116061 - 徐扬 - 一种用于水泥包装生产线的码垛机器人的结构设计

河北工业大学城市学院

毕业设计说明书

作者：徐扬学号：116061

系：机械工程系

专业：机械设计制造及其自动化

题目：一种用于水泥包装生产线的码垛机器人的结构设计

指导者：戚开诚讲师

(姓名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓名) (专业技术职务)

2015 年 5 月29 日

河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书

毕业设计中文摘要

题目：一种用于水泥生产线的码垛机器人的结构设计 摘要： 本设计为一种应用于水泥生产线的码垛机器人的结构设计，本次设计的主要内容有以下几点： 1. 查阅文献，了解码垛机器人的课题背景，将所查到的资料进行综合整理，对国内外的码垛机器人研究现状进行了解和学习，从而对码垛机器人的结构设计有了初步了解。 2. 对机器人的结构形式进行选择和优化，尽可能减轻机器人的质量，减小机器人的体积，使之运动更加灵活。在此基础之上选择适合机械手的驱动方式，经过综合的对比，最终选择了科尔摩根AKM伺服电机以及日本帝人RV系列减速器。 3. 结构设计完成后，选用Solid Works软件来设计主要零部件，创建虚拟样机模型。 4. 最后进行运动仿真，生成动画，并且绘制装配图和主要零件的零件图。 关键词：水泥，码垛机器人，结构设计。 河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书

毕业设计（论文）外文摘要

Title： A structural design of palletizing robot for cement production line Abstract： The design is a structural design of palletizing robot for cement production line.The content of this design mainly has the following points: 1.Consult the literature,we know about the project back ground of the palletizing robot.We put the information to make a comprehensive arrangement，learn about the research status of palletizing robot at home and abroad.Then we have the preliminary understanding of palletizing robot. 2.Choose and optimize the structure of the robot，reduct its quality and volume as far as possible,which makes its movement be more flexible.On this basis to choose a suited drive way for the mechanical arm.After a comprehensive comparison, we chose cole Morgan AKM servo motor and Japan teijin RV reducer series at last. 3.After the completion of the robot structure design, using Solid Works software to design the main components and build the virtual prototype model. 4.The last,to do a movement simulation,generate a animation,and draw the assembly drawing and part drawing of main parts. Keywords： cement palletizing robot structural design

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目 次

1 引言（或绪论）??????????????????????????????1 1.11.21.31.4

码垛机器人的课题背景??????????????????????1 码垛机器人的研究现状??????????????????????1 码垛机器人的研究内容及方案初步设计???????????????4 任务书要求完成进度??????????????????????? 5

2 水泥码垛机器人总体方案的确定?????????????????????6 2.1 水泥码垛机器人结构形式的选择????????????????6 2.2 码垛机器人结构设计总体方案的确定????????????????7 2.3水泥码垛机器人传动方案的设计????????????????10 2. 4 水泥码垛机器人结构具体设计???????????????????12 3 水泥码垛机器人工程图的设计??????????????????18 3.1 水泥码垛机器人结构形式的选择?????????????????18 3.2 码垛机器人设计过程中的计算与校核???????????????18 结论???????????????????????????????25 参考文献??????????????????????????????26 致谢??????????????????????????????29

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1 引言（或绪论）

1．1 码垛机器人的课题背景

水泥产业自从被发明出来就成为了在建筑方面无可替代的建筑材料。经济建设的同时，道路工程、水利水电、城市改建和扩张等基础建设发展迅猛，因此作为建筑材料的水泥每年都会大幅度增长，而水泥加工车间的高粉尘污染、码垛环节劳动强度大、劳动成本的暴涨等导致企业面临严重的用工困难等问题。据此，不断实现我国由“中国制造”向“中国创造”转变、提高生产效率、实现全自动化生产线的需求越来越迫切。

码垛机器人是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品。水泥码垛机器人技术在水泥生产过程中可以提高劳动生产效率、降低水泥的成本、使工人不再那么辛苦、改善工人的工作环境，拥有很高的经济和现实意义。日本、德国、美国在码垛机器人的开发中已取得了很好的成绩，我国则是初生婴儿，还需继续努力，抓紧提高研究水平。

[1]

