【正文】 并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文（設(shè)計）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計）被查閱和借閱。 設(shè)計的搬運機器人運用于自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)， 減輕 產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動，同時又節(jié)約了成本，提高了工作效率。在輪胎硫化機硫化一次輪胎的總 工作時間中絕大部分時間是在進行硫化這個流程，而 輪胎搬運 機械手的工作時間極短，這就導(dǎo)致了 輪胎 硫化機大部分的工作時間中機械手都是閑置狀態(tài)，本文的主要工作就是設(shè)計一款輪胎搬運機械手，將之從單個的硫化機中分離出來，在一臺硫化機進入硫化流程是機械手可以通過驅(qū)動系統(tǒng)移動到下臺硫化機的工作位置，為其放置輪胎，安置完成后可以依次為其他的硫化機安置輪胎，這樣就可以達到充分提高搬運機械手的工作效率，實現(xiàn)一臺機器人為多臺硫化機服務(wù)，還可以簡化硫化機的結(jié)構(gòu)，進而達到降低成本的目的。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù) 操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手 ??1 。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成 ??3 ，如圖 11 所示。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。 搬運機器人 的應(yīng)用意義 在機械工業(yè)中， 搬運機器人 的應(yīng)用意義可以概括如下： 1） 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機械 手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的 裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進而促 進了智能機器人的研制。 8090 年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。計算機集成制造要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元 ??9 。 觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。 在本次 輪胎搬運機器人結(jié)構(gòu) 設(shè)計中，用到了 AUTOCAD、 SOLIDWORKS 等繪圖軟件，因為是作為一般的工程設(shè)計，這些軟件已經(jīng)足夠滿足要求了，并且SW2020 功能也很強大，它主要有如下一些功能 [3]： 1．參數(shù)化設(shè)計 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(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。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 輪 胎搬運機器人各方向傳動方式設(shè)計 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺輪胎搬運機器人，本章主要對搬運機器人的的運動形式部分進行分析。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。主要應(yīng)用于搬運作 業(yè)。 圖 21四種機器人坐標 形式 Figure 21 four kinds of robot coordinate form 機器人各方向傳動方式的設(shè)計 水平和豎直方向直線運動傳動方式設(shè)計 能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動的傳動形式有； 液壓傳動 特點：液壓傳動傳遞運動的動力大，運動平穩(wěn)， 換向沖擊小，便于實現(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。 通過以上，綜合考慮，為了使機械手在負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， x 方向選用液壓馬達， y、 z 方向選用液壓缸。 （ 5） 鏈傳動 特點： 鏈傳動由于多邊形效應(yīng)，瞬時傳動比不斷變化，產(chǎn)生沖擊、振動，而使轉(zhuǎn)速不均勻，故不宜用于高速級，應(yīng)布置在低速級。的回轉(zhuǎn)，故此方向選擇液壓馬達與行星減速器配合。 7機械臂動臂和 10伸縮臂在9伸縮臂液壓缸的作用下可以改變機械臂伸出部分的長度。 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)動裝置組成。 1液壓馬達將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，通過 2減速器降低轉(zhuǎn)速將動力傳輸?shù)津?qū)動輪上，最終將液壓能轉(zhuǎn)換為輪胎搬運機器人沿軌道 X 軸方向的移動。 