1畢業(yè)設計（論文）任務書系 部 指導教師 職 稱學生姓名 專業(yè)班級 學 號論文題目 碼垛機器人設計論文內容目標及進度要求隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術的突飛猛進，使得機器人在碼垛，涂膠，點焊，弧焊。噴吐搬運，測量等行業(yè)有著相當廣泛的應用。有很多個原因，包括包裝的種類，工廠環(huán)境和客戶需求將碼垛變成包裝工廠里一塊難啃的骨頭。為了克服這些困難。設計一款碼垛機器人。 一、內容:1、碼垛機器人的總體結構設計2、碼垛機器人各關節(jié)傳動系統(tǒng)設計3、碼垛機器人控制系統(tǒng)設計4、繪制裝配圖，零件圖，以及傳動和控制原理圖二 要求：1、收集資料（相關書籍 5 本以上，文章 10 篇以上）2、繪制 CAD 零件圖，裝配圖，原理圖3、賺些論文要符合要求，8000 字以上三、進度1、1-6 周，主要進行畢業(yè)設計準備工作，熟悉題目，收集資料，進行畢業(yè)實習，明確研究目的和任務，構思總體方案；2、7-10 周，繪制相關的圖；3、11-13 周，收尾完善，編寫畢業(yè)設計論文，準備畢業(yè)設計答辯指導教師簽名：年 月 日系 部審 核論文（設計）題目 碼垛機器人設計一、本課題目的、意義及相關研究動態(tài)：1、課題目的：機械設計制造及其自動化專業(yè)是為了培養(yǎng)從事機械設計、制造行業(yè)的人才而開設的專業(yè)。而碼垛機器人課程設計不僅培養(yǎng)設計者對機械的認識、運用能力而且也增進了對機械工業(yè)發(fā)展的了解和認知。碼垛機器人的設計涉及：機械設計原理、電氣傳動及單片機、PLC、可編程控制器等控制系統(tǒng)與基本理論知識。設計目的：（1）養(yǎng)學生的機械設計能力；（2）擴展學生的知識結構；（3）幫助學生培養(yǎng)綜合運用能力；（4）是課堂教學的有益補充。2、課題意義：在機械工業(yè)中，應用碼垛機器人的意義可以概括如下： （1）以提高生產過程中的自動化程度 應用碼垛機器人有利于實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。（2）以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用碼垛機器人即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以碼垛機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產 應用碼垛機器人代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用碼垛機器人可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有碼垛機器人，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。綜上所述，有效的應用碼垛機器人，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。3、國內外研究現狀和發(fā)展趨勢（1）國內的研究現狀碼垛機器人最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。碼垛機器人延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。碼垛機器人與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，碼垛機器人的應用領域日益擴大。我國的碼垛機器人發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)碼垛機器人的同時，相應的發(fā)展通用碼垛機器人，研制出示教式碼垛機器人、計算機控制碼垛機器人和組合式碼垛機器人等。可以將碼垛機器人各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的碼垛機器人，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。目前國內碼垛機器人主要用于機床加工、鍛造。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的碼垛機器人，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)碼垛機器人的同時，相應的發(fā)展通用碼垛機器人，有條件的要研制示教式碼垛機器人、計算機控制碼垛機器人和組合碼垛機器人等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮碼垛機器人的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的碼垛機器人，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。（2）國外研究現狀國外碼垛機器人在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外碼垛機器人的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的碼垛機器人。