河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告
地围绕着人与物,即设计师、消费者与产品三者的关系展开。首先通过对码垛机械产品要素的分析,把握其感性因素表达的载体。通过研究其用户对产品形态的认知模式和感性意象的形成过程,把握用户的整体特征。接着通过对码垛机械设计过程中所涉及的感性因素的分析,在研究感性因素量化原理和方法的基础上,提出码垛机械感性因素量化的方法。最后通过对感性信息测量方法和统计分析方法的综合研究,构建起感性因素量化的决策模型,并将其应用于“码垛机造型设计及研究”项目中 [3]。 （3）刘颖明，型钢码垛机控制系统设计，沈阳工业大学，2005
本文以PLC控制系统的实现为研究重点,从自动控制、电气传动、位置检测三个方面的说明了型钢自动码垛机的控制特点,为提高定位系统的可靠性、快速性以及获得较高的定位精度提出了相应的行之有效的解决方法，实现了变频器对码垛机平移机构的速度控制,系统响应快、抗扰性强,稳定性好,没有明显的振动,定位精度高具有理想的控制效果。针对变频器工作过程中产生高频干扰的现象,设计并安装了电抗器,对码垛机运行过程中的高频干扰信号进行了处理,有效地消除了干扰信号。从调试结果可以看出,系统具有良好的稳定性,并有效地提高了系统的可靠性,得到满意的控制效果[1]。
（4）闫志明. 湿坯码垛机的研究. 太原理工大学，2009
实现湿坯的堆垛,就能够在一个托盘上码放多层砌块,从而减少对托盘的依赖,减少养护空间,不再需要升板机和降板机,砌块的运输也可以由简单的输送机系统替代复杂昂贵的子母车。为了实现湿坯的堆垛,提出了一种新型的气动膜片式湿坯夹持装置,该装置运用气动橡胶膜片与砌块湿坯的缓冲软接触,以达到大接触面积小应力的效果。本文应用Ansys有限元软件对气动橡胶膜片充气过程的变形进行了仿真,得到了充气压力和接触面积这两个重要的参数之间的关系,同时也能得到接触应力等曲线,进而为优化结构参数提供了可能[4]。
（5）马占义，新型铝锭码垛机械手动静态性能分析与优化，兰州理工大学，2009
铝锭码垛机器人是整条铝锭生产线中非常重要的环节,码垛机械手又是码垛机器人的执行机构,它的轻量化和动静态性能直接影响着整条生产线的生产效率,对其研究是
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及其必要的,因此,本文对机械手的动静态性能进行了系统的研究,并以轻量化为目标进行了结构优化,所取得的主要研究成果如下：(1)对铝锭码垛机器人的执行装置—机械手建立了三维实体模型,建模中充分运用了Pro/Engineer强大的实体建模功能与有限元软件ANSYS兼容的能力。 (2)在设计时使机械手结构的固有频率避开外激励的频率就能防止机械手发生共振。(3)得出机械手在码垛过程中结构上节点的位移、速度和加速度随时间变化的响应图。 (4)对机械手进行优化,从而满足结构强度刚度和动态性能要求的条件下减小其本身重量。经优化所得新结构有更好的动静态性能,且总体质量减少了20%[5]。
（6）基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计
本文主要研究了包装码垛自动生产线机械系统设计;气动及真空系统的设计;系统控制部分的设计等。该系统的核心部分是包装码垛自动生产线的控制系统,其控制系统主要是以可编程序控制器(PLC)为基础进行集成控制的。通过可编程序控制器、对整个生产线的工作过程进行自动控制,对运行过程中出现的故障或供料不足,供袋不及时、出垛不及时等,进行声光报警。该设备具有操作简单,运行可靠,维修方便等优点。根据用户要求,配上通讯接口和打印机、有打印日、月累计报表的功能。还可与上位计算机或触摸屏连接,对包装码垛自动生产线实现实时监控、远程诊断和网络化管理[6]。 （7）刘涛. 层码垛机器人结构设计及动态性能分析. 兰州理工大学 2010
