毕业设计说明书
作 者： 学 号：
系： 机械工程系
专业： 机械设计制造动化
题 目：种水泥包装生产线码垛机器结构 设计
指导者： 讲师
(姓 名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)
2015 年 月 日
毕业设计中文摘
题目：种水泥生产线码垛机器结构设计
摘：
设计种应水泥生产线码垛机器结构设计次设计容点：
1 查阅文献解码垛机器课题背景查资料进行综合整理国外码垛机器研究现状进行解学码垛机器结构设计初步解
2 机器结构形式进行选择优化减轻机器质量减机器体积运动更加灵活基础选择适合机械手驱动方式综合终选择科尔摩根AKM伺服电机日帝RV系列减速器
3 结构设计完成选Solid Works软件设计零部件创建虚拟样机模型
4 进行运动仿真生成动画绘制装配图零件零件图
关键词： 水泥码垛机器结构设计
毕业设计（文）外文摘
Title： A structural design of palletizing robot for cement production line
Abstract：
The design is a structural design of palletizing robot for cement production line The content of this design mainly has the following points
1Consult the literaturewe know about the project back ground of the palletizing robot We put the information to make a comprehensive arrangementlearn about the research status of palletizing robot at home and abroad Then we have the preliminary understanding of palletizing robot
2Choose and optimize the structure of the robotreduct its quality and volume as far as possible which makes its movement be more flexible On this basis to choose a suited drive way for the mechanical arm After a comprehensive comparison we chose cole Morgan AKM servo motor and Japan teijin RV reducer series at last
3After the completion of the robot structure design using Solid Works software to design the main components and build the virtual prototype model
4The last to do a movement simulation generate a animation and draw the assembly drawing and part drawing of main parts
Keywords： cement palletizing robot structural design
目 次
1 引言（绪）……………………………………………………………………………… 1
11 码垛机器课题背景…………………………………………………………1
12 码垛机器研究现状…………………………………………………………1
13 码垛机器研究容方案初步设计………………………………………4
14 务书求完成进度…………………………………………………………… 5
2 水泥码垛机器总体方案确定……………………………………………………… 6
21 水泥码垛机器结构形式选择 ………………………………………… 6
22 码垛机器结构设计总体方案确定………………………………………… 7
23 水泥码垛机器传动方案设计………………………………………… 10
2 4 水泥码垛机器结构具体设计…………………………………………………12
3 水泥码垛机器工程图设计 ……………………………………………… 18
31 水泥码垛机器结构形式选择…………………………………………… 18
32 码垛机器设计程中计算校核……………………………………… 18
结 ………………………………………………………………………………… 25
参考文献……………………………………………………………………………… 26
致谢………………………………………………………………………………29
1 引言（绪）
1．1 码垛机器课题背景
水泥产业发明出成建筑方面代建筑材料济建设时道路工程水利水电城市改建扩张等基础建设发展迅猛作建筑材料水泥年会幅度增长水泥加工车间高粉尘污染码垛环节劳动强度劳动成暴涨等导致企业面严重工困难等问题断实现国中国制造中国创造转变提高生产效率实现全动化生产线需求越越迫切
码垛机器工业生产程中执行批量工件包装件获取搬运码垛拆垛等务类工业机器集机械电子信息智技术计算机科学等学科体高新机电产品[1]水泥码垛机器技术水泥生产程中提高劳动生产效率降低水泥成工辛苦改善工工作环境拥高济现实意义日德国美国码垛机器开发中已取成绩国初生婴需继续努力抓紧提高研究水
1．2 码垛机器研究现状
国外研究现状：
