工件箱碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模研究目錄TOC\o"1-3"\h\u32208第一章緒論 188341.1研究背景 2218011.1.1國外研究現(xiàn)狀 3325621.1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 337231.1.3本文主要研究內(nèi)容 4181801.1.4本章小結(jié) 46542第二章碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4322362.1自由度和坐標(biāo)系的選擇 4188342.2碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成 557182.2.1機(jī)械部分 548842.1.3驅(qū)動系統(tǒng) 9238482.1.4控制系統(tǒng) 9168192.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 91712.4總體參數(shù) 107983第三章零部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 1035323.1機(jī)械臂手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1036223.1.1機(jī)械臂手部的特點(diǎn) 10267463.1.2手部結(jié)構(gòu)的確定 11183103.1.3手部氣缸的選擇 1181193.2臂部的設(shè)計(jì) 12145513.2.1機(jī)器人臂部特點(diǎn) 12172313.2.2機(jī)械人臂部確定 12126813.2.3電動機(jī)上滾動軸承的選擇 12205813.3腰部的設(shè)計(jì) 13163543.3.1腰部的特點(diǎn) 13130973.4聯(lián)軸器的種類 13251623.4.1聯(lián)軸器的選取 1439563.5減速機(jī)選取 146148第四章三維建模 16202574.1底座實(shí)體建模 16298394.2腰部建模 17113604.3手部建模 17131344.4臂部建模 22243974.5連桿 2329989第五章有限元分析 25第一章緒論工業(yè)革命之后使各種高科技科技產(chǎn)物出現(xiàn)。到現(xiàn)在為止，蒸汽機(jī)，計(jì)算機(jī)，航天飛船等的誕生，其中機(jī)器人是工業(yè)革命之后發(fā)展不可忽視的重要一項(xiàng)。機(jī)器人的問世和進(jìn)步是一種人們智慧積累和其他技術(shù)綜合的產(chǎn)物。經(jīng)過大量時(shí)間研究和各個(gè)領(lǐng)域的大力投入，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也取得空前的進(jìn)步。知識文明日益提高和先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步、成果的轉(zhuǎn)化，迫使機(jī)器人被廣泛應(yīng)用、例如各類工業(yè)加工生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)的效益取得了明顯的增長。那些從事點(diǎn)焊、碼垛、噴漆、包裝、裝配等基礎(chǔ)工作崗位的人員在生產(chǎn)線上被取代直至消失;高級工作崗位（超人力范圍崗位）深海開采、其他星球的探索等有著不可替代的重要地位。工業(yè)生產(chǎn)中領(lǐng)域的機(jī)器人就有碼垛機(jī)器人的身影。碼垛機(jī)器人是用在工業(yè)生產(chǎn)過程中執(zhí)行大批量工件、包裝件的獲取、搬運(yùn)、碼垛、拆垛等任務(wù)的一類工業(yè)機(jī)器人，是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科于一體的高新機(jī)電產(chǎn)品。碼垛機(jī)器人技術(shù)在解決勞動力不足、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。受高新技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化穩(wěn)步地推進(jìn)，疊加新冠疫情人員不能復(fù)工復(fù)產(chǎn)的影響，越來越高要求對碼垛機(jī)器人提出了新挑戰(zhàn)，手工碼垛是最傳統(tǒng)的并且只限重復(fù)無頭腦的工作，工作量大，工人累，效率低，容易發(fā)生工傷等危害。