葉片式液壓馬達體積小、轉(zhuǎn)動慣量小、動作靈敏、可適用于換向頻率較高的場合；但泄漏量較大、低速工作時不穩(wěn)定。軸向柱塞馬達的工作原理 為，配油盤和斜盤固定不動，馬達軸與缸體相連接一起旋轉(zhuǎn)。 類液壓馬達的適用工況與應(yīng)用范圍 圖 34類液壓馬達的適用工況與應(yīng)用范圍 Figure 34 class hydraulic motor and application of the applicable range of operating conditions 液壓馬達的選?。? 粗略估計本設(shè)計中的機器人總重在一噸左右，行走系統(tǒng)單次運動的距離不超過 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?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)的殼體固定在轉(zhuǎn)臺上，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)臺中心線公轉(zhuǎn)，當回傳機構(gòu)工作時就像對底架進行回轉(zhuǎn)。軸承座用螺栓固定在機架 5 上。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。所以在兩座圈之間設(shè)有調(diào)整墊片 2，裝配和修理時可以調(diào)整間隙。不帶齒的座圈為回轉(zhuǎn)圈，用螺栓與回轉(zhuǎn)工作臺連接。 1）直接傳動。在液壓馬達與行星齒輪減速器的帶動下小齒輪既可繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，又可繞轉(zhuǎn)臺中心線公轉(zhuǎn)，當回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作時，轉(zhuǎn)臺就相對底架進行回轉(zhuǎn)。當工作臺回轉(zhuǎn)時 2外殼體與 7中心軸會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動， 3入油口位于工作臺上，液壓油經(jīng)過控制閥在此進入中央回轉(zhuǎn)接頭。 4動臂通過 6軸與 7軸承固定在工作臺上。在外圍式夾持方式中機械爪在輪胎四周，通過機械爪從外圍向中間的收縮夾緊輪胎外圈而固定好輪胎。 5馬達架主要左右是用來固定擺動馬達，為擺動馬達的旋轉(zhuǎn)提供一個反作用力。 4擺動馬達最終將液壓能轉(zhuǎn)化為扭矩通過 7圓盤的旋轉(zhuǎn)運動進而轉(zhuǎn)化為了 10滑塊的水平直線運動。 （ 2） 執(zhí)行元件：液壓缸 —— 直線運動，輸出力、位移；液壓馬達 —— 回轉(zhuǎn)運動，輸出轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速。 圖 42液壓系統(tǒng)組成圖 Figure 42 Figure hydraulic system ponents 工作裝置主要由動臂、固定臂、機械爪及相應(yīng)的液壓缸組成。 抓取 結(jié)束后，動臂缸將動臂頂起，同時回轉(zhuǎn)液壓馬達使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向 輪胎硫化機 ，此時主要是動臂和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。 限壓回路 限壓回路用來限制壓力，使其不 超過某一調(diào)定值。 圖 45 (A)中回轉(zhuǎn)馬達兩個油路上各裝有動作靈敏的小型直動式緩沖（限壓）閥 3，正常情況下兩閥關(guān)閉。 1 換向閥 緩沖 閥 單向閥 圖 45 緩沖回路 Figure 45 buffer 。緩沖（限壓）閥的調(diào)定壓力取決于所需要的制動力矩，通常低于系統(tǒng)最高工作壓力。 液壓執(zhí)行元件的進油和回油路上常成對地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時限壓閥打開、卸載保護了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖 44）實際上起了卸荷閥的作用。回 轉(zhuǎn)至 輪胎硫化機 位置時，轉(zhuǎn)臺制動， 在動臂液壓缸與伸縮液壓缸配合下將輪胎放置與工作位置?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)工作時必須滿足如下條件：回轉(zhuǎn)迅速、起動和制動無沖擊、振動和搖擺，與其它機構(gòu)同時動作時，能合理地分配去各機構(gòu)的流量。 （ 3）控制元件：壓力、方向、流量控制的元件。所以說當機械爪處于抓取狀態(tài)時，即使停電或者擺動馬達出現(xiàn)故障停止工作，輪胎 也不會落下，安全性能得以提高。如果說 7圓盤為 10滑塊提供的動力，那么 8連接塊、 9卡盤為 10滑塊提供的就是方向。本設(shè) 計中由于是為硫化機加裝輪胎，所以只能采用中心夾持式。 2伸縮臂液壓缸一端固定在 4動臂上，一端固定在 1伸縮臂上，在 2伸縮臂液壓缸的控制下機械臂可以帶動機械轉(zhuǎn)完成 Y 軸方向的移動。從而完成從上部工作臺到底盤的動力傳動?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)的殼體固定在轉(zhuǎn)臺上， 3行星齒輪減速器上的小齒輪與回轉(zhuǎn)支承圈上的 4回轉(zhuǎn)齒圈相嚙合。 