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如 發(fā)生少許偏差時候，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定的成績。（3）發(fā)展趨勢目前世界高端碼垛機器人均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，良新產品可以達到6軸，負載 2KG的產品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將碼垛機器人、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著碼垛機器人的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，從而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。二、課題的主要內容和創(chuàng)新之處：1、 本課題主要研究內容安排如下：（1）查閱資料，撰寫開題報告，掌握機械產品設計的基本步驟。（2）結合題目進行市場調研，深入工廠進行畢業(yè)實習，在實習過程中，了解現場工程問題，積累相關資料，做好調研筆記，完成實驗報告。（3）了解碼垛機器人工作原理與性能及各部件零件的設計方法，進行設計方案比較后優(yōu)選。2、創(chuàng)新之處由傳統(tǒng)的機械式改為機電綜合式，從而實現結構簡單、占地面積少、適用性強、能耗低、操作非常簡單的碼垛機器人。三、研究方法、設計方案或論文撰寫提綱：1、研究方法：根據設計要求首先設計碼垛機器人的總體結構方案，根據所選機器人參數確定結構及尺寸，再重點對氣動手爪部分進行詳細設計，包括氣缸的設計、氣動系統(tǒng)原理圖的繪制等。第一階段：準備階段：了解工業(yè)機器人的發(fā)展現狀和發(fā)展趨勢，查閱課題相關的國內外文獻，擬訂設計思路。 第二階段：設計階段：確定碼垛機器人總體結構方案，根據選定的工業(yè)機器人參數確定結構及尺寸，再重點對氣動手爪部分進行詳細設計。第三階段：制圖階段：利用 CAD 制圖分別做出裝配圖和零件圖。第四階段：總結階段：撰寫設計說明書，檢查圖紙，準備答辯。2、設計方案本次設計的碼垛機器人由手爪、手臂、手腕和基座組成，總體結構方案如下圖：3、論文撰寫提綱第 1 章 緒論第 2 章 結構的設計2.1 手部機構2.2 手腕結構設計2.3 手臂伸縮、升降的尺寸設計與校核第 3 章 控制系統(tǒng)設計總 結參考文獻致謝四、完成期限和預期進度：1、畢業(yè)設計課題調研階段；第 1—2 周，收集畢業(yè)設計（論文）資料。2、畢業(yè)設計開題報告階段；第 3—4 周，翻譯英文原文，撰寫開題報告。3、畢業(yè)設計中期檢查階段；2016 年 4 月 12 日。4、畢業(yè)設計主要工作階段；第 5—12 周，學習軟件基本知識與課題有關專題部分二周，五周用于擬定設計方案，進行圖紙設計，撰寫設計說明書，一周總結。5、畢業(yè)設計預答辯階段；第 13 周，指導教師審定畢業(yè)設計資料。6、答辯時間：2015 年 6 月 23 日 五、主要參考資料：[1] 李超，氣動通用上下料碼垛機器人的研究與開發(fā).陜西科技大學，2003[2] 陸祥生 ，楊繡蓮 .碼垛機器人.中國鐵道出版社,1985.1[3] 張建民.工業(yè)機械人 .北京：北京理工大學出版社,1992[4] 史國生.PLC 在碼垛機器人步進控制中的應用.中國工控信息網,2005.1[5] 李允文.碼垛機器人設計.機械工業(yè)出版社,1996.4 [6] 蔡自興.機械人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機械人技術,2001，4[7] 周洪.氣動技術的新發(fā)展.液壓氣動與密封,1999，4[8] 金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機械人發(fā)展的態(tài)勢分析.機械人技術與應用,2001，2[9] 王雄耀.近代氣動機械人（碼垛機器人）的發(fā)展及應用.液壓氣動與密封,1999，5[10] 李明.單臂回轉碼垛機器人設計.制造技術與機床，2004. [11] 張軍， 封志輝.多工步搬運碼垛機器人的設計.機械設計,2004.4：21[12] Cole Thompson Associates． “Directory of Intelligent Buildings”1999.指導教師意見簽 名： 年 月 日碼垛機器人設計I摘 要碼垛機器人是機械與計算機程序有機結合的產物。為現代生產提供了更高的生產效率。隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術的突飛猛進，使得機器人在碼垛、涂膠、點焊、弧焊、噴涂、搬運、測量等行業(yè)有著相當廣泛的應用。本文首先對碼垛機器人作了簡單的概述；接著，分析了碼垛機器人的工作原理及設計準則；然后，對碼垛機器人的手部、腕部、臂部及控制系統(tǒng)進行了設計與校核；最后，采用 CAD 制圖軟件繪制了裝配圖和主要零部件圖。通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 軟件，本次碼垛機器人設計代表了設計的一般過程, 對今后的機器人設計工作有一定的參考價值。