所以傳統(tǒng)的人工已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能產(chǎn)業(yè)的需求，碼垛機(jī)器人的到來是對工作人員手腳和大腦功能的拓展，在危險(xiǎn)、輻射、高低溫等惡劣環(huán)境下從事基礎(chǔ)工作的人員將被取代最終會消失，在提高工作效率的同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下取代這種工作人員。最近幾年來看機(jī)器人碼垛技術(shù)發(fā)展非常迅速。在我國龐大市場需求和中國人口進(jìn)入老齡化的大背景下，開始追求從勞動力密集型到技術(shù)型的轉(zhuǎn)變注重高效率高質(zhì)量，而機(jī)器人的發(fā)展也讓中國看到了不一樣前景和發(fā)展的空間。因?yàn)檠芯科鸩酵?、理論落后、無法成果轉(zhuǎn)換造成機(jī)器人，還需進(jìn)口來維持滿足各行各業(yè)需求；中國那時(shí)候科技落后、勞動力廉價(jià)不計(jì)成本，人工生產(chǎn)滿足所需但是現(xiàn)在生活水平提高，勞動力不在廉價(jià)。相比于人工智能機(jī)器人來說可以有效的較低各方面的成本，并且能夠代替人的部分功能進(jìn)行加工和生產(chǎn)不僅僅是碼垛機(jī)器人最直接帶來的利益，還能夠有效的較少工傷等事故出現(xiàn)概率，將那些基礎(chǔ)工作崗位環(huán)境下連續(xù)工作，像高危，多塵，狹窄空間，高噪音等環(huán)境工作的勞動力解放。在中國大市場驅(qū)動下機(jī)器人的需求是世界上最大的。車間無人化也是未來發(fā)展的趨勢1.1研究背景工件箱碼垛機(jī)器人是在工業(yè)生產(chǎn)中對大批量工件箱碼垛機(jī)器人，解決勞動力不足，降低成本，降低工人勞動強(qiáng)度，提高勞動工作效率，并且研究這個(gè)課題有助于我的學(xué)習(xí)和以后的工作1.1.1國外研究現(xiàn)狀國外從20世紀(jì)60年代開始研究工業(yè)機(jī)器人,碼垛機(jī)器人是伴隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的,對于它的硏究,很多發(fā)達(dá)國家都取得了一定的成就,比如,美國、日本。日本和瑞典是最早將工業(yè)機(jī)器熱恩技術(shù)應(yīng)用到碼放與搬運(yùn)的兩個(gè)國家。隨著機(jī)器人技術(shù)研究的步伐不斷加快,很多發(fā)達(dá)國家開始在包裝碼垛機(jī)器人方面進(jìn)行了大量的硏究,并相繼研制出自己的碼垛機(jī)器人。比如,德國的KUKA系列。在應(yīng)用現(xiàn)狀方面,碼垛機(jī)器人紛紛被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。在發(fā)達(dá)國家中,碼垛機(jī)器人本身開始采用新的結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)的性能也優(yōu)于過去,融入了很多高新技術(shù)。碼垛機(jī)器人在很多行業(yè)廣泛被應(yīng)用。比如,物流、包裝、化工、醫(yī)藥。從某種意義上,國外的碼垛機(jī)器人已經(jīng)使相應(yīng)的生產(chǎn)能力以及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得到了極大地提髙。在20世紀(jì)70年代初，瑞典的ABB公司研究并發(fā)布了世界上第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人，它可以對物體進(jìn)行碼垛。而在20世紀(jì)70年代末，日本在機(jī)器人物體處理領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，自動化控制技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，美國、德國和韓國等發(fā)達(dá)國家在工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)上取得了良好的效果并投入市場，在借鑒工業(yè)機(jī)器人發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，碼垛機(jī)器人成果轉(zhuǎn)化也有了最快的發(fā)展和進(jìn)步也取得了成功，將其成果進(jìn)行售賣取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。日本FUJI系列碼垛機(jī)器人是由日本FUJI公司將最新理論進(jìn)行研發(fā)投放使用的。每小時(shí)處理2000次是他們最新研發(fā)的。