3面粉碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1面粉碼垛機(jī)器人底座及其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)本文研究的六軸面粉碼垛機(jī)器人底座作為機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的承載部位，同時(shí)還要兼顧調(diào)整工作位置的職能。為了保障底座的穩(wěn)定性和載荷能力，底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)采用蝸桿減速驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于結(jié)構(gòu)的右側(cè)，通過(guò)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪位于底座中心位置，可以有效避免偏心振動(dòng)對(duì)工作精度的影響。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與底座外殼聯(lián)結(jié)，保證了運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)受外在因素的干擾，進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)定工作。動(dòng)力由蝸輪通過(guò)鍵槽傳遞到回轉(zhuǎn)軸上，進(jìn)而傳遞到整個(gè)機(jī)構(gòu)上，使機(jī)器人能夠精確地調(diào)整工作位置，完成碼垛操作。3564123564121.底座2.蝸輪3.伺服電機(jī)4.支撐軸承5.回轉(zhuǎn)軸6.蝸桿圖9底座結(jié)構(gòu)圖3.2面粉碼垛機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)基于作業(yè)任務(wù)需求，本文研發(fā)的六軸面粉碼垛機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)主要由大臂和平衡桿構(gòu)成，各個(gè)關(guān)節(jié)處采用轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)方式，來(lái)保證關(guān)節(jié)的靈活性。底座作為整個(gè)機(jī)器人的承載機(jī)構(gòu)，既要承載臂部和端部結(jié)構(gòu)，又要調(diào)整工作位置。因此，其設(shè)計(jì)還需要考慮靜動(dòng)態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性，腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示。左側(cè)伺服電機(jī)帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腰部機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體調(diào)動(dòng)工作；右側(cè)伺服電機(jī)帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡桿與連桿連接，并與連接座相連，連桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)平衡桿擺動(dòng)，從而連接座轉(zhuǎn)動(dòng)。平衡桿一端與大臂和連桿構(gòu)成平行四邊形，這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保證了端部的中心軸線垂直，設(shè)計(jì)的平衡桿能在一定程度上減少突發(fā)情況帶來(lái)的震動(dòng)問(wèn)題。1.底座2.伺服電機(jī)3.大臂4.連接座5.平衡桿6.連桿圖10腰部結(jié)構(gòu)圖3.3面粉碼垛機(jī)器人小臂設(shè)及腕部設(shè)計(jì)在六軸面粉碼垛機(jī)器人中，小臂和腕部構(gòu)成了機(jī)器人末端的重要組成部分，該部分負(fù)責(zé)與物品進(jìn)行接觸并完成碼垛工作。小臂的具體結(jié)構(gòu)如圖11所示，其運(yùn)動(dòng)由三個(gè)伺服電機(jī)提供動(dòng)力，這三個(gè)電機(jī)分別通過(guò)齒輪的嚙合來(lái)帶動(dòng)小臂軸、腕部軸以及末端夾爪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。1.整體轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電2.支撐座3.腕部轉(zhuǎn)4.末端夾爪轉(zhuǎn)動(dòng)軸5.腕部6.小臂軸7.軸承8.齒輪9.腕部轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)10.末端夾爪轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)圖11小臂結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，本文重點(diǎn)探討了六軸面粉碼垛機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用三軸層層嵌套的方式，并通過(guò)齒輪嚙合的方式帶動(dòng)工作。腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)工作通過(guò)伺服電機(jī)對(duì)大錐齒輪的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，小錐齒輪帶動(dòng)圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱齒輪再通過(guò)小錐齒傳動(dòng)，帶動(dòng)末端轉(zhuǎn)動(dòng)錐齒輪，從而實(shí)現(xiàn)末端夾爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)有效保障了機(jī)器人末端夾爪能夠精準(zhǔn)抓取和靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，更好的應(yīng)用到各種物品的搬運(yùn)工作中。