一种码垛机器人的设计与仿真

青岛大学本科毕业设计（论文）一种码垛机器人的设计与仿真节1.01摘要21世纪，科学技术的发展可谓日新月异，各种信息技术的不断发展进步，推动着社会生产的各个领域的进步，尤其是自动化技术的应用。码垛技术是近年来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术。码垛技术的概念是指在日常的物流运输的过程中，为了实现实现物料的搬运、装卸等物流的活动，设计一定的物料的堆码成垛的模式，这种模式是基于集成单元化的思想之上的，这种堆码成垛实现物流运输的技术就是码垛技术。我们在实现码垛技术的同时，发明了相关的码垛机器人。码垛机器人是基于码垛技术而产生的，它是一种具备特殊功能的机器人，具有垂直的多关节型的特点。码垛机器人自产生以来，已经广泛应用于社会生产的不同的专业领域，比如食品加工、石油化工等。对于不同的物流对于码垛要求参数的不同，码垛机器人可以通过自身的主计算机进行相应的参数的设置，从而进一步实现不同产品包装的码垛要求。现代物流的发展，对于码垛机器人的要求也呈现出越来越高的趋势，比如物料的码垛的精度的提高，是的码垛机器人必须具有一定的刚度和强度，防止搬运过程中出现差池。本文主要是设计一种码垛机器人的机械部分，应用于自动化生产线的物料的码垛。在进行码垛机器人的设计的时候，主要是结果机械、电子以及码垛机器人的软件等方面，根据不同方面的特点进行综合的分析，实现码垛机器人的设计。关键词：码垛技术，机器人，有限元分析，运动仿真AbstractInthe21stcentury,thedevelopmentofscienceandtechnologyischanging,allkindsofthecontinuousdevelopmentofinformationtechnologyprogress,pushtheprogressofthevariousfieldsofsocialproduction,especiallytheapplicationofautomationtechnology.Stackingtechnologyisactiveinrecentyearsanewtechnologyinthefieldoflogisticsautomation.Stackingtechnologyreferstotheconceptofinthedailylogisticstransportationprocess,inordertoachievethe青岛大学本科毕业设计（论文）implementationoflogisticsactivitiessuchasmaterialhandling,loadingandunloading,thedesignofacertainmaterialstackingintocribmodel,thismodelisbasedontheideaofintegrationofunitized,thiskindofstackingtobuttressachievelogisticstechnologyisthepallet.Weatthesametimeofpalletizingtechnology,inventedthepalletizingrobot.Palletizingrobotisbasedonthepalletizingtechnology,itisakindofhavethespecialfunctionoftherobot,hasthecharacteristicsofverticalmulti-jointtype.Sinceproduced,palletizingrobothasbeenwidelyusedinthedifferentfieldsofsocialproduction,suchasfoodprocessing,petrochemicalindustry,etc.Fordifferentparametersofdifferentlogisticsforstacking,palletizingrobotcanthroughownhostcomputertothecorrespondingparametersetting,thusfurtherrealizethepalletofdifferentproductpackagingrequirements.Thedevelopmentofmodernlogistics,totherequirementofpalletizingrobotalsopresentsthetrendofmoreandmorehigh,suchastheimprovementoftheprecisionofthematerialofthepallet,palletizingrobotmusthavecertainrigidityandintensity,preventmistakesappearedintheprocessofhandling.Thispaperistodesignakindofpalletizingrobotmechanicalparts,materialsusedinautomaticproductionlineofthepallet.Inthedesignofpalletizingrobot,ismainlytheresultofmechanical,electronic,andpalletizingrobotsoftware,etc.,accordingtothecharacteristicsofthedifferentaspectsofcomprehensiveanalysis,realizethedesignofpalletizingrobot.Keywords:palletizingrobot,finiteelementanalysis,motionsimulation1绪论1.1课题的来源及意义1.1.1课题来源码垛技术是近年来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术，它常用于食品饮料、化工、煤炭等大批量生产场合。