20世紀(jì)70年代，德國庫卡公司設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)六軸驅(qū)動的碼垛機(jī)器人。2000年左右，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較低，承重能力強(qiáng)，能夠承受大的變形，機(jī)械性能先進(jìn)是他們公司發(fā)展的理念并且取得了成功1.1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代，中國逐漸開始開發(fā)研究工業(yè)機(jī)器人，但由于當(dāng)時(shí)的國情，國民經(jīng)濟(jì)相對落后，自動化發(fā)展水平低，對工業(yè)機(jī)器人的研究并不系統(tǒng)和深入。20世紀(jì)80年代末，由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和市場需求的刺激，機(jī)器人的研究上升到一個(gè)新的高度，同時(shí)，碼垛機(jī)器人開始在許多企業(yè)得到應(yīng)用，在21世紀(jì)的市場上，國內(nèi)碼垛機(jī)器人的形式主要有矩形坐標(biāo)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。矩形坐標(biāo)型機(jī)器人的運(yùn)動分析相對簡單，可控精度高，操作簡單，易于加工，但機(jī)器人的占地面積大，運(yùn)動范圍相對較小，行走速度低且慢。與矩形坐標(biāo)機(jī)器人相比，關(guān)節(jié)臂機(jī)器人具有緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)和更大的空間，可以更靈活地移動進(jìn)行操作，符合現(xiàn)代碼垛作業(yè)的要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2004年開發(fā)了一套碼垛系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高精度的碼垛作業(yè)。該碼垛生產(chǎn)機(jī)器人采用了新的結(jié)構(gòu)形狀，更好的應(yīng)用高質(zhì)量、高自動化水平的生產(chǎn)車間的各種流水線，碼垛性能性能好很高達(dá)領(lǐng)先地位。鋁合金這種高科技材料被上海交通大學(xué)進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化、運(yùn)用到生產(chǎn)開發(fā)的機(jī)器人身上，其質(zhì)量和強(qiáng)度都比較好，可以達(dá)到每小時(shí)1600包以上碼垛能力，敢追先進(jìn)國家水平?？傮w而言近些年我國在各個(gè)領(lǐng)域積極趕超其領(lǐng)域最新成果，但是由于碼垛機(jī)器人在我國起步較晚并且沒有先進(jìn)的理論支撐、成果轉(zhuǎn)化質(zhì)量并不盡人意，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及成果轉(zhuǎn)換也不足以支撐我國碼垛機(jī)器人發(fā)展的根本要求，所以與起步較早的發(fā)達(dá)國家相比仍是望塵莫及1.1.3本文主要研究內(nèi)容工件箱碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本文主要研究內(nèi)容，主要針對碼垛機(jī)器人腰部、大臂和小臂以及機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究，通過大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的機(jī)械工作原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、三維畫圖和相關(guān)有限元分析質(zhì)量分析針對各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)校驗(yàn)，完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求。1.1.4本章小結(jié)本章通過了解對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，來確定自己研究和設(shè)計(jì)的第二章碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1自由度和坐標(biāo)系的選擇自由度是能夠在XYZ平面轉(zhuǎn)動和移動的數(shù)目，不包含手部的自由度。