1.連接板2.末端連接軸3.末端轉(zhuǎn)動(dòng)錐齒輪對(duì)4.圓柱齒輪對(duì)5.外殼6.腕部轉(zhuǎn)動(dòng)錐齒輪對(duì)7.末端轉(zhuǎn)動(dòng)錐齒輪對(duì)圖12腕部結(jié)構(gòu)圖3.4面粉碼垛機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器與上述腕部底座進(jìn)行法蘭連接，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其實(shí)現(xiàn)物體的夾爪，其結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。氣缸活動(dòng)端與夾爪末端及滑塊連接，氣缸上下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)滑塊沿軌道運(yùn)動(dòng)，滑塊與兩指連接，實(shí)現(xiàn)指關(guān)節(jié)的張合動(dòng)作。1.氣缸2.夾爪3.連接板4.滑塊5.固定塊圖13夾爪結(jié)構(gòu)圖3.5面粉碼垛機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)整體模型將上訴各個(gè)部位完成裝配后，我們得到了六自由度機(jī)械手的三維模型，如圖14所示。該模型以轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)為核心，實(shí)現(xiàn)了六個(gè)自由度的設(shè)計(jì)。底座可旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，而各關(guān)節(jié)則通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)緊密相連。這種設(shè)計(jì)不僅保證了機(jī)械手的靈活性，還簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提升了整體性能，并且能夠在大范圍的工作空間作業(yè)。圖14整體結(jié)構(gòu)圖4面粉碼垛機(jī)器人主要部件的計(jì)算及選型4.1伺服電機(jī)的計(jì)算及選型本文深入計(jì)算與分析了機(jī)械大臂的伺服電機(jī)選型。在面粉碼垛機(jī)器人大臂垂直且前端伸展至最遠(yuǎn)端時(shí)，J2軸處于受力最大的危險(xiǎn)狀態(tài)，因此需特別關(guān)注其受力情況。臂即J2軸處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，承受的力最大。對(duì)于J2軸，我們使用三維軟件SolidWorks對(duì)其模型進(jìn)行建模，并添加材料Q235進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量為m2=24.795kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.45kg·m2，質(zhì)心到其自身軸線的平行路程為630mm。此外，J2軸的最大轉(zhuǎn)速為150°/s。通過(guò)上述數(shù)據(jù)的分析，選用轉(zhuǎn)速為3000r/min的交流伺服電機(jī)。考慮到J2軸需驅(qū)動(dòng)小臂和前端迅速前伸，此過(guò)程中速度會(huì)經(jīng)歷變化。具體來(lái)說(shuō)，速度從零迅速增至某值后保持穩(wěn)定，最終再緩慢減至零。整個(gè)速率變化過(guò)程可分為三個(gè)階段：加速段t1（0.2s），勻速段t2（0.4s），以及減速段t3，其數(shù)值為0.2s。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，J2軸的驅(qū)動(dòng)力矩M可以通過(guò)以下公式計(jì)算得出：M=M1+M2運(yùn)行時(shí)大臂的角加速度為：a=wt1=150×π180÷0.2=13.9ras/s2則運(yùn)行時(shí)的慣性力矩為：M1=J2×a=1.45×13.9=20.155N.m靜力矩為：M2=mgl=24.795×9.8×0.63=153.084N.m（相較于其他力矩而言，關(guān)節(jié)的摩擦力矩幾乎可視為0。然而，在機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)，考慮到非勻加速等復(fù)雜因素，我們引入系數(shù)1.2進(jìn)行修正。由此，J2軸的驅(qū)動(dòng)力矩可表示為：M=M1+M2×1.2=207.8868N.m完成電動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載力矩的經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，為確保準(zhǔn)確性，需進(jìn)行校核檢驗(yàn)。具體方法是將最大負(fù)載力矩轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)矩值，以下為詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。：M電機(jī)=Mη×i=207.88680.94×100根據(jù)以上計(jì)算分析，選用電機(jī)型號(hào)為安川s-GM-gh-bb-Baa。4.2齒輪的計(jì)算及選型針對(duì)腕部傳動(dòng)的圓柱齒輪進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗欧姍C(jī)經(jīng)過(guò)減速，所以輸出端速度較低，小齒輪采用40Cr材料，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理；大齒輪則選用ZG35CrMn材料，同樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。為確保傳動(dòng)效率和能力，主動(dòng)齒輪齒數(shù)定為50，傳動(dòng)比設(shè)為1，故大齒輪齒數(shù)亦為50。模數(shù)選定為2。