早应码垛机器国家日瑞典世纪70年代末期日首次码垛机器进行作业1974年瑞典ABB公司研发全球第台全电控式工业机器IRB6应工件取放物料搬运[2]外机器研究水准国家德韩意利等国家日德国美国瑞典意利韩国等国家着计算机技术机器技术工智控制等技术断发展包装码垛机器研究做工作相继推出属码垛机器瑞典国家研发ABB系列德国研发KUKA系列（见图11）日研发FANUCOKURAFUJI系列等（见图12）码垛机器轴数般4～6轴般采铸铝材料制作机器体种材料轻巧机构
型式带连杆关节型全部进行结构优化机械抵抗震动性
图11 德国KUKA码垛机器
图12 瑞典ABB码垛机器日FANUC码垛机器
国研究现状：
国初次码垛机器80年代引进型石化设备世纪90年代初期国开始码垛机器研发863计划支持进步加强全动包装机器码垛生产线开发科研成果更实现产业化[3]国伴着改革开放工业机器开发取定进步中码垛机器获进步
国研发机器直角坐标关节型两种形式直角坐标码垛机器4轴机器4根运动轴分应直角坐标系中X轴Y轴Z轴Z轴带旋转轴 直角坐标机器空间直角坐标系里进行编程控
制够实现搬运物体操作工具等种作业直角坐标机器定位精度较高计算机控制时简单方便直角坐标规律空间轨迹容易求解需空间较运动速度相较低灵活性般
相直角坐标型言关节型机器更加灵活通常5～6轴工作轨迹达空间位置提高国关节型机器市场占率国10年出现优秀致力专家企业产业基科研院校沈阳新松机器动化股份限公司研发出码垛机器系统
哈尔滨工业学2004年成功开发出基FFS1600型生产线精度高速度快生产速度达时1600袋
新代TPR系列码垛机器海交通学机器研究沃迪包装科技限公司研发成功采独特线性四连杆机构具高强度铝合金制作手臂基工业PC控制器系统工作环境三维仿真干涉检测方便操作维修简单
国机器图13示
图13 国码垛机器
存问题：
日德国等国家码垛机器研发工作中取成绩国年研发中相应取定成效目前码垛机器存部分容忽视问题
(1)码垛力受限制目前码垛机器般采2行四边形机构联方式控制腕部动作省腕部电机时起衡作手爪始终处水位置样机器体结构变复杂增加重量机器够灵活影响机器工作效率
(2)性稳定性需提高抓取运输码垛动作复进行便求码垛机器稳性保证高重复定位精度累积误差会越越导致堆放稳
(3)成高品种繁水泥码垛机器设计制造费时费力造价昂贵操作环境象户需求样性
1．3 码垛机器研究容方案初步设计
研究容：
码垛机器具备码垛搬运两种功码垛程定规整产品定排列样式码放托板[4]
（1）水泥码垛程中提高码垛质量生产率关键确保安全性工工作环境变时节省原料降低成水泥生产程中机器提高生产速率码垛整齐避免必浪费
（2）希通研究结合学知识提高水泥码垛机器灵活性性稳定性高速码垛机器选6度垂直关节型机器常4度水关节型机器[5]种机器运行速度快考虑末端执行器动作时间具时1100袋码垛力
方案初步设计：
该机器臂部连接旋转腰部臂通前臂臂实现搬运码垛作业该机器4结构构成进行4种动作：腰部旋转运动前运动手腕回转运动4种运动旋转电机进行驱动具体结构图14示
图14 总体机械结构图
1．4 务书求完成进度
（1） 13周查阅文献确定总体设计方案完成前期报告
（2） 47周进行装配图绘制三维装配图绘制完成中期报告
（3） 8周利软件进行动画仿真
（4） 910周拆画零件图
（5） 1112周完成文初稿
（6） 13周终稿提交
（7） 1415周成绩评审答辩
2 水泥码垛机器总体方案确定
提高水泥码垛机器机械系统控制性求机械传动部件转动惯量摩擦阻尼合理刚度满足体积质量轻高速低噪音高性等求[6]见合理设计驱动方式机械传动保证整机器伺服控制性基求［7］
2．1 水泥码垛机器结构形式选择
工业机器坐标形式图21 示五种形式特点：
1）直角坐标型机器运动笛卡尔方程独立进行处理容易实现计算机控制刚性较定位精度工作场发生变化然存运动范围较速度较低密封性较差需空间等足
2）圆柱坐标型机器工作范围扩直线运动具更功率输出运动范围非常限达面位置直线性驱动密封性差
3）球坐标型机器中心架附工作范围覆盖更工作空间然种坐标型机器较复杂难控制线性驱动单元密封问题工作死区问题存
4）关节型机器协调关节联合旋转常见工业机器结构较低传动装置驱动装置求控制较简单具良密封性
综合课题水泥码垛机器工况环境结合控制装置密封求工作空间济性等求选择类型关节型坐标形式直角坐标系型坐标形式
a)直角坐标型b)圆柱坐标型c)球坐标系型d)关节型坐标型e)面关节型
图21 工业机器坐标形式
两种坐标形式进行进步：
1） 机械安装维护
直角坐标型结构呈现模块化方便客户更换维修维修费低关节型较高集成化程度需专业员进行安装维护
2） 工作精度
直角坐标型机器构造非常简单重复定位精度005mm关节型机器重复定位精度006mm
3） 灵活性
直角坐标型机器灵活性较差需空间较运动速度较慢关节型机器灵敏度较灵活反应速度较快
4） 根应案例行业机器应情况图22
图22 行业机器应
综考虑码垛机器求较高重复定位精度保证码垛稳定性机器设计两种机器综合关节机器基础添加直角坐标运动丝杠结构精度达001mm
2．2 码垛机器结构设计总体方案确定
基技术指标：
水泥尺寸：水泥袋尺寸730×500mm
水泥质量：约50kg加机械手重量总负载设70kg
码垛速度：时1000袋
总体方案确定：
码垛机器工作时实现移水面旋转需水泥进行反转
需四度
具体运动实现设计出两种方案
方案：臂丝杠做运动前臂丝杠做左右运动腰部做旋转运动实现机器码垛程关节通铰接轴相连运动达空间较运动精度保证运动轨迹确定图23示：
图23方案
方案二：方案基础改进采两行四边形机构进行联运动轨迹保证铰接轴处需安装关节轴承减摩擦图24示：
图24 方案二
选第二种方案
2． 3 水泥码垛机器传动方案设计
驱动方式选择：
常驱动方法电气式（电机）液压式（液压马达）气压式（气压马达）三种驱动方式特点表21 示
表21 驱动方式
种类
特点
优点
缺点
电气式
需添加减速装置信号动力方保持致交流直流区
操作较简单进行定位伺服响应速度快方便CPU连接
瞬时输出功率载性差易引起事受环境噪音影响较
液压式
求操作员技术熟练压力值范围限制
够输出功率较工作时较稳性响应速度快