自由度越多，也意味著這個(gè)機(jī)械臂更加的靈活，運(yùn)動的也越加的精細(xì)。一般的機(jī)械臂都是3個(gè)到6個(gè)自由度。本文機(jī)械手選用的自由度是3個(gè)，包括腰部的回轉(zhuǎn)，臂部的繞軸轉(zhuǎn)動。機(jī)器人要運(yùn)動就離不開定位，說道定位就要選擇坐標(biāo)系。現(xiàn)在一般使用的坐標(biāo)系有這幾種（1）直角坐標(biāo)系，優(yōu)點(diǎn)多的同時(shí)也伴隨致命的缺點(diǎn)，運(yùn)動分析簡單好計(jì)算、并且運(yùn)動穩(wěn)定的同時(shí)還可以滿足精確是最主要的，比較明顯不足是笨重和不靈活。（2）圓柱坐標(biāo)系，最主要好處有機(jī)器人設(shè)計(jì)簡單的同時(shí)價(jià)格低廉，有很直觀運(yùn)動效果，因此被廣泛的、普遍的應(yīng)用。（3）球坐標(biāo)系，其好處主要有用地面積小，靈活的運(yùn)動，但其不足也很明顯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不會太簡單、可操作性對設(shè)計(jì)有很高要求，故因此會有昂貴的價(jià)格。（4）關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系；其好處是靈活運(yùn)動、因?yàn)檫@一優(yōu)點(diǎn)關(guān)節(jié)形坐標(biāo)系是最普遍最常見類型之一，致命的不足時(shí)定位難、造成定位難的原因是機(jī)器人靈活度太高（5）SCARA型坐標(biāo)系；好處是動作快并且靈活、最主要的是定位簡單，其不足就是設(shè)計(jì)難而且不好計(jì)算，導(dǎo)致的價(jià)格比較偏貴。結(jié)合本次論文設(shè)計(jì)要求和坐標(biāo)系優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人。2.2碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成2.2.1機(jī)械部分（1）機(jī)身機(jī)身就是對應(yīng)機(jī)械臂的基座，它用來起平衡作用和對各個(gè)零件的支撐，與臂部直接相連在一起。這次設(shè)計(jì)要求操縱者的身體有1個(gè)自由度，腰部旋轉(zhuǎn)。（2）臂部臂部一般有大小臂之分，和人類臂部有相同之處，也有不同之處，不同之處在于可以根據(jù)需求選取多個(gè)手臂。相同之處在于都起到連接和過度的主要作用，把腰部和手部總體緊密連接在一起進(jìn)行做功提高效率，臂部的工作特點(diǎn)是輔助手部完成動作。一般臂部有大臂和小臂伸縮俯仰2個(gè)自由度，完成伸縮的機(jī)構(gòu)有很多例如液壓缸驅(qū)動，活塞缸驅(qū)動（氣動），蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等等；大臂小臂回轉(zhuǎn)和俯仰的驅(qū)動一般可以液壓泵驅(qū)動，馬達(dá)驅(qū)動，連桿等實(shí)現(xiàn)。圖2.1伸縮運(yùn)動的臂部結(jié)構(gòu)（3）腕部本文設(shè)計(jì)將臂部和腕部放在一起都有三個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)腕部多自由度就要把腕部分為多個(gè)部分，例如實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度就要把腕部分為兩個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，下面是腕部實(shí)現(xiàn)不同效果。圖2.2單自由度腕部腕關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)多自由度的效果，其對應(yīng)的腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，下面列出幾種常見且普遍的手腕。圖2.3雙自由度手腕結(jié)構(gòu)圖圖2.4三自由度手腕結(jié)構(gòu)示意圖圖2.5三自由度手腕典型結(jié)構(gòu)圖（4）手部手部是工業(yè)機(jī)器人直接安裝到手腕上用來直接抓取工作件，類似人手一樣的類人爪，其最大的特點(diǎn)是手部與腕部可拆卸，面對不同的工作對象方便拆卸更換手部，由于手部通用性比較不好，作業(yè)種類比較復(fù)雜，類型多樣化按其用途可分為手爪和工具兩大類，手抓主要用于捉住、把持、釋放工件，吸附式和機(jī)械式是按照工作形式分為兩種，磁力吸附和真空吸附又是吸盤式下面按照吸力的方式分的，內(nèi)支撐和外夾持兩種類型是按照加持方式分的，內(nèi)撐式和外夾式兩種統(tǒng)稱機(jī)械式。