這些選擇均基于齒面接觸疲勞強(qiáng)度的綜合考量，我們有以下計(jì)算：T=9.55×106×Pn×η=9.55×106在進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要考慮載荷系數(shù)的影響，因此我們選擇了載荷系數(shù)為1.4。根據(jù)齒輪的實(shí)際使用情況，最終查表得到齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限如下表4-1所示。表4齒輪解除疲勞強(qiáng)度極限齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限大齒輪1120Mpa小齒輪1150MPa4.3氣缸的計(jì)算及選型選用SC-32x150型號(hào)氣缸，其缸徑為32mm，系統(tǒng)壓力設(shè)為0.5MPa，則F=πr則氣缸活塞桿上的推力F1：F1=π4D則氣缸活塞桿上的拉力F2：F2=π式中，F(xiàn)1代表活塞桿推出時(shí)的推力，F(xiàn)2代表活塞桿拉回時(shí)的拉力，D為氣缸管內(nèi)徑（活塞直徑），d為活塞桿直徑，P為氣源壓力，?為負(fù)載率。（慢速時(shí)?=65%，快速時(shí)?=30%）。由以上計(jì)算可得，氣缸的有效推力為132N。而在氣缸伸縮的過(guò)程中，需要克服導(dǎo)向滑塊的摩擦力為：f=μN(yùn)=0.05X0.5X9.8N=0.245N（4-11）重力為：G=Mg=0.5X9.8=4.9N（4-12）則受力總和為：F合經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，所選氣缸的有效推力為132N，遠(yuǎn)大于摩擦力5.145N，因此該選型符合設(shè)計(jì)要求。5面粉碼垛機(jī)器人的ANSYS模擬仿真5.1面粉碼垛機(jī)器人的腰部有限元分析六軸面粉碼垛機(jī)械臂作業(yè)中，機(jī)械大臂是關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度與安全性至關(guān)重要。本章運(yùn)用ANSYS對(duì)前述機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)與模擬分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的面粉碼垛機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上的合理性與安全性。具體地，將大臂模型導(dǎo)入有限元軟件的靜應(yīng)力分析模塊，通過(guò)軟件計(jì)算，分析機(jī)械臂的等效應(yīng)力和位移云圖，進(jìn)而評(píng)估其強(qiáng)度和剛度，從而確保設(shè)計(jì)的合理性。5.2模型簡(jiǎn)化為確保ANSYS分析準(zhǔn)確反映機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，提升分析效率與準(zhǔn)確性。具體簡(jiǎn)化如下：（1）忽略關(guān)節(jié)摩擦、整體剛度和負(fù)載影響較小的特征，如小孔、螺栓等。（2）簡(jiǎn)化傳動(dòng)聯(lián)結(jié)與配合關(guān)系。（3）不計(jì)重力導(dǎo)致的地基及小部件變形。（4）假設(shè)機(jī)械手為密度均勻的彈性體。（5）忽略安裝應(yīng)力及外部環(huán)境變化引起的應(yīng)力應(yīng)變。5.3模型劃分網(wǎng)格為了高效準(zhǔn)確地分析六軸面粉碼垛機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，采用了六面體網(wǎng)格劃分方法，此方法高效且精確。具體操作為：導(dǎo)入幾何模型后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格，設(shè)置整體模型網(wǎng)格體尺寸為20mm。劃分后，機(jī)械大臂節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)144672，單元數(shù)78060。節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)量充足，能有效減少分析誤差。使分析結(jié)果更加接近實(shí)際工作時(shí)的數(shù)值。網(wǎng)格劃分如圖15所示。5.4定義載荷和約束本文設(shè)計(jì)的面粉碼垛機(jī)器人固定在制定工作位置，其余臂部設(shè)計(jì)依靠大臂與底座間的旋轉(zhuǎn)軸在進(jìn)行連接時(shí)，需對(duì)底座實(shí)施完全約束。鑒于整體模型是裝配體，我們?cè)O(shè)置了固定接觸，并對(duì)軸座與銷軸間采用摩擦接觸。為模擬實(shí)際作業(yè)環(huán)境，我們添加了重力，并特別關(guān)注了機(jī)械臂部分。施加300N豎直向下的載荷用來(lái)模擬30kg重物的搬運(yùn)。具體情況可參見(jiàn)圖16。本文所設(shè)計(jì)的六軸面粉碼垛機(jī)器人的各種軸類材質(zhì)選用45#鋼，其余部分則選用Q235鋼，材質(zhì)屬性如表5所示。表5機(jī)械臂回轉(zhuǎn)范圍及工作速度材料類型彈性模量泊松比密度抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度45#209GPa0.267890kg/m3600MPa355MPaQ235212GPa0.287860kg/m3390MPa235MPa圖15網(wǎng)格劃分圖16施加邊界條件5.5結(jié)果與分析通過(guò)有限元分析機(jī)械手，利用solve選項(xiàng)得到整體結(jié)果，使用hide功能對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)分析。在整體和部分分析任務(wù)完成后，總結(jié)得出大臂和腕部為本設(shè)計(jì)的薄弱部位。再次對(duì)這兩個(gè)部位單獨(dú)進(jìn)行二次分析，為所設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人作業(yè)的安全性和可靠性提供足夠的實(shí)驗(yàn)支撐?；贏NSYS軟件的staticstructural分析結(jié)果顯示，如圖17所示，整個(gè)機(jī)架的受力分布相對(duì)均勻。最大變形發(fā)生在腕部末端與夾爪連接處，變形值為0.205mm。在二次分析的部件