關鍵詞：碼垛；機器人；設計AbstractPalletizing robot is a combination of mechanical and computer program. Provide a higher production efficiency for modern production. With the rapid development of the sustainable development of our country economy, science and technology, the 碼垛機器人設計IIrobot has a wide range of applications in the palletizing, glue, spot welding, arc welding, spraying, handling and measurement industry.This article first has made the simple outline of the palletizing robot; then, it analyzes the working principle and the design criterion of palletizing robot; then, of the palletizing robot hand, wrist, arm and control system were designed and checked. Finally, the CAD drawing software to draw the assembly drawing and the main parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing, and master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD software, the palletizing robot design represents the general process of design, have certain reference value for future design and robot.Keywords: Palletizing; Robot; Design;目 錄摘 要 IAbstract II第 1 章 緒 論 1碼垛機器人設計III1.1 簡介 .11.2 課題研究背景和意義 11.3 國內外研究現況 2第 2 章 總體設計 42.1 工業(yè)機械手的組成 42.1.1 執(zhí)行機構 42.1.2 驅動機構 42.1.3 控制系統(tǒng) 51.2 方案及參數的選擇 .5第 3 章 結構的設計 73.1 手部 .73.1.1 手指的形狀和分類 .73.1.3 手部夾緊的設計 .73.2 手腕 93.2.1 手腕的自由度 93.2.2 手腕的驅動力矩的計算 93.2.3 手腕回轉的尺寸及其校核 .113.3 手臂 .133.3.1 臂部設計的基本要求 .133.3.2 尺寸設計 .143.3.3 尺寸校核 .15第 4 章 控制系統(tǒng)設計 164.1 CPU 與存儲器 164.2 中斷處理電路 174.3 8279 鍵盤、顯示 174.3 編程 .18總 結 22致 謝 23參考文獻 24碼垛機器人設計1第 1 章 緒 論1.1 簡介隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術的突飛猛進，使得機器人在碼垛、涂膠、點焊、弧焊、噴涂、搬運、測量等行業(yè)有著相當廣泛的應用。有很多個原因，包括包裝的種類、工廠環(huán)境和客戶需求等將碼垛變成包裝工廠里一塊難啃的骨頭。為了克服這些困難，碼垛設備的各個方面都在發(fā)展改進，包括從機械手到操縱它的軟件。市場上對靈活性的需求不斷增長，這一個趨勢已經影響到了包裝的多個方面，生產線的后段也不例外。零售客戶，尤其是那些具有影響力的如沃爾瑪一樣的大型超市，經常需要定制一些隨機貨盤，但是他們不得不定制每一個貨盤，而貨盤的形式只是偶爾會有重復。而且這類隨機的貨盤的高效生產是比較困難的。1.2 課題研究背景和意義隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展和科學技術的突飛猛進，現代物流作為現代經濟的重要組成部分和工業(yè)化進程中最為經濟合理的綜合服務模式，正在全國范圍內得以迅速發(fā)展。自動化立體倉庫作為現代物流系統(tǒng)的重要組成部分，是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)，它是在不直接進行人工干預的情況下自動地存儲和取出物流的系統(tǒng)。碼垛機械手是完成自動化立體倉庫中最重要的設備之一，是貨物堆放到立體倉庫的前端設備，它能夠把單一的物料碼放到一起，便于運輸，提高了生產碼垛機器人設計2效率。它將已裝入容器的紙箱，裝入大袋的化工產品、水泥、糧食等按一定排列碼放在木質（或塑料）托盤上，進行自動堆碼，可堆碼多層，然后推出，便于叉車運至倉庫儲存?？纱蟠蟮販p少勞動人員和降低勞動強度，是現代工業(yè)社會發(fā)展的高科技產物，對提高生產率、降低成本有著重要意義。