1．2码垛机器人的研究现状

国外研究现状：

最早应用码垛机器人的国家是日本和瑞典。在上世纪70年代末期，日本首次使用了码垛机器人进行作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运[2]。另外，对机器人的研究有很好的水准的国家还有德、韩和意大利等国家。日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家靠着计算机技术、机器人技术以及人工智能控制等技术的不断发展，在包装码垛机器人的研究上做了很多工作，相继推出了属于自己的码垛机器人，如瑞典国家研发的ABB系列、德国研发的的KUKA系列（见图1.1）、日本研发的的FANUC和OKURA以及FUJI系列等（见图1.2）。这些码垛机器人轴数一般为4～6轴。一般采用铸铝材料来制作机器人主体，这种材料很轻巧，机构

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型式为带有连杆的关节型，全部进行了结构的优化，机械和抵抗震动的性能很好。

图1.1德国KUKA码垛机器人

图1.2瑞典ABB码垛机器人和日本FANUC码垛机器

国内研究现状：

我国初次使用码垛机器人是在80年代，引进了大型石化设备。随后在上世纪90年代初期，我国开始了对码垛机器人的研发，并在“863计划”的支持下进一步加强了全自动包装机器人码垛生产线的开发，使科研成果更好地实现产业化

[3]

。我国伴随着改革，开放对于工业机器人的开发也取得了一定的进步，其中，

码垛机器人也获得了进步。

我国自主研发的机器人主要有直角坐标和关节型两种形式。直角坐标码垛机器人为4轴机器人。4根运动轴分别对应直角坐标系中的X轴、Y轴、Z轴以及Z轴上带有的一个旋转轴。直角坐标机器人可以在空间直角坐标系里进行编程控制，

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能够实现搬运物体、操作工具等各种作业。直角坐标机器人的定位精度较高，用计算机控制时很简单方便，因为是直角坐标，很有规律，所以空间的轨迹容易求解，但他需要的空间比较大、运动速度相对较低，灵活性一般。

相对于直角坐标型而言，关节型机器人更加灵活，通常是5～6轴，工作轨迹几乎可以达到空间的任何位置。为了提高我国的关节型机器人在市场的占有率，我国近10年出现了很多优秀的、致力于专家企业、产业基地和科研院校。沈阳新松机器人自动化股份有限公司研发出了码垛机器人系统。

哈尔滨工业大学于2004年成功开发出了基于FFS的1600型生产线，精度高，速度快，生产速度可达每小时1600袋。

新一代TPR系列码垛机器人是由上海交通大学机器人研究所和沃迪包装科技有限公司共同研发成功的,采用了独特的线性四连杆机构,用具有高强度的铝合金制作手臂。基于工业PC的控制器系统以及工作环境三维仿真以及干涉的检测方便可靠,操作和维修简单。

国内机器人如图1.3所示。

图1.3 国内码垛机器人

存在的问题：

尽管日本、德国等国家在码垛机器人研发工作中取得了很好的成绩，我国在近几年的研发中也相应取得了一定的成效，但是目前码垛机器人仍存在部分不容忽视的问题。

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(1)码垛能力受限制。目前的码垛机器人一般采用2个平行四边形机构并联的方式来控制腕部动作，可以省去腕部的电机，同时他可以起到平衡作用，使手爪始终处于水平位置，但这样也使机器人本体结构变得复杂，增加了重量，使机器人不够灵活，影响机器人的工作效率。

(2)可靠性、稳定性需提高。抓取、运输和码垛动作往复进行，这便要求码垛机器人平稳性好，保证有很高的重复定位精度,累积误差将不会越来越大导致堆放不稳。

(3)成本高、品种繁多。水泥码垛机器人的设计、制造费时费力，造价昂贵，由于其操作环境和对象的不同，用户需求也有多样性。

1．3码垛机器人的研究内容及方案初步设计

研究内容：

码垛机器人具备码垛和搬运两种功能。码垛的过程就是把一定大小的规整产品按照一定排列样式码放在托板上[4]。

（1）水泥码垛过程中，提高码垛质量和生产率是关键，确保安全性，使工人工作环境变好，同时节省原料并降低成本。在水泥生产过程中使用机器人，可以提高生产速率，使码垛整齐，避免不必要的浪费。

