劉慧梅+陳艷+張榮

摘要：本文利用SolidWorks對(duì)用于箱類和袋類物品取放的存碼垛工業(yè)機(jī)器人本體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。存碼垛工業(yè)機(jī)器人本體主要有基座、腰部、大臂、小臂、末端執(zhí)行器、等部件組成。本設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；創(chuàng)新能力；機(jī)械制造基礎(chǔ)；教學(xué)改革

1 Solidworks軟件簡(jiǎn)介

SolidWorks是法國(guó)達(dá)索公司最先在Windows系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設(shè)計(jì)類型，實(shí)體建模、曲面設(shè)計(jì)、二維工程圖、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)分析等功能一應(yīng)俱全。創(chuàng)新的自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程使得設(shè)計(jì)工作一目了然，實(shí)時(shí)的更新功能使得工程師可以隨時(shí)對(duì)產(chǎn)品特征參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改。除此之外，SolidWorks還為不同的設(shè)計(jì)人群提供不同的功能模塊，包括鈑金、管道布線、電氣設(shè)計(jì)等，使得設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)潔而豐富。

2 碼垛機(jī)器人的發(fā)展

國(guó)外，最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)是日本和瑞典。1968年，日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974年，瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于物品的取放和物料的搬運(yùn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，日本、意大利、德國(guó)、美國(guó)、瑞典、韓國(guó)等國(guó)家在碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作，相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國(guó)的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，使得碼垛機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。

3 碼垛機(jī)器人的工作對(duì)象

本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人的工作對(duì)象及其參數(shù)如下：

（1）碼垛物品：箱類物品（如一箱紙巾）和袋類物品（如一袋洗衣粉）等。

（2）物品尺寸：長(zhǎng)為200至500mm，寬為200至400mm，高為100至300mm。

（3）物品質(zhì)量：每件物品為5至15kg。

（4）物品運(yùn)動(dòng)范圍：以機(jī)器人為中心的，半徑為3m，角度為90至180度。

4 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，這類機(jī)器人占地面積小、機(jī)構(gòu)緊湊，工作空間大，還能穿過(guò)障礙物進(jìn)行抓取，是機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)型式。碼垛機(jī)器人的本體（即機(jī)械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（俗稱爪子），它的運(yùn)動(dòng)主要由碼垛機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)和腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。

4.1 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂末端抓取器大致可分為：夾鉗式、專用操作式、吸附式、仿生多指式四類。由于工作對(duì)象為箱式或袋式物品，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取物品的夾鉗式即可。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以抓取不同大小多個(gè)種類的箱式或袋式貨物。

4.2 臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手臂部件（簡(jiǎn)稱臂部）是機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，臂部還安裝一些傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從臂部的受力情況來(lái)看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng) 又較多，所以受力情況復(fù)雜。

臂部主要是進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，這里采用鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)臂部的俯仰運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是，工作范圍大、靈活性好。

4.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大臂是臂部的組成部分，它兩端分別與小臂和立柱相連，它都是通過(guò)鉸鏈連接。大臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)與立柱相連的鉸鏈活塞缸來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞的，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)圓弧形，通過(guò)活塞缸來(lái)進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它較之小臂粗大，因?yàn)樗谴a垛機(jī)器人主要的受力部分之一。其三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小臂兩端是與大臂和末端執(zhí)行器連接，這里采用鉸鏈連接，大臂與小臂之間的運(yùn)動(dòng)傳遞，采用鉸接活塞缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)性能好。小臂比之大臂在設(shè)計(jì)時(shí)材料消耗要比大臂少，體積也小，重量輕。其三維結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。

4.3 立柱（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立柱主要是支撐大臂小臂的重量，連接大臂和底座，并且固定了活塞缸的運(yùn)動(dòng)范圍。結(jié)合要求與設(shè)計(jì)過(guò)程，腰部的結(jié)構(gòu)材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，無(wú)經(jīng)淬火與回火處理。其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.4 活塞缸的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)，我采用最多的動(dòng)力傳動(dòng)方式就是活塞缸，因?yàn)樗ぷ餍问絾我唬荒苓M(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由缸體和活塞缸組成，并且它在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中運(yùn)用很廣泛。其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.5 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座是承受碼垛機(jī)器人整體重量的主要部件，且由于碼垛機(jī)器人的手臂長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)器人整體重心并不在底座中線上，所以底座較為寬大。其三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。基于底座在本次設(shè)計(jì)中的作用，選取底座的材料為鑄鐵，且設(shè)計(jì)底座尺寸為：長(zhǎng)×寬×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。

5 結(jié)論

碼垛機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，其運(yùn)動(dòng)是由腰部的旋轉(zhuǎn)、手臂的俯仰、末端執(zhí)行器的夾緊和放松組成。碼垛機(jī)器人工作的全部流程：第一步，大臂處的活塞桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小臂進(jìn)行下伏運(yùn)動(dòng)，從而末端執(zhí)行器接近物品，并通過(guò)夾緊缸將物品抓??；第二步，大臂進(jìn)行上仰運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)物品上升；第三步，腰部回轉(zhuǎn)缸進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將物品移到堆放指定區(qū)域上空；第四步，大臂又下伏，將物品放在堆放臺(tái)上，并且?jiàn)A緊缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋轉(zhuǎn)回到原位。

參考文獻(xiàn)：

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