下：mgfgffA02图4前臂受力分析图令前臂FB的重量为600N,手部执行端重量为40N,货物重量为500No由此时系统平衡可得到：”力出)=0(1)由mg到B的距离为37cm,前臂连动杆到前臂的距离为15cm可知：mgx37=/x15=尸2sin45x15(2)V2900x37=/x15=F2x15=F2=3140/V,故，
25、f=F2sin45=2220/V又由，2FgfFA=-GBFx3FA+fx5FA(4)=Fgf=2Gbf4-5x2220(5)=2x500+11100=12100/V取F点为坐标原点则，M(x)=FX%-GSF(0%FA)(6)orA(x_FA)=mgx5尸川-(%-FA)-GbfobA当x=。时,M(x)=0当x=FAffA点力矩为M(x)=3810/V/m(7)当x=6|凡4|对，A点力矩为M(x)=0(8)所以，由以上计算可得到前臂的受力图和弯矩图，如下:(9)(10)(11)(12)图5前臂的受力图和弯矩图由于A处受力为：%=f+Ggf+mg=12100+500+900=13600/V
26、且A处承受最大弯矩，很显然，A处为危险截面。综上所述，本设计采取Q235为前臂的材料。Q235材料as=225MPa,(j=150MPa,其中n取1.5。nQpP又知，p=:=t=J?，124mm2=d=12.6mm,取d=13mmoq=?=今1Ajtd1360013a3.5mm经分析查表知，前臂在A处的截面模量为：Iz修=一J(14)bhymax6，M6所以，Ci=m=M2(15)畋了681600=13600y=_=544mm3,其中，(16)为抗弯截面模量为压应力为许用应力又因为ab显然大于60,故b可以小于4。综上所述，选取:(17)a=20mm,b=100mm,b0=&00=80mm,
27、d=15mm.又由于材料ffj=(1.72.0)(j=(178.5210)MPa,此处取200MPa,Oj=q=-68mm3,其中(19)Oj挤压应力q许用挤压应力因此综上，最终选择：，/1，a=20mm,ar=a2=-a=10mm,b=100mm(20)2.2.3 小臂有以上数据，换算到小臂的转矩为MFgfx12100x0.3(21)=3630/V/m因为小臂的最大转动力矩为3630Nm小于大臂危险截面处的力矩3810Nm,因此,为了保证外观的协调性与空心型钢的选择性，将小臂的壁厚设计为与大臂壁厚相同，即采用的宽度为100mm,高度为100mm，壁厚为10mm。因此其强度显然满足实验要求。2
28、24对h(小臂传动杆)的校核经分析，当机构转动至如图所示虚线位置时，小臂传动杆只受拉力，且此时所受拉力最大，为由=12100-(22)Pfi12100一a=-=82mm2最终选择:a=20mm,b=10mm225对b(前臂连动杆)的校核由于k只受拉力作用，且拉力最大为2220N,P22202220r、(23)由=；5mm2o拉应力a许用拉应力P拉力A承受面积根据实际情况，最终选择a=Smm,b=lQmm226对大臂的校核作出手部，前臂，调整器的受力简图，如下图所示(有的力未画出)：图6手部、前臂以及调整器的受力简图一八=6=zng义S讥45=450&N(24)又因为，-Axsin45xAB=f
29、4xFB(25)所以得:%=90N(26)72=f2=f2i=mg=900/V因此，A点受到竖直向下的合力为：f21f合=-+%s讥45+mg前臂(27)=900V2+45V2+50018367V又因为，大臂自身重量约为500N因此，当机构转动至如图所示位置时，U轴(大臂旋转轴)所受力矩为:1=/合xOAsin45+37719大臂sin45(28)1=1836x1.5xsin45+-x500sin452124/Vm所以大臂的受力图及弯矩图如图所示：图7大臂的受力图和弯矩图2.3 本章小结本章根据码垛机器人的工况及载荷特点介绍了码垛机器人的整体构成，对码垛机器人的整体机构进行详细的描述，并利用“