2）間接傳動。 3滾動體 2 中滾動體軸線方向與回轉(zhuǎn)支承裝置軸向方向平行，其承受的是回轉(zhuǎn)支承裝置工作時 1上座圈、 6下座圈與 4內(nèi)齒圈之間的軸向力。滾動體可以是滾珠或滾柱。內(nèi)座圈或外座圈可加工成內(nèi)齒圈或外齒圈。外殼固定在機架 5 上的擺動液壓缸輸出軸插入下支承軸 6 內(nèi)，驅(qū)動回轉(zhuǎn)體相 對于機架轉(zhuǎn)動。不能傾翻倒，并應(yīng)使回轉(zhuǎn)輕便靈活。 行星齒輪減速器 行星齒輪減速機主要傳動結(jié)構(gòu)為：行星輪，太陽輪，外齒圈。 Q 與柱塞上液壓力相平衡，而 Q 則使柱塞對缸體中心產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，帶動馬達軸逆 時針方向旋轉(zhuǎn)。 (2)徑向柱塞式液壓馬達工作原理，當壓力油經(jīng)固定的配油軸 4 的窗口進入缸體內(nèi)柱塞的底部時，柱塞向外伸出，緊緊頂住定子的內(nèi)壁，由于定子與缸體存在一偏心距。 分類： （ 1）達按其結(jié)構(gòu)分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其他型式。 圖 32底盤機械結(jié)構(gòu)三維立體圖 Figure 32 Chassis mechanical structure of threedimensional map 1液壓馬達； 2減速器； 6中央回轉(zhuǎn)接頭； 13驅(qū)動輪； 14車架； 20回轉(zhuǎn)支承裝置 底盤 包括 車架 和行走機構(gòu) , 主要由 14車架 、 1液壓 馬達及其管路 2減速器 、13驅(qū)動輪組成。 5動臂液壓缸的作用是 在工作狀態(tài)中舉升機械臂，為機械臂 Z 軸方向的移動提供動力。故機械爪的動力來源為氣壓傳動。的擺動氣缸。液壓馬達按輸出轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)速高低可以分為兩類：一類是高速、小轉(zhuǎn)矩液壓馬達，轉(zhuǎn)速范圍一般在 3000r／ min 或更高，轉(zhuǎn)矩在幾百牛頓米以下；另一類是低速、大轉(zhuǎn)矩液壓馬達，轉(zhuǎn)速一 般低于 300r／ min ，轉(zhuǎn)矩為幾百至幾萬牛頓米。 氣壓傳動 特點：以空氣為工作介質(zhì)，來源方便，工作壓力較低，用后可直接排入大氣而無污染，處理方便，潔凈環(huán)境；與液壓傳動相比，氣壓傳動反應(yīng)快、動作迅速、維護簡單、工作介質(zhì)清潔、管路不易堵塞，不存在工作介質(zhì)變質(zhì)、補充和更換等問題；而且成本低，能實現(xiàn)過載保護。 4) 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖 21（ d） 。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。各運動部件自由 度的總和為機器人的自由度數(shù)。在硫化機的總工作時間中絕大部分時間是在進行硫化這個流程，而機械手的工作時間極短，這就導(dǎo)致了硫化機大部分的工作時間中機械手都是閑置狀態(tài)，本文的主要工作就是設(shè)計一款輪胎搬運機械手，將 之從單個的硫化機中分離出來，在一臺硫化機進入硫化流程是機械手可以通過驅(qū)動系統(tǒng)移動到下臺硫化機的工作位置，為其放置輪胎，安置完成后可以依次為其他的硫化機安置輪胎，這樣就可以達到充分提高搬運機械手的工作效率，實現(xiàn)一臺機器人為多臺硫化機服務(wù)，還可以簡化硫化機的結(jié)構(gòu)，進而達到降低成本的目的。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。 手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。 機械手的發(fā)展趨勢 目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄 鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 90 年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機 械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障 礙物，以及機器人的觸覺裝置。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。 機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 因為本文偏重輪胎搬運機器人機械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計，所以在 PLC 控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等方面沒有進行很深入的研究。 關(guān)鍵詞： 搬運機器人；三維模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計； TIRE TRANSPORT ROBOET DESIGN ABSTRACT In the recent large manufacturing industry, the industrial robot