引言
在热炒的工业4.0时代，在以劳动密集型为主导的中国制造也悄然发生着变化，如富士康大举引入工业机器人、东莞制造业大规模引进机器人生产等等。工业机器人能适应基本的运动要求，同时能耐高温、耐腐蚀，能适应各种的工作环境，像日本核电站泄漏事件也是有探测的机械人经过远程控制进入现场勘查。通过综合机械结构、感应器控制器和伺服系统，实现机电一体化自动生产的功能并可重复编程，实现了一系列动作的自动化和快速响应，不仅大大地提高了产能，而且进一步的使工人的劳动强度在合理范围，改善劳动条件，大大地降低生产成本。
码垛机器人是工业机器人中一种重要类型，所谓码垛，是指按照集成单元化思想，将一件件的物品按照一定的形式堆码成垛，以便使单元化的物垛完成对物料的搬运、装卸、运输、存储等物流的活动。从码垛的概念我们可以知道，码垛技术就是实现了“物流”自动化，通过驱动元件使末端装置到达指定位置，而后按照设定的指令使末端装置运动，抓取目标物件并使它的空间位置发生转移从而实现码垛的自动化。在倡导工业产能升级的今天，码垛技术有着极其重要的位置，码垛机器人的反应是否灵活快速、是否稳定可靠、是否结构轻便、信息能否传达到大的统筹系统当中，这都是实际生产中要考虑的问题。
1码垛机械手的方案设计
本次设计根据生产实践出发，大型粮库中袋装大米重量达30到50kg，如此这般的重复劳动，使得工人的劳动量将很大。采用机器人技术，实现搬运的自动化将大大地提高生产效率、节省人工成本，实现搬运操作的柔性自动化，以提高生产效率。
本设计主要是研究码垛机器人的结构设计，主要工作内容有以下几点：
1）了解搬运机器人发展历程、现状以及未来发展趋势，掌握码垛机器人的机械结构特点以及基本构成部分。
2）对码垛机器人的总体方案进行设计，方案确定后，对各个细节进行设计。包括腕关节电机、轴承、减速器的选择；臂部材料的选择、结构的设计、受力分析、关节处销轴的校核、关节轴承的选型；传动系统的设计：电机、同步带、轴承的选型，滚动丝杠、滑动导轨的选型与校核；腰部电机、减速器、轴承型号的选择：抓手的运动形式、握紧力计算、驱动气缸选择。
3）机械本体的运动分析与执行末端的中轴线始终垂直及执行末端的结构设计。
目前，我国采用的码垛机器人的主要结构形式有直角坐标型和关节型。直角坐标为四轴机器人，通过电机转动带动同步带运动，继而带动直线导轨上的滑块运动。它具有定位精度高、便于空间轨迹求解、控制简单的特点，但相应的是运动速度较低、操作灵活性差、占用工作空间大而相对工作范围小的不足。与之相比，关节型机器人有着更大的动作空间、占用空间小、有着更高的适应能力和更广的应用范围。
考虑夹取的粮袋的大小和适用环境，决定采用关节式机器人，来实现30到50kg重量的粮袋的上下料。参照日本某公司的码垛机器人工作过程与运动过程，选用以下方案：采用平行四边形机构的原理保证手腕的轴线垂直，大、小臂则由丝杠平台带动。选定好伺服电机，通过同步带轮使丝杠转动。同步带的选用很大程度上减少了空间体积，也使得机械手更加灵活可动。丝杠平台则安放在一个支架上。夹持末端则考虑选用两端安置气缸作为动力装置。对于位置确定，拟在底座安放一个位置检测感应器来感应物品，抓手位置的气缸则需要安装磁感应开关，反馈气缸位置信息。系统初定为基于PLC的设计。
如图所示，选取该机构形式进行设计。

总体设计思路：
本文中的机器人设计运动范围可达1.8米，腰部、腕部可以回转330°，运动组成还有大臂的上下运动、小臂的前后运动。驱动原件选用伺服电机驱动，抓手的驱动部件则选用气缸，以使结构更加的简化并使重量得到轻化。
腕部的设计关键是要保证其轴线始终垂直，并要选用较轻的电机，由于需要的转速低且所需转矩不高，可选用的电机类型较多。
机械手臂为主要承载，选用8mm钢板焊接而成，主要受力的大臂中间还焊接有4mm方形钢管。小臂在与前后大臂轴连接处各焊接一个衬套，以此保证运动的平稳性，最终通过轴承与大臂连接。轴承选用圆锥滚子轴承和深沟球轴承。
考虑运动的稳定性和可靠性，需要做的工作有：对丝杠、导轨的选用和校验；销轴的计算与选用。
腰部选用中低速电机，根据运动特性选用推力球轴承。
2码垛机器人腕部和腰部设计
码垛机器人腕部设计：