（2）希望通过研究，结合所学知识，提高水泥码垛机器人的灵活性、可靠性、稳定性。高速码垛机器人可以选用6自由度垂直多关节型机器人，但最常使用的还是4自由度水平多关节型机器人。[5]这种机器人运行速度快，如不考虑末端执行器的动作时间，它具有每小时1100袋的码垛能力。

方案初步设计：

该机器人的臂部连接在可以旋转的腰部上，小臂通过前大臂、后大臂实现搬运和码垛作业。该机器人由4个结构构成，进行4种不同的动作：腰部旋转，上下运动，前后运动和手腕回转运动，且4种运动旋转电机进行驱动。具体结构如图1.4所示。

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图1.4 总体机械结构图

1．4任务书要求完成进度

（1） 1-3周，查阅文献，确定总体设计方案，完成前期报告。

（2） 4-7周，进行装配图的绘制，以及三维装配图的绘制，完成中期报告。 （3） 8周，利用软件进行动画仿真。 （4） 9、10周，拆画主要零件图。 （5） 11、12周，完成论文初稿。 （6） 13周，终稿提交。

（7） 14、15周，成绩评审及答辩。

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2 水泥码垛机器人总体方案的确定

为提高水泥码垛机器人机械系统的控制性能，要求机械传动部件的转动惯量小、摩擦小、阻尼比合理、刚度大，并满足体积小、质量轻、高速、低噪音和高可靠性等要求。[6]由此可见，合理的设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人

［7］

伺服控制性能的基本要求。

2．1水泥码垛机器人结构形式的选择

工业机器人的坐标形式有图2.1 所示五种形式，其特点如下：

1）直角坐标型机器人的运动的笛卡尔方程可以独立地进行处理，容易实现计算机控制；它刚性较大，定位精度不随工作场所而发生变化。然而，它存在运动范围较小，速度较低，密封性较差，所需空间大等不足。

2）圆柱坐标型机器人的工作范围可以扩大，其直线运动具有更大的功率输出。但是，它的运动范围是非常有限的，不可以到达近地面的位置；直线性驱动密封性差。

3）球坐标型机器人的中心架附近的工作范围大，能覆盖更大的工作空间。然而，这种坐标型机器人较复杂，难以控制，以及线性驱动单元有密封问题和工作死区问题的存在。

4）多关节型机器人协调所有关节联合旋转，它是最常见的用于工业用机器人的结构，较低传动装置和驱动装置要求，其控制也较简单，并且具有良好的密封性能。

综合本课题水泥码垛机器人的工况环境，结合控制装置、密封要求、工作空间、经济性等要求，可选择的类型有关节型坐标形式和直角坐标系型坐标形式。

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a)直角坐标型b)圆柱坐标型c)球坐标系型d)关节型坐标型e)平面关节型

图2.1 工业机器人的坐标形式

对两种坐标形式进行进一步对比： 1）机械安装及维护

直角坐标型的每个结构呈现模块化，方便客户自己更换和维修，维修费用低。关节型则有较高的集成化程度，需要专业的人员进行安装和维护。

2）工作精度的对比

直角坐标型机器人由于构造非常简单，重复定位精度为0.05mm，关节型机器人的重复定位精度则为0.06mm。

3）灵活性对比

直角坐标型机器人灵活性较差，所需的空间较大，运动速度较慢；而关节型机器人灵敏度则比较灵活，反应速度较快。

4）根据应用案例，对不同行业的机器人应用情况对比如图2.2。

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图2.2 不同行业机器人应用对比

综上，并考虑到码垛机器人要求较高的重复定位精度，来保证码垛的稳定性，我将机器人设计为两种机器人的综合，在关节机器人的基础上添加可沿直角坐标运动的丝杠结构，精度可达0.01mm。

2．2码垛机器人结构设计总体方案的确定

基本技术指标：

水泥尺寸：水泥袋的尺寸为730×500mm。

水泥质量：约为50kg。加上机械手的重量，总负载设为70kg。 码垛速度：每小时1000袋。 总体方案确定：

码垛机器人工作时实现平移和水平面内的旋转即可，不需要对水泥进行反转，

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故只需四个自由度。

具体运动的实现设计出两种方案。

方案一：后大臂沿丝杠做上下运动，前大臂沿丝杠做左右运动，腰部做旋转运动，实现机器人码垛过程。但是各关节通过铰接轴相连，运动所能达到的空间较小，运动精度不能保证，并且运动轨迹不能确定。如图2.3所示：

