本科畢業設計(論文)題目:院系:專業:班級:姓名:學號:指導教師:20xx年04月聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的研究結果。論文在引用他人已經發表或撰寫的研究成果時，已經作了明確的標識；除此之外，論文中不包括其他人已經發表或撰寫的研究成果，均為獨立完成。其他人對本文所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表達了謝意。學生簽名快遞分揀機器人的設計與研究摘要隨著，機械行業市場的快速發展以及機械設計與制造技術的進步，傳統的快遞分揀機器人很難滿足應用需求，因此需要對快遞分揀機器人進行相關的技術升級與改造。因此本課題的研究目的是通過對快遞分揀機器人的結構設計與性能優化，并且在設計中采用計算機輔助設計工具來完成整個設計過程的實施，重點從底座旋轉機構、大臂俯仰機構、小臂旋轉機構、夾爪夾緊這幾種機構上開展工作，完成設計計算與詳細的結構設計，提供了新的解決方案，來滿足快遞分揀機器人生產應用過程中的使用需求。本課題所采用的設計方法顯著的提升了快遞分揀機器人產品在設計開發過程中的研發效率并且降低了該類產品的設計開發成本，相較于傳統的設計過程，從設計效率以及設計創新性方面都擁有較好的優勢，成本控制方面也進行了考慮，為快遞分揀機器人的市場化應用有非常好的促進作用。關鍵詞：快遞分揀機器人；六軸機械臂；齒輪傳動；絲桿夾緊裝置

目錄TOC\o"1-2"\h\u聲明 1快遞分揀機器人的設計與研究 2摘要 2第一章緒論 51.1課題的研究背景及意義 51.2快遞分揀機器人的國內外研究現狀 61.3本文主要研究內容 8第二章快遞分揀機器人總體方案設計 92.1設計要求與功能分析 92.2設計方案的選擇 102.3整機方案設計與工作原理介紹 11圖2-2工作原理圖 142.5本章小結 15第四章設計計算 174.1機械臂旋轉伺服電機選型計算 174.2機械臂旋轉齒輪傳動設計計算 204.3機械臂俯仰蝸輪蝸桿傳動設計計算 274.4機械臂小臂帶傳動設計計算 30第四章快遞分揀機器人設計與建模 344.1支撐模塊設計 344.2驅動模塊設計 354.3執行模塊設計 364.4整機機構設計 364.5本章小結 39總結 40致謝 41參考文獻 42第一章緒論1.1課題的研究背景及意義在現代社會，工業生產規模持續擴大，物流行業也呈現出高速發展的態勢，在此情形下，物料輸送與分揀已然成為提升生產效率和保障物流配送準確性的關鍵所在。對于生產制造領域而言，工廠內部物料在種類上愈發繁雜，數量上更是極為龐大[1]。傳統依賴人工的輸送和分揀模式存在諸多弊端，其效率十分低下，并且人為因素極易引發錯誤。比如，工人長時間作業產生疲勞后，分揀的準確率便會降低，這對整個生產流程的連貫性以及產品質量都有著嚴重的負面影響[2]。與此同時，人力成本在不斷增加，這也驅使企業去探索更為高效且經濟的物料處理途徑。在物流行業方面，電子商務的迅猛發展致使包裹分揀和配送需求呈現出海量增長的局面[3]。物流中心每天需要處理的貨物數量常常數以萬計，甚至更多。面對各式各樣目的地不同、類型有別的包裹，單純依靠人工分揀已經遠遠不能滿足時效性和準確性的要求[4]。能夠迅速且精準地將包裹輸送至相應處理區域或配送路線，對于提高物流服務水平、削減運營成本有著關鍵意義。除此之外，消費者對產品交付時間和準確性的要求日益提高。不管是制造業的零部件供應環節，還是物流行業的商品配送環節，都迫切需要更為精準、快速的快遞分揀機器人，以此保障整個供應鏈的順暢運行，提高資源利用效率，增強企業在市場中的競爭實力，而這也是促使相關研究持續深入的重要背景要素?？爝f分揀機器人的研究具有重大意義，主要體現在以下幾個方面：首先，能顯著降低勞動力成本。自動快遞分揀機器人可最大限度地減少人員使用，基本實現無人化操作。如此一來，企業在人力方面的開支得以大幅削減。其次，有助于提高經濟效益。該裝置分揀效率高且誤差率低，企業能夠減少因分揀錯誤引發的額外成本，例如退貨、賠償等情況，從而提升整體經濟效益。再者，具備高精度識別能力。自動快遞分揀機器人采用先進的智能識別技術，可準確識別貨物信息，有效避免人工分揀中可能出現的誤判和漏判現象。同時，能極大地減少分揀誤差。其分揀誤差率極低，基本可以杜絕出錯情況。此外，還有利于提升物流服務水平?？