设备需空间液压源求高易泄露污染
气压式
需工作员技术熟练压力值范围限制
操作简单价格便宜考虑污染问题速度较快
功率需空间较噪音伺服控制时稳定
三种驱动方式进行较结合码垛机器身设计目控制求种驱动方式优缺点决定选择电气式电动机驱动
电机选择：
需完成4种运动全部选择电机进行驱动机器工作程中需电机正转反转交进行选步进电机伺服电机机器运动时旋转速度较低选中低速电机考虑步进电机较低速运行会出现低频振动交流伺服电机时适高低速性更加精度更高选交流伺
服电机伺服电机选著名厂家科尔摩根AKM产品该产品含减速箱编码器附属件拥种机型实现控制功[8]
选择电机确定4点求：a）机器运动需转矩相应速度b）负载持续工作时间c）机器运动程中需加速度d）机器运动负载转动惯量功率量守恒参数折算电机输出轴
电机配套装置选取表22示
表 22 关节驱动装置
电机
减速装置
关节高角速度
腰部回转关节
AKM83T φ22mm
RV400C356AB
100°s
水位移旋转电机
AKM83T φ22mm
步带
100°s
竖直位移旋转电机
AKM83T φ22mm
步带
100°s
手腕回转关节
AKM72L φ14mm
谐波减速器
180°s
注：相关参数参阅帝RV减速器样科尔摩根AKM伺服电机选型指南
传动方式选择：
采传动方式齿轮传动链传动带传动等优缺点表23示：
表 23 传动方式优缺点
优点
缺点
齿轮传动
齿轮传动传动精确承受较高转速扭矩
需润滑噪音成高反运动时击
链传动
啮合动作传动准确工作相传动效率高
成较高运转时会产生振动击运动中稳性产生噪音容易磨损宜急速反传动中
带传动
结构简单缓吸震作传动程中较稳传递动力距离较轴间进行动力传递价格便宜需润滑维护简单方便
摩擦型带传动（带传动三角带传动）运动程中会产生载滑传动准确适低速场合
步带传动
步带传动啮合动作保证传动准确产生滑具带链齿轮传动优点
吸收载荷变动力较差
螺旋传动
旋转运动转换直线运动转矩较轴力结构较简单运动时稳性没噪声
工作效率低
综结合码垛机器运动程中复动作等特性初选传动方式步带传动螺旋传动中滚珠丝杠传动
2 4 水泥码垛机器结构具体设计
手爪：码垛机器结构工作性结构简单新颖质量机器
整体工作性具非常重意义常手爪夹抓式机械手爪（应速度较高码袋作业）夹板式机械手爪（应长方体箱子码垛作业）真空吸取式机械手爪（应方便吸取扁截面积质量物体码垛）混合抓取式机械手爪（应位置合作抓取码放）选夹抓式机械手爪
手爪采两夹紧气缸实现夹紧水泥松开水泥动作两压紧气缸水泥压紧防止水泥搬运程中甩出图25示：
图25机器手爪结构示意图
机器手爪造型轴称结构创建三维图时分两次镜第次镜结果图26示：
图26机器手爪第次镜结果
第二次镜结果图27示：
图27机器手爪第二次镜结果
终创建三维图图28示：
图28机器手爪三维图
手腕：传动路线伺服电机→步带→谐波齿轮减速装置→机器手爪步带轮需较高章精度需严格控制中心距安装距离较长时添加张紧轮者中心距调添加电机调节板手腕需克服水泥手爪产生转动惯量拉力采深沟球轴承图29示：
图29 手腕传动装配图
腰部：线路伺服电机→联轴器→RV减速器→手爪部分RVC系列减速器拥套型角轴承承载较载荷需添加外部支撑设计者设计提供方便节省成腰部旋转结构克服负载带转动惯量帝RVC型减速器带型角轴承需设计旋转支撑部件图210示：
图210腰部传动装配图
水竖直运动：传动路线均伺服电机→步带→滚珠丝杠伺服电机步带减速带动滚动丝杠转动滑块产生水竖直方位移图211示：
竖
直
方
水方
图211 水竖直传动
手臂：
机器手臂部分体结构两联行四边形结构采三角形衡板结构稳定衡手爪处水状态拉杆衡板连接关节采拉杆球头结构手臂结构装配图图212示
图212 手臂结构装配图
总体装配图图213示：
图213 码垛机器总装配体
3 水泥码垛机器工程图设计
3．1 水泥码垛机器结构形式选择
结构参数确定：
机器开始设计前手臂进行分析机器动作接类甚类更整手臂绕条直线连接两转球形改变手位置方利功优点容易避免障碍清腕肩奇出现形状基解剖学知识手运动范围显示前部部臂长度分0206倍该022倍高度[9]
参考类机器选取运动参数结合课题机器工作时实际情况初步选取结构参数运动参数：
结构参数：
腰部回转半径d：350mm
臂长a：2000mm
臂长b：1800mm
运动参数：
腰部回转关节α： 180°——+180°
臂摆动关节β：0°+180°
臂摆动关节θ：0°+120°
手腕旋转关节γ：180°+180°
3．2 码垛机器设计程中计算校核
手腕处旋转电机选取计算：
水泥手爪总重约70kg码垛速度约1000袋分钟
电动机需工作效率
PdPwηΣ
（31）
式中：PW电机效功率单位kW电机工作阻力运动参数确定
ηΣ电动机手爪总效率
步带传动效率设η1098
ηΣη12 0982096
TFL
（32）
PwTn9550366kW
Pd382kW转速n取1500rmin选取电机型号AKM72L应步带减速32
水位移竖直位移结构电机选取计算：
机器手臂腰部材料选优质轻巧铸铝材料（ZL401）密度取295kgm3该材料具较高强度铸造性价格便宜等优点底座需承受臂结构全部重量材料选HT200该材料铸造性减震性铸造承受压力震动部件根GBT94392010查HT200密度715kgm3估算出机器腰部结构重量200kg
水方传动结构竖直方传动结构受力基相传动方式样选取步带
ηΣ096
TFL200×01122Nm
PwTn955023kW
两电机均选AKM83T型号电机
腰部旋转机构电机选择：
TFL200×01632Nm
类似选出腰部旋转机构电机AKM83T型号电机
腰部旋转机构减速器：机器腰部结构重量200kgT32Nm根图31选出应减速器型号：RV400C356AB
图31 RVC系列减速机性参数表
夹紧气缸选择计算：
水泥重量50kg连手爪连接件重量取系数14总重：
G500×14700N
气缸传动系统进行受力分析求夹紧气缸需提供力：
G1G2350N
