【正文】 要承擔(dān)的載荷為輪胎的重量、部分機(jī)械臂自身的重量和機(jī)械爪的重量，所以此方向上選擇液壓傳動，兩個(gè)液壓缸為機(jī)械臂豎直方向上的動力。 圖 31 搬運(yùn)機(jī)器手機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維立體圖 Figure 31 Handling robot mechanical structure of the threedimensional map 1液壓馬達(dá) 1； 2減速器； 3驅(qū)動輪架； 4機(jī)械臂配重； 5動臂液壓缸； 6中央回 轉(zhuǎn)接頭； 7機(jī)械臂動臂； 8回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置 2； 9伸縮臂液壓缸； 10伸縮臂； 11機(jī)械爪； 12軌道； 13驅(qū)動輪； 14車架； 15電機(jī)； 16聯(lián)軸器； 17液壓泵； 18液壓控制閥； 19液壓油箱； 20回轉(zhuǎn)支承裝置； 本設(shè)計(jì)整體思路： 工作臺以上部分：輪胎搬運(yùn)機(jī)械手工作裝置、動力裝置、液壓裝置等都在工作臺上。 工作臺以下部分：包括行走裝置和回轉(zhuǎn)裝置。 行走機(jī)構(gòu)由 1液壓馬達(dá)、 2減速器、 13驅(qū)動輪組成。由于液壓馬達(dá)一般都要求能正反轉(zhuǎn)，所以葉片式液壓馬達(dá)的葉片要徑向放置。缸體再通過端面連接的傳動軸向外輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。斜盤傾角越大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低。 為了配合雙作用葉片式液壓馬達(dá)，選擇傳動比 i=10 的行星齒輪減速器。一般情況下，回轉(zhuǎn)支承自身帶有安裝孔、潤滑孔和密封裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝與維護(hù)容易等特點(diǎn)，可以滿足各種機(jī)械回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不同回轉(zhuǎn)工況的要求。它與普通軸承的最大區(qū)別是它的轉(zhuǎn)速很慢。為保證轉(zhuǎn)動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。 圖 39 回轉(zhuǎn)支承三維立體分解圖 Figure 39 slewing Chengsan Wei exploded view 1上座圈； 2滾動體 1； 3滾動體 2； 4內(nèi)齒圈； 5滾動體 1； 6下座圈 內(nèi)座圈或外座圈可加工成內(nèi)齒圈或外齒圈。所以在兩座圈之間設(shè)有調(diào)整墊片裝配和修理時(shí)可以調(diào)整間隙。 回轉(zhuǎn)裝置由轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成，回轉(zhuǎn)支承的外座圈用螺栓與轉(zhuǎn)臺連接，帶齒的內(nèi)座圈與底架用螺栓連接，內(nèi)、外座圈之間設(shè)有滾動體。 中央回轉(zhuǎn)接頭 中央回轉(zhuǎn)接頭是聯(lián)接回轉(zhuǎn)平臺與底盤油路的液壓元件，它保證回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)任意角度后，還能正常給行走馬達(dá)供油。繞 R 軸方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由回轉(zhuǎn)裝置完成， Z 軸方向的運(yùn)動在液壓缸 2 的作用下完成， Y 軸方向伸縮臂的運(yùn)動在液壓缸 1 作用下完成，機(jī)械爪的作用是通過卡盤上的機(jī)械結(jié)構(gòu)抓取與放置輪胎。 伸縮臂形式的缺點(diǎn)也是很明顯的，那就是靈活度比關(guān)節(jié)式機(jī)械臂小得多，而本設(shè)計(jì)中機(jī)械臂所要做的僅僅是抬升，對靈活度要求并不高，所以機(jī)械臂采用伸縮臂式的結(jié)構(gòu)式非常合適的。 機(jī)械爪整體結(jié)構(gòu)： 機(jī)械爪的整體結(jié)構(gòu)如圖 315 所示。 圖 316機(jī)械爪三維立體圖 Figure 316claw threedimensional map 6聯(lián)軸器； 7圓盤； 8連接塊； 9卡盤； 10滑塊； 11螺栓 1； 12水平槽； 13螺栓 2 4擺動馬達(dá)是一個(gè) 擺動角度恒定為 90176。 4 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)的基本組成及其基本要求 液壓系統(tǒng)三維效果圖如圖 41 所示 圖 41液壓系統(tǒng)三維效果圖 Figure 41 3D map hydraulic system 按照工作裝置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來就組成一個(gè)液壓系統(tǒng)。 （ 5）工作介質(zhì)：液壓油。在 抓取 過程中主要是 舉升液壓缸與伸縮液壓缸的 復(fù)合動作。 液壓系統(tǒng)的基本回路分析 基本回路是由一個(gè)或幾個(gè)液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的緩沖回路就是利用緩沖閥等使液壓馬達(dá)高壓腔的油液超過一定壓力時(shí)獲得出路。這種緩沖回路的補(bǔ)油量很少，背壓低，工作效率高。 圖 45（ B）是高、低壓油路之間并聯(lián)有緩沖閥，每一緩沖閥的高壓油口與另一緩沖閥的低壓油口相通。 圖 44 限壓回路 Figure 44 pressure limiting Loop 1 換向閥 2 限壓閥 3 油缸 緩沖回路 滿載回轉(zhuǎn)時(shí)由于上車轉(zhuǎn)動慣量很大，在啟動、制動和突然換向時(shí)會引起很大的液壓沖擊，尤其是回轉(zhuǎn)過程中遇到障礙突然停車。 放置 結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時(shí)動臂缸和 伸縮缸 相互配合動作，把 機(jī)械爪 放到 抓取工作位置。行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮直線行駛問題，不能發(fā)生行走偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致驅(qū)動輪與導(dǎo)軌發(fā)生不必要的摩擦。 （ 4）輔助元件：油箱、管路、壓力表等。 B=140mm b=120mm H=160mm h=140mm，查機(jī)械手冊可得 ? ? 55Mpa? ? 、? ? 80Mpa? ? C 點(diǎn)為機(jī)械臂配重 100kg 、 D 點(diǎn)為機(jī)械臂自重 100kg 作用在機(jī)械臂重心、 E 點(diǎn)為工作負(fù)載 100kg 。 圖 315機(jī)械爪三維立體圖 Figure 315 claw threedimensional map 1吊環(huán)； 2螺栓； 3連接盤； 4擺動馬達(dá)； 5馬達(dá)支架； 6聯(lián)軸器； 7圓盤； 8連接塊； 9卡盤； 10L 型滑塊 1吊環(huán)與伸縮臂連接，由于伸縮臂上下運(yùn)動的時(shí)候機(jī)械爪并不是嚴(yán)格的沿著Z 軸方向移動，而是會有一個(gè)有弧度的軌跡，所以如果機(jī)械爪與伸縮臂之間是硬性連接，工作狀態(tài)中機(jī)械爪的軸向方向會與 Z 軸方向有一個(gè)角度，這樣在吊環(huán)與伸縮臂連接處會產(chǎn)生一個(gè)不必要的彎矩，如果為了讓機(jī)械爪軸向方向保 持豎直而增加一個(gè)穩(wěn)定裝置即會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，也會增加成本，考慮到工作狀態(tài)中機(jī)械爪的自重加上輪胎的總重量會達(dá)到一個(gè)不小的數(shù)值，所以最好的方法就是在 吊環(huán)與伸縮臂連接處加裝軸承減小摩擦力，利用機(jī)械爪與輪胎的重力讓自身時(shí)刻保持豎直狀態(tài)。