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引言
在熱炒的工業(yè)4.0時(shí)代，在以勞動(dòng)密集型為主導(dǎo)的中國(guó)制造也悄然發(fā)生著變化，如富士康大舉引入工業(yè)機(jī)器人、東莞制造業(yè)大規(guī)模引進(jìn)機(jī)器人生產(chǎn)等等。工業(yè)機(jī)器人能適應(yīng)基本的運(yùn)動(dòng)要求，同時(shí)能耐高溫、耐腐蝕，能適應(yīng)各種的工作環(huán)境，像日本核電站泄漏事件也是有探測(cè)的機(jī)械人經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程控制進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)勘查。通過(guò)綜合機(jī)械結(jié)構(gòu)、感應(yīng)器控制器和伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化自動(dòng)生產(chǎn)的功能并可重復(fù)編程，實(shí)現(xiàn)了一系列動(dòng)作的自動(dòng)化和快速響應(yīng)，不僅大大地提高了產(chǎn)能，而且進(jìn)一步的使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度在合理范圍，改善勞動(dòng)條件，大大地降低生產(chǎn)成本。
碼垛機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人中一種重要類(lèi)型，所謂碼垛，是指按照集成單元化思想，將一件件的物品按照一定的形式堆碼成垛，以便使單元化的物垛完成對(duì)物料的搬運(yùn)、裝卸、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等物流的活動(dòng)。從碼垛的概念我們可以知道，碼垛技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)了“物流”自動(dòng)化，通過(guò)驅(qū)動(dòng)元件使末端裝置到達(dá)指定位置，而后按照設(shè)定的指令使末端裝置運(yùn)動(dòng)，抓取目標(biāo)物件并使它的空間位置發(fā)生轉(zhuǎn)移從而實(shí)現(xiàn)碼垛的自動(dòng)化。在倡導(dǎo)工業(yè)產(chǎn)能升級(jí)的今天，碼垛技術(shù)有著極其重要的位置，碼垛機(jī)器人的反應(yīng)是否靈活快速、是否穩(wěn)定可靠、是否結(jié)構(gòu)輕便、信息能否傳達(dá)到大的統(tǒng)籌系統(tǒng)當(dāng)中，這都是實(shí)際生產(chǎn)中要考慮的問(wèn)題。
1碼垛機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，大型糧庫(kù)中袋裝大米重量達(dá)30到50kg，如此這般的重復(fù)勞動(dòng)，使得工人的勞動(dòng)量將很大。采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的自動(dòng)化將大大地提高生產(chǎn)效率、節(jié)省人工成本，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)操作的柔性自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)效率。
本設(shè)計(jì)主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要工作內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
1）了解搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，掌握碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及基本構(gòu)成部分。
2）對(duì)碼垛機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案確定后，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括腕關(guān)節(jié)電機(jī)、軸承、減速器的選擇；臂部材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、受力分析、關(guān)節(jié)處銷(xiāo)軸的校核、關(guān)節(jié)軸承的選型；傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：電機(jī)、同步帶、軸承的選型，滾動(dòng)絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)軌的選型與校核；腰部電機(jī)、減速器、軸承型號(hào)的選擇：抓手的運(yùn)動(dòng)形式、握緊力計(jì)算、驅(qū)動(dòng)氣缸選擇。
3）機(jī)械本體的運(yùn)動(dòng)分析與執(zhí)行末端的中軸線始終垂直及執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
目前，我國(guó)采用的碼垛機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)形式有直角坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型。直角坐標(biāo)為四軸機(jī)器人，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)。它具有定位精度高、便于空間軌跡求解、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但相應(yīng)的是運(yùn)動(dòng)速度較低、操作靈活性差、占用工作空間大而相對(duì)工作范圍小的不足。與之相比，關(guān)節(jié)型機(jī)器人有著更大的動(dòng)作空間、占用空間小、有著更高的適應(yīng)能力和更廣的應(yīng)用范圍。
考慮夾取的糧袋的大小和適用環(huán)境，決定采用關(guān)節(jié)式機(jī)器人，來(lái)實(shí)現(xiàn)30到50kg重量的糧袋的上下料。參照日本某公司的碼垛機(jī)器人工作過(guò)程與運(yùn)動(dòng)過(guò)程，選用以下方案：采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的原理保證手腕的軸線垂直，大、小臂則由絲杠平臺(tái)帶動(dòng)。選定好伺服電機(jī)，通過(guò)同步帶輪使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。同步帶的選用很大程度上減少了空間體積，也使得機(jī)械手更加靈活可動(dòng)。絲杠平臺(tái)則安放在一個(gè)支架上。夾持末端則考慮選用兩端安置氣缸作為動(dòng)力裝置。對(duì)于位置確定，擬在底座安放一個(gè)位置檢測(cè)感應(yīng)器來(lái)感應(yīng)物品，抓手位置的氣缸則需要安裝磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)，反饋氣缸位置信息。系統(tǒng)初定為基于PLC的設(shè)計(jì)。
如圖所示，選取該機(jī)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)思路：
本文中的機(jī)器人設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)1.8米，腰部、腕部可以回轉(zhuǎn)330°，運(yùn)動(dòng)組成還有大臂的上下運(yùn)動(dòng)、小臂的前后運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)原件選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，抓手的驅(qū)動(dòng)部件則選用氣缸，以使結(jié)構(gòu)更加的簡(jiǎn)化并使重量得到輕化。
腕部的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要保證其軸線始終垂直，并要選用較輕的電機(jī)，由于需要的轉(zhuǎn)速低且所需轉(zhuǎn)矩不高，可選用的電機(jī)類(lèi)型較多。
機(jī)械手臂為主要承載，選用8mm鋼板焊接而成，主要受力的大臂中間還焊接有4mm方形鋼管。小臂在與前后大臂軸連接處各焊接一個(gè)襯套，以此保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，最終通過(guò)軸承與大臂連接。軸承選用圓錐滾子軸承和深溝球軸承。
考慮運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要做的工作有：對(duì)絲杠、導(dǎo)軌的選用和校驗(yàn)；銷(xiāo)軸的計(jì)算與選用。
腰部選用中低速電機(jī)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)特性選用推力球軸承。
2碼垛機(jī)器人腕部和腰部設(shè)計(jì)
碼垛機(jī)器人腕部設(shè)計(jì)：