图2.3方案一

方案二：在方案一的基础上改进，采用两个平行四边形机构进行并联，使运动轨迹得到保证，铰接轴处需安装关节轴承，以减小摩擦。如图2.4所示：

图2.4方案二

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故选第二种方案。

2． 3水泥码垛机器人传动方案的设计

驱动方式的选择：

经常使用的驱动方法有电气式（电机）、液压式（液压马达）、气压式（气压马达）。这三种驱动方式的特点如表2.1 所示

表2.1 驱动方式对比

种类 特点 优点 缺点 需要添加减速装置；信号和动力的方电气式 向保持一致；有交流和直流的区别 操作比较简单；能进行定位伺服；响应速度快、方便与CPU连接 瞬时输出得功率大；过载性差，易引起事故；受环境噪音的影响较大 能够输出得功率要求操作人员地较大，工作时较平稳，液压式 技术熟练；压力值有有可靠的性能，响应范围的限制 速度快 且易泄露且有污染 大；液压源要求高，设备需要的空间需要工作人员的气压式 技术熟练；压力值有范围限制 操作简单、价格便宜；不用考虑污染问题，速度较快 功率小，所需空间大；有较大的噪音，伺服控制时不稳定 经过对这三种驱动方式进行比较，结合码垛机器人本身的设计目的和控制要求，以及各种驱动方式的优缺点，决定选择电气式电动机驱动。

电机的选择：

需要完成的4种运动全部选择电机进行驱动。由于机器人工作过程中需要电机正转和反转交替进行，故可选用步进电机或伺服电机。机器人运动时旋转速度较低，故选用中低速的电机即可。考虑到步进电机在较低速运行会出现低频振动，而交流伺服电机同时适用于高、低速，性能更加可靠，精度更高。故选用交流伺服电机。对于伺服电机，选用著名厂家科尔摩根AKM的产品，该产品含减速箱、

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编码器以及其它附属件，拥有多种机型，可以很好的实现控制功能。

选择电机，要确定4点要求：a）机器人运动所需要的转矩，以及相应的速度。b）在不同地负载下的持续工作时间。c）机器人运动过程中所需要的加速度。d）机器人运动负载的转动惯量。再由功率和能量守恒，所有参数要折算到电机输出轴上。

电机及其配套装置的选取如表2.2所示。

表 2.2 各关节驱动装置

[8]

电机 减速装置 关节最高角速度 腰部回转关节 AKM83T φ22mm RV-400C-35.6-A-B 100°/s 水平位移旋转电机 AKM83Tφ22mm 同步带 100°/s 竖直位移旋转电机 AKM83Tφ22mm 同步带 100°/s 手腕回转关节 AKM72L φ14mm 谐波减速器 180°/s 注：相关参数可参阅《帝人RV减速器样本》和《科尔摩根AKM伺服电机选型指南》

传动方式的选择：

可以采用的传动方式有齿轮传动、链传动、带传动等。其各自优缺点对比如表2.3所示：

表 2.3 各传动方式优缺点

优点 缺点 齿轮传动的传动比精确，齿轮传动 可以承受较高的转速和扭矩 需要润滑，有噪音，成本高，反向运动时有冲击。 链传动 由于有啮合动作，传动比成本较高，运转时会产生振- 11 -

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准确，工作相对可靠，传动和冲击，所以运动中平稳动效率高 性不好，产生噪音，容易磨损，不宜用在急速反向的传动中 结构简单，有缓冲吸震的作用，因此在传动过程中比较平稳，传递动力的距带传动 摩擦型带传动（平带传动、三角带传动）在运动过程中会产生过载打滑，使传动比不准确，适用于低速场合 离较大，可在多个轴间进行动力的传递，价格便宜且不需润滑，维护简单方便 同步带传动由于啮合动作，可保证传动比准确，同步带传动 不产生打滑，具有带、链和齿轮传动的优点 将旋转运动转换为直线运动，并能以很小的转矩螺旋传动 吸收载荷变动的能力较差 得到较大的轴向力。结构比较简单，运动时平稳性好、没有噪声 工作效率很低 综上，结合码垛机器人在运动过程中往复动作等特性，初选用传动方式有同步带传动和螺旋传动中的滚珠丝杠传动。

