摘 要

随着科学技术的飞速发展，不再可能依靠人工码垛来生产商品。多年来，码垛机器人已逐渐应用于各个行业，并逐渐取代了手动码垛。码垛机器人的普及不仅减少了人工，而且节省了大量的人工成本。目前，码垛机器人在包装、物流等领域里面的应用也越来越广泛。本文的研究目的是设计一款码垛机器人的双夹板式手抓，用以包装箱体的码垛工作。

首先，本文在了解了各种码垛机器人双夹板手抓的结构基础上，确定了码垛机器人手抓的驱动方式。在明确驱动方式为气压传动的前提之下，对气缸、 滑块滑轨等进行了选型，并完成了码垛机器人双夹板手抓的整体方案设计。本次设计的双夹板码垛机器人手抓通过气缸的运动带动滑块在滑轨上滑动，进而带动前夹板运动从而夹紧包装件，小气缸的作用主要是为了控制爪钩的张开与闭合，而抓钩的设计则是为了保护包装件。

其次，根据码垛机器人手抓的各结构选型尺寸，对其各个零件使用SolidWorks进行三维建模，并进行装配，对其进行了详细的结构设计，并利用Solidworks的质量分析功能估算手抓质量，进而对电机减速器进行了选型。

然后，使用ANSYS Workbench有限元软件通过简化模型，选择材料，划分网格，确定载荷并添加约束来对该模型进行深入的有限元分析，包括两种工况下的机器人手抓整体及抓钩的静力学分析。

最后通过静力学分析结果对手抓夹板进行分析优化，并将优化结果与未优化前进行对比。在保持双夹板手抓满足强度要求的情况下，减轻其重量、节约成本，从而达到轻量化设计的目的。

关键词：双夹板式手抓；结构设计；有限元分析；优化设计；

Abstract

With the rapid development of science and technology, it is no longer possible to rely on manual palletizing to produce goods. Over the years, palletizing robots have been gradually used in various industries, and gradually replaced the manual palletizing. The popularity of palletizing robot not only reduces labor, but also saves a lot of labor costs. At present, palletizing robot is widely used in packaging, logistics and other fields. The purpose of this paper is to design a double clamp plate hand grip of palletizing robot for palletizing of packing box.

First of all, based on the understanding of the structure of the double splint hand grip of various palletizing robots, the driving mode of the hand grip of palletizing robots is determined. On the premise of making clear that the driving mode is pneumatic transmission, the cylinder and slide rail are selected, and the overall scheme design of double splint hand grip of stacking robot is completed. In this design, the double splint stacking robot's hand grip drives the slider to slide on the slide rail through the movement of the air cylinder, and then drives the front splint movement to clamp the package. The small air cylinder's function is mainly to control the opening and closing of the claw hook, while the design of the claw hook is to protect the package. Secondly, according to the size of each structure selection of the hand grip of the palletizing robot, the 3D modeling and assembly of each part are carried out by using SolidWorks, and the detailed structure design is carried out, and the quality of the hand grip is estimated by using the quality analysis function of Solidworks, then the selection of the motor retarder is carried out.

Then, the ANSYS Workbench software is used to analyze the model by simplifying the model, selecting materials, meshing, determining loads and adding constraints, including the static analysis of the whole robot and the grapple under two working conditions.

Finally, the static analysis results are used to analyze and optimize the gripper, and the optimization results are compared with those before optimization. Under the condition of keeping the double splint grip to meet the strength requirements, the weight and cost are reduced, so as to achieve the purpose of lightweight design.