腕部直接承受執(zhí)行末端負(fù)載的重量，伺服電機(jī)接減速器為末端變化位姿傳送動(dòng)力，減速器接法蘭連接盤(pán)。由腕部托架為支撐，軸連接處為拉架軸。
3機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1機(jī)構(gòu)的受力分析
在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，H方向的絲杠副主要受到摩擦力的影響，V方向的則是受到來(lái)自Z軸方向的力。當(dāng)出現(xiàn)如圖所示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及當(dāng)AC垂直BF且AC垂直CB時(shí)，兩滾珠絲杠副承受的載荷最大。AC為小臂，BF、CB為前后大臂。
腕部直接承受執(zhí)行末端負(fù)載的重量，伺服電機(jī)接減速器為末端變化位姿傳送動(dòng)力，減速器接法蘭連接盤(pán)。由腕部托架為支撐，軸連接處為拉架軸。
3機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1機(jī)構(gòu)的受力分析
在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，H方向的絲杠副主要受到摩擦力的影響，V方向的則是受到來(lái)自Z軸方向的力。當(dāng)出現(xiàn)如圖所示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及當(dāng)AC垂直BF且AC垂直CB時(shí)，兩滾珠絲杠副承受的載荷最大。AC為小臂，BF、CB為前后大臂。