假定气缸压强05MPa公式：
FPS
（33）
S14πD2
（34）
：
D4FPπ2985mm
选西门子CM2系列标准气缸取缸径32mm行程100mm
选取夹紧气缸型号CDG1U32F100JH7BW
夹紧气缸基尺寸图32示：
图32 夹紧气缸基尺寸
前立柱轴受力分析校核计算：
进行轴强度校验时根负载应力作轴实际情况采取合适校验方式选择合适许应力承受扭矩轴应进行扭转强度条件计算承受弯矩轴应弯曲强度条件计算时承受扭矩弯矩轴应该弯扭组合强度条件计算
弯扭合成强度条件计算：
通轴结构设计轴基参数受力情况确定般轴计算弯扭组合强度条件计算计算步骤程：
1 做出轴计算简图
轴受载荷轴零件传计算程中轴收分散载荷折算集中力作点般载荷分布中点扭矩般取轮毂宽度中点计算般支反力作点轴承类型位置关做计算简图时轴受载荷分解水分力垂直分力然求出支撑处水反力Fnx垂直反力Fny图33示：
图33 轴计算简图
2 做出弯矩图图34示
图34 轴弯矩图
3 校核轴强度
求出轴弯扭矩针危险截面做弯扭合成强度校核计算第三强度理计算应力：
σcaσ2+4τ2
（35）
通常弯曲应力σ称循环变应力扭转切应力τ常称循环变应力考虑两种应力影响引入折合系数α计算应力
σcaσ2+4（ατ）2
（36）
扭转切应力静应力时取α≈03扭转切应力脉动切应力时取α≈06扭转切应力称循环变应力时取α1
直径d圆轴弯曲应力
σMW
扭转切应力
τTWTT2W
代入公式36轴弯扭合成强度条件
σca(MW)2+4(αT2W)2M2+(αT)2W≤[σ1]
(37)
式中：σca 轴计算应力MPa
M轴受弯矩N·mm
T轴受扭矩N·mm
W轴抗弯曲截面系数mm3
Wπd332
（38）
[σ1] 称循环变应力时轴许弯曲应力MPa查机械设计课表15
1σ155MPa
代入轴数前立柱轴受扭矩T0M17000 N·mmα≈06W2650719mm代入公式37：σca 6413MPa [σ1]55MPa满足条件合格余连接轴法校核
4 剪切应力挤压应力进行校核计算
轴均传递扭矩做连接轴成连接件计算进行切应力挤压应力校核已知连接轴均采优质碳素结构钢中45号钢许切应力[τ]60 MPa许挤压应力[σbs]120 MPa
a) 切应力计算
τFsA
（39）
τFsA≤[τ]
（310）
b) 挤压应力计算
σbsFbsAbs
（311）
σbsFbsAbs≤[σbs]
（312）
式中Fbs挤压力σbs挤压面名义挤压应力Abs挤压计算面积[σbs]材料许挤压应力
剪切强度条件校核轴直径
轴受力情况图35示：
图35 轴受力图
轴两剪切面称双剪切假想轴剪切面截开根部分衡条件求剪应力
FsF2
剪切强度条件
2Fπd2≤[τ]
d≥2Fπ[τ]
代入前立柱轴数d≥4607mm
挤压强度条件校核轴直径：
挤压力处发生面积方挤压应力发生立柱连接臂轴接触处挤压力
FbsF
挤压计算面积
Absd×064
挤压强度条件
σbsFAbs≤[σbs]
d≥F[σbs]×064
代入轴数d≥26mm综合考虑轴剪切挤压强度保证连接安全轴直径选择d30合理轴臂臂支撑轴2臂手腕支撑轴3法计算校核
结
文研究种水泥生产线码垛机器结构设计次设计研究整体构造传动方式进行细致较选择机器结构参数进行仔细计算码垛机器具体设计详细设计思路
课题研究程中进行工作：
第利三维造型软件Solidworks建立零件三维图形进行组装样机三维形态码垛机器续设计奠定基础
第二CAD绘制码垛机器二维工程图手绘零部件图
第三三维模型进行运动仿真
整毕业设计程中发现知识限验太少设计中遇种样问题毕业设计初期设计完整机械产品缺少前期规划准备验设计中期没资料计算程进行细致整理导致撰写说明书浪费许时间介前课程设计手绘手算手写次毕业设计程中原手写手算轻松工作复杂公式符号力学分析图电子文档书写变较费劲电子文档细致格式求手写报告次毕业设计程中学许没涉知识电机减速器选择轴校核更进步认识
知识量掌握太少设计中足处请老师批评指正
参 考 文 献
[1] 胡洪国高建华杨汝清码垛技术综述[J]组合机床动化加工技术2000(6)79
[2] 李晓刚刘晋浩码垛机器研究应现状问题策[J]包装工程20110396102
[3] 谢存禧张铁机器技术应[M]北京机械工业出版社 2000 1222
[4] 刘清等S7200编程控制器新型智码垛机器中应研究[J]制造业动化 20087(7) 3943
[5] 焦东徐风信田付新张燕软料袋码垛装置编程控制器控制[J]制造业动化1999055557
[6] 朱世强王宣银 机器技术应［N］ 杭州浙江学出版社
[7] 马香峰 机器机构学［N］ 北京机械工业出版社
[8] 崔国华张艳伟张英爽等．空间转动型3SPSS 联机器构型设计分析[J]．吉林学学报：工学版200939(S1)：200－205．
[9] 范慕辉 材料力学教程[M] 北京：机械工业出版社20101
[10]雪鸿闫永志码垛机器结构设计运动分析[J]新技术新工艺2014087173
[11]李成伟贠超码垛机器机构设计运动学研究[J]机械设计制造200906181183
[12]李晓刚刘晋浩码垛机器功末端执行器设计[J]包装工程2011078084
[13]杨磊杜红光刘超峰码垛机器面粉行业发展中应[J]粮食加工2011052022
[14]动码垛机械手[J]物流技术(装备版)20111647
[15]时盛志魏毅立韩素贤包装码垛动生产线应研究[J]科技创新导报20092272
[16]梅江张新种新型码垛装置末端执行器设计[J]现代制造工程2014052730
[17]火车车厢码垛机器技术[J]港口科技2014071
[18]毛立民杨琳种手腕步驱动码垛机械手设计[J]现代机械2010032527+52
[19]许纪倩刘颖唐英米袋码垛机器工作站[J]制造业动化2001024749+56
[20]王亭岭王彩玲马景义刘国良牛军码垛机器饲料工业研究应[J]饲料工业2013111114