圖2.6內(nèi)撐式圖2.7外夾式圖2.8三爪機(jī)械手2.9常見幾種磁盤式結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)采用外抓式兩爪形式的機(jī)械手2.1.3驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的種類控制方式有很多，例如電機(jī)驅(qū)動、氣缸動、液壓缸或綜合系統(tǒng)的組合，這些都是直接驅(qū)動，有些機(jī)械驅(qū)動是屬于間接驅(qū)動，如蝸輪蝸桿、齒輪等。（1）電動驅(qū)動其好處很明顯，速度變化可調(diào)，效率好，位置精度好，但用于直接驅(qū)動比較難。電動驅(qū)動可分為直流伺服電動機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。其中直流電動機(jī)臺刷易損害、易出火花，步進(jìn)電機(jī)多為開環(huán)控制、操作簡單但只能用在小功率精度要求不高的機(jī)械手上。步進(jìn)電動機(jī)其優(yōu)點(diǎn)其控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低、誤差不積累、具有自鎖和保持轉(zhuǎn)矩能力、方便控制系統(tǒng)定位。但不能過載其空間比較大直流電動機(jī)其調(diào)速好、啟動力巨大、功率大和響應(yīng)、快技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是成本高體積大交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)小，運(yùn)行可靠、維修方便、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)（2）液壓驅(qū)動是通過液壓缸和活塞桿直線相對運(yùn)動來完成的，其優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊可直接連接、剛度好響應(yīng)好，缺點(diǎn)主要有液壓源易泄露、環(huán)境要求高（不試用高、低溫度環(huán)境），多用大功率系統(tǒng)里。（3）氣缸驅(qū)動裝置其好處有結(jié)構(gòu)簡單并且能有緩沖減壓作用，剛度不好、噪音很大、速度不好控制并且難度高等相對液壓驅(qū)動，因?yàn)橛羞@些不足主要應(yīng)用于精度要求不是很嚴(yán)格的機(jī)器人控制系統(tǒng)里。結(jié)合本次總體要求和設(shè)計(jì)需要采用氣缸驅(qū)動裝置和電機(jī)驅(qū)動裝置2.1.4控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)所采用的控制系統(tǒng)是plc控制系統(tǒng)，其明顯好處有可靠、抗干擾力強(qiáng)、多樣性選擇性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)效果多、可用性強(qiáng)、簡單易操作維修方便成本低下、程序設(shè)計(jì)周期短易學(xué)、節(jié)能。2.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求本文對碼垛機(jī)器人最基本的要求，夾取一定載荷負(fù)重的工件箱進(jìn)行移動，到另一個(gè)地方進(jìn)行碼垛堆放。完成這最基本要求就要讓機(jī)器人具有一定的負(fù)載承載能力和定位精度準(zhǔn)確的要求。工件箱箱體要求的尺寸是長40cm,寬30cm,高25cm的長方體，40cm是手部張合的最基礎(chǔ)的要求。氣動驅(qū)動是本次設(shè)計(jì)所選用的驅(qū)動方式，重量在20kg左右工件箱，精度上要求并不是很高，將精準(zhǔn)箱體抓取送到1.2米地方進(jìn)行碼垛堆放。3個(gè)自由度是本次設(shè)計(jì)的要求，繞軸的回轉(zhuǎn)大臂小臂，起回轉(zhuǎn)運(yùn)動的腰部。開環(huán)三相異步電動機(jī)是本次設(shè)計(jì)對臂部驅(qū)動動力源。其好處是結(jié)構(gòu)和使用比較簡單、操作可靠、速動控制比較良好。不足也很明顯是精度不是很高，功率低下，本文總體的要求精度不是很嚴(yán)格可以用plc程序進(jìn)行彌補(bǔ)、總體質(zhì)量負(fù)載也不是很高，故因此手部的結(jié)構(gòu)本文選用氣動裝置。