根據(jù)實(shí)際的工作需要我們?cè)O(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)為AB=1170，BC=260mm，CD=1080mm，DE=240mm，點(diǎn)A到五邊形的中心線長(zhǎng)度為d=150mm。
在上圖的符號(hào)當(dāng)中我們把G1定為電動(dòng)機(jī)及負(fù)載的重力總和，碼垛的物品最大達(dá)到50KG，腕部的部件重力達(dá)到100N，M則為圍繞點(diǎn)A的電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩總和M=G1×d=200×150×10-3=90N·m，小臂選用的材料為Q235，重量達(dá)到400N。
3.2手臂關(guān)節(jié)軸承的選型與校核
手臂由于承受的載荷很大，所以手臂需要設(shè)計(jì)成剛度大，以保證運(yùn)動(dòng)的可靠性，還有由于小臂的較好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，則需要設(shè)計(jì)成為重量較輕，這就要求我們選取小臂的截面形狀，以保證小臂能選取到較大的剛度并防止小臂發(fā)生彎曲變形。同時(shí)，我們根據(jù)實(shí)際的工況，相應(yīng)地設(shè)計(jì)手臂的懸伸部分。
通過(guò)小臂剪力圖可以知道當(dāng)往B靠近時(shí)，小臂的彎矩就越來(lái)越大，所以在所結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，往B點(diǎn)靠近的部分要增大尺寸，而其他的部分則采用均勻餓的的尺寸分布。B點(diǎn)選用銷(xiāo)軸方式作為聯(lián)接，銷(xiāo)軸的承受載荷就很大，所以必須對(duì)它進(jìn)行校核，以保證運(yùn)動(dòng)的可靠性，穩(wěn)定性和耐用性。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》及相關(guān)資料的查詢，我們選用的軸承為自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承，它的特點(diǎn)是既能承受徑向載荷，同時(shí)還能承受另外一個(gè)方向較小的軸向載荷。根據(jù)相關(guān)的技術(shù)要求選軸承的型號(hào)為GE25ES-2RS，當(dāng)中d=25mm。

4豎直滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算選型
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)需要考慮工作載荷，它除了保證工作的可靠性，還關(guān)系到導(dǎo)軌副的工作使用壽命。通常我們布置平臺(tái)采用的為雙導(dǎo)軌，一導(dǎo)軌上有兩個(gè)滑塊的形式?？紤]最為極端的情況時(shí)，一個(gè)滑塊承載所有的工作載荷，這時(shí)我們對(duì)垂直方向的載荷進(jìn)行分析：

式子中：F=F2；
G=800N。
（F為外加載荷、G為移動(dòng)部件的重量總和）將相關(guān)的數(shù)值代入（4-12）可以得到：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮工作載荷承受狀況，選用型號(hào)為SBSF20V滾動(dòng)導(dǎo)軌，額定動(dòng)載荷Ca=7.81kN，額定靜載荷Coa=13.78kN?？紤]滑塊的尺寸大小和導(dǎo)軌的承受載荷能力，確定導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為820mm。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌的預(yù)期額定壽命是50km，實(shí)際的計(jì)算數(shù)值206.01km遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定值，故可以得知所選的導(dǎo)軌符合設(shè)計(jì)要求。
5末端裝置設(shè)計(jì)與計(jì)算
傳統(tǒng)的機(jī)械式和液壓式的抓手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，而氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手則有美觀和輕巧的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格便宜，能更好的組合到末端裝置上，具有穩(wěn)定性和可靠性。
根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)，設(shè)定其工件的質(zhì)量G=50kg，“V”形抓塊的角度2θ=120°，b=400mm，a=230mm，摩擦系數(shù)經(jīng)過(guò)查表可知：f=0.1。
（1）的模式是手部垂直抓取，根據(jù)傳動(dòng)的示意圖可以知道，它的驅(qū)動(dòng)力為：

從計(jì)算結(jié)果可以知道夾持物件所需要的夾緊狀態(tài)需要?dú)飧椎尿?qū)動(dòng)力為2773.74N。
6總結(jié)
本設(shè)計(jì)是關(guān)于新型智能糧食碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)，對(duì)于碼垛機(jī)器人，根據(jù)其工作要求，在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)是要注意機(jī)械手的自由度，保證它的靈活性，滿足抓取、碼垛、和上下料等作業(yè)，操作過(guò)程是由2種氣缸組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)可采用可編程控制，程序簡(jiǎn)單且便于調(diào)試。機(jī)械手可在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于柔性自動(dòng)線上。機(jī)械手多半由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，能適應(yīng)較為惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作和生產(chǎn)效率。

作者：廖奇

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