河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书
型式为带有连杆的关节型，全部进行了结构的优化，机械和抵抗震动的性能很好。
图1.1德国KUKA码垛机器人
图1.2瑞典ABB码垛机器人和日本FANUC码垛机器
国内研究现状：
我国初次使用码垛机器人是在80年代，引进了大型石化设备。随后在上世纪90年代初期，我国开始了对码垛机器人的研发，并在“863计划”的支持下进一步加强了全自动包装机器人码垛生产线的开发，使科研成果更好地实现产业化
[3]
。我国伴随着改革，开放对于工业机器人的开发也取得了一定的进步，其中，
码垛机器人也获得了进步。
我国自主研发的机器人主要有直角坐标和关节型两种形式。直角坐标码垛机器人为4轴机器人。4根运动轴分别对应直角坐标系中的X轴、Y轴、Z轴以及Z轴上带有的一个旋转轴。直角坐标机器人可以在空间直角坐标系里进行编程控制，
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能够实现搬运物体、操作工具等各种作业。直角坐标机器人的定位精度较高，用计算机控制时很简单方便，因为是直角坐标，很有规律，所以空间的轨迹容易求解，但他需要的空间比较大、运动速度相对较低，灵活性一般。
相对于直角坐标型而言，关节型机器人更加灵活，通常是5～6轴，工作轨迹几乎可以达到空间的任何位置。为了提高我国的关节型机器人在市场的占有率，我国近10年出现了很多优秀的、致力于专家企业、产业基地和科研院校。沈阳新松机器人自动化股份有限公司研发出了码垛机器人系统。
哈尔滨工业大学于2004年成功开发出了基于FFS的1600型生产线，精度高，速度快，生产速度可达每小时1600袋。
新一代TPR系列码垛机器人是由上海交通大学机器人研究所和沃迪包装科技有限公司共同研发成功的,采用了独特的线性四连杆机构,用具有高强度的铝合金制作手臂。基于工业PC的控制器系统以及工作环境三维仿真以及干涉的检测方便可靠,操作和维修简单。
国内机器人如图1.3所示。
图1.3 国内码垛机器人
存在的问题：
尽管日本、德国等国家在码垛机器人研发工作中取得了很好的成绩，我国在近几年的研发中也相应取得了一定的成效，但是目前码垛机器人仍存在部分不容忽视的问题。
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(1)码垛能力受限制。目前的码垛机器人一般采用2个平行四边形机构并联的方式来控制腕部动作，可以省去腕部的电机，同时他可以起到平衡作用，使手爪始终处于水平位置，但这样也使机器人本体结构变得复杂，增加了重量，使机器人不够灵活，影响机器人的工作效率。
(2)可靠性、稳定性需提高。抓取、运输和码垛动作往复进行，这便要求码垛机器人平稳性好，保证有很高的重复定位精度,累积误差将不会越来越大导致堆放不稳。
(3)成本高、品种繁多。水泥码垛机器人的设计、制造费时费力，造价昂贵，由于其操作环境和对象的不同，用户需求也有多样性。
1．3码垛机器人的研究内容及方案初步设计
研究内容：
码垛机器人具备码垛和搬运两种功能。码垛的过程就是把一定大小的规整产品按照一定排列样式码放在托板上[4]。
（1）水泥码垛过程中，提高码垛质量和生产率是关键，确保安全性，使工人工作环境变好，同时节省原料并降低成本。在水泥生产过程中使用机器人，可以提高生产速率，使码垛整齐，避免不必要的浪费。
（2）希望通过研究，结合所学知识，提高水泥码垛机器人的灵活性、可靠性、稳定性。高速码垛机器人可以选用6自由度垂直多关节型机器人，但最常使用的还是4自由度水平多关节型机器人。[5]这种机器人运行速度快，如不考虑末端执行器的动作时间，它具有每小时1100袋的码垛能力。
方案初步设计：
该机器人的臂部连接在可以旋转的腰部上，小臂通过前大臂、后大臂实现搬运和码垛作业。该机器人由4个结构构成，进行4种不同的动作：腰部旋转，上下运动，前后运动和手腕回转运动，且4种运动旋转电机进行驱动。具体结构如图1.4所示。
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图1.4 总体机械结构图
1．4任务书要求完成进度
（1） 1-3周，查阅文献，确定总体设计方案，完成前期报告。
（2） 4-7周，进行装配图的绘制，以及三维装配图的绘制，完成中期报告。 （3） 8周，利用软件进行动画仿真。 （4） 9、10周，拆画主要零件图。 （5） 11、12周，完成论文初稿。 （6） 13周，终稿提交。
（7） 14、15周，成绩评审及答辩。
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2 水泥码垛机器人总体方案的确定
为提高水泥码垛机器人机械系统的控制性能，要求机械传动部件的转动惯量小、摩擦小、阻尼比合理、刚度大，并满足体积小、质量轻、高速、低噪音和高可靠性等要求。[6]由此可见，合理的设计驱动方式和机械传动是保证整个机器人
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伺服控制性能的基本要求。
2．1水泥码垛机器人结构形式的选择
工业机器人的坐标形式有图2.1 所示五种形式，其特点如下：
1）直角坐标型机器人的运动的笛卡尔方程可以独立地进行处理，容易实现计算机控制；它刚性较大，定位精度不随工作场所而发生变化。然而，它存在运动范围较小，速度较低，密封性较差，所需空间大等不足。
2）圆柱坐标型机器人的工作范围可以扩大，其直线运动具有更大的功率输出。但是，它的运动范围是非常有限的，不可以到达近地面的位置；直线性驱动密封性差。
3）球坐标型机器人的中心架附近的工作范围大，能覆盖更大的工作空间。然而，这种坐标型机器人较复杂，难以控制，以及线性驱动单元有密封问题和工作死区问题的存在。
4）多关节型机器人协调所有关节联合旋转，它是最常见的用于工业用机器人的结构，较低传动装置和驱动装置要求，其控制也较简单，并且具有良好的密封性能。
综合本课题水泥码垛机器人的工况环境，结合控制装置、密封要求、工作空间、经济性等要求，可选择的类型有关节型坐标形式和直角坐标系型坐标形式。
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