30、平行四边形原理，保证了末端执行器的轴线始终与地面垂直，初步完成了四自由度码垛机器人整体规划和设计。第三章腰部及关节的设计3.1 电机的种类在完成码垛机器人系统的总体规划与方案设计，首先要进行机器人驱动与传动系统的设计计算。除了确定驱动方式外，还需要确定驱动系统的具体参数，比如各个电机的驱动力矩数值和功率等。电机驱动相对于气压和液压驱动方式，运动速度快，定位精度高，驱动效率高，对温度变化不敏感，噪声和污染都比较小。根据实际的需要和工况,码垛机器人选用电机驱动方式。目前，机器人电机主要有以下几种：(1)直流伺服电机：直流伺服电机调速特性好，功率密度大和快速响应特性优异，具有较大的启动力矩，并且直流
31、伺服电机的控制技术成熟，但结构复杂，成本比较高。在500W以内的功率范围，通常采用直流伺服电机，而本文的码垛机器人各个电机的功率明显要大于500W。(2)步进电机：步进电机控制结构简单，控制性能强，可直接实现数字化控制与调节，具有自锁能力和保持转矩的能力，同时位置误差不会积累，适用于传动效率小和功率不大的小型机器人或关节机器人。(3)交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，使用维修方便，成本较高，可靠性能好，快速响应能力优异，并且交流伺服电机的驱动力矩与电动机本身惯量之比大，可频繁进行正反向和加减速运行，在短时间内具有较好的承受过载能力。码垛机器人的关节驱动电机应该具有较大功率质量比、扭矩惯量比、
32、调速范围宽和启动力矩高的特点。特别是码垛机器人的腕部关节，由于需要快速响应，应该选用体积小、质量小的驱动电机，并且需要有很高的可靠性、稳定性以及较大的短时间过载能力，交流伺服电机是最优的选择。机器人的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机,主要生产厂商有博世、德国西门子、力士乐公司、美国AB公司、日本松下以及安川公司等。其中安川电机瞬时力矩大，可以过载，超低惯量，设定简单，维护简便，灵活性强，相配备的伺服驱动器速度响应达到1.6KHZ,减少启动加速时的振动以及停止减速时机械前端的颤动。最终本文选用安川交流伺服电机。3.2 码垛机器人关节的详细设计3.2.1 回转关节T轴的设计T轴是在码垛机器
33、人手臂的最前端，即机器人的腕部关节，主要功能是驱动夹持器的旋转。末端的负载由两部分组成：夹持器和包装袋(箱)。包装袋(箱)和负载可以看成一个长方体，长、宽、高分别为a、b、c因此在计算惯量时可以利用公式：m(a2+/)h=笠/-(29)上式中，m为负载的质量，本文设计的机器人末端承受负载为50,包装箱的尺寸:长为0.9m宽为0.5m代入公式得：J=3.708kg*m2(30)码垛机器人在码垛过程中，由于空间位姿的变化，速度与加速度随时都在变化。根据生产节拍需要并初期计算，方案规划阶段确定加速时间为(Ms,轴的速度与加速度参数为：n4=3.67rad/s=35/min=210(31)a4=3.6
34、7rad/s2(32)式中，n4为轴的额定转速，a4为轴的角加速度。初选伺服电机是YASKAWA的旋转型伺服电机SGMSV-15A,额定输出功率为1.5KWo额定转矩为4.9Nm瞬时最大转矩为14.7N.rn,额定转速为3000r/min,最高转速为5000r/min,转子转动惯量为2.25*IO”kg.n?带制动器。减速机选用纳博特斯克的RV-40E减速机，减速比为81:1,输出转矩为334N.m容许加速减速转矩为1029N.m,瞬时最大容许转矩为2058Nm,减速机输入轴惯性矩为2.4*l(?5kg.m2。T轴减速机输出端的负载转动惯量换算到电机端为：；43.7084,*=T777=5-6