爝f分揀機器人的研究和應用，能夠為整個物流行業帶來服務水平的提升和競爭力的增強。最后，能夠促進技術創新。對快遞分揀機器人的深入研究，將推動相關技術持續創新和發展，為物流行業創造更多的可能性。1.2快遞分揀機器人的國內外研究現狀1.2.1國外快遞分揀機器人的研究現狀國外對自動化快遞分揀機器人的研究起步較早，二戰后，美國、日本等發達國家借鑒郵局分揀信件的經驗開展對自動化快遞分揀機器人的研究[5-8]。1985年時，日本的自動分揀機數量多達366套，位居世界之首，自動分揀機在物流、醫藥、藥草等眾多行業廣泛應用。早在1990年，位于伊利諾伊州芝加哥的Rush-Presbyterian-StLuke醫學中心就研發了一種機器人分類裝置。該裝置借助醫學機器人識別條形碼信息實現數據分類，并通過分揀站集中處理數據，為后續自動快遞分揀機器人的標簽識別提供了可行方案。2001年，MaselD.T對標準環形物料裝置分揀展開研究。2010年，ArkoD構建了利用OpenCV處理攝像頭采集圖像顏色信息，再由機械手完成自動化分揀的完整裝置，為自動化分揀設備與機器視覺的結合奠定了基礎[9]。圖1物料快遞分揀機器人國際上較為先進的流水線自動化分揀機包括德國Dematic生產的第三代高速滑塊式分揀機，其滑塊傳動效率高；還有荷蘭的Vanderlande生產的交叉帶式分揀機，它輸送速度雖不快，但分揀準確性高。不過，國外分揀機雖自動化和集成化程度高，卻存在智能化不足、人機交互差、數據共享差的問題[10]。1.2.2國內快遞分揀機器人的研究現狀國內自動化技術和物流技術起步晚于國外，使得國內自動化分揀系統體系不完善。20世紀70年代，計算機和通信技術快速發展帶動自動化技術時，國外自動化快遞分揀機器人已投產，我國才開始相關研究。2003年，電商經濟和快遞業迅猛發展，生產制造業生產任務高與分揀模式低效的矛盾凸顯，各大企業為解決問題開始采購自動化快遞分揀機器人，掀起小高潮，行業進入快速發展階段[11]。圖2分揀機器人手臂國家十二五規劃期間，自動化快遞分揀機器人研發和生產達到高峰。路輝公司自主研發生產的滾珠模組帶分揀設備獲2017智慧供應鏈創新產品獎，其通過底部滾珠摩擦驅動產生動力，表面網狀結構減輕輸送對物料的沖擊，保護物料完整性。無線射頻技術（RFID）可利用射頻信號遠距離識別電子標簽，極大促進了物流業發展，康大基業在此基礎上研發的電子標簽分揀系統對物流分揀行業有很大推動作用。國內分揀機的自動化水平發展至今已與發達國家接近，但在部分環節仍有細微差距[12-15]，主要是無線射頻、電子標簽等技術在快遞行業之外的自動化快遞分揀機器人中應用范圍較窄。本文分析了市面上銷量較多的三類自動分揀機工作原理。第一類是器件優品次品分揀設備，其傳動裝置簡單，通過快速學習器件特征并建立深度學習模型進行檢測。第二類是快遞物流和農產品篩選常用的物料分揀機，運用機器視覺方法，依據物料形狀、尺寸、重量等特征分揀歸類。第三類是色選機，通過光電探測技術分揀異色物料。經分析，這些自動快遞分揀機器人雖對特定物料分揀效果較好，但功能單一，未實現多種物料分揀功能組合，且都不具備互聯網數據交換能力，無法實現遠程控制、智能監控等功能。1.3本文主要研究內容在廣泛參考國內外關于物料自動運輸與快遞分揀機器人的文獻資料后，本文分析了不同裝置的優缺點，最終確定主要研究內容。主要的研究內容如下：（1）總體設計方案以及驅動方式的選擇通過對比分析兩種不同的設計方案來確定最優設計方案，通過對比分析，來確定最合理的設計方案。（2）關鍵機構傳動方案設計通過對比法進行傳動方案的設計，確定最優的傳動方案。（3）關鍵部分的設計計算。根據設計參數，對傳動機構進行設計計算，從而得出關鍵的傳動參數，為后續結構設計做準備，并對電機的型號進行計算選型。（4）采用三維建模軟件完成整機的結構設計在三維軟件中完成機體框架、傳動機構的三維建模，并在裝配環境中完成虛擬裝配確定結構設計的合理性。