1.3 國內外研究現況最早將工業(yè)機器人技術用于物體的碼放和搬運是日本和瑞典。20 世紀 70年代末日本第一次將機器人技術用于碼垛作業(yè)。1974 年，瑞典 ABB 公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機器人 IRB6，主要應用于工件的取放和物料的搬運。除此之外，德國、意大利、韓國等國家工業(yè)機器人的研發(fā)水平也相當高。隨著計算機技術、工業(yè)機器人技術以及人工智能控制等技術的發(fā)展和日趨成熟，日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機器人的研究上做了大量工作，相應推出了自己的碼垛機器人，如日本的 FANUC 和 OKURA 以及FUJI 系列，德國的 KUKA 系列，瑞典的 ABB 系列等。德國、瑞典以及日本等國家的碼垛機器人一般為 4~6 軸機器人，主要由固定底座、連桿、連桿臂、臂部、腕部以及末端執(zhí)行器組成。機器人主體多采用優(yōu)質輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式關節(jié)型的機構形式，均利用 CAD 和 FEM 有限元技術進行結構優(yōu)化設計，具有較高的機械性能和抗震能力；驅動系統(tǒng)均采用模塊式數字化 AC 伺服電機和 RV 減速器，取消了腕部關節(jié)驅動電機和平衡塊，大大優(yōu)化了整機結構;針對不同類型的產品和包裝件，還設計了真空吸持、夾持、義式等多種形式的智能末端執(zhí)行器。這些先進碼垛機器人最顯著的技術特點就是采用了基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)，令機器人能夠高速、精準、穩(wěn)定可靠地運行。如瑞典 ABB 公司為 IRB 系列碼垛機器人研發(fā)了主動安全軟件和被動安全軟件，可對機器人的運動和載荷情況進行監(jiān)控。日本 FANUC M410i系列碼垛機器人軟件體系也非常強大，PalletTool /PalletPROTM 用于碼垛設置、仿真和操作;Supports Collision GuardTM 用于減少機器人、夾持器、箱/ 袋以及外圍設備的碰撞損壞;基于網絡的軟件工具用于遠程聯(lián)機、診斷和生產監(jiān)控 ;還專門配備了機器視覺引導系統(tǒng)，用于引導機器人完成拆垛和檢查工作。我國的工業(yè)機器人從上世紀 80 年代“七五” 科技攻關開始起步，在國家的支碼垛機器人設計3持下，通過“ 七五” 、 “八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人，其中有 130 多臺套噴漆機器人在 20 余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線站上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人也已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總體來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外相比還有一定的差距，如可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域狹窄，生產線系統(tǒng)技術與國外相比仍有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約 200 多臺，僅占全球已安裝臺數的萬分之四。形成以上現象的主要原因是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是迎合客戶的要求，即“一個客戶，一次重新設計” ，品種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本高，而且質量和可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，完善系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。第 2 章 總體設計2.1 工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關系如圖2.1 所示。圖 2.1 機械手的組成2.1.1 執(zhí)行機構（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型(為回轉型，因其結構簡單） 。也可用負壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光碼垛機器人設計4滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2）腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓物體的方位（即姿態(tài)） 。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉三個運動。（3）臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。