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引言
在熱炒的工業(yè)4.0時代，在以勞動密集型為主導(dǎo)的中國制造也悄然發(fā)生著變化，如富士康大舉引入工業(yè)機(jī)器人、東莞制造業(yè)大規(guī)模引進(jìn)機(jī)器人生產(chǎn)等等。工業(yè)機(jī)器人能適應(yīng)基本的運(yùn)動要求，同時能耐高溫、耐腐蝕，能適應(yīng)各種的工作環(huán)境，像日本核電站泄漏事件也是有探測的機(jī)械人經(jīng)過遠(yuǎn)程控制進(jìn)入現(xiàn)場勘查。通過綜合機(jī)械結(jié)構(gòu)、感應(yīng)器控制器和伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)電一體化自動生產(chǎn)的功能并可重復(fù)編程，實現(xiàn)了一系列動作的自動化和快速響應(yīng)，不僅大大地提高了產(chǎn)能，而且進(jìn)一步的使工人的勞動強(qiáng)度在合理范圍，改善勞動條件，大大地降低生產(chǎn)成本。
碼垛機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人中一種重要類型，所謂碼垛，是指按照集成單元化思想，將一件件的物品按照一定的形式堆碼成垛，以便使單元化的物垛完成對物料的搬運(yùn)、裝卸、運(yùn)輸、存儲等物流的活動。從碼垛的概念我們可以知道，碼垛技術(shù)就是實現(xiàn)了“物流”自動化，通過驅(qū)動元件使末端裝置到達(dá)指定位置，而后按照設(shè)定的指令使末端裝置運(yùn)動，抓取目標(biāo)物件并使它的空間位置發(fā)生轉(zhuǎn)移從而實現(xiàn)碼垛的自動化。在倡導(dǎo)工業(yè)產(chǎn)能升級的今天，碼垛技術(shù)有著極其重要的位置，碼垛機(jī)器人的反應(yīng)是否靈活快速、是否穩(wěn)定可靠、是否結(jié)構(gòu)輕便、信息能否傳達(dá)到大的統(tǒng)籌系統(tǒng)當(dāng)中，這都是實際生產(chǎn)中要考慮的問題。
1碼垛機(jī)械手的方案設(shè)計
本次設(shè)計根據(jù)生產(chǎn)實踐出發(fā)，大型糧庫中袋裝大米重量達(dá)30到50kg，如此這般的重復(fù)勞動，使得工人的勞動量將很大。采用機(jī)器人技術(shù)，實現(xiàn)搬運(yùn)的自動化將大大地提高生產(chǎn)效率、節(jié)省人工成本，實現(xiàn)搬運(yùn)操作的柔性自動化，以提高生產(chǎn)效率。
本設(shè)計主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要工作內(nèi)容有以下幾點：
1）了解搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，掌握碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點以及基本構(gòu)成部分。
2）對碼垛機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計，方案確定后，對各個細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計。包括腕關(guān)節(jié)電機(jī)、軸承、減速器的選擇；臂部材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、受力分析、關(guān)節(jié)處銷軸的校核、關(guān)節(jié)軸承的選型；傳動系統(tǒng)的設(shè)計：電機(jī)、同步帶、軸承的選型，滾動絲杠、滑動導(dǎo)軌的選型與校核；腰部電機(jī)、減速器、軸承型號的選擇：抓手的運(yùn)動形式、握緊力計算、驅(qū)動氣缸選擇。
3）機(jī)械本體的運(yùn)動分析與執(zhí)行末端的中軸線始終垂直及執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
目前，我國采用的碼垛機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)形式有直角坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型。直角坐標(biāo)為四軸機(jī)器人，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動同步帶運(yùn)動，繼而帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動。它具有定位精度高、便于空間軌跡求解、控制簡單的特點，但相應(yīng)的是運(yùn)動速度較低、操作靈活性差、占用工作空間大而相對工作范圍小的不足。與之相比，關(guān)節(jié)型機(jī)器人有著更大的動作空間、占用空間小、有著更高的適應(yīng)能力和更廣的應(yīng)用范圍。
考慮夾取的糧袋的大小和適用環(huán)境，決定采用關(guān)節(jié)式機(jī)器人，來實現(xiàn)30到50kg重量的糧袋的上下料。參照日本某公司的碼垛機(jī)器人工作過程與運(yùn)動過程，選用以下方案：采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的原理保證手腕的軸線垂直，大、小臂則由絲杠平臺帶動。選定好伺服電機(jī)，通過同步帶輪使絲杠轉(zhuǎn)動。同步帶的選用很大程度上減少了空間體積，也使得機(jī)械手更加靈活可動。絲杠平臺則安放在一個支架上。夾持末端則考慮選用兩端安置氣缸作為動力裝置。對于位置確定，擬在底座安放一個位置檢測感應(yīng)器來感應(yīng)物品，抓手位置的氣缸則需要安裝磁感應(yīng)開關(guān)，反饋氣缸位置信息。系統(tǒng)初定為基于PLC的設(shè)計。
如圖所示，選取該機(jī)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計。