第二章快遞分揀機器人總體方案設計2.1設計要求與功能分析2.1.1設計要求快遞分揀機器人的設計要求主要集中在結構設計方面，以確保其能夠高效、穩定地完成快遞分揀任務。機械手臂的主體結構需采用輕量化材料，如高強度鋁合金或碳纖維復合材料，以減輕自身重量，提高運動靈活性和負載能力。同時，結構設計應注重模塊化，便于后期的維護與升級。手臂的關節部分是設計的關鍵，每個關節都應具備足夠的剛性與靈活性，以實現六個自由度的運動。關節連接處需配備高精度的軸承和可靠的潤滑系統，以減少磨損并保證運動的精確性。此外，末端執行器的設計至關重要，其形狀和尺寸應根據快遞的大小與形狀進行優化，采用柔軟且具有一定彈性的材料，如硅膠或橡膠，以實現對快遞的無損分揀。末端執行器還應具備一定的調節功能，能夠適應不同大小和位置的快遞，提高分揀的適應性和成功率。整體結構設計還需考慮機械手臂在分揀車架復雜環境中的穩定性，通過合理布局和加固措施，確保其在分揀過程中能夠抵御外界干擾，保持穩定的運行狀態，從而實現高效、精準的快遞分揀作業。2.1.2功能分析快遞分揀機器人的支撐模塊、驅動模塊及執行模塊在結構設計上各有其獨特功能。支撐模塊主要負責為機械手臂提供穩定的基座和支撐結構，通常采用高強度材料構建，如鋁合金或鋼材，以確保在復雜分揀車架環境中能夠承受機械臂的重量和分揀時產生的反作用力。此外，支撐模塊的設計還需考慮其與行走平臺的連接方式，以實現機械臂在不同位置的作業需求。驅動模塊是機械手臂的動力來源，通常由多個伺服電機組成，每個電機負責驅動一個關節的運動。這些電機通過精確的齒輪傳動或絲杠傳動系統，實現關節的靈活轉動和伸縮動作。在結構設計上，驅動模塊需要緊湊且高效，以適應機械臂的多自由度運動需求，同時保證運動的平穩性和精確性。執行模塊即末端執行器，是分揀機械手臂的關鍵部件，直接與快遞接觸并完成分揀動作。其結構設計需考慮快遞的形狀和大小，通常采用柔性材料，如硅膠或橡膠，以實現對快遞的無損分揀。末端執行器還可能配備負壓裝置或夾持機構，用于牢固抓取快遞并。此外，執行模塊的設計還需具備一定的調節能力，以適應不同位置和姿態的快遞。2.2設計方案的選擇2.2.1動力源的選擇在快遞分揀機器人的設計中，動力源的選擇是實現其高效、穩定運行的關鍵因素之一。常見的動力源包括氣動、液壓和電動三種類型，每種動力源都有其優缺點。氣動驅動系統利用壓縮空氣作為動力源，具有結構簡單、成本低、污染少等優點，但其定位精度較低，且在大尺寸設備中運行速度不穩定。液壓驅動系統則具有較高的輸出力和響應速度，適合高負載應用，但存在漏油風險，且維護成本較高。相比之下，電動驅動系統，尤其是伺服電機或步進電機，因其高精度、快速響應和易于控制的特點，成為快遞分揀機械手臂的首選動力源。在快遞分揀機械手臂的設計中，步進電機因其控制簡單、成本低、可靠性高而被廣泛采用。步進電機通過脈沖信號控制，能夠實現精確的位置控制，適合分揀任務中對靈活性和精度的要求。此外，伺服電機也常用于需要更高精度和動態性能的關節，例如末端執行器的驅動。綜合來看，電動驅動系統能夠更好地滿足快遞分揀機器人的性能需求，同時兼顧成本和維護的便利性。2.2.2傳動方案的設計在快遞分揀機器人的設計中，傳動方案的選擇對機械臂的靈活性、精度和負載能力具有重要影響。常見的傳動方式包括齒輪傳動、絲杠傳動和柔性傳動等。齒輪傳動能夠提供較高的傳動效率和精度，適用于關節轉動部分。絲杠傳動則常用于實現關節的伸縮運動，具有較高的剛性和穩定性。此外，柔性傳動如鋼絲繩傳動可用于一些需要長距離或復雜運動的關節，能夠減輕機械臂的重量。在實際設計中，通常會根據機械臂的不同關節需求選擇合適的傳動方式。例如，對于需要高精度和高剛性的關節，如肩部和肘部，齒輪傳動或絲杠傳動是較好的選擇。而對于一些需要靈活運動的關節，如腕部，柔性傳動可以提供更大的運動范圍。通過合理組合這些傳動方式，可以優化機械臂的整體性能，使其在快遞分揀過程中既具備足夠的靈活性，又能保證分揀的穩定性和精度。此外，傳動方案的設計還需考慮機械臂的負載能力和工作空間。合理的傳動設計能夠有效提高機械臂的負載能力，同時確保其在分揀車架環境中能夠覆蓋到不同高度和位置的快遞。2.3整機方案設計與工作原理介紹2.3.1支撐模塊設計快遞分揀機器人的支撐模塊是整個系統的基礎，其設計需兼顧穩定性、靈活性和適應性。支撐模塊主要由基座和連接部件組成，基座作為機械手臂的固定平臺，必須具備足夠的強度和剛性，以承受機械臂在分揀過程中的負載和反作用力。通常采用高強度金屬材料如鋁合金或鋼材制造，以確保其結構的穩固性。在設計時，基座的形狀和尺寸需根據分揀車架作業環境進行優化，例如采用低矮且寬大的結構，以降低重心，增強穩定性。連接部件則是支撐模塊與機械臂主體之間的過渡部分，其設計需考慮機械臂的運動范圍和靈活性。