一种码垛机器人的设计与仿真

一种码垛机器人的设计与仿真

节 1.01 摘要

21 世纪，科学技术的发展可谓日新月异，各种信息技术的不断发展进步， 推动着社会生产的各个领域的进步， 尤其是自动化技术的应用。 码垛技术是近年 来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术。 码垛技术的概念是指在日常的物流 运输的过程中， 为了实现实现物料的搬运、 装卸等物流的活动， 设计一定的物料 的堆码成垛的模式， 这种模式是基于集成单元化的思想之上的， 这种堆码成垛实 现物流运输的技术就是码垛技术。

我们在实现码垛技术的同时， 发明了相关的码垛机器人。 码垛机器人是基于 码垛技术而产生的， 它是一种具备特殊功能的机器人， 具有垂直的多关节型的特 点。码垛机器人自产生以来， 已经广泛应用于社会生产的不同的专业领域， 比如 食品加工、石油化工等。 对于不同的物流对于码垛要求参数的不同， 码垛机器人 可以通过自身的主计算机进行相应的参数的设置， 从而进一步实现不同产品包装 的码垛要求。现代物流的发展，对于码垛机器人的要求也呈现出越来越高的趋势， 比如物料的码垛的精度的提高， 是的码垛机器人必须具有一定的刚度和强度， 防 止搬运过程中出现差池。

本文主要是设计一种码垛机器人的机械部分， 应用于自动化生产线的物料的 码垛。在进行码垛机器人的设计的时候， 主要是结果机械、 电子以及码垛机器人 的软件等方面，根据不同方面的特点进行综合的分析，实现码垛机器人的设计。

关键词：码垛技术，机器人，有限元分析，运动仿真

Abstract

In the 21st century, the development of science and technology is changing, all kinds of the continuous development of information technology progress, push the progress of the various fields of social production, especially the application of automation technology.

Stacking technology is active in recent years a new technology in the field of logistics automation. Stacking technology refers to the concept of in the daily logistics transportation process, in order to achieve the implementation of logistics activities such as material handling, loading and unloading, the design of a certain material stacking into crib model, this model is based on the idea of integration of unitized, this kind of stacking to buttress achieve logistics technology is the pallet. We at the same time of palletizing technology, invented the palletizing robot. Palletizing robot is based on the palletizing technology, it is a kind of have the special function of the robot, has the characteristics of vertical multi-joint type. Since produced, palletizing robot has been widely used in the different fields of social production, such as food processing, petrochemical industry, etc. For different parameters of different logistics for stacking, palletizing robot can through ownhost computer to the corresponding parameter setting, thus further realize the pallet of different product packaging requirements. The development of modern logistics, to the requirement of palletizing robot also presents the trend of more and more high, such as

the improvement of the precision of the material of the pallet, palletizing robot must have certain rigidity and intensity, prevent mistakes appeared in the process of handling.

This paper is to design a kind of palletizing robot mechanical parts, materials used in automatic production line of the pallet. In the design of palletizing robot, is mainly the result of mechanical, electronic, and palletizing robot software, etc., according to the characteristics of the different aspects of comprehensive analysis, realize the design of palletizing robot.

Keywords: palletizing robot, finite element analysis, motion simulation

1 绪论

课题的来源及意义

课题来源

码垛技术是近年来活跃在物流自动化领域的一项新兴的技术， 它常用于食品 饮料、化工、 煤炭等大批量生产场合。 本课题包括码垛机器人本体设计的以下内 容：从机器人构型的确定到设计参数的确定和分配， 从机器人工作空间到动态静 力学的

计算以及各关节驱动力矩的计算， 从关键零部件有限元边界条件的确定到 零件的优化。

该题目是指导老师自拟项目。

课题研究的背景及意义

日本与瑞典是世界上第一个把工业机器人技术应用在货物搬运、码放的国 家。二十世纪六七十年代日本将工业机器人技术用于码垛作业。

瑞典ABB公司在

IRB6。随

一九七四年开发制造了世界上第一个应用于搬运、码放作用的机器人

着科学技术的不断发展， 西方发达国家的工业机器人技术突飞猛进， 都开发出了 自己的码垛机器人，如日本、德国、瑞典等（图 1．1）。目前日本、德国、瑞典 等国家的主流机器人厂家都拥有标准化的码垛机器人产品。