2.1.2 驅動機構有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結構簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在 300N 以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構，可實現連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。2.1.3 控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特征。1.2 方案及參數的選擇（1）手部負重：10kg（2）自由度數：4 個，沿 Z 軸的上下移動，繞 Z 軸轉動，沿 X 軸的伸縮，繞 X 軸的轉動（3）坐標型式：圓柱坐標，其圓柱坐標型式的運動簡圖如圖所示（見圖1）（4）最大工作半徑：1800mm，最小工作半徑 1350mm（5）手臂最高中心位置：1012mm 或伺服電機上端最高行程：1387mm（見圖 2） ，最小行程：1237mm碼垛機器人設計5（6）手臂運動參數：伸縮行程（X）：450 伸縮速度： 〈250mm/s升降行程（Z）：150mm 升降速度：〈60mm/s回轉范圍（φ）：0~180 度 回轉速度：〈70/s（7）手腕運動參數：回轉范圍（ω）： 0~180 回轉速度：90/s（8）手臂握力：由 N=50Kg碼垛機器人設計6第 3 章 結構的設計3.1 手部3.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。3.1.3 手部夾緊的設計1、手部驅動力計算本課題電動機械手的手部結構如圖 3-1 所示：圖 3-1 齒輪齒條式手部其工件重量 G=10 公斤，V 形手指的角度 ， ,摩擦系數為?120??mRb24??10.?f碼垛機器人設計7(1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:Rbp2?N(2)根據手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:)(5.0???tg)(2426'N???所以： Rbp)(45(3)實際驅動力:?21K?實 際因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工94.0??5.1?K件的最大加速度取 時，則:ga3?12?gaK所以 )(5694.0125Np?實 際所以夾持工件時所需夾緊的驅動力為 。133.2 手腕3.2.1 手腕的自由度由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞 x 軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現手腕回轉運動的機構，因此我們選用。它的結構緊湊，但回轉角度小于 ，并且要求嚴格的密封。?3603.2.2 手腕的驅動力矩的計算圖 2-2 所示為手腕受力的示意圖。碼垛機器人設計81.工件 2.手部 3.手腕圖 2-2 手碗回轉時受力狀態(tài)手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算:封摩偏慣驅 MM??式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩( );驅 cmN?- 慣性力矩( );慣 cmN?- 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉的動片 )對轉偏動軸線所產生的偏重力矩( ).?- 手腕回轉的動片與定片、徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力封M矩( );cmN?下面以圖 2-3 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:手腕加速運動時所產生的慣性力矩 M 悅若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ，起動過程所用?的時間為 ，則:t?).(1cmNtJM???）（慣式中: - 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 ;).(2scmN- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量 。1J ).(2scN若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 為:1J碼垛機器人設計9gGJc11??2e式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量 :c ).(2scmN- 工件的重量(N);1- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm),e- 手腕轉動時的角速度(弧度/s);?- 起動過程所需的時間(s);t?— 起動過程所轉過的角度(弧度)。?（2）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩 M 偏+ ( )?偏M1eG3cmN?