2.4總體參數(shù)（1）功能：實(shí)現(xiàn)工件箱的抓取還有釋放（2）抓重：20KG（3）自由度：3自由度包括大臂小臂繞的回轉(zhuǎn)，腰部回轉(zhuǎn)，（4）最大工作半徑：（5）坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)系（6）小臂收縮行程：0-300mm（7）腕部回轉(zhuǎn)角度：0度-360度（8）小臂回轉(zhuǎn)角度：-90度到46.7度（9）大臂回轉(zhuǎn)角度：-90度到90度第三章零部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)3.1機(jī)械臂手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1機(jī)械臂手部的特點(diǎn)在上文提到起執(zhí)行性機(jī)構(gòu)的機(jī)械手主要抓取箱體，同時(shí)也是機(jī)器人中一個(gè)重要得不可缺少組成部分。設(shè)計(jì)什么樣的手就可以夾什么樣?xùn)|西，完成所需要的任務(wù)做什么樣的功。在進(jìn)行手臂設(shè)計(jì)時(shí)、作為設(shè)計(jì)者我們一定要注意手臂的做功特點(diǎn)和所需形式。（1）總體簡單易拆卸。（2）手部是一個(gè)完整結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于其他機(jī)構(gòu)，要有獨(dú)一無二的特性，一種工作環(huán)境只能用一種手爪（3）不同的環(huán)境所需爪子是不同的，換句話開說不可通用，沒有通用性能。（4）手部是模仿人的手部設(shè)計(jì)的，要代替人的手進(jìn)行做功完成任務(wù)3.1.2手部結(jié)構(gòu)的確定手爪做功所需的動力源是來自氣缸的，通過氣缸周期性動作來讓手部完成進(jìn)行作業(yè)所需運(yùn)動，本文選取兩個(gè)氣缸一個(gè)控制爪子張口大小，另一個(gè)控制底部小爪使其做功抓到的箱體不會掉落而造成經(jīng)濟(jì)損失，對于本次設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行最大可能滿足，故因此在材料選擇上AL2014這種鋁合金是我首選的手部的材料。。AL2014的參數(shù)如下：AL2014密度：2.79355e-06泊松比：0.33許用應(yīng)力：30Mpa3.1.3手部氣缸的選擇通過對零部件進(jìn)行質(zhì)量分析，知道手部零件的質(zhì)量，如下體積：2.3431285106mm3質(zhì)量：2.35kg手部的加速度為5m/s2,根據(jù)公式 Fma (3-1)算得F=11.75N,選用氣壓Pa=0.6MPa設(shè)活塞缸的直徑為（0.16-0.4）D，根據(jù)公式 D=4FLπβP設(shè)活塞缸的直徑為（0.16-0.4）D，根據(jù)公式 D=1.01?1.094FL得到D=(4.62-4.97)mm，圓整后取D=8mm。本文選取的氣缸材料為鋁合金，=30MPa d>4Fπ[σ]取活塞缸的直徑為3mm.壁厚的計(jì)算根據(jù)公式 δ=DPp2[σ]Pp取1.5P，得到=1.975mm，對照壁厚的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，取=3mm氣缸的整體參數(shù)氣缸的內(nèi)徑D D=8mm活塞缸的直徑d d=2mm氣缸的壁厚 =2.5mm活塞桿的長度 L=25mm3.2臂部的設(shè)計(jì)3.2.1機(jī)器人臂部特點(diǎn)機(jī)器人的一般手臂由一個(gè)大臂和一個(gè)小臂組成，通常有兩個(gè)自由度（旋轉(zhuǎn)和伸縮）。臂部的質(zhì)量一般比較大，它直接承受連接的手部還有腕部的受力。機(jī)器人手臂區(qū)域是一個(gè)重要的部分，會受到很多并且很復(fù)雜的力，所以對其設(shè)計(jì)有幾個(gè)要求（1）要有足夠的強(qiáng)度還有剛度（2）導(dǎo)向性要好（3）轉(zhuǎn)動慣量要小3.2.2機(jī)械人臂部確定本次設(shè)計(jì)需要臂部有回轉(zhuǎn)運(yùn)動來滿足要求，如圖所示臂部，電動機(jī)帶動大臂的連桿形成所需要的運(yùn)動形式帶動大臂小臂運(yùn)動。電路有直流電路和交流電路之分，故電機(jī)也有這樣區(qū)分，直流電動機(jī)不足和好處非常明顯，不完美的是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其好處也非常的直接啟動快并且簡單，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速度簡單容易達(dá)到所需條件；對比而言交流電機(jī)的好處和不足也很明顯，結(jié)構(gòu)簡單，好維護(hù)，運(yùn)行效果好是交流電機(jī)所帶來的好處。各有好壞優(yōu)劣之分的兩種電機(jī)。