總體設(shè)計思路：
本文中的機(jī)器人設(shè)計運(yùn)動范圍可達(dá)1.8米，腰部、腕部可以回轉(zhuǎn)330°，運(yùn)動組成還有大臂的上下運(yùn)動、小臂的前后運(yùn)動。驅(qū)動原件選用伺服電機(jī)驅(qū)動，抓手的驅(qū)動部件則選用氣缸，以使結(jié)構(gòu)更加的簡化并使重量得到輕化。
腕部的設(shè)計關(guān)鍵是要保證其軸線始終垂直，并要選用較輕的電機(jī)，由于需要的轉(zhuǎn)速低且所需轉(zhuǎn)矩不高，可選用的電機(jī)類型較多。
機(jī)械手臂為主要承載，選用8mm鋼板焊接而成，主要受力的大臂中間還焊接有4mm方形鋼管。小臂在與前后大臂軸連接處各焊接一個襯套，以此保證運(yùn)動的平穩(wěn)性，最終通過軸承與大臂連接。軸承選用圓錐滾子軸承和深溝球軸承。
考慮運(yùn)動的穩(wěn)定性和可靠性，需要做的工作有：對絲杠、導(dǎo)軌的選用和校驗；銷軸的計算與選用。
腰部選用中低速電機(jī)，根據(jù)運(yùn)動特性選用推力球軸承。
2碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計
碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計：

腕部直接承受執(zhí)行末端負(fù)載的重量，伺服電機(jī)接減速器為末端變化位姿傳送動力，減速器接法蘭連接盤。由腕部托架為支撐，軸連接處為拉架軸。
3機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
3.1機(jī)構(gòu)的受力分析
在運(yùn)動過程中，H方向的絲杠副主要受到摩擦力的影響，V方向的則是受到來自Z軸方向的力。當(dāng)出現(xiàn)如圖所示的運(yùn)動狀態(tài)，及當(dāng)AC垂直BF且AC垂直CB時，兩滾珠絲杠副承受的載荷最大。AC為小臂，BF、CB為前后大臂。
腕部直接承受執(zhí)行末端負(fù)載的重量，伺服電機(jī)接減速器為末端變化位姿傳送動力，減速器接法蘭連接盤。由腕部托架為支撐，軸連接處為拉架軸。
3機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
3.1機(jī)構(gòu)的受力分析
在運(yùn)動過程中，H方向的絲杠副主要受到摩擦力的影響，V方向的則是受到來自Z軸方向的力。當(dāng)出現(xiàn)如圖所示的運(yùn)動狀態(tài)，及當(dāng)AC垂直BF且AC垂直CB時，兩滾珠絲杠副承受的載荷最大。AC為小臂，BF、CB為前后大臂。

