【文章內(nèi)容簡介】 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。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。 本論文的主要工作 本文研究了國內(nèi)外 輪胎硫化機用搬運機器人的發(fā)展 現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機械 手 的工作原理，熟悉了搬運機 器人 的運動機理 ，繼而發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的硫化機上配置的搬運機械手存在不合理的地方。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。經(jīng)過考慮 ， 最終 確定了 四自由度 搬運機 器人 的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機 器人 機械臂 的結(jié)構(gòu) 進行了簡單的 強度計算 ，完成了 搬運 機 器人 機械方面的設(shè)計（包括傳動部分、 執(zhí)行部分、驅(qū)動部分） 和簡單的三維實體造型 工作 。 本課題將要完成的主要工作如下 : 1） 選取機械手的座標(biāo)型式和自由度； 2） 確定四自由度搬運機器人驅(qū)動系統(tǒng)的類型； 3） 確定四自由度搬運機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； 4） 設(shè)計出機械人的各執(zhí)行機構(gòu)； 5） 零部件結(jié)構(gòu)強度計算與校核； 6)繪制機器人的各零部件圖，并完成搬運機器人裝配圖，最后運用三維軟件畫出實體圖； 2 輪胎搬運機器人的總體設(shè)計方案 搬運機器人要解決的問題 簡而言之輪胎搬運機器人要解決的問題就是用機械手從 搬運機器人一側(cè) 的傳送帶上抓取輪胎，然后工作臺完成繞 Z 軸 180176。 旋轉(zhuǎn)，將輪胎放置在 搬運機器人另一側(cè)的 輪胎硫化機上。等硫化機進入硫化工作時間后，機器人沿 X 軌道軌道方向，進入下一臺硫化機的工作位置，完場輪胎的抓取與放置，依次循環(huán)。完成一臺搬運機器人同時為多臺硫化機工作。 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。 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運動部件自由 度的總和為機器人的自由度數(shù)。本次設(shè)計的搬運機器人為 4 自由度即：行走裝置 X 方向的移動、回轉(zhuǎn)裝置繞 R 軸旋轉(zhuǎn)、機械手卡盤 Y 方向的移動、機械手卡盤 Z 方向的移動。 工業(yè)機器人的結(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。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下： 直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖21(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機器人有可能達到很高的位置精度 （ μm級 ） 。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對 機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)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。 直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。 2)圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 21（ b） 。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3)球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和 一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖21（ c） 。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作 業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 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） 。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計的搬運機器人采用圓柱坐標(biāo) 。 圖 21四種機器人坐標(biāo) 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。但液壓傳動中的泄漏和液體的可壓縮性，使這種傳動無法保證嚴(yán)格的傳動比；由于液體粘性大，在流動過程中有較大的能量 損失（泄漏損失、摩擦損失等），因此，傳動效率相對低，不適合做遠距離傳動和控制。 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。但因空氣的可壓縮性較大，使系統(tǒng)的動作和工作速度穩(wěn)定性受負(fù)載變化的影響大，運動平穩(wěn)性較差，不易實現(xiàn)準(zhǔn)確的速度(a)直角坐標(biāo)型 （ b） 圓柱坐標(biāo)型 （ c） 球坐標(biāo)型 （ d） 關(guān)節(jié)型 控制和很高的定位精度；而且氣動裝置的體積與液壓傳動相比較大，產(chǎn)生的推力小。 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。 齒輪齒條嚙合傳動 特點：齒輪齒條傳動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，它傳遞的功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長，機構(gòu)緊湊，能保證恒定的傳動比。但是，這樣的運動也可以反向驅(qū)動，也就是齒條作直線運動來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳遞，如機床導(dǎo)軌底下帶動托板箱移動的就是齒輪齒條傳動，齒輪齒條機構(gòu)需要外加鎖緊裝置，因為之論之痛機構(gòu)不能自鎖，并且齒輪齒條不適用于兩軸中心距過大的傳動及振動沖擊較大的場合。 絲杠螺母傳動 特點： 用于距 離較短的高精度定位 ； 電機和滾珠絲杠只用聯(lián)軸 器 連接，沒有間隙。 通過以上，綜合考慮，為了使機械手在負(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， x 方向選用液壓馬達， y、 z 方向選用液壓缸。 R 方向旋轉(zhuǎn)運動的設(shè)計 （ 1） 液壓 （氣動） 馬達 特點：液壓馬達又稱油馬達，它是把液壓能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。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。 