摘 要

本文根据实际需求设计了一种负载100kg、最大作业半径3034mm、码垛能力为1500包/时的码垛机械手。以性能指标为基本出发点，首先确定了机械手采用五自由度关节型串联的形式，然后制定了传动系统方案，以交流伺服电机驱动，RV减速器传动，据此设计了底座、腰部、臂部和腕部等结构，并对电机和减速器进行了选型计算。为了完善码垛机械手的结构，还对末端执行器进行了设计，其驱动方式采用气动技术，功能主要由双摇杆形式的夹取机构和压袋机构完成。最后利用ADAMS软件建立了码垛机器人整体的动力学模型，根据设计需求模拟仿真了机械手的一个工作循环，得到并分析了各个关节的驱动力矩和气缸的驱动力，证明了机械手电机和减速器及末端执行器夹取气缸选择的合理性，同时也验证了码垛机械手结构的可行性。

关键词：码垛机械手；末端执行器；结构设计；ADAMS

Abstract

In this paper, a palletizing manipulator with the standard load 100kg and the maximum working radius 3034mm is designed, and it can stack 1500 sacks of cement in an hour. Considering the main designing requirement, the paper decides that the manipulator is a kind of articulated serial robot with 5 degrees of freedom. Then the drive system scheme is laid out, AC servo motor and RV reducer adopted. According to the previous plan, the structure of the base, waist, arm and wrist is designed. Besides, type selection calculation for motor and reducer is completed. In order to perfect the structure of the palletizing robot, the paper also describes a way of designing an efficient end-effecter with four cylinders driving, which includes clipping mechanism and pressing mechanism. Then dynamics model of the whole palletizing robot was established by ADAMS software, where a working cycle of the manipulator is simulated according to the requirements. Thus the driving torque of each joint and the driving force of cylinders can be obtained and analyzed. Finally, the result proves the rationality of the choice of the motors, reducers and the end-effector, and simultaneously verifies the feasibility of the structure of the palletizing manipulator.

Key Words: palletizing manipulator; end-effector; structural design; ADAMS

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外码垛机器人的研究及发展现状 1

1.2.1 国外码垛机器人的研究及发展现状 2

1.2.2 国内码垛机器人的研究及发展现状 4

1.3 研究（设计）的目标及基本内容 5

第2章 码垛机械手本体方案设计 6

2.1 码垛机械手的设计需求 6

2.2 码垛机械手运动功能设计 6

2.2.1 机器人构型介绍 6

2.2.2 码垛机械手构型的选择 7

2.3 码垛机械手传动系统设计 8

2.3.1 驱动方式的选择 8

2.3.2 减速器的选择 9

2.3.3 各关节传动方案的确定 10

2.3.4 运动参数的确定 10

2.4 码垛机械手机械结构设计 11

2.4.1 腰部旋转结构设计 11

2.4.2 大臂转动结构设计 12

2.4.3 其他结构设计 13

2.5 码垛机械手电机及减速器的选型计算 13

2.5.1 末端电机及减速器的选型计算 13

2.5.2 腕部电机及减速器的选型计算 15

2.5.3 小臂电机及减速器的选型计算 16

2.5.4 大臂电机及减速器的选型计算 17

2.5.5 腰部电机及减速器的选型计算 18

2.6 本章小结 19

第3章 码垛机械手末端执行器结构设计 20

3.1 驱动方式的选择 20

3.2 夹取机构设计 20

3.3 压袋机构设计 22

3.4 气缸选型计算 22

3.4.1 压紧气缸选型计算 22

3.4.2 夹取气缸选型计算 24

3.5 本章小结 25

第4章 码垛机械手动力学仿真 26

4.1 ADAMS软件概述 26

4.1.1 软件简介 26

4.1.2 ADAMS仿真步骤 26

4.2 码垛机械手仿真模型的建立 26

4.2.1 码垛机械手实体模型的导入 26

4.2.2 添加运动约束 27

4.2.3 定义外部载荷 27

4.2.4 添加驱动函数 28

4.2.5 仿真与测量模型 29

4.3 结果分析 29

4.4 本章小结 32

第5章 结论与展望 33

5.1 总结 33

5.2 研究展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、目的及意义

近20年来，随着现代社会科技水平的迅猛发展，机器人技术广泛应用于生产，深入到生活，在社会关系中扮演着不可或缺的角色。而机器人是一门涉及到机械技术、自动控制技术、计算机技术、传感技术、气动液压技术及材料技术等的综合性学科，代表了高新技术的发展前沿^[1]。如今，机器人的应用状况已经可以作为权衡一个国家科研技术水平和工业自动化程度高低的重要指标之一。

根据应用领域的差异，业界普遍把机器人划分为三种，即工业机器人、特种机器人和服务机器人。其中，工业机器人作为一种机电一体化高度集成的自动化生产装备，在制造领域里主要执行机械加工、毛坯制造、表面喷涂、焊接、热处理、物料搬运及仓库码垛等作业^[2]，极大提高了生产效率，并在一定程度上降低了装备制造成本，缓解了技术和劳动力的压力，对未来生产和社会发展具有十分重要的意义。