2. 4水泥码垛机器人结构具体设计

手爪：是码垛机器人的主要结构，工作性能结构简单新颖，质量小，对机器人的整体工作性能具有非常重要的意义。经常使用的手爪有夹抓式的机械手爪（应用在速度较高的码袋作业）、夹板式的机械手爪（应用在长方体箱子的码垛作业）、真空吸取式的机械手爪（应用在方便吸取的扁平、截面积大、质量小的

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物体码垛）、混合抓取式的机械手爪（应用在不同位置的合作抓取的码放）。故在此选用夹抓式机械手爪。

手爪采用两个夹紧气缸来实现夹紧水泥和松开水泥动作，另有两个压紧气缸将水泥压紧，防止水泥在搬运过程中被甩出。如图2.5所示：

图2.5机器人手爪结构示意图

机器人手爪的造型为轴对称结构，创建三维图时分两次镜像，第一次镜像结果如图2.6所示：

图2.6机器人手爪第一次镜像结果

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第二次镜像结果如图2.7所示：

图2.7机器人手爪第二次镜像结果

最终创建其三维图如图2.8所示：

图2.8机器人手爪三维图

手腕：主要传动路线为伺服电机→同步带→谐波齿轮减速装置→机器人手爪；同步带轮需要较高的按章精度，需要严格控制中心距，安装距离较长时要添加张紧轮，或者使中心距可调，故添加电机调节板。手腕需要克服水泥和手爪产生的转动惯量和向下的拉力，采用深沟球轴承。如图2.9所示：

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图2.9手腕传动装配图

腰部：主要线路为伺服电机→联轴器→RV减速器→手爪部分；RV-C系列减速器拥有一套大型的内角轴承，可以承载较大的载荷，不需要添加外部的支撑，可以为设计者的设计提供方便，节省成本。腰部旋转结构主要靠克服负载带来的转动惯量，帝人RV-C型减速器自带大型内角轴承，故不需自己设计旋转支撑部件。如图2.10所示：

图2.10腰部传动装配图

水平和竖直运动：主要传动路线均为伺服电机→同步带→滚珠丝杠。伺服电机经过同步带减速并带动滚动丝杠转动，使滑块产生水平或竖直方向的位移。如图2.11所示：

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水平方向 竖 直 方 向

图2.11水平和竖直传动

手臂：

机器人手臂部分主体结构为两个并联的平行四边形结构，采用三角形平衡板，结构稳定，可以平衡使手爪处于水平状态。拉杆和平衡板各连接关节采用拉杆球头结构。手臂结构装配图如图2.12所示。

图2.12手臂结构装配图

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总体装配图如图2.13所示：

图2.13码垛机器人总装配体

3 水泥码垛机器人工程图的设计

3．1 水泥码垛机器人结构形式的选择

结构参数的确定：

机器人开始设计之前，对人的手臂进行分析，使机器人的动作接近于人类甚至比人类更好。人的整个手臂可绕一条直线连接两个自转球形对，在不改变手的位置和方向，利用这一功能的优点是可以很容易地避免一些障碍和清除腕肩奇出现形状。基于解剖学的知识每只手的运动范围显示，前部和后部臂人的长度分别为0.206倍和该人的0.22倍的高度。[9]