[21]林威威肖勇陈明刘偲饲料码垛直角坐标机器设计[J]信息系统工程2013095052
[22]天车式面粉包码垛机[J]北京市粮食系统技术革新成果选编1975001516
[23]李长春刘广志崔焕勇张书文水泥袋搬运机器夹持器研究[J]液压气动2006041213
致 谢
次毕业设计XX老师耐心细致指导走尾声XX老师认真负责知识丰富设计遇瓶颈丝毫没头绪时候XX老师总够切实行建议研究继续时XX老师时学沟通解毕设进度规定时间完成毕设务XX老师种认真负责精神非常感动教会许知识戚开诚老师身认识什兢兢业业勤勤肯肯正XX老师厌烦指导完成次毕业设计改变求甚解陋
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感谢朋友学遇问题时候私帮助讲解感谢帮助
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专业： 机械设计制造动化
题 目：种水泥包装生产线码垛机器结构 设计
指导者： 讲师
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评阅者：
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2015 年 月 日
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题目：种水泥生产线码垛机器结构设计
摘：
设计种应水泥生产线码垛机器结构设计次设计容点：
1 查阅文献解码垛机器课题背景查资料进行综合整理国外码垛机器研究现状进行解学码垛机器结构设计初步解
2 机器结构形式进行选择优化减轻机器质量减机器体积运动更加灵活基础选择适合机械手驱动方式综合终选择科尔摩根AKM伺服电机日帝RV系列减速器
3 结构设计完成选Solid Works软件设计零部件创建虚拟样机模型
4 进行运动仿真生成动画绘制装配图零件零件图
关键词： 水泥码垛机器结构设计
毕业设计（文）外文摘
Title： A structural design of palletizing robot for cement production line
Abstract：
The design is a structural design of palletizing robot for cement production line The content of this design mainly has the following points
1Consult the literaturewe know about the project back ground of the palletizing robot We put the information to make a comprehensive arrangementlearn about the research status of palletizing robot at home and abroad Then we have the preliminary understanding of palletizing robot
2Choose and optimize the structure of the robotreduct its quality and volume as far as possible which makes its movement be more flexible On this basis to choose a suited drive way for the mechanical arm After a comprehensive comparison we chose cole Morgan AKM servo motor and Japan teijin RV reducer series at last
3After the completion of the robot structure design using Solid Works software to design the main components and build the virtual prototype model
4The last to do a movement simulation generate a animation and draw the assembly drawing and part drawing of main parts
Keywords： cement palletizing robot structural design
目 次
1 引言（绪）……………………………………………………………………………… 1
11 码垛机器课题背景…………………………………………………………1
12 码垛机器研究现状…………………………………………………………1
13 码垛机器研究容方案初步设计………………………………………4
14 务书求完成进度…………………………………………………………… 5
2 水泥码垛机器总体方案确定……………………………………………………… 6
21 水泥码垛机器结构形式选择 ………………………………………… 6
22 码垛机器结构设计总体方案确定………………………………………… 7
23 水泥码垛机器传动方案设计………………………………………… 10
2 4 水泥码垛机器结构具体设计…………………………………………………12
3 水泥码垛机器工程图设计 ……………………………………………… 18
31 水泥码垛机器结构形式选择…………………………………………… 18
32 码垛机器设计程中计算校核……………………………………… 18
结 ………………………………………………………………………………… 25