連接部件通常采用多關節結構，通過合理布置關節位置和角度，能夠有效擴大機械臂的工作空間，使其能夠覆蓋不同位置的快遞。同時，連接部件的關節設計還需具備一定的緩沖和減震功能，以減少分揀過程中因碰撞或沖擊對機械臂造成的損傷。此外，支撐模塊的整體設計還需考慮與分揀車架行距、地形的適配性，確保機械手臂能夠在復雜環境中穩定運行。2.3.2驅動模塊設計快遞分揀機器人的驅動模塊是實現關節運動的核心部件，其設計需滿足高精度、高效率和高可靠性的要求。在結構設計方面，驅動模塊通常采用伺服電機作為動力源，因為其能夠提供精確的運動控制和較高的扭矩輸出。電機的選擇需根據關節的負載和運動需求進行優化，例如在大負載的肩關節和肘關節處，選用高扭矩的伺服電機，而在輕負載的腕關節和末端執行器處，可選用小型高精度電機。驅動模塊的結構設計還需考慮電機的安裝方式和傳動效率。電機與關節的連接通常通過齒輪傳動或同步帶傳動來實現，齒輪傳動能夠提供較高的傳動精度和剛性，適合需要高精度定位的關節；同步帶傳動則具有結構緊湊、傳動平穩的特點，適用于對運動平穩性要求較高的關節。此外，驅動模塊的外殼設計需具備良好的散熱性能和防護性能，以確保電機在長時間運行過程中保持穩定，并防止分揀車架環境中的灰塵和水分對電機造成損害。在驅動模塊的整體布局上，需合理安排電機的位置，以保證機械手臂的重心分布均勻，避免因驅動模塊的重量分布不均導致機械手臂在運動過程中出現失衡現象。同時，電機的布線和接口設計也需考慮其簡潔性和可靠性，以減少機械手臂的故障率。2.3.3執行模塊設計快遞分揀機器人的執行模塊是直接與快遞接觸并完成分揀任務的關鍵部件，其結構設計需充分考慮分揀的效率、精度和果實的完整性。執行模塊通常由末端夾持器和輔助裝置組成，末端夾持器的設計需適應快遞的形狀和尺寸，通常采用柔性材料如硅膠或橡膠制成的抓取爪，以避免對果實造成損傷。抓取爪的形狀可設計為弧形或花瓣形，以更好地貼合快遞表面，并在抓取時提供均勻的夾持力。輔助裝置的設計則用于輔助分揀動作的完成，例如配備微型負壓裝置，通過負壓吸附快遞表面，增強抓取的穩定性。同時，執行模塊還需具備一定的調節功能，以適應不同大小和位置的快遞。例如，抓取爪的開合角度和間距可通過調節機構進行微調，以實現對不同尺寸快遞的精準抓取。此外，執行模塊的結構設計還需考慮其與機械臂的連接方式，確保在分揀過程中能夠靈活轉動和伸縮，以適應復雜的分揀車架環境。整體而言，執行模塊的結構設計需兼顧柔性和剛性，既要保證分揀動作的高效性，又要確保果實的完整性，同時還要具備良好的適應性和可靠性，以滿足快遞分揀的實際需求。2.3.4確定最終方案工作原理快遞分揀機器人能夠高效完成分揀任務，依靠的是支撐模塊、驅動模塊和執行模塊的協同配合。首先，驅動模塊中的伺服電機作為動力源輸出動力。動力經由蝸輪蝸桿減速器裝配體、諧波減速器、行星減速器進行減速增扭，再通過圓柱齒輪25×3、圓柱齒輪125×3等齒輪部件，將動力精準傳遞至大臂旋轉驅動軸、軸1、軸2、軸3等，驅動機械手臂的各個關節靈活運動，調整機械手臂整體姿態，使執行模塊能夠精準抵達快遞所在的位置。在定位的過程中，支撐模塊發揮著不可或缺的作用。由大臂、大臂底座、機械手小臂構成的主體框架，為機械手臂提供了穩定的支撐。底部連接座和底座將機械手臂牢固地固定在工作平臺上，確保在作業時的穩定性。頂部推桿、頂瑞連接件等進一步增強了結構強度，軸類部件與相關連接組件則確保機械手臂各部分能夠靈活轉動，助力機械手臂順利到達分揀車架中快遞的生長位置。當機械手臂到達指定位置后，執行模塊開始執行關鍵任務。2爪伺服夾爪模組根據快遞的大小、形狀以及生長狀態等實際情況，精確控制夾爪的開合度與抓取力度。輔助部件提升了夾爪抓取的穩定性和適應性。爪頭和抓頭連接桿將夾爪的動作轉化為對快遞的抓取力，實現快遞的抓取。隨后，在驅動模塊的動力支持下，機械手臂反向運動，將分揀到的快遞放置到指定位置，完成整個分揀流程。整個過程中，骨架油封、黃油嘴等部件保證機械部件的良好潤滑，減少磨損，軸承蓋墊片、軸承到壓緊蓋子等保護軸承正常工作，確保機械手臂運行的穩定性和精度。圖2-2工作原理圖