本文采用D—H法建立层码垛机器人的数学模型,推导了机器人的运动学方程,对其运动学和雅可比矩阵进行求解,此外,对机器人的工作空间进行了分析并对机器人关节速度和加速度进行了分析。在此基础上,运用拉格朗日法对层码垛机器人进行了动力学分析,推导出各个杆件的动力学方程,求出各个关节的驱动力矩。应用ADAMS软件对层码垛机器人进行了运动学和动力学的仿真,验证了理论推导的正确性。最后运用ANSYS软件对机器人进行了静力和动态力的有限元分析[7]。
（8）刘兴磊. 基于现场总线的码垛机器人控制系统研究. 东华大学 2010
本文在深入研究了现场总线技术、机器人控制技术及工业控制网络技术的基础上,完整的设计了这个基于现场总线的码垛机器人的控制系统。首先,本文考察了当前国内
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外码垛机器人的研究现状和发展趋势,说明了研究码垛机器人控制系统的目的和意义。其次,根据系统的结构方案以及技术要求完成了码垛机器人控制系统的总体设计。。最后,借助于智能控制理论,对码垛机器人手臂的运行轨迹进行了智能优化和跟踪控制,仿真结果表明,码垛机器人运行周期的时间明显缩短,其关节都能很好的跟踪期望轨迹,并具有很好的抗干扰性能。码垛机器人控制系统的设计已经全部完成,并且实现了系统的运动控制[8]。
（9）董忠. 码垛机器人运动控制与优化. 上海交通大学 2010
码垛机器人作为现代码垛系统中最重要的设备,它对促进工业自动化、流水线无人控制生产起了重要的推进作用。这其中搬运速度成为了衡量码垛机器人性能的重要标准。本论文主要论述高速机器人在运动过程中的特点,特别是在高速情况下。由于机器人运动所产生的复杂的动态特性,即非线性时变特性,并针对此种情况提出该问题的一系列解决办法。本文分别从机器人本体的运动学分析、Trio控制器性能优化、基于学习速度的迭代学习控制方法研究、以及抓手末端轨迹优化等共计四大部分内容,它们贯穿于整个论文[9]。 （10）陈黎明. 码垛机器人控制系统设计. 上海交通大学 2010
本文根据码垛机器人的功能需求和对当前流行的码垛机器人控制方案分析,设计了码垛机器人控制系统,该系统包括离线编程和3D仿真,控制器模块,该控制系统能大大提高码垛机器人的工作效率。本论文主要研究了如下四大部分内容: (一)根据码垛机器人的功能需求和技术需求分析,提出了码垛机器人的控制方案;(二)根据控制系统模块的划分,确定各个模块的关系,并具体对各个模块进行软件实现;(三)在对各个模块的软件实现过程当中对码垛机器人需要考虑的现场问题进行解决,并对各个关键问题进行解决;(四)对所设计的控制系统进行现场调试,验证该控制系统方案的合理和正确性。最终实验证明,该控制系统满足了工业自动化的需求。并且大大提高了码垛效率[10]。
2.毕业设计应用的技术
2.1设计要求
（1）产品包装箱码放方式为每托盘四垛五层;
（2）码垛机完成X、Y、Z三维动作，实现托盘不动完成自动码垛任务; （3）采用气爪完成抓放产品包装箱动作；
（4）产品下线输送机高度800mm，托盘移位输送机高度300mm；
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（5）码垛机X、Y两向运动采用伺服电机驱动，升降运动采用气动驱动； （6）系统采用PLC控制，采用工业触摸屏进行人机交互。 2.2直角坐标型[12]
这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态，这种机器人在x、y、z轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此很容易通过计算机控制实现；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，很容易达到高精度。但是，它的操作范围小，手臂伸缩的同时又向相反的方向伸出，即妨碍工作，占地面积大，运动速度低，密封性不好。 2.3对任务书的理解