参考同类机器人选取的的运动参数，结合本课题机器人工作时的实际情况，

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初步选取其结构参数和运动参数：

结构参数：

腰部回转半径d：350mm 大臂长a：2000mm 小臂长b：1800mm 运动参数：

腰部回转关节α：-180°——+180° 大臂摆动关节β：0°一一+180° 小臂摆动关节θ：0°一一+120° 手腕旋转关节γ：-180°一一+180°

3．2码垛机器人设计过程中的计算与校核

手腕处的旋转电机的选取计算：

水泥和手爪的总重约为70kg，码垛速度约为1000袋/分钟； 电动机所需的工作效率

Pw

P??=

ηΣ（3-1）

式中：PW为电机的有效功率，单位为kW，由电机的工作阻力和运动参数确定； η

Σ

为从电动机到手爪的总效率。

同步带的传动效率设为η1=0.98，

2

ηΣ=η1 =0.982=0.96

T=FL （3-2） ????P??==3.66kW

9550则Pd=3.82kW，转速n取1500r/min。由此选取电机型号为AKM72L。对应同步带减速比为3:2。

水平位移和竖直位移结构所用电机的选取计算：

机器人手臂及腰部的材料选用优质轻巧的铸铝材料（ZL401），密度取为2.95kg/m3，该材料具有较高的强度，铸造性好、价格便宜等优点。底座需承受

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大臂及以上结构的全部重量，故材料选为HT200，该材料铸造性能和减震性能好，主要用来铸造承受压力及震动的部件，根据GB/T9439-2010可查得HT200的密度为7.15kg/m3。由此可估算出机器人腰部及以上结构的重量为200kg。

水平方向传动结构和竖直方向传动结构受力基本相同，传动方式同样选取同步带，故

η??=0.96

T=FL=200×0.11=22N.m P??=

????

=2.3kW 9550故两个电机均选为AKM83T型号电机。 腰部旋转机构所用电机的选择：

T=FL=200×0.16=32N.m

类似可选出腰部旋转机构电机，为AKM83T型号电机。

腰部旋转机构所用减速器：机器人腰部及以上结构的重量为200kg，T=32N.m，

根据图3.1可选出对应减速器型号为：RV-400C-35.6-A-B

图3.1 RV-C系列减速机性能参数表

夹紧气缸的选择计算：

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水泥的重量为50kg，连同手爪和连接件的重量，取系数为1.4，则总重：

??=500×1.4=700??

对气缸传动系统进行受力分析，求得每个夹紧气缸需提供的力为：

??1=??2=350??

假定气缸的使用压强为0.5MPa,则由公式：

F=PS （3-3）

1

S=????2

4 （3-4） 可得：

4??D= =29.85????

????选用西门子的CM2系列标准气缸，取缸径为32mm，行程为100mm。 选取夹紧气缸的型号为CDG1U32F-100J-H7BW。 夹紧气缸的基本尺寸如图3.2所示：

图3.2夹紧气缸的基本尺寸

前立柱下轴的受力分析与校核计算：

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进行轴的强度校验时，根据在负载和应力作用下轴的实际情况，采取合适的校验方式并选择合适的许用应力。对于只承受扭矩地轴应进行扭转强度条件计算；对于只能承受弯矩地轴，应按照弯曲强度条件计算；对于同时承受扭矩和弯矩的轴，应该按照弯扭组合强度条件计算。

按弯扭合成强度条件计算：

通过对轴的结构设计，轴的基本参数和受力情况可以确定，一般轴可以计算按照弯扭组合强度条件计算。计算步骤过程如下：

1. 做出轴的计算简图

轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算过程中，将轴收到的分散的载荷折算为集中力，作用点一般为载荷分布的几何中点。扭矩则一般取为轮毂宽度的中点计算。一般支反力的作用点与轴承的类型和位置有关。在做计算简图时，将轴所受载荷分解为水平分力和垂直分力。然后求出各支撑处的水平反力Fnx和垂直反力Fny。如图3.3所示：

图3.3轴的计算简图

2. 做出弯矩图，如图3.4所示。

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图3.4轴的弯矩图

3. 校核轴的强度

求出轴的弯、扭矩之后，要针对危险截面做弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力：

σ????= ??2+4??2

（3-5）

通常弯曲应力σ是对称循环变应力，而由扭转切应力τ则常是不对称循环变应力。考虑到两种应力影响不同，引入折合系数α，则计算应力为

σ????

= ??2+4（α??）

2

（3-6） 当扭转切应力为静应力时。取α≈0.3；当扭转切应力为脉动切应力时，取

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α≈0.6；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，取α=1。

对于直径为d的圆轴，弯曲应力为

σ=

扭转切应力

????τ==

????2??将?和?代入公式3-6，则轴的弯扭合成强度条件为

??????

