【正文】 快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 通過 研究 國(guó)內(nèi)外 輪胎硫化機(jī)用搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展 現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手 的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī) 器人 的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 ，繼 而 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的硫化機(jī)上配置的搬運(yùn)機(jī)械手存在不合理的地方。 機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。在此基礎(chǔ)上，確定了四自由度輪胎搬運(yùn)搬運(yùn)機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)輪胎搬運(yùn)搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的強(qiáng)度計(jì)算，完成了輪胎搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和簡(jiǎn)單的三維實(shí)體造型工作。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 輪胎搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì) 摘 要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。與我一同工作的同志對(duì)本研究 所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng) 用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平。 設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)， 減輕 產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又節(jié)約了成本，提高了工作效率。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在輪胎硫化機(jī)硫化一次輪胎的總 工作時(shí)間中絕大部分時(shí)間是在進(jìn)行硫化這個(gè)流程，而 輪胎搬運(yùn) 機(jī)械手的工作時(shí)間極短，這就導(dǎo)致了 輪胎 硫化機(jī)大部分的工作時(shí)間中機(jī)械手都是閑置狀態(tài)，本文的主要工作就是設(shè)計(jì)一款輪胎搬運(yùn)機(jī)械手，將之從單個(gè)的硫化機(jī)中分離出來，在一臺(tái)硫化機(jī)進(jìn)入硫化流程是機(jī)械手可以通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)到下臺(tái)硫化機(jī)的工作位置，為其放置輪胎，安置完成后可以依次為其他的硫化機(jī)安置輪胎，這樣就可以達(dá)到充分提高搬運(yùn)機(jī)械手的工作效率，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人為多臺(tái)硫化機(jī)服務(wù)，還可以簡(jiǎn)化硫化機(jī)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到降低成本的目的。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù) 操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手 ??1 。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)月球等。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的， 因此是專用的 ??2 。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成 ??3 ，如圖 11 所示。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約??4 。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。 據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5％。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。 3） 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。 搬運(yùn)機(jī)器人 的應(yīng)用意義 在機(jī)械工業(yè)中， 搬運(yùn)機(jī)器人 的應(yīng)用意義可以概括如下： 1） 可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械 手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的 裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 3） 可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械 人 代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促 進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。 50～ 60 年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型 機(jī)械手。 8090 年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。計(jì)算機(jī)集成制造要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元 ??9 。為此，國(guó)外機(jī)械手的發(fā) 展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做 出 相應(yīng)的變更。 觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。到 1995 年，全世界約有 50%的汽車由機(jī)械手裝配。 