对于电伺服3-DOF直角坐标[3]码垛机，结构比较简单，可以方便的实现三个方向的快速移动，我还没有具体的方案，只是对它的用途和大体结构有了初步的认识。首先执行元件的选择，根据设计要求和表1-1[11]，选择电气式执行元件和气压式执行元件。
表1-1
种类 电气式 特点 可使用商用电源，信号与动力的传送方向相同，有交流和优点 操作方便，编程容易，能实现定位伺服，响应快，易与缺点 瞬时输出功率大，过载差，特别是由于某种原因而卡住直流之别，应注意电压值大小。 CPU相接，体积小，动力大，时，会引起烧毁事故，易受外无污染。 部噪声影响。 功率小，体积大，动作不够气压式 空气压力源的压力为（5~7）x105Pa；要求操作人员技术熟练。 气源方便，成本低，无泄漏污染，速度快，操作比较简单。 平稳，不易小型化，远距离传输困难，工作噪声大，难于伺服。 5
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液压式 要求操作人员技术熟练，液输出功率大，速度快，动作设备难于小型化，液压源或液压油要求（杂志、温度、有辆、质量）严格；易泄漏且有污染。 压源压力为（20~80）x105Pa。 平稳，可实现定位伺服，易与CPU相接，响应快。
2.4伺服电机的选择
伺服电机，按照通常的区分划分为步进电机、直流有刷伺服电机、直流无刷伺服电机、交流伺服电机等。伺服电机适合正反向运行，而且启动停止性能好，由于是闭环控制，速度控制与位置控制也比较精确，所以选择伺服电机是最好的选择。
选择什么样的伺服电机，在很大程度上取决于负载的物理特性，负载的工作特性、系统要求以及工作环境。一旦系统要求确定后，无论选择何种形式的伺服电机，首先要考虑的是选择多大的电机合适，主要考虑负载的物理特性，包括负载扭矩、惯量等。在伺服电机中，通常以扭矩或者力来衡量电机大小，所以选电机首先要计算出折算到电机轴端负载扭矩或者力的大小。计算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般选择电机连续扭矩>=1.3倍负载扭矩，这样能保证电机可靠的运行。除此外还需要计算折算到轴端负载惯量的大小，一般选择负载惯量：电机转子惯量<5：1，以保证伺服系统响应的快速性。如果出现电机和负载之间惯量，扭矩不匹配的情况，那么只能牺牲速度，在电机和负载间增加减速机了。
选择出用多大扭矩的电机后，需要做的是了解负载的工作特性和工作环境。负载的工作特性包括如负载是高速还是低速运行，加速度需要达到多少，是否需要频繁起停，频率需要达到多少，系统运行精度等等。这时选择伺服电机也并没有什么特定的规律可循，关键的是你所选择的电机必须适应你负载运动的工作要求。比如在系统精度要求不高、运动速度在几百转以下（不超过500转）但不至于过低（大于1转），不需要频繁起停的情况下，步进电机是一种很好的选择。当运动速度从几转到3000多转以下时，控制精度相对要求较高，可以选择直流或者交流伺服电机。一般情况下，交流伺服电机低速特性不如直流伺服电机，如果负载工作于较低速，建议选择直流伺服电机。而有刷直流电机由于存在电刷换相，会有换相环火产生，在真空防暴水下等场合是不能使用的，并且由于环火使电机轴膨胀以及传导给连接部件，在系统精度要求高的场合也不能使用。现在工业应用中广泛应用的交流伺服电机为交流永磁同步电机，由于其在额定转速以下呈现的恒扭矩特性，所以多用于负载扭矩恒定或者变化不大的场合，比如机床进给系统。选择是相对的，同一种应用，可以用交流也可以用直流，有时取决于环境，比如有
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李秋瑾085475毕设前期报告记录