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)動至輪胎中心位置，通過 此種機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方式轉(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)可以將滑塊的一部分伸入輪胎內(nèi)部， 在輪胎搬運(yùn)機(jī)器人的其他系統(tǒng)的協(xié)同作用下移動輪胎的位置。 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)械臂的水平長度。 所以無論上部工作臺旋轉(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。 5潤滑油杯的作用是在 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滑油，減少輪齒之間的摩擦。它結(jié)構(gòu)緊湊，具有較大的傳動 比，且齒輪的受力情況較好，但必須設(shè)制動器，以便吸收較大的回轉(zhuǎn)慣性力矩。為保證轉(zhuǎn)動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。它與傳統(tǒng)的滾動軸承相比，具有尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，回轉(zhuǎn)摩擦阻力小，滾動體與軌 道之間的間隙小，維護(hù)方便，使用壽命長，易于實(shí)現(xiàn)三化等特點(diǎn)一系列優(yōu)點(diǎn)，它與普通滾動軸承相比，又有其特點(diǎn)：普通的滾動軸承的內(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，用螺栓與轉(zhuǎn)臺連接。工作裝置鉸接在回轉(zhuǎn)體上，與回轉(zhuǎn)體一起回轉(zhuǎn)。 圖 36回轉(zhuǎn)支承裝置 Figure 36 slewing device 1．轉(zhuǎn)柱式回轉(zhuǎn)支承 擺動式液壓馬達(dá)驅(qū)動的轉(zhuǎn)柱式支承如圖 37 所示。相對其他 減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性、高精度 (單級可做到 1 分以內(nèi) )、高傳動效率 (單級在 97%98%)、高的扭矩 /體積比、終 身免維護(hù)等特點(diǎn)。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)。力可分解為和兩個(gè)分力。 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。 14車架總成為整體焊接件 。 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。 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。 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，故此方向行走裝置承受的載荷很大，所以選擇液壓傳動，驅(qū)動輪搭配減速器與液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn) X 軸方向上的移動。 （ 2） 齒輪傳動 特點(diǎn)：功率和速度范圍大，通用性強(qiáng)，工作可靠，效率高，對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?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。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。 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。 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，然后工作臺完成繞 Z 軸 180176。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，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。到 1995 年，全世界約有 50%的汽車由機(jī)械手裝配。為此，國外機(jī)械手的發(fā) 展趨勢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。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。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)。 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。 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。 3） 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。 據(jù)資料介紹，美國生產(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％。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 。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的， 因此是專用的 ??2 。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象。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。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)國家工業(yè)自動化的水平。與我一同工作的同志對本研究 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。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)，對輪胎搬運(yùn)搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的強(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)（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和簡單的三維實(shí)體造型工作。 通過 研究 國內(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)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（ Manipulator）。這些系統(tǒng)的性 能就決定了機(jī)器人的性能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面： 1） 熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動，很久 以來就要求實(shí)現(xiàn)自動化。 近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素 ??6 。 機(jī)械手 的發(fā)展概況 與發(fā)展趨勢 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。 60～ 70 年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。制造業(yè)要求機(jī)器人