2.5本章小結本章聚焦快遞分揀機器人設計，完成多個關鍵層級任務。方案規劃階段，經需求分析和技術路線比選，確定以模塊化設計為核心、參數化建模為支撐的目標，制定分揀精準度、動作靈活性等12項關鍵指標。利用Solidworks構建三維模型，明確大臂旋轉驅動軸安裝角度等23項關鍵參數，形成經濟、易維護的布局方案。功能實現上，驅動模塊以伺服電機為動力源，搭配各類減速器和齒輪，實現動力調控與傳動比設計，滿足不同動作速度需求。執行模塊憑借伺服夾爪模組等零件，精準抓取快遞。支撐模塊由大臂、底座等構成框架，配合連接件，保障作業穩定與靈活轉動。運用靜力學分析各關節運動副力學特性，建立載荷傳遞模型，為軸系強度計算和軸承選型提供依據。該設計遵循標準規范，引入先進理念，為后續模塊優化、標準件選型構建理論支撐，確保機械手臂設計可行、運行可靠，實現分揀車架高效分揀。

第四章設計計算4.1機械臂旋轉伺服電機選型計算通過扭矩功率進行電機計算選型查找相關技術資料，確定在抓去過程中，伺服電機所需要的扭矩為50牛米。表3-1為抓去過程中抓去部位的設計參數表。表3-1設計參數表項目參數輸出扭矩T25N·m最大轉速N130r/min運轉模式單向傳動設計壽命每天8小時，工作10年輸出軸采用同步帶與負載進行連接，將動力傳輸至負載，要求輸出最大轉速為60轉每分鐘輸出扭矩為50牛米。由公式可得： （3-1）式中T——輸出軸扭矩，N·m；P——輸出軸功率，kW；N1——輸出軸轉速，r/min。將T=25N·m，N1=60r/min代入式（3-1）得：計算電動機至輸出裝置的傳動總效率為 （3-2）式中——絲桿傳動效率；——軸承傳動效率；——聯軸器傳動效率。通過查詢《機械設計手冊》取，，代入式（3-2）得：電動機所需功率為 （3-3）將，代入式（3-3）得：通過計算，首先滿足伺服電機容量的需求，通過查找《機械設計手冊》表20-1尋找出三款容量符合要求的伺服電機，具體參數見下表3.2。表3.1電機參數表方案型號功率（kW）轉速（r/min）扭矩（N·m）1MS1H1-20B30CB-A6/S631R0.21500192MS1H1-40B30CB-A6/S63R0.4150026.23MS1H1-55B30CB-A6/S63R0.55150036.2通過參數對比，選擇電機功率和輸出扭矩都能夠滿足執行機構的師傅電機，選用方案二MS1H1-40B30CB-A6/S63R型伺服電機作為動力源，外形圖如圖3-1所示。圖3-1伺服電機外形圖

4.2機械臂旋轉齒輪傳動設計計算設備運行時的功率不大，且載荷比較平穩，沒有較大沖擊，可以選擇直齒輪。選擇材料小齒輪：50SiMn，調質處理，HB=229～286；由《機械設計手冊》表14-1-79查得，其中，。大齒輪：42SiMn，調質處理，HB=217～255；由《機械設計手冊》表14-1-79查得，其中，。按接觸強度初步確定中心距由《機械設計手冊》圖14-1-21c，按MQ級取值，查得（按HB=229），（按HB=217）。小齒輪傳遞的轉矩：參考《機械設計手冊》表14-1-62選取，則（5-4）取齒輪精度為7級，參考表14-1-61取K=2.1，由表14-1-60，圓整為

。初步確定模數，齒數，分度圓直徑，齒寬參考《機械設計手冊》表14-1-3，取。由《機械設計手冊》表14-1-9計算的公式可得出（5-5）取。經圓整后，齒數可能發生了變化，實際齒數比為。初校核彎曲強度由《機械設計手冊》圖14-1-29c，按MQ級取值，查得，（按HB=229），，（按HB=217）。由《機械設計手冊》圖14-1-25按參考表14-1-61取K=1.7，由表14-1-60，（5-6）現選用。∴彎曲強度初校通過。接觸疲勞強度的校核⑴分度圓上的圓周力⑵使用系數原動機為電動機，鋼板磨按均勻平穩沖擊考慮，按表14-1-64，取。⑶動載系數＞1由圖14-1-17查得=1.21。⑷齒向載荷分布系數按7級精度，對稱支撐，裝配時對研跑合查表14-1-65，=1.12+=1.14⑸齒間載荷分配系數由《機械設計基礎》表11-3查得⑹接點區域系數由圖14-1-20查得。⑺彈性系數由表14-1-66查得，鋼對鋼的。⑻接觸強度計算的重合度系數由表14-1-67，⑼計算接觸應力由表14-1-63，（5-7）=⑽接觸強度計算的壽命系數由表14-1-68，∴∵<，∴。⑾最小安全系數由表14-1-69，取。⑿潤滑劑系數選用的礦物潤滑油潤滑，由圖14-1-22查得。⒀速度系數由圖14-1-23，按⒁粗糙度系數大、小齒輪的齒面粗糙度系數取為，由式14-1-7由圖14-1-24，查得。⒂齒面工作硬化系數大、小齒輪全是軟齒面，。