但是綜合來看完美滿足本次設(shè)計(jì)要求和所需功能性能的要求，三相異步電動機(jī)是我的首選。3.2.3電動機(jī)上滾動軸承的選擇滾動軸承是大家都在經(jīng)常使用的一種零件，它能夠承受軸上的力。向心軸承，推力軸承，還有向心力軸承三類是根據(jù)承受力的方向和大小的不同。綜上所述結(jié)合自己設(shè)計(jì)機(jī)器人受力分析可得，深溝球軸承使用在電機(jī)的底座上，調(diào)心滾子軸承使用在腰部可以滿足做功要求。3.3腰部的設(shè)計(jì)承載是腰部最主要的最直接的功能，要承受大臂小臂還有手部和所要做工的工件箱的總體重量的同時(shí)，還要平衡重量避免大馬拉小車現(xiàn)象出現(xiàn)，合金鋼作為本次設(shè)計(jì)腰部的材料可滿足需求同時(shí)節(jié)約了不必要的成本。3.3.1腰部的特點(diǎn)一個(gè)自由度就是自身的轉(zhuǎn)動來帶動臂部轉(zhuǎn)動是本次設(shè)計(jì)對臂部另一個(gè)要求。動力要來源于腰部電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動的輸出軸來帶動嚙合的齒輪的機(jī)械傳動帶動了整個(gè)腰身的轉(zhuǎn)動。結(jié)合受力分析對腰部電動機(jī)上的軸承的選擇和臂部選擇一樣、可滿足承受力的要求，3.4聯(lián)軸器的種類剛性和撓性是兩種聯(lián)軸器也是本質(zhì)區(qū)別，有沒有彈性元件是區(qū)分是否為彈性聯(lián)軸器的根本區(qū)別，彈性聯(lián)軸器的彈性元件具有減震緩沖作用，因此有彈性元件的相對比較好，彈性元件的聯(lián)軸器也是很多企業(yè)和設(shè)計(jì)公司所選擇的。彈性元件的質(zhì)量直接影響使用的壽命長短和整體的性能，下面是具有彈性元件聯(lián)軸器的介紹（1）彈性套柱聯(lián)軸器容易拆裝，出廠成本比較低并且結(jié)構(gòu)簡單是它的好處；容易磨損，所以要經(jīng)常更換是它不可避免地不足。（2）彈性柱銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單并且成本低，傳遞的力矩大，耐磨性好是它的好處；對于溫度過于的敏感是享受好處的同時(shí)帶來的不足。（3）膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境無要求不嚴(yán)格，易維護(hù)，維修方便是他本身性能所帶來的好處；緩沖性能差是因?yàn)樗貌牧蠋聿豢杀苊獾牟蛔恪?.4.1聯(lián)軸器的選取本次設(shè)計(jì)要求對溫度沒有過多的要求，溫度并不高這樣就可以避免彈性柱銷聯(lián)軸器本身材質(zhì)所帶的不完美的地方，綜合所有聯(lián)軸器好處和本身材質(zhì)所帶來的不足，選擇比較合理的彈性連軸柱銷聯(lián)軸器。3.5減速機(jī)選取碼垛機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動是由各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動路徑形成的，驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)的選取決定末端執(zhí)行器的定位精度。機(jī)器人可用的減速機(jī)要達(dá)到以下幾方面要求有:輸出力巨大、間際短、承受力矩大并且剛度大和潤滑性良好等。RV減速機(jī)、諧波減速機(jī)以及行星減速是按照目前市場上不同結(jié)構(gòu)所區(qū)分的。（1）行星減速機(jī)主要元素組成為行星輪太陽輪和機(jī)架，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜簡單，高剛度、高精度，工作傳動效率高、范圍大減速大、同軸輸入輸出、是行星減速機(jī)的本身結(jié)構(gòu)所帶來的好處，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上運(yùn)用是非常的常見。但制造精度要求嚴(yán)格、價(jià)格太貴也是自身結(jié)構(gòu)所帶來的不足，應(yīng)為這一不足多應(yīng)用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的傳動系統(tǒng)來避免這一不足（2）諧波傳動是最新理論成果轉(zhuǎn)化而來的快速發(fā)展的一項(xiàng)新型傳動技術(shù)。諧波減速機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域都有所體現(xiàn)，傳動速比大，傳動范圍廣是本身結(jié)構(gòu)所帶來的好處。