在本次 輪胎搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中，用到了 AUTOCAD、 SOLIDWORKS 等繪圖軟件，因?yàn)槭亲鳛橐话愕墓こ淘O(shè)計(jì)，這些軟件已經(jīng)足夠滿足要求了，并且SW2020 功能也很強(qiáng)大，它主要有如下一些功能 [3]： 1．參數(shù)化設(shè)計(jì) 相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無(wú)論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。 本課題將要完成的主要工作如下 : 1） 選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度； 2） 確定四自由度搬運(yùn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型； 3） 確定四自由度搬運(yùn)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； 4） 設(shè)計(jì)出機(jī)械人的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)； 5） 零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與校核； 6)繪制機(jī)器人的各零部件圖，并完成搬運(yùn)機(jī)器人裝配圖，最后運(yùn)用三維軟件畫出實(shí)體圖； 2 輪胎搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 搬運(yùn)機(jī)器人要解決的問題 簡(jiǎn)而言之輪胎搬運(yùn)機(jī)器人要解決的問題就是用機(jī)械手從 搬運(yùn)機(jī)器人一側(cè) 的傳送帶上抓取輪胎，然后工作臺(tái)完成繞 Z 軸 180176。 輪 胎搬運(yùn)機(jī)器人各方向傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)輪胎搬運(yùn)機(jī)器人，本章主要對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的的運(yùn)動(dòng)形式部分進(jìn)行分析。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作 業(yè)。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。 圖 21四種機(jī)器人坐標(biāo) 形式 Figure 21 four kinds of robot coordinate form 機(jī)器人各方向傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 水平和豎直方向直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) 能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動(dòng)的傳動(dòng)形式有； 液壓傳動(dòng) 特點(diǎn)：液壓傳動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)， 換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向 ； 在同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 其主要原因是氣壓系統(tǒng)工作壓力低（ ~），不易獲得較大的輸出力或轉(zhuǎn)矩。 通過以上，綜合考慮，為了使機(jī)械手在負(fù)載方面有更大的承載能力， x 軸 y軸 z 軸方向均采用液壓傳動(dòng)， x 方向選用液壓馬達(dá)， y、 z 方向選用液壓缸。 （ 2） 齒輪傳動(dòng) 特點(diǎn)：功率和速度范圍大，通用性強(qiáng)，工作可靠，效率高，對(duì)中心距誤差的敏感性小，易于制造和精確加工，可進(jìn)行變?yōu)榍邢骱托扌小? （ 5） 鏈傳動(dòng) 特點(diǎn)： 鏈傳動(dòng)由于多邊形效應(yīng)，瞬時(shí)傳動(dòng)比不斷變化，產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)，而使轉(zhuǎn)速不均勻，故不宜用于高速級(jí)，應(yīng)布置在低速級(jí)。 X 軸方向：此方向?yàn)閷?dǎo)軌方向，在此方向上行走裝置要實(shí)現(xiàn)相鄰硫化搬運(yùn)機(jī)器人工作位置之間的移動(dòng)，故此方向行走裝置承受的載荷很大，所以選擇液壓傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪搭配減速器與液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn) X 軸方向上的移動(dòng)。的回轉(zhuǎn)，故此方向選擇液壓馬達(dá)與行星減速器配合。 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 搬運(yùn)機(jī)器人由行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、抓取工作裝置、液壓裝置四部分組成。 7機(jī)械臂動(dòng)臂和 10伸縮臂在9伸縮臂液壓缸的作用下可以改變機(jī)械臂伸出部分的長(zhǎng)度。 11機(jī)械爪與 10伸縮 臂通過軸連接，工作狀態(tài)中通過機(jī)械爪與輪胎的自重使自身保持豎直。 回轉(zhuǎn)裝置：回轉(zhuǎn)裝置由 20回轉(zhuǎn)支承裝置和 8回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置組成。 14車架總成為整體焊接件 。 1液壓馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過 2減速器降低轉(zhuǎn)速將動(dòng)力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪上，最終將液壓能轉(zhuǎn)換為輪胎搬運(yùn)機(jī)器人沿軌道 X 軸方向的移動(dòng)。 圖 33 液壓馬達(dá)三維立體圖 Figure 33 hydraulic motor threedimensional map 液壓馬達(dá)工作原理 （ 1）葉片式液壓馬達(dá)由于壓力有作用，受力不平衡使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 葉片式液壓馬達(dá)體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)作靈敏、可適用于換向頻率較高的場(chǎng)合；但泄漏量較大、低速工作時(shí)不穩(wěn)定。力可分解為和兩個(gè)分力。軸向柱塞馬達(dá)的工作原理 為，配油盤和斜盤固定不動(dòng)，馬達(dá)軸與缸體相連接一起旋轉(zhuǎn)。