35、52X10-4kg*m2(33)Zz6561负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为：,41 + 1 减5.652+0.24225=2.69 x 10-4kg * m2(34)机器人系统对惯量匹配的要求是负载的惯量与伺服电机的惯量比值小于15,上式计算两者比值小于4,即惯量得到了匹配。T轴在启动加速阶段，加速力矩与加速度的数值成正比例关系：T4=J4xa4=3.708x36.7N*m=136.08N*m(35)RV-40E减速机在转速35r/min时，效率为90%,伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩为：T4max=14.7x81x90%N卜=1071136.08
36、N卜(36)伺服电机提供到减速机末端的转速为：3000n=r/min37r/min35r81/min(37)负载启动时所需要的启动转矩小于伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩，且伺服电机提供到减速机末端的转速为大于该关节的额定回转角速度，因此所选择的伺服电机和减速机是合适的。回转关节轴的电机和减速机的参数如表2所示：表2T轴电机和减速机参数伺服电机RV减速机型号SGMSV-15ARV-40E-81-B-B额定功率/KW3000-额定转速/rpm2.25转动惯量1X10-4kg.m24.60.24重量/KG-9.5减速比500081最大转速/rpm4.970额定转矩/N.m14.7334最大转矩
37、/N.m2058RV减速机对装配精度、润滑、密封、安装等条件要求极为严格，为发挥最佳性能，设计时需要注意。T轴关节减速机的安装如图8所示。确保轴承挡圈不会碰到电机安装座；设计电机安装座时必须在公差范围内，安装精度低会引起振动和噪声；在减速机使用前，确保封入指定量和指定型号的润滑脂，如纳博特斯克制造的MolywhiteRE00润滑油；减速机安装座与减速机之间，减速机输出轴端与末端输出轴之间使用密封圈密封;紧固输出轴的螺栓是用规定的转矩扭紧的；伺服电机内部配有密封圈，但设计关节时,还需要密封圈进行减速机与伺服电机之间的密封。伺服电机的输出轴一般有两种形式：直轴、不带键槽与直轴、带键槽、带螺孔。使用
38、直轴、不带键槽传动时，需要在电机轴输出端使用联轴器或者动力锁，造成结构上的不紧凑，密封、维护和润滑也不方便，与减速机输出轴的连接不合适。因此选用直轴、带键槽、带螺孔，安装时只需要平键和电机固定螺栓预紧即可完成转矩传递。在电机安装座和输出轴端部都需要安装油嘴和放油孔，润滑油需要定期的更换。图3-5中的主轴承是减速机上自身配备的轴承，完成的功能类似于交叉滚子轴承，承受轴向力和负载的弯矩。图8减速机的安装322旋转关节轴的设计计算码垛机器人旋转关节轴的驱动转矩，需要机器人本体的尺寸参数，这个尺寸参数是根据后面章节所叙述确定下来的，将在下一章详细论述。旋转关节轴伺服电机的负载转动惯量是整个机器人旋转时
39、产生的转动惯量。由此，只需要求出机器人最大负载转动惯量。设主构架、大臂、小臂及腕部绕各自重心轴的转动惯量分别为&、介3初G4根据平行轴定理，可得绕S轴的转动惯量为：Jg1=/Gi+m/i+JG2+m22+JG3+msh+/g4+m44(38)式中，mi、m2、m3、m4分别为腰部、大臂、小臂以及手腕的估算质量，需要注意的是腰部的质量不仅是机械结构本身的质量，还有L轴关节和U轴关节的电机和减速机的质量，腕部的质量有轴关节的电机、减速机和负载的质量。mi、m2、m3、m4的数值分别为220kg、60kg,40kg和lOOkgoL、b、卜和k分别为各部件的重心到旋转关节S轴的轴线处的距离，由于，Jg
40、2m22ZJg3J3J324m4U2(40)故/G2JG3JG4可以忽略不计，腰部的重心在旋转关节轴的轴线上，故11的数值为0o同时通过充分的分析与估计，b、b和I4最大值分别为400mm,1000mm,2000mm因此可以容易得到各个部件绕自身重心的转动惯量。S轴机座旋转轴的等效转动惯量为：Jl=/Gi+m/i+/G2+m2/2+/G3+m33+/g4+m414(41)=60x0,32+40x1.22=100x22=463kg.m2S轴的速度与加速度的参数为：几1=1.57rad/s=15/min=90(42)a4=1.57rad/s2(43)式中，m为S轴的额定转速，a为轴的角加速度。初选