瑞典ABB公司的IRB

系列；日本FANU（公司的M-系列；德国KUKA公司的有KR系列等。如欧美等一 些国家的自动码垛技术已经日趋成熟， 码垛机器人的各项功能都在不断发展， 不 断应用于各个方面。

码垛机器人的组成方式包括机械本体、 控制器、伺服驱动器和检测传感装置。 大多数码垛机器人是采用连杆式关节型机构的形式。 关节型机器人是采用仿生学 的原理，模拟人类搬运重物时的动作特征， 即人类搬运物件时上肢以及腰部的动 作特征，所以关节型机器人一般有底座、大臂、小臂、手腕及末端执行器这五部 分组成。例如德国KUKA公司的KR180-2PA型码垛机器人，它的运动由四个关节 的驱动完成， 包括底座的水平旋转运动、 连杆臂和小臂的法向旋转以及末端执行 器的水平旋转 [2] 。

自从上世纪八十年代以来， 在国家的支持下， 通过数十年的不断研究、 发展， 我国的码垛机器人技术研发发明取得可可喜的成绩。 可以将码垛机器人的发展进 程分三代。 第一代机器人， 多为示教再现型工业机器人， 但对外部信息不具备反 馈能力；第二代机器人，开始使用内部传感器，能够自动探测外部的环境信息。 虽然还没有开始使用人工智能技术， 但是机器人和环境已经可以进行互动， 能够 自动适应外部环境；第三代机器人，采用人工智能，能够更好地适应外部环境。

现在码垛机器人在生产中主要应用于以下两个方面。 一个是环境比较恶劣甚 至对人身安全造成威胁的场所。 这个方面的作业对人身危害较大， 不利于健康甚 至会威胁生命而不适宜人去干。比如在冲床上下料、采矿、锻造等。第二个是自 动化生产领域。 码垛机器人可用来搬运、 堆放、卸货、抓取零件重新定向等作业。 一个应用于抓放零件的机器人工作较简单， 较少的自由度就能满足， 而一个给零 件定向作业

的机器人要求更加精确， 要有更多的灵活性， 所以要较多的自由度才 能满足使用要求。使用机器人生产可以节约人力，提高效率、避免材料浪费，生 产更稳定，质量更有保证，并消除了危险岗位， 从根本上杜绝了危险事件的发生， 从而降低成本， 加快周转。 现在正是码垛机器人研发的黄金时间， 在工业发展比 较先进的国家， 工业机器人的研发与制造已经形成较大规模。 全世界每年的码垛 机器人销售额已达百亿美元。尽管如此，工业机器人仍在取得日新月异的成就。 我国工业机器人的发展和应用前景巨大。 由于我国工业发展起步较晚， 拥有较多 的廉价劳动力， 严重阻碍了工业机器人的发展。 只有从国情出发， 才能加快我国 工业机器人的发展和运用。 要想提高机器人的生产精度、 运动速度， 降低生产成 本以及提高稳定性， 就要将工业机器人的部件标准化、 模块化。 近年来开发的重 点是组合型机器人。 组合型机器人是使用标准模块组合而成。 不仅是机器人使用 的电机、传感器可以标准化， 甚至是手臂、 手腕以及底座等都可以实现标准化生 产。现在机器人生产领域越来越广泛， 对机器人生产精度的要求也越来越高， 需 要开发微动机构来增加机器人的精度，以适应高精度的生产要求。

现在，我国的码垛机器人技术还远远的落后于国外发达国家。 包括应用领域、 生产技术以及产品的稳定性方面都比较落后。 国内的工业发展起步较晚， 应用规 模也远低于国际平均水平， 国内拥有的工业机器人还不足千台， 不足世界的万分 之十。我国研发码垛机器人的公司主要有三家： 沈阳新松机器人公司、 安川首钢 机器人公司和哈尔滨博实机器人公司。

上海交通大学机器人研究所开发出的新一代 TPR 系列码垛机器人，性能稳 定，运行速度快，生产能力与哈工大推出的码垛机器人不相上下。性能超越了 ABB KUKA等国外品牌机器人。可应用于食品、饮料、啤酒等各个领域，可以满 足各种生产线的不同产品的码垛需求。

