论文总字数：24034字

摘 要

本文利用Solidworks软件设计了一款自动码垛系统，用来满足对工厂自动化码垛，提升工作效率的需求。该自动系统结构简单，占地较小，运动轨迹分解后均为直线，便于计算，可以大大提升工作效率，实现相类似形状物料的搬运。该自动码垛机主体框架为升降平台配合悬架的组合式结构，竖直方向即Z轴方向的升降平台承载码垛好的物料，通过上下移动实现取放料的高度不变，便于操控。水平方向即XY轴具体体现为悬臂，通过十字滑台式的设计实现水平方向的移动，末端执行器为一真空吸盘架，安装悬臂上随悬臂移动。驱动方面，采用步进电机带动丝杆副来进行移动，滑块于导轨上的移动一方面可以实现平台的升降，一方面实现水平方向的移动。通过对丝杠螺母副、轴承、电机等的选择与校核，完成了一般功能的实现。最后，利用软件对整体框架进行有限元分析，验证了模型的可靠性。

关键词：码垛，丝杠螺母，步进电机，直角坐标

Abstract

Solidworks software is used to design an automatic palletizing system, which can meet the needs of factory automation palletizing and improve work efficiency. The automatic system is simple in structure and occupies a small area. After decomposition of the trajectory, it is straight line. It is easy to calculate. It can greatly improve the efficiency of work and realize the transportation of materials with similar shape. The main frame of the automatic palletizer is a combination structure of lifting platform and suspension. The lifting platform in the vertical direction, i.e. Z-axis direction, carries the palletized materials. The height of the material is unchanged by moving up and down, which is easy to control. The horizontal direction, namely the XY axis, is embodied in the cantilever. The horizontal movement is realized through the design of cross sliding table. The end effector is a vacuum sucker rack, and the cantilever moves with the cantilever. On the drive side, stepper motor is used to drive the screw pair to move. On the one hand, the slider moving on the guide rail can realize the platform lifting, on the other hand, it can realize the horizontal movement. By choosing and checking the screw nut pair, bearing and motor, the general function is realized. Finally, the finite element analysis of the whole frame is carried out by software, and the reliability of the model is verified.

KEY WORDS：palletizing, screw nut, stepper motor, Cartesian coordinates

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论文作者签名： 导师签名：

日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 自动码垛系统简介 1

1.2 自动码垛的优点 1

1.3 国内外现状 1

第二章 设计目标 4

2.1设计任务 4

2.2参数要求 4

2.3任务分析 4

2.4本章小结 4

第三章 设计方案的确定 6

3.1三种主流码垛机的结构设计与分析 6

3.2拟定方案 8

3.2.1水平方向（XY）轴方案 8

3.2.2竖直方向（Z）轴方案 9

3.2.3抓手方案 10

3.2.4控制方案 11

3.2.5整体造型 12

3.2.6安装尺寸及基本参数 12

3.3本章小结 13

第四章 整体设计与部件的选择、校核 14

4.1真空吸盘的选择 14

4.2丝杠螺母、轴承的选择与校核 14

4.2.1Z轴丝杠螺母、轴承的选择与校核 14

4.2.2X、Y轴丝杠螺母、轴承的选择与校核 17

4.3电机的选择与校核 19

4.3.1Z轴电机选择 20

4.3.1X、Y轴电机选择 21

4.4导轨副受力分析 21

4.5本章小结 22

第五章 整体立架有限元分析 23

5.1框架材料的选用 23

5.2Hypermash软件分析 23

5.2.1无负载分析 23

5.2.2最大载荷分析 24

5.3本章小结 25

第六章 结论与展望 26

参考文献 27

致 谢 28

第一章 绪论

自动码垛系统简介

自动码垛是兴起于现代自动化运动中一个十分亮眼的科技案例，自动码垛系统通过对机械技术、电控技术的结合^[1]，把两者高度一体化，解决了传统仓库、工厂甚至是农场的搬运难题。一般码垛系统由底座、机架、传动机构、驱动装置、导轨、末端执行器、控制器、芯片等组成，通过微型计算机内部的软件算法控制整个系统，向电机或气缸等发出指令，在动力源的带动下，经过传动机构的传递，使整个机械结构运转起来，到达指定位置后，控制末端执行器夹取物料，完成整个堆垛过程，很久以来，包装等生产线只负责将货物打包装好等待后续工人手动搬运至指定地点，浪费人力并且速度慢，拖延进度，而现代码垛系统则做到了机械化生产，小巧而高效。

自动码垛的优点

针对不同的码垛对象，工程师开发了很多不同种类的码垛系统来适应不同的环境，按照产品不同，调节码垛机器人的类型，运动姿态以及供能方式，可以实现全功能的自动码垛。并且在速度上比人类手工码垛更快，精度更高。比如一些涉及到电子器件的装配时，传统人工既达不到装配精度，也无法处理极小的零件^[2]，而专门设计的小型码垛机就可以解决这个问题。在一些化工行业，由于毒气、毒烟和粉尘的存在，工人们无法在这种危险的环境下工作，而自动码垛机恰好可以帮助工人完成这项任务。在一些重工业的环境，有些货物体积大且较为沉重，人力难以处理，这时以龙门码垛机为代表的大型码垛机就可以派上用场。

国内外现状

目前，我国的大部分码垛设备多是非标准化生产，没有一个很好的行业体系，且码垛机多用于工业场合和药企，普遍的中小食品业工厂没有很好的码垛体系，大多仍靠手工搬运或者利用简单的叉车进行码垛。并且相较欧美的自动化码垛技术，我国的码垛技术存在以下几点差距：1、没有良好的研发环境，由于我国工业化的时间相比欧洲和美国十分短，而且自动码垛行业并没有形成良好的开发——投产——生产——再开发的体系，相比于欧美完善的技术储备与工业环境，国内自主研发的成体系的自动码垛系统十分稀少，而且因为上个世纪中国劳动力较为充足，没有出现人员短缺的现象，大部分厂家对自动码垛机的研究热情不大，也缺乏相关的市场。2、精度、耐久性、可靠性存在欠缺，相比于欧美开发了数十年的成熟产品，国内的自动码垛机存在着不少质量上的欠缺，并且因为起步晚，在许多方面难以和欧美同时期的产品抗衡，在这种环境下不少厂家采用质量上有瑕疵的，精度不高的零件来降低成本，这导致了国内原创市场的进一步混乱。3、售后服务欠缺，一套自动化堆垛设备价格高昂，维护成本不低，但部分国内厂家缺乏与客户沟通的意识，无法提供及时的售后养护、维修服务，相比欧美成熟的售后系统，流失了很多顾客。尽管存在不少问题，近些年我国的自动化码垛技术仍旧发展迅速，伴随着国家对制造业的重视，依托中国迅速发展的机遇和大量基建、消费带来的订单，我国的码垛机器人研究正在发生着日新月异的变化，与发达国家的差距在不断拉近，并且随着中国劳动力资源的逐渐短缺，自动码垛系统的开发愈加成为一件紧迫的大事。另外，由于国内车床、精密电子元件的科技进步，现代码垛机更加高效，精确、稳定。

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