本课题包括码垛机器人本体设计的以下内容：从机器人构型的确定到设计参数的确定和分配，从机器人工作空间到动态静力学的计算以及各关节驱动力矩的计算，从关键零部件有限元边界条件的确定到零件的优化。该题目是指导老师自拟项目。青岛大学本科毕业设计（论文）1.1.2课题研究的背景及意义日本与瑞典是世界上第一个把工业机器人技术应用在货物搬运、码放的国家。二十世纪六七十年代日本将工业机器人技术用于码垛作业。瑞典ABB公司在一九七四年开发制造了世界上第一个应用于搬运、码放作用的机器人IRB6。随着科学技术的不断发展，西方发达国家的工业机器人技术突飞猛进，都开发出了自己的码垛机器人，如日本、德国、瑞典等（图1．1）。目前日本、德国、瑞典等国家的主流机器人厂家都拥有标准化的码垛机器人产品。瑞典ABB公司的IRB系列；日本FANUC公司的M-系列；德国KUKA公司的有KR系列等。如欧美等一些国家的自动码垛技术已经日趋成熟，码垛机器人的各项功能都在不断发展，不断应用于各个方面。码垛机器人的组成方式包括机械本体、控制器、伺服驱动器和检测传感装置。大多数码垛机器人是采用连杆式关节型机构的形式。关节型机器人是采用仿生学的原理，模拟人类搬运重物时的动作特征，即人类搬运物件时上肢以及腰部的动作特征，所以关节型机器人一般有底座、大臂、小臂、手腕及末端执行器这五部分组成。例如德国KUKA公司的KR180-2PA型码垛机器人，它的运动由四个关节的驱动完成，包括底座的水平旋转运动、连杆臂和小臂的法向旋转以及末端执行器的水平旋转[2]。自从上世纪八十年代以来，在国家的支持下，通过数十年的不断研究、发展，我国的码垛机器人技术研发发明取得可可喜的成绩。可以将码垛机器人的发展进程分三代。第一代机器人，多为示教再现型工业机器人，但对外部信息不具备反馈能力；第二代机器人，开始使用内部传感器，能够自动探测外部的环境信息。虽然还没有开始使用人工智能技术，但是机器人和环境已经可以进行互动，能够自动适应外部环境；第三代机器人，采用人工智能，能够更好地适应外部环境。现在码垛机器人在生产中主要应用于以下两个方面。一个是环境比较恶劣甚至对人身安全造成威胁的场所。这个方面的作业对人身危害较大，不利于健康甚至会威胁生命而不适宜人去干。比如在冲床上下料、采矿、锻造等。第二个是自动化生产领域。码垛机器人可用来搬运、堆放、卸货、抓取零件重新定向等作业。一个应用于抓放零件的机器人工作较简单，较少的自由度就能满足，而一个给零件定向作业的机器人要求更加精确，要有更多的灵活性，所以要较多的自由度才能满足使用要求。使用机器人生产可以节约人力，提高效率、避免材料浪费，生产更稳定，质量更有保证，并消除了危险岗位，从根本上杜绝了危险事件的发生，从而降低成本，加快周转。现在正是码垛机器人研发的黄金时间，在工业发展比较先进的国家，工业机器人的研发与制造已经形成较大规模。全世界每年的码垛机器人销售额已达百亿美元。尽管如此，工业机器人仍在取得日新月异的成就。青岛大学本科毕业设计（论文）我国工业机器人的发展和应用前景巨大。由于我国工业发展起步较晚，拥有较多的廉价劳动力，严重阻碍了工业机器人的发展。只有从国情出发，才能加快我国工业机器人的发展和运用。要想提高机器人的生产精度、运动速度，降低生产成本以及提高稳定性，就要将工业机器人的部件标准化、模块化。近年来开发的重点是组合型机器人。组合型机器人是使用标准模块组合而成。不仅是机器人使用的电机、传感器可以标准化，甚至是手臂、手腕以及底座等都可以实现标准化生产。现在机器人生产领域越来越广泛，对机器人生产精度的要求也越来越高，需要开发微动机构来增加机器人的精度，以适应高精度的生产要求。现在，我国的码垛机器人技术还远远的落后于国外发达国家。包括应用领域、生产技术以及产品的稳定性方面都比较落后。国内的工业发展起步较晚，应用规模也远低于国际平均水平，国内拥有的工业机器人还不足千台，不足世界的万分之十。我国研发码垛机器人的公司主要有三家：沈阳新松机器人公司、安川首钢机器人公司和哈尔滨博实机器人公司。上海交通大学机器人研究所开发出的新一代TPR系列码垛机器人，性能稳定，运行速度快，生产能力与哈工大推出的码垛机器人不相上下。性能超越了ABB，KUKA等国外品牌机器人。可应用于食品、饮料、啤酒等各个领域，可以满足各种生产线的不同产品的码垛需求。2004年哈尔滨工业大学推出了一条全自动化的包装码垛生产线，涉及机械、电子、计算机等多个学科，解决了生产过程中产品不准确，速度慢等难题，而且电子称量的误差小，不超过0.1％。生产效率高，每小时可达1600以上。宝鸡新科研制出的RMD70型码垛机械手，具有结构紧凑、外形美观、占地面积小等特点；苏海新等人开发了一种新型码垛机器人，拥有四个独立自由度，用四台伺服电机控制机器人的生产运动，完成精度较高的动作。李成伟等人以搬运机器人为蓝本，研究开发了一种具有四个独立自由度的并联搬运码垛机器人，对不同的需求，可以使用不同的手臂抓取，实现对不同物件的搬运以及码放；杨灏泉等人研究开发了一种4自由度水平多关节的SCARA机器人，可以同时实现拆垛作业和码垛作业。工业机器人以及成为先进制造业中不可或缺的重要装备和必要手段，工业机器人的技术水平也成了衡量一个国家科技制造水平的重要因素。根据相关统计表明，工业机器人主要应用于汽车及汽车零部件的生产，占整个机器人市场的61%，金属制品业占8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占7%，食品工业占2%，其他工业占15%[3]。目前，我国主要从日本进口工业机器人，现在我国逐渐从劳动密集型生产向现代化制造业方向发展，虽然机器人的拥有量达到了一定的规模，但是还远远落后于发达国家的水平。汽车工业方面每百万名生产工人平均占有的机器人数量，（日本1710台、意大利1600台、美国770台、英国610台、瑞典630台，而青岛大学本科毕业设计（论文）我国还不到90台），我国相