参考文献……………………………………………………………………………… 26
致谢………………………………………………………………………………29
1 引言（绪）
1．1 码垛机器课题背景
水泥产业发明出成建筑方面代建筑材料济建设时道路工程水利水电城市改建扩张等基础建设发展迅猛作建筑材料水泥年会幅度增长水泥加工车间高粉尘污染码垛环节劳动强度劳动成暴涨等导致企业面严重工困难等问题断实现国中国制造中国创造转变提高生产效率实现全动化生产线需求越越迫切
码垛机器工业生产程中执行批量工件包装件获取搬运码垛拆垛等务类工业机器集机械电子信息智技术计算机科学等学科体高新机电产品[1]水泥码垛机器技术水泥生产程中提高劳动生产效率降低水泥成工辛苦改善工工作环境拥高济现实意义日德国美国码垛机器开发中已取成绩国初生婴需继续努力抓紧提高研究水
1．2 码垛机器研究现状
国外研究现状：
早应码垛机器国家日瑞典世纪70年代末期日首次码垛机器进行作业1974年瑞典ABB公司研发全球第台全电控式工业机器IRB6应工件取放物料搬运[2]外机器研究水准国家德韩意利等国家日德国美国瑞典意利韩国等国家着计算机技术机器技术工智控制等技术断发展包装码垛机器研究做工作相继推出属码垛机器瑞典国家研发ABB系列德国研发KUKA系列（见图11）日研发FANUCOKURAFUJI系列等（见图12）码垛机器轴数般4～6轴般采铸铝材料制作机器体种材料轻巧机构
型式带连杆关节型全部进行结构优化机械抵抗震动性
图11 德国KUKA码垛机器
图12 瑞典ABB码垛机器日FANUC码垛机器
国研究现状：
国初次码垛机器80年代引进型石化设备世纪90年代初期国开始码垛机器研发863计划支持进步加强全动包装机器码垛生产线开发科研成果更实现产业化[3]国伴着改革开放工业机器开发取定进步中码垛机器获进步
国研发机器直角坐标关节型两种形式直角坐标码垛机器4轴机器4根运动轴分应直角坐标系中X轴Y轴Z轴Z轴带旋转轴 直角坐标机器空间直角坐标系里进行编程控
制够实现搬运物体操作工具等种作业直角坐标机器定位精度较高计算机控制时简单方便直角坐标规律空间轨迹容易求解需空间较运动速度相较低灵活性般
相直角坐标型言关节型机器更加灵活通常5～6轴工作轨迹达空间位置提高国关节型机器市场占率国10年出现优秀致力专家企业产业基科研院校沈阳新松机器动化股份限公司研发出码垛机器系统
哈尔滨工业学2004年成功开发出基FFS1600型生产线精度高速度快生产速度达时1600袋
新代TPR系列码垛机器海交通学机器研究沃迪包装科技限公司研发成功采独特线性四连杆机构具高强度铝合金制作手臂基工业PC控制器系统工作环境三维仿真干涉检测方便操作维修简单
国机器图13示
图13 国码垛机器
存问题：
日德国等国家码垛机器研发工作中取成绩国年研发中相应取定成效目前码垛机器存部分容忽视问题
(1)码垛力受限制目前码垛机器般采2行四边形机构联方式控制腕部动作省腕部电机时起衡作手爪始终处水位置样机器体结构变复杂增加重量机器够灵活影响机器工作效率
(2)性稳定性需提高抓取运输码垛动作复进行便求码垛机器稳性保证高重复定位精度累积误差会越越导致堆放稳
(3)成高品种繁水泥码垛机器设计制造费时费力造价昂贵操作环境象户需求样性
1．3 码垛机器研究容方案初步设计
研究容：
码垛机器具备码垛搬运两种功码垛程定规整产品定排列样式码放托板[4]
（1）水泥码垛程中提高码垛质量生产率关键确保安全性工工作环境变时节省原料降低成水泥生产程中机器提高生产速率码垛整齐避免必浪费
（2）希通研究结合学知识提高水泥码垛机器灵活性性稳定性高速码垛机器选6度垂直关节型机器常4度水关节型机器[5]种机器运行速度快考虑末端执行器动作时间具时1100袋码垛力
方案初步设计：
该机器臂部连接旋转腰部臂通前臂臂实现搬运码垛作业该机器4结构构成进行4种动作：腰部旋转运动前运动手腕回转运动4种运动旋转电机进行驱动具体结构图14示
图14 总体机械结构图
1．4 务书求完成进度
（1） 13周查阅文献确定总体设计方案完成前期报告
（2） 47周进行装配图绘制三维装配图绘制完成中期报告
（3） 8周利软件进行动画仿真
（4） 910周拆画零件图
（5） 1112周完成文初稿
（6） 13周终稿提交
（7） 1415周成绩评审答辩
2 水泥码垛机器总体方案确定
提高水泥码垛机器机械系统控制性求机械传动部件转动惯量摩擦阻尼合理刚度满足体积质量轻高速低噪音高性等求[6]见合理设计驱动方式机械传动保证整机器伺服控制性基求［7］
2．1 水泥码垛机器结构形式选择
工业机器坐标形式图21 示五种形式特点：
1）直角坐标型机器运动笛卡尔方程独立进行处理容易实现计算机控制刚性较定位精度工作场发生变化然存运动范围较速度较低密封性较差需空间等足
2）圆柱坐标型机器工作范围扩直线运动具更功率输出运动范围非常限达面位置直线性驱动密封性差
3）球坐标型机器中心架附工作范围覆盖更工作空间然种坐标型机器较复杂难控制线性驱动单元密封问题工作死区问题存
4）关节型机器协调关节联合旋转常见工业机器结构较低传动装置驱动装置求控制较简单具良密封性
综合课题水泥码垛机器工况环境结合控制装置密封求工作空间济性等求选择类型关节型坐标形式直角坐标系型坐标形式
a)直角坐标型b)圆柱坐标型c)球坐标系型d)关节型坐标型e)面关节型
图21 工业机器坐标形式
两种坐标形式进行进步：
1） 机械安装维护
直角坐标型结构呈现模块化方便客户更换维修维修费低关节型较高集成化程度需专业员进行安装维护
2） 工作精度
直角坐标型机器构造非常简单重复定位精度005mm关节型机器重复定位精度006mm
3） 灵活性
直角坐标型机器灵活性较差需空间较运动速度较慢关节型机器灵敏度较灵活反应速度较快
4） 根应案例行业机器应情况图22
图22 行业机器应
综考虑码垛机器求较高重复定位精度保证码垛稳定性机器设计两种机器综合关节机器基础添加直角坐标运动丝杠结构精度达001mm