Keywords: double clamp plate grip; structural design; finite element analysis; optimization design;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 包括选题背景、课题来源及意义 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 课题来源 2

1.2 国内外码垛机器人现状 2

1.2.1 国外码垛机器人研究现状 2

1.2.2 国内码垛机器人研究现状 3

1.3 对机器人行业的展望 4

1.4 研究内容与方法 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 技术路线 5

第二章 双夹板手抓传动系统设计 8

2.1 双夹板手抓简介 8

2.1.1 夹板手抓的结构组成 8

2.1.2 夹板材料的选择 8

2.2 电机和减速器的选型 9

2.3 气动系统的设计 13

2.3.1 负载的计算 13

2.3.2 大气缸的选型 15

2.3.3 小气缸的选型 16

2.4 滑块滑轨的选型 16

2.4.1 滑块负荷最大偏移量的计算 17

2.4.2 静安全系数 17

2.4.3 滑轨的使用寿命 17

2.5 本章小结 18

第三章 有限元法和 ANSYS软件简介 19

3.1 引言 19

3.2 有限元法简介 19

3.3 ANSYS Workbench简介 19

第四章 有限元模型的建立 21

4.1 正常夹取工况下的有限元分析 21

4.1.1 材料的定义 21

4.1.2 模型的导入与简化 21

4.1.3 有限元网格的划分 23

4.1.4 添加载荷及约束 23

4.1.5 结果分析 24

4.2 大气缸失灵状态下对抓钩的有限元分析 28

4.2.1 抓钩三维模型的导入与材料定义 28

4.2.2 网格的划分 29

4.2.3 添加载荷及约束 29

4.2.4 结果分析 30

4.3 本章小结 31

第五章 有限元模型的优化 32

5.1 有限元模型优化的目的 32

5.2 有限元分析优化方案 32

5.3 优化结果分析 33

5.4 本章小结 36

第六章 总结 38

6.1 引言 38

6.2 本文小结 38

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1 包括选题背景、课题来源及意义

1.1.1 选题背景

机器人最早出现是在1960年，随着科学技术的不断发展和进步，机器人技术水平也早已今非昔比，其中备受关注就是工业机器人，因为其应用方面广泛，进而发展迅速，推动了全面自动化的到来。目前在各行各业中都能看见工业机器人的身影，特别是在电气，机械码垛，汽车等行业。美国机器人工业协会将工业机器人做了如下的定义：所谓工业机器人，是一种特殊的设备，可以通过运输可编程材料，零件，工具和其他多功能的机械手或调用其他程序来完成各种任务。

随着经济的发展和公用成本的不断增加，工人们对于工作环境及劳动强度的要求也在不断增加。工厂急需一种可以代替工人在严酷的环境下进行的高难度作业及枯燥无味的循环型作业，于是机器人应运而生。机器人可以通过计算机算法编程来执行简单和复杂的任务，并且在某些情况下，其能够根据外部环境的变化来自动修改任务，具有一定智能化^[1]。其较为智能的能力将机器人与普通自动化机器区分开来。如今，机器人在各行各业中，其名称在不同领域有所不同。当前，它们可以分为医疗机器人，服务机器人，仿生机器人和工业机器人。这表明机器人已经与我们的生活密不可分。我们的日常工作、学习、生活也离不开机器人的帮助。本设计中研究的码垛机器人是一种工业机器人，其主要任务是在工业生产中处理将大量工件码垛在一起的包装工作。由于机器人的重复运动和抗疲劳性，使码垛机器人在与人工码垛相比之下具有显著优势。

根据机械手的形状，机器人可分为关节式机器人、球面坐标机器人、柱面坐标机器人。码垛机器人是一种工业机器人，主要用于在生产线上的任何位置进行快速的产品采集，搬运，包装，码垛等操作，并将机器、计算机控制、检测技术、人工智能等集成在一起，是一种多学科领域的智能设备^[2]。它主要由机体，伺服驱动系统，臂机构，末端执行器（手抓），末端执行器调节机构和检测机构组成，并根据各种不同的包装材料，设定码垛顺序和层数以适应不同的类型的包装材料的码垛^[3]。码垛机器人的出现不仅保证了码垛工作人员的工作安全，而且提高了码垛效率和仓储空间的利用。同时，码垛机器人具有结构简单，安装空间小，适应性强，能耗低，智能化程度高的优点^[4]。