【文章內(nèi)容簡介】 的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，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，通過學習機械 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，還可以簡化硫化機的結構，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)結構，對搬運機 器人 機械臂 的結構 進行了簡單的 強度計算 ，完成了 搬運 機 器人 機械方面的設計（包括傳動部分、 執(zhí)行部分、驅動部分） 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） 選取機械手的座標型式和自由度； 2） 確定四自由度搬運機器人驅動系統(tǒng)的類型； 3） 確定四自由度搬運機器人的整體結構設計方案； 4） 設計出機械人的各執(zhí)行機構； 5） 零部件結構強度計算與校核； 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 的傳送帶上抓取輪胎，然后工作臺完成繞 Z 軸 180176。 旋轉，將輪胎放置在 搬運機器人另一側的 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計 該設計的目的是為了設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于固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標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、回轉裝置繞 R 軸旋轉、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)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下： 直角坐標機器人結構 直角坐標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，這種直角坐標機器人的運動空間相對 機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。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、天車式三種結構。 2)圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 21（ b） 。這種機器人構造比較簡單，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)球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和 一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖21（ c） 。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作 業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4) 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖 21（ d） 。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，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。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設計的搬運機器人采用圓柱坐標 。 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計 水平和豎直方向直線運動傳動方式設計 能夠實現(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、結構緊湊。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，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，氣壓傳動反應快、動作迅速、維護簡單、工作介質清潔、管路不易堵塞，不存在工作介質變質、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)定性受負載變化的影響大，運動平穩(wěn)性較差，不易實現(xiàn)準確的速度(a)直角坐標型 （ b） 圓柱坐標型 （ c） 球坐標型 （ d） 關節(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矩。 齒輪齒條嚙合傳動 特點：齒輪齒條傳動將旋轉運動轉變?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，機構緊湊，能保證恒定的傳動比。但是，這樣的運動也可以反向驅動，也就是齒條作直線運動來帶動齒輪旋轉，適合大距離的傳遞，如機床導軌底下帶動托板箱移動的就是齒輪齒條傳動，齒輪齒條機構需要外加鎖緊裝置，因為之論之痛機構不能自鎖，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 方向旋轉運動的設計 （ 1） 液壓 （氣動） 馬達 特點：液壓馬達又稱油馬達，它是把液壓能轉變成旋轉機械能的一種能量轉換裝置。液壓馬達按輸出轉矩的大小和轉速高低可以分為兩類：一類是高速、小轉矩液壓馬達，轉速范圍一般在 3000r／ min 或更高，轉矩在幾百牛頓米以下；另一類是低速、大轉矩液壓馬達，轉速一 般低于 300r／ min ，轉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矩，驅動執(zhí)行機構作旋轉運動。 （ 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的場合；當它與齒輪傳動同時應用時，若蝸桿傳動布置在高速級，使其傳遞較小的轉矩，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，傳遞相同轉矩時，結構尺寸較其它傳動形式大，但傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，應布置在高速級，使所傳遞的轉距 小。 （ 5） 鏈傳動 特點： 鏈傳動由于多邊形效應，瞬時傳動比不斷變化，產(chǎn)生沖擊、振動，而使轉速不均勻，故不宜用于高速級，應布置在低速級。 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]到工作臺負重較大，工作回轉臺選擇液壓馬 達 本章小結 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的方向，需要有較大的扭矩帶動工作臺與負重進行 180176。的回轉，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。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構設計 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計。 結構總體設計 搬運機器人由行走裝置、回轉裝置、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構的三維立體圖。 圖 31 搬運機器手機械結構的三維立體圖 Figure 31 Handling robot mechanical structure of the threedimensional map 1液壓馬達 1； 2減速器； 3驅動輪架； 4機械臂配重； 5動臂液壓缸； 6中央回 轉接頭； 7機械臂動臂； 8回轉驅動裝置 2； 9伸縮臂液壓缸； 10伸縮臂； 11機械爪； 12軌道； 13驅動輪； 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回轉支承裝置； 本設計整體思路： 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裝置。 行走裝置： 1液壓馬達、 2減速器、 13驅動輪 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 動 13驅動輪在 12導軌上沿 X 軸移動。 回轉裝置：回轉裝置由 20回轉支承裝置和 8回轉驅動裝置組成。 零部件設計 與選擇 底盤結構設計 行走機構的基本結構采用兩個液壓馬達，兩個液壓馬達位于兩側的橫梁上，與兩個減速器配合將動力傳輸?shù)津寗虞?。 圖 32底盤機械結構三維立體圖 Figure 32 Chassis mechanical structure of threedimensional map 1液壓馬達； 2減速器； 6中央回轉接頭； 13驅動輪； 14車架； 20回轉支承裝置 底盤 包括 車架 和行走機構 , 主要由 14車架 、 1液壓 馬達及其管路 2減速器 、13驅動輪組成。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化為機械能通過 2減速器 轉變?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 形結構，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。 行走機構由 1液壓馬達、 2減速器、 13驅動輪組成。 6中央回轉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換為機械能，通過 2減速器降低轉速將動力傳輸?shù)津寗虞喩希罱K將液壓能轉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）是將壓力能轉變成機械能的并對外做功的執(zhí)行元件。