2．2 码垛机器结构设计总体方案确定
基技术指标：
水泥尺寸：水泥袋尺寸730×500mm
水泥质量：约50kg加机械手重量总负载设70kg
码垛速度：时1000袋
总体方案确定：
码垛机器工作时实现移水面旋转需水泥进行反转
需四度
具体运动实现设计出两种方案
方案：臂丝杠做运动前臂丝杠做左右运动腰部做旋转运动实现机器码垛程关节通铰接轴相连运动达空间较运动精度保证运动轨迹确定图23示：
图23方案
方案二：方案基础改进采两行四边形机构进行联运动轨迹保证铰接轴处需安装关节轴承减摩擦图24示：
图24 方案二
选第二种方案
2． 3 水泥码垛机器传动方案设计
驱动方式选择：
常驱动方法电气式（电机）液压式（液压马达）气压式（气压马达）三种驱动方式特点表21 示
表21 驱动方式
种类
特点
优点
缺点
电气式
需添加减速装置信号动力方保持致交流直流区
操作较简单进行定位伺服响应速度快方便CPU连接
瞬时输出功率载性差易引起事受环境噪音影响较
液压式
求操作员技术熟练压力值范围限制
够输出功率较工作时较稳性响应速度快
设备需空间液压源求高易泄露污染
气压式
需工作员技术熟练压力值范围限制
操作简单价格便宜考虑污染问题速度较快
功率需空间较噪音伺服控制时稳定
三种驱动方式进行较结合码垛机器身设计目控制求种驱动方式优缺点决定选择电气式电动机驱动
电机选择：
需完成4种运动全部选择电机进行驱动机器工作程中需电机正转反转交进行选步进电机伺服电机机器运动时旋转速度较低选中低速电机考虑步进电机较低速运行会出现低频振动交流伺服电机时适高低速性更加精度更高选交流伺
服电机伺服电机选著名厂家科尔摩根AKM产品该产品含减速箱编码器附属件拥种机型实现控制功[8]
选择电机确定4点求：a）机器运动需转矩相应速度b）负载持续工作时间c）机器运动程中需加速度d）机器运动负载转动惯量功率量守恒参数折算电机输出轴
电机配套装置选取表22示
表 22 关节驱动装置
电机
减速装置
关节高角速度
腰部回转关节
AKM83T φ22mm
RV400C356AB
100°s
水位移旋转电机
AKM83T φ22mm
步带
100°s
竖直位移旋转电机
AKM83T φ22mm
步带
100°s
手腕回转关节
AKM72L φ14mm
谐波减速器
180°s
注：相关参数参阅帝RV减速器样科尔摩根AKM伺服电机选型指南
传动方式选择：
采传动方式齿轮传动链传动带传动等优缺点表23示：
表 23 传动方式优缺点
优点
缺点
齿轮传动
齿轮传动传动精确承受较高转速扭矩
需润滑噪音成高反运动时击
链传动
啮合动作传动准确工作相传动效率高
成较高运转时会产生振动击运动中稳性产生噪音容易磨损宜急速反传动中
带传动
结构简单缓吸震作传动程中较稳传递动力距离较轴间进行动力传递价格便宜需润滑维护简单方便
摩擦型带传动（带传动三角带传动）运动程中会产生载滑传动准确适低速场合
步带传动
步带传动啮合动作保证传动准确产生滑具带链齿轮传动优点
吸收载荷变动力较差
螺旋传动
旋转运动转换直线运动转矩较轴力结构较简单运动时稳性没噪声
工作效率低
综结合码垛机器运动程中复动作等特性初选传动方式步带传动螺旋传动中滚珠丝杠传动
2 4 水泥码垛机器结构具体设计
手爪：码垛机器结构工作性结构简单新颖质量机器
整体工作性具非常重意义常手爪夹抓式机械手爪（应速度较高码袋作业）夹板式机械手爪（应长方体箱子码垛作业）真空吸取式机械手爪（应方便吸取扁截面积质量物体码垛）混合抓取式机械手爪（应位置合作抓取码放）选夹抓式机械手爪
手爪采两夹紧气缸实现夹紧水泥松开水泥动作两压紧气缸水泥压紧防止水泥搬运程中甩出图25示：
图25机器手爪结构示意图
机器手爪造型轴称结构创建三维图时分两次镜第次镜结果图26示：
图26机器手爪第次镜结果
第二次镜结果图27示：
图27机器手爪第二次镜结果
终创建三维图图28示：
图28机器手爪三维图
手腕：传动路线伺服电机→步带→谐波齿轮减速装置→机器手爪步带轮需较高章精度需严格控制中心距安装距离较长时添加张紧轮者中心距调添加电机调节板手腕需克服水泥手爪产生转动惯量拉力采深沟球轴承图29示：
图29 手腕传动装配图
腰部：线路伺服电机→联轴器→RV减速器→手爪部分RVC系列减速器拥套型角轴承承载较载荷需添加外部支撑设计者设计提供方便节省成腰部旋转结构克服负载带转动惯量帝RVC型减速器带型角轴承需设计旋转支撑部件图210示：
图210腰部传动装配图
水竖直运动：传动路线均伺服电机→步带→滚珠丝杠伺服电机步带减速带动滚动丝杠转动滑块产生水竖直方位移图211示：
竖
直
方
水方
图211 水竖直传动
手臂：
机器手臂部分体结构两联行四边形结构采三角形衡板结构稳定衡手爪处水状态拉杆衡板连接关节采拉杆球头结构手臂结构装配图图212示
图212 手臂结构装配图
总体装配图图213示：
图213 码垛机器总装配体
3 水泥码垛机器工程图设计
3．1 水泥码垛机器结构形式选择
结构参数确定：
机器开始设计前手臂进行分析机器动作接类甚类更整手臂绕条直线连接两转球形改变手位置方利功优点容易避免障碍清腕肩奇出现形状基解剖学知识手运动范围显示前部部臂长度分0206倍该022倍高度[9]
参考类机器选取运动参数结合课题机器工作时实际情况初步选取结构参数运动参数：
结构参数：
腰部回转半径d：350mm
臂长a：2000mm
臂长b：1800mm
运动参数：
腰部回转关节α： 180°——+180°
臂摆动关节β：0°+180°
臂摆动关节θ：0°+120°
手腕旋转关节γ：180°+180°
3．2 码垛机器设计程中计算校核
手腕处旋转电机选取计算：
水泥手爪总重约70kg码垛速度约1000袋分钟
电动机需工作效率
PdPwηΣ
（31）
式中：PW电机效功率单位kW电机工作阻力运动参数确定
ηΣ电动机手爪总效率
步带传动效率设η1098
ηΣη12 0982096
TFL
（32）
PwTn9550366kW