腕部直接承受执行末端负载的重量，伺服电机接减速器为末端变化位姿传送动力，减速器接法兰连接盘。由腕部托架为支撑，轴连接处为拉架轴。
3机器人手臂的结构及其驱动系统设计
3.1机构的受力分析
在运动过程中，H方向的丝杠副主要受到摩擦力的影响，V方向的则是受到来自Z轴方向的力。当出现如图所示的运动状态，及当AC垂直BF且AC垂直CB时，两滚珠丝杠副承受的载荷最大。AC为小臂，BF、CB为前后大臂。
腕部直接承受执行末端负载的重量，伺服电机接减速器为末端变化位姿传送动力，减速器接法兰连接盘。由腕部托架为支撑，轴连接处为拉架轴。
3机器人手臂的结构及其驱动系统设计
3.1机构的受力分析
在运动过程中，H方向的丝杠副主要受到摩擦力的影响，V方向的则是受到来自Z轴方向的力。当出现如图所示的运动状态，及当AC垂直BF且AC垂直CB时，两滚珠丝杠副承受的载荷最大。AC为小臂，BF、CB为前后大臂。

根据实际的工作需要我们设计相关的数据为AB=1170，BC=260mm，CD=1080mm，DE=240mm，点A到五边形的中心线长度为d=150mm。
在上图的符号当中我们把G1定为电动机及负载的重力总和，码垛的物品最大达到50KG，腕部的部件重力达到100N，M则为围绕点A的电机与负载的转矩总和M=G1×d=200×150×10-3=90N·m，小臂选用的材料为Q235，重量达到400N。
3.2手臂关节轴承的选型与校核
手臂由于承受的载荷很大，所以手臂需要设计成刚度大，以保证运动的可靠性，还有由于小臂的较好的运动响应，则需要设计成为重量较轻，这就要求我们选取小臂的截面形状，以保证小臂能选取到较大的刚度并防止小臂发生弯曲变形。同时，我们根据实际的工况，相应地设计手臂的悬伸部分。
通过小臂剪力图可以知道当往B靠近时，小臂的弯矩就越来越大，所以在所结构的设计当中，往B点靠近的部分要增大尺寸，而其他的部分则采用均匀饿的的尺寸分布。B点选用销轴方式作为联接，销轴的承受载荷就很大，所以必须对它进行校核，以保证运动的可靠性，稳定性和耐用性。
根据《机械设计手册》及相关资料的查询，我们选用的轴承为自润滑向心关节轴承，它的特点是既能承受径向载荷，同时还能承受另外一个方向较小的轴向载荷。根据相关的技术要求选轴承的型号为GE25ES-2RS，当中d=25mm。

4竖直滚动导轨副的计算选型
直线滚动导轨副的设计需要考虑工作载荷，它除了保证工作的可靠性，还关系到导轨副的工作使用寿命。通常我们布置平台采用的为双导轨，一导轨上有两个滑块的形式。考虑最为极端的情况时，一个滑块承载所有的工作载荷，这时我们对垂直方向的载荷进行分析：

式子中：F=F2；
G=800N。
（F为外加载荷、G为移动部件的重量总和）将相关的数值代入（4-12）可以得到：

根据计算结果，考虑工作载荷承受状况，选用型号为SBSF20V滚动导轨，额定动载荷Ca=7.81kN，额定静载荷Coa=13.78kN。考虑滑块的尺寸大小和导轨的承受载荷能力，确定导轨的长度为820mm。
根据经验设计，导轨的预期额定寿命是50km，实际的计算数值206.01km远远大于额定值，故可以得知所选的导轨符合设计要求。
5末端装置设计与计算
传统的机械式和液压式的抓手结构复杂，重量较大，而气动驱动的机械手则有美观和轻巧的优点，而且价格便宜，能更好的组合到末端装置上，具有稳定性和可靠性。
根据气动机械手的手部结构，设定其工件的质量G=50kg，“V”形抓块的角度2θ=120°，b=400mm，a=230mm，摩擦系数经过查表可知：f=0.1。
（1）的模式是手部垂直抓取，根据传动的示意图可以知道，它的驱动力为：

从计算结果可以知道夹持物件所需要的夹紧状态需要气缸的驱动力为2773.74N。
6总结
本设计是关于新型智能粮食码垛机械手的设计，对于码垛机器人，根据其工作要求，在设计时重点是要注意机械手的自由度，保证它的灵活性，满足抓取、码垛、和上下料等作业，操作过程是由2种气缸组成执行机构作为驱动，系统可采用可编程控制，程序简单且便于调试。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，可以广泛地应用于柔性自动线上。机械手多半由耐高温，抗腐蚀的材料制成，能适应较为恶劣的现场环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作和生产效率。

作者：廖奇

深圳市卓禾仪器有限公司是一家专门从事称重仪表和全自动包装码垛生产线的研发及生产的高新技术企业，所生产的JY500系列称重显示控制器（包括配料秤仪表、皮带秤仪表、包装秤仪表、重量变送器等）高速高精度，使用寿命长。卓禾仪器有十数年的现场校验经验，在业内有良好的口碑，且有专门的售后工程师帮忙解决产品使用过程中遇到的技术问题，客户可以放心省心顺心的使用我司的产品。如果对我司的产品感兴趣，欢迎咨询。