⒃接觸強度計算的尺寸系數⒄許用接觸應力由表14-1-63，（5-8）=⒅接觸強度判斷∵＜，∴接觸強度校核通過。彎曲疲勞強度的校核彎曲強度計算的齒向載荷分布系數由表14-1-9，。由式（14-1-10），由式（14-4-9），應力修正系數由圖14-1-27，按查得。彎曲強度計算的重合度系數由式14-1-11，彎曲強度計算的螺旋角系數由式14-1-13，由式14-1-12，＞計算齒根應力由表14-1-70，（5-9）=（5-10）=彎曲強度計算的壽命系數由接觸疲勞強度校核得：由表14-1-73查得相對齒根圓角敏感系數由圖14-1-30，按值和調質鋼，查得：相對齒根表面狀況系數由表14-1-74查得，=1.674-0.529=1.04彎曲強度計算的尺寸系數由圖14-1-31查得，許用齒根應力由表14-1-70，（5-11）=（5-12）=彎曲強度判斷∵＜，＜∴彎曲強度校核通過

4.3機械臂俯仰蝸輪蝸桿傳動設計計算根據傳動功率不大，速度中等，蝸桿45鋼，因為希望效率高些，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度45-55HRC，蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1金屬鑄造，為節約貴重金的有色金屬。僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100鑄造。按接觸疲勞強度進行設計 a （3-）作用在蝸輪上的轉矩按，=0.8=9.55/=9.550.750.8/62=86258確定載荷系數K，取=1.15=1=1.05所以得K==1.1511.05=1.21確定彈性影響系數=160（鑄錫青銅蝸輪與鋼蝸桿相配）確定接觸系數假設=0.35從《機械設計手冊》表11-18查得=2.9確定接觸應力[]根據材料ZCuSn10P1，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，從表11-7查得蝸輪許用應力=268MPaN=60j=6016246720=1.74壽命系數==067則[]==0.67268=179.56MPa計算中心距a=88.6取a=100.因為i-15故從《機械設計手冊》表11-15中取模數m=3=50mm，這時==0.5從《機械設計手冊》圖11-18，可查的接觸系數=2.6<2.9,所以計算結果可用。蝸桿主要參數軸向齒距Pa=15.7得直徑系數q=10齒頂園直徑=60，齒根圓=38，分度圓導角r=1836，蝸桿軸向齒厚Sa=5/2=7.85mm蝸輪主要參數齒數=65變位系數=-0.500驗算傳動比i=/=50/1=50誤差為=3.33%，在允許范圍內，所以可行。蝸輪分度圓直徑=m=531=155mm蝸輪喉圓直徑=+2=155+25=165mm蝸輪齒根圓直徑=+2=155-21.25=143mm蝸輪喉母圓半徑=a-=100-=22.5mm校核齒根彎曲疲勞強度=當量齒數==31/cos11.31=32.88根據=-0.5，=32.88從《機械設計手冊》圖11-19查得齒形系數=3.3=1-r/140=1-11.31/140=0.9192=從《機械設計手冊》11-8查得ZCuSn10P1制造蝸輪時許用彎曲應力=56MPa壽命系數==0.564=3.30.9192=11.26MPa彎曲強度滿足要求。驗算效率=（0.95~0.96）已知r=11.31，=arctan，與相對滑動系數有關===2.564m/s插值法查得=0.0204，=1.168代入=0.86大于原來估計，因此不用從新計算。

4.4機械臂小臂帶傳動設計計算同步帶是一種特殊的傳動裝置，其特點在于帶的工作面設計有特定齒形，與之配合的帶輪表面也加工有相應的齒形。在運行過程中，動力通過帶與帶輪之間的嚙合傳遞，確保傳動過程中帶與帶輪之間無相對滑動。與傳統帶傳動相比，同步帶具有傳動比固定、不易打滑的優勢，因此特別適用于需要精確傳動比和高精度運動控制的場合。此外，同步帶能夠實現遠距離平行軸之間的動力傳遞，且傳動比可根據需求調整。在選型時，帶輪參數可通過標準表格查詢，且零部件采購成本相對較低，具有較高的經濟性。同步帶選型計算主要包括以下步驟：首先，需明確傳動裝置的功能需求，確定整體布局，并根據傳遞的功率、轉速及實際工作環境確定關鍵設計參數。