KG四自由度码垛机器人底座设计及分析报告.doc

. . . . 100KG四自由度码垛机器人底座设计与分析〔……，…….，……..，…….〕摘要：本文主要设计和研究了一个抓重为100KG的四自由度的码垛机器人，用于企业生产中的码垛物品首先对机器人的整体方案和具体的结构按要求进展了分析，接着主要设计了机器人底座和腰部结构并进展了建模和装配最后,利用分析软件〔UG〕对机器人底座和腰部进展有限元仿真分析关键词：码垛机器人；结构设计；建模；有限元分析Design and Analysis of 100KG4-dofPalletizing Robot Base… … …〔School of Transportation，Institute of Transportation Mechanical Design Manufacturing and Automation，jixieben1104 ，〕Abstract:In this paper, the design and research of a catch weight of 100KG of4-dofpalletizing robots for the production of stacking items.At first, the overall program and the specific structure of the robot were analyzed according to the requirements, then the main workisto designthe base and waist of the robotand carry on the modelling and analyze.Finally, this paper uses the analysis software (UG) to make finite element analysis of it.Key words: Palletizing robot；Structural Design；Modeling；Finite Element Analysis1 引言随着科技的不断开展和进步，企业越来越重视自动化生产。

[1]在这种背景下，机器人的使用越发普与，码垛机器人就是其中之一效率高，适用性强，能耗低，占地面积少等诸多优势让它在各个领域大放异彩2 课题的设计容本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，尤其是底座和腰部设计，主要工作容有以下几点:1.了解码垛机器人开展近况以与未来开展方向，并掌握码垛机器人的根本构成局部2.对码垛机器人的底座和腰部进展设计机器人腰部旋转局部电机和减速器的选择和校核以与结构的设计3.用UG进展三维模型设计设计底座和腰部的三维模型，并将设计好的底座和腰部进展装配4.利用UG对主要受力构件进展有限元分析3 码垛机器人总体结构本课题设计的码垛机器人属于关节型机器人，共有四个自由度，分别是底座1的旋转，大臂2和小臂3的转动，还有前爪4的旋转总体结构如图3-1所示图3-1码垛机器人结构4 码垛机器人底座和腰部设计4.1 腰部电机和减速器的选择4.1.1 电机选择码垛机器人腰部由于负重较大，所以要求旋转的速度不宜过快，因此要选择中速或者低速电机设机器人腰部绕其中心轴的转动惯量为J，根据机器人的静力学分析，取大臂小臂极限长度L，可得其转动惯量为： 〔4-1〕 其中M是腰部所要承受的重量，为200Kg，L为1m，通过计算得其转动惯量为66.7电机转矩〔4-2〕 回转加速度〔4-3〕带入求出力矩：N·m电机的转动惯量〔4-4〕取减速比i=153，带入求出电机的转动惯量Kg·m2电机的转矩〔4-5〕带入求出电机转矩N·m根据以上计算结果，可以初步选定伺服电机，根据日本安川伺服电机公司提供的参数，选取Σ-V系列的SGMGV-20A型电机，额定输出为1.8KW，额定转矩为11.5N·m，瞬时最大转矩为28.7N·m。

