1.1 选题背景

搬运在生产中是必不可少同时又很重要的关键环节，完全用人力的话，这将是一个费时又费力的工作，在当今这个追求高工作效率的社会中，选择人力搬运这就会增加生产成本，影响整体生产的进度。随着“工业 4.0 与智能制造”的提出和发展，自动化生产与物流行业对工人的依赖程度将会逐步降低，在工业自动化生产线上采用更多的高度自动化设备代替人工在生产中的作用已经成为了一种必然趋势。

为了提高搬运的效率，降低搬运的成本，实现码垛机器人的自动化搬运已成为一种必然的趋势。近年来我国的工业机器人也得到了极大的发展，工厂的自动化程度也实现了极大的提高，所需设备的搬运效率需求出现了大大的提升，所以进行码垛机器人的研究及发展是非常必要的。然而由于我国的码垛机器人技术发展较晚，虽然国内的码垛机器人技术有了较大的发展，但相对于国外还是有很大的差距。因为国内机器人的发展受到限制，国内的很多企业从国外进口所需的码垛机器人。而国外的机器人相比国内价格则昂贵许多，对各企业来说，进口机器人需要花费很大的代价，同时依靠进口也限制了国内技术的发展。

针对我国码垛机器人存在的问题，我国码垛机器人要在其柔性、负载能力和速度上进行提升，并逐渐拓展应用领域^[1]。 对码垛机器人的研究不仅能增加相关人员对其的认识还能对国内机器人的发展起到一些积极的促进作用，从而对国内机器人的市场在全球的竞争提高一些竞争力，因此本篇研究将针对直角坐标型箱装码垛机器人的结构进行探索，并提出一套完整的设计方案，从而提升码垛机器人在实际的自动化搬运过程中的更适用性，提高其工作的效率和准确性。

1.2 国内外码垛机器人的发展现状

我国在工业机器人的研究方面起步较晚，最早可以追溯到二十世纪六十年代，我国工业机器人的发展大致可以分为三个阶段：最初七十年代的萌芽阶段，中期八十年代的开发阶段，后期九十年代的实用阶段。六十年代初，国内先后有两百多家科研单位开始从事机器人这个新兴领域的研究工作，但是经过十年的努力，依旧没有突破性的进展。直到七十年代中后期，国内的少数研究所及大学开始研制基于示教再现或遥控操作的工业机器人实验样机，而这种机器人在国外已在汽车工业中得到大规模的应用。通过“七五”，“八五”的科技攻关后，我国已经基本掌握了机器人本体设计制造技术、机器人控制系统的软硬件设计技术、解决了运动学正反解及轨迹规划等技术问题，开发出了点焊、弧焊、搬运、喷涂、注塑等工业机器人。1988 年我国博实自动化设备公司着手研制针对粉粒料的无人化生产线，具有自动称重、包装、码垛等功能。耗时1年，该条生产线成功被研制出来，是我国在该行业首条无人化生产线。“九五”时期，在国家“863”计划的支持下，沈阳新松机器人自动化股份有限公司，上海机电一体化工程公司，哈尔滨博实自动化设备有限责任公司，北京机械工业自动化所，四川绵阳思维焊接自动化设备有限公司等被确立为智能机器人主题产业基地。到了新世纪，我国的机器人技术研究方面取得了巨大的进步，种类繁多的机器人都已经被科研工作这研发出来了，比较常见的有搬运机器人、码垛机器人、焊接机器人、涂装机器人、装配机器人等，并且码垛机器人的技术也取得了迅速的发展，选后进入众多企业的生产流水线上工作。“十五”期间是我国机器人发展的一个重要转折点，市场需求量以每年 15%-20%的速度快速增长^[4-8]。2004 年，由哈尔滨工业大学研制的 1600 型码垛机器人生产线，包装速度快、精度高，生产能力达到了 1600 包/小时以上。哈尔滨工业大学研制的 HJN130 专用码垛机器人，最大负载能力达到 300kg。上海沃迪包装科技有限公司携手上海交通大学机器人研究所，合作开发了新一代 TPR-120、TPR-200、TPR-300 系列码垛机器人。TPR系列码垛机器人满足不同包装生产线的各式各样的产品码垛需求，并且TPR系列码垛机器人，具有的线性四连杆机构，使得机器人动作程序更简单，控制更精准。机器人所采用的高强度铝合金手臂，不仅使手臂动作更加灵活，同时也降低了能源损耗^[9-11]。截止 2010 年，我国拥有4万台以上的工业机器人，包括焊接、搬运、冲压、喷涂等各类机器人。在机器人研发力量方面，已具备了设计和应用大型机器人的能力。沈阳新松自动化股份有限公司开发出的 SRM160A/300A 系列机型，采用 4 轴设计，高达300公斤的有效载荷。实现可靠、快速、精确连续不断的运送功能。SRM160A/300A 适应恶劣生产环境，在粉尘较大的室内外均可正常工作。采用钢性的手臂设计，提升了手臂负载能力，扩大了适用范围^[12-15]。目前我国的工业机器人市场前景广阔，很多的科研团队都乐意投资在开发研究码垛机器人上，先后出现一系列创新型码垛机器人机构，在一定的程度上取得了一些阶段性成果，为后续进一步研究提供了参考。但由于码垛机器人本身的结构、稳定性、动态优化等方面仍有很大的提升空间，另一方面，国内还未对码垛机器人进行规模化生产应用，与发达国家的工业机器人还有很大的差距，究其原因还是没有完善的技术系统，对于许多码垛机器人机构外形创新都依赖于外国发达国家的外形，在机器人机构创新研究上缺乏自己想法和理念，这就无法在本体结构上提升工业机器人的特性性能。

相比之下，德国、日本、瑞典等国家的科研人员则在工业机器人领域的开发取得了重大发明，并逐步推出了他们自主研发的品牌机器人，其中比较广为人知的有如下这些品牌的机器人：日本的FANUC 机器人、 FUJI 机器人以及德国的 KUKA 机器人和瑞典的 ABB 机器人等^[16-18]。一个完整的码垛机器人主要由机器人本体、末端执行器和控制柜构成。从外观上来看，码垛机器人本体主要由基座、臂部以及腕部组成。由于有的产品只能用吸附性的末端执行器放置物品的损坏，而有些产品需要夹取，有鉴于此，一般都会设计吸附、夹取等多种不同的夹具为了对不同的产品进行码垛。码垛机器人本体结构采用了先进的优质的铸铁材料大大提高了其机械性能和抗震动的能力。其驱动系统都采用交流伺服控制电机，整合了驱动系统，使其模块化，减少不必要的驱动电机。还有一些码垛机器人安装了安全软件，能够实时监控码垛机器人的运行，实现数据的交换，从而大大提高了码垛机器人的智能化程度。

直角坐标机器人定位精度高，重复定位精度可以达到0．01 mm ～ 0．05 mm;负载能力强，单根直线运动单元的最大负载为 200 kg，当采用多滑块刚性连接时，直线运动单元承受最大负载可以增加 6~10 倍^[19]，对比关节型机器人，直角坐标机器人外形直观，而且生产成本低，方便操作人员日常维护和使用。鉴于直角坐标机器人以上的种种优点，在工业机器人自动化装备的选择中，直角坐标机器人应当是首选。

通过查阅码垛机器人国内外现状，提出直角坐标型箱装码垛机器人并设计出其结构，旨在提高码垛机器人的负载能力和工作的速度。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、直角坐标型箱装码垛机器人总体方案分析

2、直角坐标型箱装码垛机器人主要零部件设计

3、直角坐标型箱装码垛机器人总装配图及部分零件图设计