氣動馬達的原理類同于液壓馬達，它以壓縮空氣為動力輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動。 （ 2） 齒輪傳動 特點：功率和速度范圍大，通用性強，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，可進行變?yōu)榍邢骱托扌小? （ 3） 蝸桿傳動 特點：蝸桿傳動能實現(xiàn)傳動比大，傳動平穩(wěn)，但效率較低，適用于中小功率或間歇運轉(zhuǎn)的場合；當(dāng)它與齒輪傳動同時應(yīng)用時，若蝸桿傳動布置在高速級，使其傳遞較小的轉(zhuǎn)矩，以減小蝸輪尺寸，節(jié)約有色金屬，且傳動效率較高。若蝸桿傳動布置在低 速級，則齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩較小，而是整個傳動裝置的尺寸減小。（ 4） 帶傳動 特點：帶傳動靠摩擦力工作，承載能力較小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時，結(jié)構(gòu)尺寸較其它傳動形式大，但傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，應(yīng)布置在高速級，使所傳遞的轉(zhuǎn)距 小。 （ 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。 通過以上，綜合考慮，因為機械爪需要的力矩不是很大，而且擺動只是一個固定角度 90? ，所以機械爪選擇一個擺動角度 90176。的擺動氣缸?？紤]到工作臺負(fù)重較大，工作回轉(zhuǎn)臺選擇液壓馬 達 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是對搬運機器人運動形式進行分析，并通過對現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常見的各種運動傳遞方式進行分析與比較，確定了該工業(yè)機器人三個方向上的運動的傳遞方式。 X 軸方向：此方向為導(dǎo)軌方向，在此方向上行走裝置要實現(xiàn)相鄰硫化搬運機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實現(xiàn) X 軸方向上的移動。 Y 軸方向：此方向為伸縮臂伸縮的方向，工作狀態(tài)中此方向受力不大，但是為了保持伸縮臂在工作過程中的穩(wěn)定程度，在此方向上伸縮臂與動臂搭配液壓缸一起工作。 Z 軸方向：此方向為機械爪豎直移動的方向，此方向上需要承擔(dān)的載荷為輪胎的重量、部分機械臂自身的重量和機械爪的重量，所以此方向上選擇液壓傳動，兩個液壓缸為機械臂豎直方向上的動力。 繞 R 軸方向：此方向為工作臺回轉(zhuǎn)的方向，需要有較大的扭矩帶動工作臺與負(fù)重進行 180176。的回轉(zhuǎn)，故此方向選擇液壓馬達與行星減速器配合。 機械爪的動力選擇：機械爪卡盤上的滑塊工作需要的動力較小，且輪胎的重量并不是滑塊的動力源直接承擔(dān)。故機械爪的動力來源為氣壓傳動。 3 輪胎搬運機器人的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過上一章對該物料搬運機器人運動形 式部分進行分析，確定了該機器人在三個方向上傳遞運動的方式，本章就對這三種傳遞運動方式進行具體的設(shè)計。 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 搬運機器人由行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、抓取工作裝置、液壓裝置四部分組成。下圖 31 是對該機器人機械結(jié)構(gòu)的三維立體圖。 圖 31 搬運機器手機械結(jié)構(gòu)的三維立體圖 Figure 31 Handling robot mechanical structure of the threedimensional map 1液壓馬達 1； 2減速器； 3驅(qū)動輪架； 4機械臂配重； 5動臂液壓缸； 6中央回 轉(zhuǎn)接頭； 7機械臂動臂； 8回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置 2； 9伸縮臂液壓缸； 10伸縮臂； 11機械爪； 12軌道； 13驅(qū)動輪； 14車架； 15電機； 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)計整體思路： 工作臺以上部分：輪胎搬運機械手工作裝置、動力裝置、液壓裝置等都在工作臺上。 工作裝置：工作裝置由機械臂跟機械爪組成。 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。 9伸縮臂液壓缸為機械臂 Y 軸方向的移動提供動力。 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。 4配重的作用是抵消因為機械臂自重而產(chǎn)生的負(fù)載，減小 5動臂液壓缸的工載荷，提高工作效率。 11機械爪與 10伸縮 臂通過軸連接，工作狀態(tài)中通過機械爪與輪胎的自重使自身保持豎直。 液壓裝置： 15電機通過 16聯(lián)軸器 與 17液壓泵連接，與 18液壓控制閥、19液壓油箱共同組成液壓系統(tǒng)。 工作臺以下部分：包括行走裝置和回轉(zhuǎn)裝置。 行走裝置： 1液壓馬達、 2減速器、 13驅(qū)動輪 組成行走裝置，液壓系統(tǒng)為1液壓馬達提供動力， 1液壓馬達通過 2減速器驅(qū) 動 13驅(qū)動輪在 12導(dǎo)軌上沿 X 軸移動。 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。 零部件設(shè)計 與選擇 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 行走機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)采用兩個液壓馬達，兩個液壓馬達位于兩側(cè)的橫梁上，與兩個減速器配合將動力傳輸?shù)津?qū)動輪 。 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。其功能為支承 輪胎搬運機器人 的重量， 1液壓馬達將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能通過 2減速器 轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳Γ瑢崿F(xiàn) 搬運機器人 X 軸方向 的行走。 14車架總成為整體焊接件 。 采用 X 形結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點是具有高的承載能力 . 車架總成由左縱梁、主車架、右縱梁三部分焊接而成。 行走機構(gòu)由 1液壓馬達、 2減速器、 13驅(qū)動輪組成。 6中央回轉(zhuǎn)接頭將液壓能從工作臺上部傳輸?shù)降妆P的 1液壓馬達。 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。 液壓馬達的選擇 液壓馬達（ hydraulic motor）是將壓力能轉(zhuǎn)變成機械能的并對外做功的執(zhí)行元件。