式中: - 手腕轉動件的重量(N);3- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)e當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則 .1eG0?（3）手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M( )?封M)(21dRfBA?cmN?式中: ， - 轉動軸的軸頸直徑 (cm);1d- 摩擦系數，對于滾動軸承 ，對于滑動軸承 ;f 01.?f 1.0?f, - 處的支承反力(N) ，可按手腕轉動軸的受力分析求解，ARB根據 ,得:0??）（ FM3lGB?l12R?l31?同理，根據 (F) ,得:BM?0?碼垛機器人設計10llGlGRA )()()( 321????式中: - 的重量(N)2,— 如圖 4-1 所示的長度尺寸 (cm).31,l3.2.3 手腕回轉的尺寸及其校核（1）尺寸設計長度設計為 ,內徑為 =96mm,半徑 ,軸徑mb10?1DmR48?mD26?=26mm,半徑 ,運行角速度 = ，加速度時間 =0.1s, 壓強2DR3?s/90? t?,MPa4.0?則力矩：2)(rRpb?).(63)026.48.(104.6mN???（2）尺寸校核（a）測定參與手腕轉動的部件的質量 ,分析部件的質量分布情況，kgm10?質量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉動慣量：r521rmJ?05.2?（ ）1.?2.kg工件的質量為 5 ,質量分布于長 的棒料上，那么轉動慣量：ml10?碼垛機器人設計11).(042.1.522mkglJc??假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長 的棒料來說，最大偏心ml10?距，其轉動慣量為:e501?).(0167.422mkgJc??慣MtJ???1).(3261.09705N?（b）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為 M 偏，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合， ，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線01?e,則：me503?+ 偏M1eG3).(5205.10N????（c）手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，對于滾動軸承 ，摩M01.?f對于滑動軸承 =0.1， ， 為手腕轉動軸的軸頸直徑， , f1d2d md3, , 為軸頸處的支承反力，粗略估計 , ,md20?ARB NRA30?B5摩M)(12f??)03.5.03. ?)(5.mN碼垛機器人設計123.3 手臂3.3.1 臂部設計的基本要求臂部應承載能力大、剛度好、自重輕a.根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸;b.提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離;c.合理布置作用力的位置和方向;d.注意簡化結構;e.提高配合精度。（2）臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在 1000-1500mm/s,最大回轉角速度設計在 180°/s 內，大部分平均移動速度為 1000mm/s，平均回轉角速度在 90°/s。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 4 個途徑：a.減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。b.減少臂部運動件的輪廓尺寸。c.減少回轉半徑 ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮） ，盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作。d.驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。（3）手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現象） 。3.3.2 尺寸設計長度設計為 ,內徑為 ,半徑 R=105mm,軸徑mb120?mD210?半徑 ,運行角速度 = ，加速度時間 0.5s,壓強D402?R?s/9? t??碼垛機器人設計13,MPa4.0?則力矩： 2)(rRpb??).(5)02.15.(04.6mN???3.3.3 尺寸校核（1）測定參與手臂轉動的部件的質量 ,分析部件的質量分布情kg120?況，質量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉動慣量：mr21rmJ?210.?（ ）6.?.mkgtJM??慣).(108596mN??考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數 ,2.0?k慣摩 Mk.）（ mN.451082??總驅動力矩：摩慣驅 ?）