傳動精度高、可以實(shí)現(xiàn)零回差傳動也是諧波減速器優(yōu)點(diǎn)。（3）RV齒輪箱，機(jī)器人關(guān)節(jié)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，關(guān)節(jié)處需要承受大量的力來滿足要求，關(guān)節(jié)越多，抓取工件箱的質(zhì)量等對機(jī)器人底座、腰部支撐力有著越來越嚴(yán)格的要求要求。如行星齒輪箱或諧波齒輪箱不容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，緊湊結(jié)構(gòu)、高傾覆力矩能力、可靠和穩(wěn)定以及易于安裝和施工是其本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所帶來的好處。重量低、結(jié)構(gòu)緊湊不分散體積不大、剛度高、傳動功率高、等自身結(jié)構(gòu)所帶來的好處，這種變速箱的是碼垛機(jī)器人的最佳選擇。第四章三維建模4.1底座實(shí)體建模底部建模是經(jīng)過多次拉伸切除，進(jìn)行倒角得到去圖所示圖4.1底座4.2腰部建模畫直徑250圓進(jìn)行拉伸凸臺，如圖4.2所示，建立基準(zhǔn)面1和2，以中心線為基準(zhǔn)90mm進(jìn)行拉伸切除，畫出腰部右擋板進(jìn)行拉伸凸臺得到如圖4.3所示，鏡像左擋板，在以基準(zhǔn)面1為基準(zhǔn)進(jìn)行建立矩形拉伸凸臺得到腰部擋板距離圓邊線15mm處，在擋板上畫直徑140mm的圓，切除得到軸孔后鏡像得到另一側(cè)，在左右擋板進(jìn)行畫圓，打孔得到螺栓孔。最后進(jìn)行倒角得到腰部示意圖如圖所示圖4.2腰部4.3手部建模手部建模是本次設(shè)計(jì)最先開始的地方，畫圖過程是手部主要是拉伸完成的，設(shè)計(jì)師盡量用切除功能來減輕重量，節(jié)約不必要的開支。因此減輕重量也是本次手部設(shè)計(jì)最基本要求。第一步；選擇草圖進(jìn)行抓手擋板1草圖繪制，長寬為420mm正方形進(jìn)行拉伸高度為10mm，在此基礎(chǔ)上右端畫一個(gè)長為160mm，寬為90mm的長方形進(jìn)行切除，畫兩個(gè)高為40mm三角形進(jìn)行切除。得到圖4.3.圖4.3手部擋板第二步；選擇草圖進(jìn)行繪制抓手擋板2繪制，重新畫一個(gè)草圖1，在其的基礎(chǔ)上進(jìn)行抓手擋板2的繪制，在左端中心線150mm出畫一個(gè)中心矩形長為80mm，寬為52mm,進(jìn)行拉伸切除和倒角之后進(jìn)行打孔如圖4.4所示圖4.4首部右擋板第三步；草圖繪制抓手固定板；首先畫一個(gè)長為450mm,寬為380mm的中心矩形進(jìn)行拉伸切除40mm，在此基礎(chǔ)上畫一個(gè)長為370mm,寬為80mm的中心矩形，進(jìn)行完全切除后再畫一個(gè)長為370mm,寬為30mm的中心矩形也進(jìn)行無安全切除。以前視基準(zhǔn)面鏡像。之后在上面所花的圖形上中心上進(jìn)行長為260mm寬為90mm的中心矩形進(jìn)行拉伸10mm。如圖4.5。圖4.5抓手固定板第四步；草圖繪制小爪連接板；畫一個(gè)長為420mm寬為60mm的中心矩形進(jìn)行拉伸凸臺，之后再基礎(chǔ)上進(jìn)行繪制三角形，如圖所示進(jìn)行拉伸切除，后進(jìn)行打孔，在距離中線110mm位置繪制中心矩形，拉伸凸臺打孔得到圖4.6。圖4.6小爪連接板第五步；草圖繪制小爪；，先進(jìn)行長方形繪制進(jìn)行拉伸凸臺后進(jìn)行倒角，得到圖4.7小爪第六步；銷子繪制，畫直徑為8的圓，進(jìn)行拉伸凸臺85mm,繪制12直徑圓進(jìn)行拉伸凸臺。如圖4.8所示圖4.8銷子第七步；氣缸控制板繪制；畫長為80mm寬為65mm長方形1進(jìn)行拉伸，在此基礎(chǔ)上左端繪制長80mm寬為10mm長方形2進(jìn)行拉伸，在長方形2上進(jìn)行長方形繪制后拉伸切除打孔，在長方形1上進(jìn)行筋的繪制和槽孔的繪制如圖4.9所示圖4.9氣缸控制板手部總裝圖4.10所式圖4.10手部總體圖4.4臂部建模第一步：以前視基準(zhǔn)面為平面畫出一個(gè)體形，用凸臺拉伸命令生成臂部的基體。第二步：選擇基體的一個(gè)表面，以基體邊長為一邊，畫底邊為4mm的三角形，另一邊也是同樣的三角形，用拉伸切除命令得到如圖4.12所示。圖4.11臂部建模過程第三步：選擇上下兩個(gè)表面，用抽殼命令，抽殼厚度為4mm，選擇左視基準(zhǔn)面上畫一個(gè)直徑為210mm的圓，用拉伸切除命令切除所畫的圓形區(qū)域，得到一個(gè)凹槽，選擇剛才的草圖，拉伸凸臺生成厚度為24mm的圓臺，使用鏡像將圓形凸臺復(fù)制到另一邊，選擇圓形凸臺的表面，畫一個(gè)135mm的圓，得到一個(gè)孔用拉伸切除命