4.1.2 减速器的选择码垛机器人腰部的旋转需要克制的负载转动惯量比拟大，所以在负载和驱动电机之间要用有比拟大传动比的减速装置[2]考虑到码垛机器人体积结构、传动精度和经济性等要求，本文设计的机器人减速装置采用RV减速器RV减速器具有传动比拟大、结构简单、体积较小、重量较轻、效率高、运转平稳、过载能力强、使用寿命较长等优点，能够满足码垛机器人的各种要求选减速器所需各种数据如表4-1所示表4-1 减速器选型条件启动时〔max〕稳定时停止时〔max〕紧急停止冲击时负载转矩(N·m)T1=1000T2=0T3=1000Tem=3000转速(r/min)N1=5N2=10N3=5Nem=20时间(sec)t1=0.5t2=4.2t3=0.5tem=0.05确定负载特性求出平均负载转矩〔4-6〕N·m求出平均输出转速〔4-7〕暂时选定RV-80E-10计算减速机寿命是否满足要求的规格值〔4-8〕远大于20000小时求出输出转速最大输出转速10r/min<75r/min〔RV-80E减速器允许最高输出转速〕求出启停转矩T1=1000N·m<1960N·m〔RV-80E减速器的启动时允许转矩〕T3=1000N·m<1960N·m〔RV-80E减速器的停止时允许转矩〕求出紧急制动力矩Tem=3000N·m<3920N·m〔RV-80E减速器的瞬时最大允许转矩〕求出主轴承承载力〔4-9〕外部负载条件W1=500 N L1=0.5mW2=2000N L3=0.5m求出力矩刚度求出输出轴偏角是否符合要求的规定值〔4-10〕表4-2 减速器弯矩刚性和轴端尺寸型式弯矩刚性Nm/arc.min.※3尺寸(mm)abRV-6E11717.691.6RV-20E37220.1113.3RV-40E93129.6143.7RV-80E※1117633.4166.0RV-80E※2117637.4166.0RV-110E147032.2176.6RV-160E294047.8210.9RV-320E490056.4251.4RV-450E744869.0292.7式中MT为弯矩刚性，查表4-2，得MT=1176N·m=0.58(分)<1(分)符合要求。

求出外力矩〔b.a从表4-2查得〕〔4-11〕〔4-12〕(允许弯矩从表4-3查得)型式允许弯矩Nm允许轴向推力NRV-6E1961470RV-20E8823920RV-40E16665194RV-80E※121567840RV-80E※217357840RV-110E294010780RV-160E392014700RV-320E※1705619600表4-3 减速器允许弯矩和允许轴向推力减速器RV-20E满足所有要求规格，因此选定RV-80E-104.2 底座和腰的结构设计4.2.1 底座的设计底座局部要支撑腰部以上包括大臂小臂和100KG负重等所有重量，所以在设计结构方面首先考虑的是它的稳定性和巩固性在参考了一系列的文档资料后，决定用圆台作为主模型，然后将用于腰部旋转的电机和减速器全都固定在底座上，进一步加强稳定性底座结构如图4-1所示图4-1底座的结构设计工程图如4-2所示4-2 码垛机器人底座设计工程图4.2.2 腰部的设计本文设计的码垛机器人腰部有两方面作用，一是通过底座的电机连接减速机，减速器又与腰部相连，进而带动腰部实现360°旋转；二是在腰部上端是与大臂相连的结构，连接局部也是利用电机与减速机的结合，最终实现大臂一定角度的转动。

因此，在设计腰部的时候，其根本要求如下：1.高精度为了腰部在平稳运动时能保持较高的定位精度，所以码垛机器人的精度也很重要2.高强度腰部的上端支撑着包括大臂，小臂前爪以与抓重物等所有的重量，为了保证在如此负重之下腰部还能正常运动而且不会影响精度，这就对腰部的强度有了很大的要求3.轻重量为了降低码垛机器人的重心，提高运动速度，还要减小整个腰部对于回转轴的转动惯量，腰部的设计在强度满足条件的情况下要尽量减轻重量4.良好的导向性为了确保腰部的旋转不会影响到大臂的运动，所以良好的导向性也是十分必要的腰部结构设计如图4-3所示图4-3 码垛机器人腰部结构设计其工程如图4-4所示图4-4码垛机器人腰部设计工程图4.3 底座和腰部的装配装配如图4-5所示图4-5码垛机器人底座腰部装配图码垛机器人装配剖面图如图4-6所示图4-6 码垛机器人装配剖面图5 UG有限元分析5.1 对底座的有限元分析5.1.1 UG有限元分析结果底座有限元分析结果如表5-1，图5-1，图5-2和图5-3所示表5-1 码垛机器人底座有限元分析载荷工况 1 : Number of Iterations = 1位移 (mm)应力 (mN/mm^2(kPa))XYZMagnitudeVon-MisesMin PrincipalMax PrincipalMax Shear静态步长 1Max3.685e-0048.906e-0048.904e-0049.554e-0047.953e+0021.264e+0014.924e+0024.409e+002Min-1.253e-006-8.904e-004-8.904e-0040.000e+0005.325e-001-6.975e+002-9.231e+0012.966e-001图5-1底座未受力时网格划分图5-2底座有限元分析-位移变化图5-3底座有限元分析-应力变化5.1.。