（ mN.413508?設計尺寸滿足使用要求。M〈驅 ?碼垛機器人設計14第 4 章 控制系統(tǒng)設計微型計算機種類很多，一般均由以下三部分組成：A. 中央處理器 CPU，或稱微處理器 MPU。B. 內存儲器，即主記憶裝置 ROM 及 RAM 。C. 輸入輸出裝置 I/O，或稱接口裝置，聯(lián)系這些裝置的為三條總線，即數據總線 DB，地址總線 AB 及控制總線 CB。不同型號的微型計算機主要是中央處理器 CPU 的內容的功能不同，因而有不同的指令系統(tǒng)和匯編語言。由于外部設備之不同以及是否用于實時控制，其I/O 接口裝置因而很大差異。RAM 和 ROM 的存儲量大小直接影響計算機的應用范圍。但一般微型計算機都可以在原有存儲量的基礎上加以擴充。本機器人的控制系統(tǒng)的組織結構如圖 4-1。它由主 CPU 板、I/O 板、控制面板、示教盒、伺服板、和穩(wěn)壓電源板等組成。伺服板圖 4-1 控制系統(tǒng)組織結構圖4.1 CPU 與存儲器CPU 采用 8031 微處理器地址譯碼器內存 RAM 和 EPROM 以及鎖存器組成。數據存儲器采用 6264（8K×8） ，一共采用 3 塊 6264，故 RAM 為 24K，除控制板I/O 端口及電平轉換電路伺服控制電路機器人8031CPURAMROM輔助運算回路串行通訊電路串行中斷電路 脈沖分配電路讀位置電路碼垛機器人設計15了作為系統(tǒng)參數工作區(qū)，標志單元外，主要用作用戶程序存儲區(qū)，為了保存RAM 的內容，一旦斷電，保證 RAM 中的用戶程序不會丟失，故采用電池利用CE2 引腳的掉電保護裝置在此也得到了應用，具體內容在后詳講，這里不再敘述。4.2 中斷處理電路本控制系統(tǒng)中采用 8259 中斷控制器來實現系統(tǒng)多重中斷的優(yōu)先排隊和中斷申請?zhí)幚怼?259 具有多中工作方式，可通過編程設定或變更它的工作方式。CPU 響應中斷時，8259A 能自動提供中斷入口地址，而使 CPU 轉問相應的中斷處理程序。中斷入口地址可由用戶設定，入口地址可以選定在任何存儲單元。中斷應答時序如圖所示：IRINTINTADB4.3 8279 鍵盤、顯示8279 芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件，單個芯片就能完成鍵盤輸入和 LED 顯示控制兩種功能，鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有64 個按鍵成傳感器的陣列相連，能自動消除開關抖動以及 n 鍵同時按下的保護。顯示部分按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 位 LED 顯示塊。8279 電路工作原理如下：（1）.I/O 控制及數據緩沖器，數據緩沖器是雙向緩沖器，連接內、外總線，用于傳送 CPU 和 8279 之間的命令或數據。I/O 控制線是 CPU 對 8279 進行控制的引線。CS 是 8279 的片選信號，當 CS=0 時，8279 才被允許讀出或寫入信息。WR、RD 為來自 CPU 的讀、寫控制信號。A0用于區(qū)別信息特性：A0=1 時，表示數據緩沖器輸入為指令，輸出為狀態(tài)字，A0=0 時，輸入、輸出皆為數據。 （2）控制與定時寄存器及定時控制，控制與定時器用來寄存鍵盤及顯示的工作方式，以及由 CPU 編程的其它操作方式。這些碼垛機器人設計16寄存器一旦接收并鎖存送來的命令就通過譯碼產生相應的信號，從而完成相應的控制功能。定時控制包含基本訂數鍵。首級計數器是一個可編程的 N 級計數器。N 可以 2~31 之間由軟件編程，以便從外界時鐘 CLK 分頻得到內部所需要的 100KHZ 時鐘，然后再經過分頻，為鍵盤掃描提供適當的逐行掃描頻率和顯示時間。 （3）.掃描計數器有兩種工作方式，按編程碼方式工作時，計數器做二進制計數。4 位計數狀態(tài)從掃描線 SL0~SL3 輸出，經外部譯碼器譯碼后，為鍵盤和顯示器提供掃描線；按譯碼器工作方式時，掃描計數器的最后二位被譯碼后，從 SL0~SL3 輸出。因此，SL0~SL3 提供了 4 中取 1 的掃描譯碼。 （4）.回復緩沖器：鍵盤去抖及控制來自 RL0~RL7 的 8 根回復線的回復信號，由回復緩沖器緩沖并鎖存。在鍵盤工作方式中，回復線作為行列式鍵盤的行列輸入線。在逐行掃描時，回復線用來搜尋每一行列中閉合的鍵。當某一鍵閉合時，去抖電路被置位，延時等待 100ms 后，在檢驗該鍵是否閉合，并將該鍵的地址和附加的位移、控制狀態(tài)一起形成鍵盤數據被送入 8279 內部 FIF0（先進先出）存儲器。4.3 編程設 8259A 為完全嵌套工作方式。