根據(jù)實際的工作需要我們設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)為AB=1170，BC=260mm，CD=1080mm，DE=240mm，點A到五邊形的中心線長度為d=150mm。
在上圖的符號當(dāng)中我們把G1定為電動機(jī)及負(fù)載的重力總和，碼垛的物品最大達(dá)到50KG，腕部的部件重力達(dá)到100N，M則為圍繞點A的電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩總和M=G1×d=200×150×10-3=90N·m，小臂選用的材料為Q235，重量達(dá)到400N。
3.2手臂關(guān)節(jié)軸承的選型與校核
手臂由于承受的載荷很大，所以手臂需要設(shè)計成剛度大，以保證運(yùn)動的可靠性，還有由于小臂的較好的運(yùn)動響應(yīng)，則需要設(shè)計成為重量較輕，這就要求我們選取小臂的截面形狀，以保證小臂能選取到較大的剛度并防止小臂發(fā)生彎曲變形。同時，我們根據(jù)實際的工況，相應(yīng)地設(shè)計手臂的懸伸部分。
通過小臂剪力圖可以知道當(dāng)往B靠近時，小臂的彎矩就越來越大，所以在所結(jié)構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中，往B點靠近的部分要增大尺寸，而其他的部分則采用均勻餓的的尺寸分布。B點選用銷軸方式作為聯(lián)接，銷軸的承受載荷就很大，所以必須對它進(jìn)行校核，以保證運(yùn)動的可靠性，穩(wěn)定性和耐用性。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》及相關(guān)資料的查詢，我們選用的軸承為自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承，它的特點是既能承受徑向載荷，同時還能承受另外一個方向較小的軸向載荷。根據(jù)相關(guān)的技術(shù)要求選軸承的型號為GE25ES-2RS，當(dāng)中d=25mm。

4豎直滾動導(dǎo)軌副的計算選型
直線滾動導(dǎo)軌副的設(shè)計需要考慮工作載荷，它除了保證工作的可靠性，還關(guān)系到導(dǎo)軌副的工作使用壽命。通常我們布置平臺采用的為雙導(dǎo)軌，一導(dǎo)軌上有兩個滑塊的形式?？紤]最為極端的情況時，一個滑塊承載所有的工作載荷，這時我們對垂直方向的載荷進(jìn)行分析：

式子中：F=F2；
G=800N。
（F為外加載荷、G為移動部件的重量總和）將相關(guān)的數(shù)值代入（4-12）可以得到：

根據(jù)計算結(jié)果，考慮工作載荷承受狀況，選用型號為SBSF20V滾動導(dǎo)軌，額定動載荷Ca=7.81kN，額定靜載荷Coa=13.78kN?？紤]滑塊的尺寸大小和導(dǎo)軌的承受載荷能力，確定導(dǎo)軌的長度為820mm。
根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，導(dǎo)軌的預(yù)期額定壽命是50km，實際的計算數(shù)值206.01km遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定值，故可以得知所選的導(dǎo)軌符合設(shè)計要求。
5末端裝置設(shè)計與計算
傳統(tǒng)的機(jī)械式和液壓式的抓手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，而氣動驅(qū)動的機(jī)械手則有美觀和輕巧的優(yōu)點，而且價格便宜，能更好的組合到末端裝置上，具有穩(wěn)定性和可靠性。
根據(jù)氣動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)，設(shè)定其工件的質(zhì)量G=50kg，“V”形抓塊的角度2θ=120°，b=400mm，a=230mm，摩擦系數(shù)經(jīng)過查表可知：f=0.1。
（1）的模式是手部垂直抓取，根據(jù)傳動的示意圖可以知道，它的驅(qū)動力為：

從計算結(jié)果可以知道夾持物件所需要的夾緊狀態(tài)需要氣缸的驅(qū)動力為2773.74N。
6總結(jié)
本設(shè)計是關(guān)于新型智能糧食碼垛機(jī)械手的設(shè)計，對于碼垛機(jī)器人，根據(jù)其工作要求，在設(shè)計時重點是要注意機(jī)械手的自由度，保證它的靈活性，滿足抓取、碼垛、和上下料等作業(yè)，操作過程是由2種氣缸組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動，系統(tǒng)可采用可編程控制，程序簡單且便于調(diào)試。機(jī)械手可在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于柔性自動線上。機(jī)械手多半由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，能適應(yīng)較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作和生產(chǎn)效率。

作者：廖奇

深圳市卓禾儀器有限公司是一家專門從事稱重儀表和全自動包裝碼垛生產(chǎn)線的研發(fā)及生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，所生產(chǎn)的JY500系列稱重顯示控制器（包括配料秤儀表、皮帶秤儀表、包裝秤儀表、重量變送器等）高速高精度，使用壽命長。卓禾儀器有十?dāng)?shù)年的現(xiàn)場校驗經(jīng)驗，在業(yè)內(nèi)有良好的口碑，且有專門的售后工程師幫忙解決產(chǎn)品使用過程中遇到的技術(shù)問題，客戶可以放心省心順心的使用我司的產(chǎn)品。如果對我司的產(chǎn)品感興趣，歡迎咨詢。