41、伺服电机是YASKAWA的旋转型伺服电机SGMSV-50A,额定输出功率为5KW。额定转矩为15.8Nm瞬时最大转矩为47.6N.rn,额定转速为3000r/min,最高转速为5000r/min,转子转动惯量为14.5*l(r*kg.m2带制动器。减速机选用纳博特斯克的RV-320E减速机，减速比为185:1,输出转矩为334N.m容许加速减速转矩为7840N.m,瞬时最大容许转矩为12250Nm,减速机输入轴惯性矩为1.79*10-5kg.m2轴减速机输出端的负载转动惯量换算到电机端为:k463,=1.35x10-2kg/m2Z2342255/(44)负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和
42、与伺服电机自身转动惯量的比值为:/u+/减135+1.79=9414.5(45)机器人系统对惯量匹配的要求是负载的惯量与伺服电机的惯量比值小于15,上式计算两者比值为惯量得到了匹配。S轴在启动加速阶段，加速力矩与加速度的数值成正比例关系:T1=J1xa1=463x15.7/Vm=7269N/m(46)RV320E减速机在转速35r/min时，效率为90%,伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩为:T4max=47.6x185x90%N/m=83667269N/m(47)伺服电机提供到减速机末端的转速为:3000n=r/min=16.2r/min15r/min185(48)负载启动时所需要的启动转
43、矩小于伺服电机能提供到减速机末端的最大力矩，旦伺服电机提供到减速机末端的转速为大于该关节的额定回转角速度，因此所选择的伺服电机和减速机是合适的。旋转关节S轴的电机和减速机的参数，如表3所示：伺服电机RV减速机型号SGMSV-50ARV-40E-81-B-B额定功率/KW5-表3S轴电机和减速机参数额定转速/rpm3000-转动惯量/义10-kg.m214.50.4重量/KG16.547减速比-185最大转速/rpm500035额定转矩/N.m15.83136最大转矩/N.m47.612250一般工业机器人在选择第一关节轴时，偏向于使用减速机的C系列，C系列对比系E列有以下特点：(1)C系列是中
44、空结构：电缆可以穿过减速机内部，结构紧凑，节省设计的空间；(2)系列内部有压力角球轴承：相对于E系列减速机，C系列的压力角球轴承型号更大，增加可靠性，降低总成本，内置角接触轴承结构提高了支撑外部负载的能力，增加了力矩刚性及最大允许力矩，减少了所需要组件的数量，使安装和维护简单化。以上两点是C系列较E系列优异的方面，但同时使C用系列减速机时需要电机偏置,造成多一级齿轮传动，底座的设计与制造精度和难度将大大提高，对安装与维护的要求也会变高，并且C系列的成本要比系列的成本高出很多。本文的第一轴S轴的选择是E系列，主要是考虑到：电机与减速机同轴，设计与安装制造方便，使用与维护起来成本低，由于第一关节S
45、轴的旋转角度范围往往达不到360,电缆可以直接固定在基座上，设计负载为50kg,S轴的弯矩在系列减速机可承受弯矩的范围内，在极端的工作负载下,可以对机器人的轨迹进行合理规划，避免弯矩过大造成的减速机损坏。3.2.3 小臂旋转电机的选择大臂旋转轴L轴和小臂旋转轴U轴的计算方法较T轴和S轴繁琐，驱动力矩是以关节转动角度为自变量的函数，因此根据实际需要与设计经验对大臂和小臂的最大驱动力矩进行计算以达到设计要求。由第二章中对机构的分析知，小臂旋转力的最大力矩为：%f宵=12100X0.3(49)=3630/V/m选择小臂旋转轴和大臂旋转轴的驱动电机，如下表所示:表4L轴电机和减速机参数伺服电机RV减速机型号SGMSV-30ARV-160E-101-B-B额定功率/KW2.9额定转速/rpm1500转动惯量/惜量tkg.m?54.50.151重量