Pd382kW转速n取1500rmin选取电机型号AKM72L应步带减速32
水位移竖直位移结构电机选取计算：
机器手臂腰部材料选优质轻巧铸铝材料（ZL401）密度取295kgm3该材料具较高强度铸造性价格便宜等优点底座需承受臂结构全部重量材料选HT200该材料铸造性减震性铸造承受压力震动部件根GBT94392010查HT200密度715kgm3估算出机器腰部结构重量200kg
水方传动结构竖直方传动结构受力基相传动方式样选取步带
ηΣ096
TFL200×01122Nm
PwTn955023kW
两电机均选AKM83T型号电机
腰部旋转机构电机选择：
TFL200×01632Nm
类似选出腰部旋转机构电机AKM83T型号电机
腰部旋转机构减速器：机器腰部结构重量200kgT32Nm根图31选出应减速器型号：RV400C356AB
图31 RVC系列减速机性参数表
夹紧气缸选择计算：
水泥重量50kg连手爪连接件重量取系数14总重：
G500×14700N
气缸传动系统进行受力分析求夹紧气缸需提供力：
G1G2350N
假定气缸压强05MPa公式：
FPS
（33）
S14πD2
（34）
：
D4FPπ2985mm
选西门子CM2系列标准气缸取缸径32mm行程100mm
选取夹紧气缸型号CDG1U32F100JH7BW
夹紧气缸基尺寸图32示：
图32 夹紧气缸基尺寸
前立柱轴受力分析校核计算：
进行轴强度校验时根负载应力作轴实际情况采取合适校验方式选择合适许应力承受扭矩轴应进行扭转强度条件计算承受弯矩轴应弯曲强度条件计算时承受扭矩弯矩轴应该弯扭组合强度条件计算
弯扭合成强度条件计算：
通轴结构设计轴基参数受力情况确定般轴计算弯扭组合强度条件计算计算步骤程：
1 做出轴计算简图
轴受载荷轴零件传计算程中轴收分散载荷折算集中力作点般载荷分布中点扭矩般取轮毂宽度中点计算般支反力作点轴承类型位置关做计算简图时轴受载荷分解水分力垂直分力然求出支撑处水反力Fnx垂直反力Fny图33示：
图33 轴计算简图
2 做出弯矩图图34示
图34 轴弯矩图
3 校核轴强度
求出轴弯扭矩针危险截面做弯扭合成强度校核计算第三强度理计算应力：
σcaσ2+4τ2
（35）
通常弯曲应力σ称循环变应力扭转切应力τ常称循环变应力考虑两种应力影响引入折合系数α计算应力
σcaσ2+4（ατ）2
（36）
扭转切应力静应力时取α≈03扭转切应力脉动切应力时取α≈06扭转切应力称循环变应力时取α1
直径d圆轴弯曲应力
σMW
扭转切应力
τTWTT2W
代入公式36轴弯扭合成强度条件
σca(MW)2+4(αT2W)2M2+(αT)2W≤[σ1]
(37)
式中：σca 轴计算应力MPa
M轴受弯矩N·mm
T轴受扭矩N·mm
W轴抗弯曲截面系数mm3
Wπd332
（38）
[σ1] 称循环变应力时轴许弯曲应力MPa查机械设计课表15
1σ155MPa
代入轴数前立柱轴受扭矩T0M17000 N·mmα≈06W2650719mm代入公式37：σca 6413MPa [σ1]55MPa满足条件合格余连接轴法校核
4 剪切应力挤压应力进行校核计算
轴均传递扭矩做连接轴成连接件计算进行切应力挤压应力校核已知连接轴均采优质碳素结构钢中45号钢许切应力[τ]60 MPa许挤压应力[σbs]120 MPa
a) 切应力计算
τFsA
（39）
τFsA≤[τ]
（310）
b) 挤压应力计算
σbsFbsAbs
（311）
σbsFbsAbs≤[σbs]
（312）
式中Fbs挤压力σbs挤压面名义挤压应力Abs挤压计算面积[σbs]材料许挤压应力
剪切强度条件校核轴直径
轴受力情况图35示：
图35 轴受力图
轴两剪切面称双剪切假想轴剪切面截开根部分衡条件求剪应力
FsF2
剪切强度条件
2Fπd2≤[τ]
d≥2Fπ[τ]
代入前立柱轴数d≥4607mm
挤压强度条件校核轴直径：
挤压力处发生面积方挤压应力发生立柱连接臂轴接触处挤压力
FbsF
挤压计算面积
Absd×064
挤压强度条件
σbsFAbs≤[σbs]
d≥F[σbs]×064
代入轴数d≥26mm综合考虑轴剪切挤压强度保证连接安全轴直径选择d30合理轴臂臂支撑轴2臂手腕支撑轴3法计算校核
结
文研究种水泥生产线码垛机器结构设计次设计研究整体构造传动方式进行细致较选择机器结构参数进行仔细计算码垛机器具体设计详细设计思路
课题研究程中进行工作：
第利三维造型软件Solidworks建立零件三维图形进行组装样机三维形态码垛机器续设计奠定基础
第二CAD绘制码垛机器二维工程图手绘零部件图
第三三维模型进行运动仿真
整毕业设计程中发现知识限验太少设计中遇种样问题毕业设计初期设计完整机械产品缺少前期规划准备验设计中期没资料计算程进行细致整理导致撰写说明书浪费许时间介前课程设计手绘手算手写次毕业设计程中原手写手算轻松工作复杂公式符号力学分析图电子文档书写变较费劲电子文档细致格式求手写报告次毕业设计程中学许没涉知识电机减速器选择轴校核更进步认识
知识量掌握太少设计中足处请老师批评指正
参 考 文 献
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[22]天车式面粉包码垛机[J]北京市粮食系统技术革新成果选编1975001516
[23]李长春刘广志崔焕勇张书文水泥袋搬运机器夹持器研究[J]液压气动2006041213
致 谢
次毕业设计XX老师耐心细致指导走尾声XX老师认真负责知识丰富设计遇瓶颈丝毫没头绪时候XX老师总够切实行建议研究继续时XX老师时学沟通解毕设进度规定时间完成毕设务XX老师种认真负责精神非常感动教会许知识戚开诚老师身认识什兢兢业业勤勤肯肯正XX老师厌烦指导完成次毕业设计改变求甚解陋
次感谢父母精神物质支持全身心投入设计中
感谢朋友学遇问题时候私帮助讲解感谢帮助
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