2004 年哈尔滨工业大学推出了一条全自动化的包装码垛生产线， 涉及机械、 电子、计算机等多个学科，解决了生产过程中产品不准确，速度慢等难题，而且 电子称量的误差小，不超过％。生产效率高，每小时可达 1600 以上。宝鸡新科 研制出的RMD7型码垛机械手，具有结构紧凑、外形美观、占地面积小等特点； 苏海新等人开发了一种新型码垛机器人， 拥有四个独立自由度， 用四台伺服电机 控制机器人的生产运动， 完成精度较高的动作。 李成伟等人以搬运机器人为蓝本， 研究开发了一种具有四个独立自由度的并联搬运码垛机器人， 对不同的需求， 可 以使用不同的手臂抓取， 实现对不同物件的搬运以及码放； 杨灏泉等人研究开发 了一种4自由度水平多关节的SCAR机器人，可以同时实现拆垛作业和码垛作业。 工业机器人以及成为先进制造业中不可或缺的重要装备和必要手段， 工业机器人 的技术水平也成了衡量一个国家科技制造水平的重要因素。根据相关统计表明， 工业机器人主要

应用于汽车及汽车零部件的生产，占整个机器人市场的 他工业占 15%[3] 。

61%，金

属制品业占 8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占 7%，食品工业占 2%，其

目前，我国主要从日本进口工业机器人， 现在我国逐渐从劳动密集型生产向 现代化制造业方向发展， 虽然机器人的拥有量达到了一定的规模， 但是还远远落 后于发达国家的水平。汽车工业方面每百万名生产工人平均占有的机器人数量， （日本 1710台、意大利 1600台、美国 770台、英国 610台、瑞典 630 台，而我 国还不到 90 台），我国相当于其他国家仍然比较落后。 每一个工业机器人供应商 都应该能看到我国庞大的市场空缺和市场需求量。 上世纪九十年代末， 我国就建 立了 7 个机器人科研基地和 9 个产业化基地。 到现在为止， 我国已经可以独立研 发生产在世界上都属于较高水平的平面关节型机器人、 直角坐标机器人、 弧焊机 器人、点焊机器人、 搬运码垛机器人等一系列产品， 而且部分产品已经实现规模 性生产。“我国的机器人产业化已势不可挡！ ”尽管如此， 我国工业机器人产业 化却依然存在着严重的问题。 不仅起步较晚， 工业水平较低下， 而且很多人对工 业机器人产业不能理解，存在着误解。

第一，我国制造生产基础零部件的能力较低。 虽然我国在相关零部件的生产 方面已经有了一定的发展， 但是无论是零件的质量、 样式， 还是批量化生产方面 都与发达国家存在较远的距离。 特别是在精密减速器和高性能交流伺服电机方面 的差距尤为巨大， 因此就造成了一些零部件需要高价进口， 造成了我国机器人价 格偏高，影响竞争力。第二，我国研发生产的机器人还没有打响自己的品牌。尽 管已经出现了一些专门从事机器人研发的企业， 但是都还没形成规模化生产， 没 有让市场认知的产品、 品牌。而且国产机器人还一直被国外的品牌机器人所打压， 国外机器人生产技术成熟，采用规模化生产，生产成本低，整机价格低廉，吸引 国内企业优先购买， 占领中国市场。 然后在后续的维护以及零部件的购买方面价 格很高。 第三， 国家没有鼓励工业机器人研发方面的政策， 不能推动各企业的研 发积极性。 工业机器人的研发及应用水平， 体现了一个国家的工业制造水平， 我 们要从国家的高度来认识提高我国工业机器人水平的必要性， 这是我国从制造大 国向制造强国转变的必要手段和必经之路。 日本战后政府采取的对研发机器人的 一系列相关奖励政策， 极大地推动了机器人产业的发展， 目前，日本已经成了世 界上生产工业机器人的第一大国。 工业机器人作为必要的高新技术产品， 政府应 该像鼓励新能源电动汽车一样，出台相应的奖励政策。

中国机器人产业化已经到了最关键的时刻， 如果政府能推出大力度的鼓励政 策，我国的机器人产业就能翻过面前的大山， 走上一个新的平台， 进入高速发展 的阶段。同时，我国的机器人研发企业应该开始考虑如何适应国内外市场需要， 如何提