中斷入口地址間隔為 4 個字節(jié)，IR0 的入口地址為 0260H 時，則 8259A 的初始化程序如下：CLR EA 8031CPU 禁止中斷MOV R0 ，#00H 送 ICW1（A0=0，CS=0A0=0）MOV A ，#76H（0111011013） ，設 ICW1 命令字 MOVX @R0，A ICW1 命令字送入 8259AMOV R0 ，#01H ， 送 ICW2（A0=1，CS=A0=0）MOV A，#02H ， 中斷入口的高 8 字節(jié)地址為 02HMOVX @R0，A ， 送 ICW2 命令字入 8259ASETB EA ， 8031CPU 中斷允許 SETB IT0 ， 8031 選擇 INT0 為負跳變觸發(fā)SETB EX0 ， 8031 允許 INT0 中斷8259A 中斷服務程序流程圖如下：碼垛機器人設計17程序清單如下：ORG 0003HINTO:PUSH PSW ， 保護現場 PUSH AMOV R0 ， #00HMOVX A , @R0 取 CALL 碼，丟棄MOV DPL ，A 取中斷服務程序入口地址低 8 位INC R0MOV R0 , #01HMOVX A , @R0MOV DPH , A 取中斷服務程序入口地址高 8 位CLR AJMP @A+DPTR 轉向 8259A 、IRx 中斷服務子程序ORG I0260H ， IR0 中斷服務子程序LJMP IR0NOPLJMP IR7NOPORG IR0IR0：LCALL LAB ，模擬中斷返回8259A 服務子程序，延時 10ms先計算 10ms 定時所需的定時器初值，采用定時器方式 1，即 16 位計數器方式，計數器的始終頻率為 6MHZX=M－定時值 /T T=12/晶振頻率=12/6×106 =2us碼垛機器人設計18=216 －－（ 10×10-3 /2×10-6 ）= 65536－15000=50536=1110110001111000B則 TH0 初值為 ECHTL0 初值為 78H子程序清單：MOV TMOD ，#01H 定時器方式 1MOV TH0 ，#ECH 定時器高 8 位初值MOV TL0 ，#78H 定時器低 8 位初值SETB EA 開中斷SETB ET0 定時器允許中斷SETB TR0 啟動計數器POP AccPOP PSWRETI碼垛機器人設計19總 結這次畢業(yè)設計幾乎用到了我們大學所學的所有專業(yè)課程，可以說是我們大學所學專業(yè)知識的一次綜合考察和評定.通過這次畢業(yè)設計，使我們對以前所學的專業(yè)知識有了一個總體的認識與融會貫通.例如我們在設計過程當中需要用到所學的工程制圖、材料力學、機械工程材料、機械設計、極限配合與公差以及CAD 計算機輔助制圖等基礎的專業(yè)知識.在做畢業(yè)設計的過程中，不僅使我們熟悉了舊的的知識點，還使我們發(fā)現了許多以前沒有注意的細節(jié)問題，而這些細節(jié)問題恰恰是決定我們是否能夠成為一名合格的機械技術人才的關鍵所在.此外，我感覺兩個月的畢業(yè)設計極大的豐富了我們的知識面，使我學到了許多知識，不僅僅局限于多學的專業(yè)知識.在做設計的過程中，由于需要用到課本外的知識，這要求我們上網或者到圖書館等查閱資料。例如在設計方案時就需要我們對螺旋離心泵的工作環(huán)境和工作能力等由一定的了解才能選用合適的方案。由于以前沒有注意此方面的問題，所以必須通過實踐認識和查閱資料才能做到更好。碼垛機器人設計20致 謝大學生活即將結束，在這短短的幾年里，讓我結識了許許多多熱心的朋友、工作嚴謹教學相幫的教師。畢業(yè)設計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導老師的精心指導，在此向所有給予我此次畢業(yè)設計指導和幫助的老師和同學表示最誠摯的感謝。首先，向本設計的指導老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進行指導，時刻關心我們的進展狀況，督促我們抓緊學習。老師給予的幫助貫穿于設計的全過程，從借閱參考資料到現場的實際操作，他都給予了指導，不僅使我學會書本中的知識，更學會了學習操作方法。也懂得了如何把握設計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設計過程中，她和我們在一起共同解決了設計中出現的各種問題。其次，要向給予此次畢業(yè)設計幫助的老師們，以及同學們以誠摯的謝意，在整個設計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關懷，更重要的是為我們提供不少技術方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W表示感謝?？傊?，本次的設計是老師和同學共同完成的結果，在設計的一個月里，我們合作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W表示感謝！參考文獻碼垛機器人設計21[1]李允文.工業(yè)機械手設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.[2]王為.機械設計 [M].湖北：華中科技大學出版社，2007.[3]唐增寶.機械設計課程設計[M].湖北：華中理工大學出版社,1999.[4] [日] 加藤一郎.機械手圖冊 [M]. 上海：上?？茖W技術出版社，1979.[5]第一機械工業(yè)部機械研究院機電研究所編.工業(yè)機械手圖冊.北京：第一機械工業(yè)部機械研究院機電研究所，1976.[6]付亞子.機械手控制系統(tǒng)[C].湖北：湖北工業(yè)大學，2006.[7]楊德華.通用機械手設計[C].湖北：湖北工業(yè)大學，2006.[8]許睿.多功能機械手的設計[C].湖北：湖北工業(yè)大學，2006.[9]彭鍵中.水下機械手系統(tǒng)設計[C].湖北：湖北工業(yè)大學，2006.[10] Schneider Ditmar. 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