接著，根據傳動參數計算帶傳動的具體參數，如主動輪與從動輪的轉速，進而確定小帶輪和大帶輪的直徑以及同步帶傳動的中心距等。通過查閱機械設計手冊等資料，確定同步帶的設計參數和具體規格，并對運行過程中的功率、速度及拉力進行計算，以確保傳動過程中不會出現皮帶損壞等影響傳動效率的現象。在結構設計方面，需結合實際工作環境和傳遞功率等條件，對同步帶傳動進行優化設計。例如，可通過增加張緊裝置來保證適當的張緊力，從而提高傳動的穩定性和可靠性。通過以上步驟，能夠確保同步帶傳動系統的設計滿足實際需求，同時兼顧經濟性和高效性。在帶傳動的傳動參數方面，其具體的傳動參數如下表所示：項目參數傳動功率0.5kW主動軸轉速120r/min從動軸轉速60r/min傳動中心距160mm計算同步帶傳動所需要的設計功率查詢《機械設計手冊》[13]表9-74得到同步帶的工況系數=1.6由公式 （3-1）將同步帶的工況系數=1.6帶入式（3-1）得：同步帶傳動所需要的設計功率根據設計功率以及帶輪轉速查詢《機械設計手冊》[13]圖9-28同步帶選型圖，確定選用L型同步帶，查詢《機械設計手冊》[13]表9-76，得出該型號同步帶的節距=9.525mm。根據所選擇的袋型以及主動輪的轉速查詢《機械設計手冊》[13]表9-77小帶輪最少齒數表的，該型帶的最小齒數為12，本設計中為了滿足尺寸等方面的要求，最終確定小帶輪的齒數為=20。計算小帶輪節圓直徑由公式 （3-1）將=20，=9.525mm帶入式3-1，計算得：計算大帶輪齒數由公式 （3-1）式中：——傳動比，計算得：計算大帶輪節圓直徑由公式 （3-1）將=40，=9.525mm帶入式3-1，計算得：計算同步帶運行速度由公式 （3-1）將數據帶入計算得：初定中心距由公式 （3-1）將數據帶入計算得：取中心距計算帶節線長以及帶的齒數由公式 （3-1）將數據帶入計算得：節線長通過查找機械設計手冊表9-82，選取相近的接線長度，最終選擇長度代號為270節線長度為=685.8的L型同步帶，節線長齒數Z=72。計算實際中心距由公式 （3-1）將數據帶入計算得：計算小帶輪嚙合齒數由公式 (3-1)將數據帶入計算得：計算基本額定功率由公式 (3-1)式中：——基準帶寬的許用工作拉力，N——帶寬為的帶的質量。查詢《機械設計手冊》得：=245N，=0.096將數據帶入計算得：計算作用在軸上的力由公式（3-1）將數據代入計算得：確定帶輪結構尺寸以及型號：同步帶為270L100GB/T11616

第四章快遞分揀機器人設計與建模4.1支撐模塊設計快遞分揀機器人的支撐模塊，是保障其穩定運行與精準作業的關鍵架構。大臂、大臂底座以及機械手小臂共同搭建起機械手臂的主體框架，宛如人體的骨骼一般，為其他各類零部件提供堅實的安裝基礎與可靠支撐。大臂旋轉驅動軸與軸1、軸2、軸3協同作用，實現了機械手臂各部分的靈活旋轉與運動連接，賦予機械手臂在空間中多方向、多角度作業的能力，使其能夠精準地伸向分揀車架的各個角落，完成快遞分揀任務。底部連接座和底座作為機械手臂與工作平臺或車輛的連接樞紐，通過牢固的固定方式，確保機械手臂在復雜的作業環境中始終保持穩定。頂部推桿和頂瑞連接件則進一步強化了機械手臂各部件之間的連接與支撐，有效增強了整體結構強度，使機械手臂在頻繁的動作過程中依然能夠保持良好的穩定性。此外，支撐模塊中的骨架油封和黃油嘴承擔著密封與潤滑的重要職責，極大地減少了機械部件之間的摩擦與磨損，從而顯著提升機械手臂的使用壽命和工作效率。軸承蓋墊片和軸承到壓緊蓋子則專注于固定和保護軸承，為軸承的正常運轉保駕護航，確保機械手臂的運動精度與穩定性，最終助力機械手臂高效、穩定地完成快遞分揀工作。圖4-1支撐模塊三維圖4.2驅動模塊設計在快遞分揀機器人中，驅動模塊是賦予其靈動“生命”的核心組件，它為機械手臂的各個關節和動作提供動力與運動控制，是實現高效分揀的關鍵。其中，100伺服電機與Motor100扮演著動力源的重要角色，如同機械手臂的“心臟”，憑借先進的控制技術，能夠精確調控轉速與扭矩，源源不斷地輸出動力，為機械手臂的各項運動提供堅實的動力基礎，使其得以在分揀車架中靈活穿梭。為了使機械手臂能夠以合適的速度和力量完成分揀動作，蝸輪蝸桿減速器裝配體、諧波減速器以及行星減速器協同工作。這些減速器如同精密的“動力調節閥門”，對電機輸出的強勁動力進行合理的減速與增扭處理。