若改變馬達(dá)壓力油輸入方向，則馬達(dá)軸按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 類液壓馬達(dá)的適用工況與應(yīng)用范圍 圖 34類液壓馬達(dá)的適用工況與應(yīng)用范圍 Figure 34 class hydraulic motor and application of the applicable range of operating conditions 液壓馬達(dá)的選?。? 粗略估計(jì)本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人總重在一噸左右，行走系統(tǒng)單次運(yùn)動(dòng)的距離不超過 2M，在行走距離精度上有較高要求，行走速度 較低，結(jié)合工作環(huán)境、成本、總效率等綜合考慮選擇雙作用葉片式液壓馬達(dá)。相對(duì)其他 減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性、高精度 (單級(jí)可做到 1 分以內(nèi) )、高傳動(dòng)效率 (單級(jí)在 97%98%)、高的扭矩 /體積比、終 身免維護(hù)等特點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的殼體固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，用小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)座圈上的齒圈相嚙合 .小齒輪可繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，又可繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心線公轉(zhuǎn)，當(dāng)回傳機(jī)構(gòu)工作時(shí)就像對(duì)底架進(jìn)行回轉(zhuǎn)。 圖 36回轉(zhuǎn)支承裝置 Figure 36 slewing device 1．轉(zhuǎn)柱式回轉(zhuǎn)支承 擺動(dòng)式液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)柱式支承如圖 37 所示。軸承座用螺栓固定在機(jī)架 5 上。工作裝置鉸接在回轉(zhuǎn)體上，與回轉(zhuǎn)體一起回轉(zhuǎn)。所以，這種軸承的剛度較差，工作中要靠支承連接結(jié) 構(gòu)來保證。不帶齒的座圈為回轉(zhuǎn)圈，用螺栓與轉(zhuǎn)臺(tái)連接。所以在兩座圈之間設(shè)有調(diào)整墊片 2，裝配和修理時(shí)可以調(diào)整間隙。它與傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承相比，具有尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，回轉(zhuǎn)摩擦阻力小，滾動(dòng)體與軌 道之間的間隙小，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)三化等特點(diǎn)一系列優(yōu)點(diǎn)，它與普通滾動(dòng)軸承相比，又有其特點(diǎn)：普通的滾動(dòng)軸承的內(nèi)外座圈之間的剛度依靠軸與軸承座之間的裝配來保證，而它則有轉(zhuǎn)臺(tái)和底架來保證；回轉(zhuǎn)支撐的轉(zhuǎn)速低，通常承受軸向載荷，因此軌道上的接觸點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)較少。不帶齒的座圈為回轉(zhuǎn)圈，用螺栓與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)連接。為保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活防止受熱膨脹后產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)支承應(yīng)留有一定的軸向間隙。 1）直接傳動(dòng)。它結(jié)構(gòu)緊湊，具有較大的傳動(dòng) 比，且齒輪的受力情況較好，但必須設(shè)制動(dòng)器，以便吸收較大的回轉(zhuǎn)慣性力矩。在液壓馬達(dá)與行星齒輪減速器的帶動(dòng)下小齒輪既可繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，又可繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心線公轉(zhuǎn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)就相對(duì)底架進(jìn)行回轉(zhuǎn)。 5潤(rùn)滑油杯的作用是在 3行星齒輪減速器上的小齒輪與 4回轉(zhuǎn)齒圈之間保持一定量的潤(rùn)滑油，減少輪齒之間的摩擦。當(dāng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí) 2外殼體與 7中心軸會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)， 3入油口位于工作臺(tái)上，液壓油經(jīng)過控制閥在此進(jìn)入中央回轉(zhuǎn)接頭。 所以無(wú)論上部工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)什么角度，液壓油都可以經(jīng)由中央回轉(zhuǎn)接頭到達(dá)底盤，為行走馬達(dá)供油。 4動(dòng)臂通過 6軸與 7軸承固定在工作臺(tái)上。 圖 313關(guān)節(jié)機(jī)器人 Figure313 joint robot 機(jī)械臂此種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)： 為了調(diào)節(jié)機(jī)械臂的長(zhǎng)度執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用 腕、臂、關(guān)節(jié) 的方式如圖 313，通過關(guān)節(jié)的伸直與彎曲可以改變相鄰兩臂的角度，進(jìn)而可以改變機(jī)械臂的水平長(zhǎng)度。在外圍式夾持方式中機(jī)械爪在輪胎四周，通過機(jī)械爪從外圍向中間的收縮夾緊輪胎外圈而固定好輪胎。數(shù)個(gè)滑塊組成滑塊圈，當(dāng)滑塊圈處于 處于收縮狀態(tài)時(shí)機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)至輪胎中心位置，通過 此種機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)化由 L 型滑塊 組成的滑塊圈迅速擴(kuò)張，最終 卡住輪胎的內(nèi)圈， 而 L 型結(jié)構(gòu)可以將滑塊的一