(3-7)

式中：??????------轴的计算应力，MPa M-------轴所受的弯矩，N·mm T-------轴所受的扭矩，N·mm W-------轴的抗弯曲截面系数，????3

????3

W= 32 （3-8）

[???1] -----对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，MPa。查机械设计课本表15-1可得， ???1 =55??????。

代入轴数据，前立柱下轴所受扭矩T=0，将M=17000N·mm，α≈0.6，W=2650.719mm代入公式3-7得：??????=6.413MPa?[???1]=55MPa，故满足条件，合格。其余各连接轴也可以按此法校核。

4. 按剪切应力和挤压应力进行校核计算

又由于各轴均不传递扭矩，只做连接轴按成连接件计算。故对其进行切应力和挤压应力的校核，已知各连接轴均采用优质碳素结构钢中的45号钢，其许用切应力[τ]=60 MPa,许用挤压应力[??????]=120 MPa。

a) 切应力的计算

τ=

???? ????2????2 ??2+(????)2= ()+4()=≤[???1]

??2??????

?? （3-9）

????

τ=≤[??]

??- 23 -

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（3-10）

b) 挤压应力的计算

??????=

（3-11）

??????

（3-12）

式中，??????为挤压力；??????为挤压面上的名义挤压应力；??????为挤压计算面积；[??????]为材料许用挤压应力。

由剪切强度条件校核轴的直径 轴的受力情况如图3.5所示：

??????=≤[??????] ??????

??????

??????

图3.5 轴的受力图

轴有两个剪切面，称为双剪切。假想将轴沿剪切面截开，根据任一部分的平衡条件可求得剪应力为

????= ??

2由剪切强度条件，得

2??

≤[τ] ????2所以

2??d≥ ??[??]代入前立柱下轴数据得d≥4.607mm。

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由挤压强度条件校核轴的直径：

挤压力最大处发生在面积最小的地方，故最大挤压应力发生在立柱连接臂与轴的接触处。挤压力为

F????=??

挤压计算面积

??????=??×0.64

由挤压强度条件得

??????

所以

d≥

??

[??????]×0.64??=≤[??????] ??????

代入轴数据得d≥26mm。综合考虑轴的剪切和挤压强度，为保证连接的安全，轴的直径选择d=30是合理的。其他轴如大臂与小臂支撑轴2；小臂与手腕支撑轴3都可以按此法计算校核。

结 论

本文研究了一种用于水泥生产线的码垛机器人的结构设计，本次设计研究了其整体构造，对传动方式进行了细致的比较与选择，对机器人结构主要参数进行了仔细计算，对码垛机器人的具体设计有了详细的设计思路。

在课题的研究过程中主要进行了以下的工作：

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第一，利用三维造型软件Solidworks建立了各个零件的三维图形，并进行了组装，得到了样机的三维形态，这为码垛机器人的后续设计奠定了很好的基础。

第二，使用CAD绘制码垛机器人二维工程图，手绘零部件图。 第三，对三维模型进行运动仿真。

在整个毕业设计过程中，我发现我的知识是很有限的，经验太少，在设计中遇到了各种各样的问题，在毕业设计初期对设计一个完整的机械产品缺少前期的规划和准备经验，在设计中期没有对资料和计算过程进行细致整理导致撰写说明书浪费了许多时间。介于之前的课程设计都是手绘、手算、手写，在本次毕业设计过程中原来手写手算很轻松的工作如复杂公式、符号、力学分析图，在电子文档上书写变得比较费劲，对电子文档的细致的格式要求也不同于以往的手写报告。而且，在本次毕业设计过程中，我学习到许多以往没有涉及的知识，对电机和减速器的选择，轴的校核有了更进一步的认识。

由于知识量掌握太少，我的设计中还有很多的不足之处，请老师批评指正。

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致 谢

本次毕业设计是在戚开诚老师耐心而细致的指导下走向尾声的，戚老师认真负责，知识丰富，在我的设计遇到瓶颈，丝毫没有头绪的时候，戚开诚老师总是能够给我切实可行的建议，使得我的研究可以继续下去。同时，戚老师及时和同学们沟通，及了解我们毕设的进度，使得我们可以在规定的时间内完成毕设的任务，戚老师这种认真，负责的精神使我非常感动，教会了我许多知识。在戚开诚老师身上，我认识到了什么叫兢兢业业，勤勤肯肯。正是戚开诚老师不厌其烦的指导，我才能完成本次毕业设计，改变了我不求甚解的陋习。

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其次，我还要感谢我的父母，给与我精神上和物质上的支持，我才能全身心的投入到设计中去。

最后，感谢我的朋友、同学，在我遇到问题的时候给与我无私的帮助和讲解，感谢所有给与我帮助的人。

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