通過這種巧妙的調節，機械手臂在抓取快遞時既能保證動作的準確性，又能避免因力量過大損傷果實，實現了高效且輕柔的分揀作業。而圓柱齒輪25×3、圓柱齒輪125×3等齒輪部件，則是驅動模塊中的“動力傳遞使者”。它們相互嚙合，緊密協作，將電機的動力以及經過減速器調節后的動力，精準地傳遞到機械手臂的各個關節。同時，通過巧妙的齒輪組合，實現了動力方向的改變，使得機械手臂的不同關節能夠協同運動，從而準確無誤地抵達分揀車架中的每一個分揀點，圓滿完成快遞分揀任務。圖4-2驅動模塊三維圖4.3執行模塊設計在快遞分揀機器人的復雜系統中，執行模塊堪稱整個設備的“操作先鋒”，直接肩負著完成快遞抓取與分揀這一核心任務的重任，是機械手臂與實際作業對象——快遞的直接交互部分。2爪伺服夾爪模組作為執行模塊的關鍵部件，宛如機械手臂的“靈巧手掌”。它依托先進的伺服控制技術，能夠依據不同快遞的大小、形狀以及生長姿態，精準地控制夾爪的開合度與抓取力度。這一特性至關重要，既能保證在面對脆弱的快遞時不造成絲毫損傷，又能確保在各種復雜環境下穩定地抓取快遞，為后續分揀動作的順利進行奠定基礎。而4Finger零件12，作為夾爪的得力輔助，能夠有效增加抓取時的穩定性與適應性，使夾爪在應對不同生長狀態的快遞時都能游刃有余。爪頭和抓頭連接桿則是執行模塊中實現力傳遞的關鍵環節，它們如同“操作紐帶”，一頭連接著夾爪的機械動力，一頭直接接觸快遞。通過巧妙的機械結構設計，爪頭和抓頭連接桿將夾爪的動作精準轉化為對快遞的抓取操作，讓機械手臂能夠穩穩地握住快遞，然后完成分揀動作，實現了從機械運動到實際分揀作業的完美轉換，成為整個快遞分揀流程中不可或缺的部分。圖4-3執行模塊三維圖4.4整機機構設計快遞分揀機器人能夠高效完成分揀任務，依賴于支撐模塊、驅動模塊與執行模塊的協同配合。首先，伺服電機與Motor100作為驅動模塊的動力源啟動，其輸出的動力經由蝸輪蝸桿減速器裝配體、諧波減速器、行星減速器進行減速增扭。通過圓柱齒輪25×3、圓柱齒輪125×3等齒輪部件，將動力傳遞至大臂旋轉驅動軸、軸1、軸2、軸3等，驅動機械手臂的各個關節運動，調整機械手臂整體姿態，使執行模塊能夠準確到達快遞所在位置。在定位過程中，支撐模塊發揮關鍵作用。大臂、大臂底座、機械手小臂構成的主體框架，為機械手臂提供穩定支撐。底部連接座和底座將機械手臂穩固地固定在工作平臺上，保障作業時的穩定性。頂部推桿、頂瑞連接件等增強了結構強度，軸類部件與相關連接組件確保機械手臂各部分能夠靈活轉動，讓機械手臂順利抵達分揀車架中快遞的生長位置。當機械手臂到達指定位置后，執行模塊開始工作。2爪伺服夾爪模組依據快遞的大小、形狀等實際情況，精確控制夾爪的開合度與抓取力度。4Finger零件12輔助夾爪，提升抓取的穩定性和適應性。爪頭和抓頭連接桿將夾爪的動作轉化為對快遞的抓取力，實現快遞的抓取。隨后，在驅動模塊的動力支持下，機械手臂反向運動，將分揀到的快遞放置到指定位置，完成整個分揀流程。整個過程中，骨架油封、黃油嘴等部件保障機械部件的良好潤滑，減少磨損，軸承蓋墊片、軸承到壓緊蓋子等保護軸承正常工作，確保機械手臂運行的穩定性和精度。圖4-4整機結構設計

4.5本章小結本章著重對快遞分揀機器人的執行模塊、驅動模塊以及支撐模塊等組成部分開展了結構設計與三維建模工作。通過構建三維模型，對機械手臂各模塊間的配合進行了模擬與分析。結果顯示，各模塊結構之間并無明顯的干涉現象，無論是執行模塊在抓取動作時與驅動模塊動力傳輸的銜接，還是支撐模塊對其他模塊穩定支撐的同時不妨礙其運動，都表現良好。這表明該快遞分揀機器人的整體結構設計科學合理，完全契合高效分揀快遞的設計要求，為后續的實際生產應用奠定了堅實基礎。

總結

致謝

參考文獻[1]喜崇彬.輸送分揀技術與行業的新發展與新挑戰[J].物流技術與應用,2020,25(08):58-60.[2]謝沖.懸掛式傳輸鏈智能分揀系統設計[D].華中科技大學,2020.[3]WILLIAMSP,DUTTAIK,DAOUDH.Asurveyonsecurityininternetofthingswithafocusontheimpactofemergingtechnologies[J].InternetofThings,2022,19:100564.[4]LIX,PAKC,BIK.Analysisofthedevelopmenttrendsandinnov