【正文】 所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。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)機(jī)器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 傳 動(dòng) 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動(dòng) ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動(dòng) 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計(jì) 算 機(jī) 圖 11機(jī)器人的一般組成 Figure 11 general position of the robot 對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。它們之間的相互關(guān)系如圖 12 所示。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(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。 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(dòng)，很久 以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 2） 冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械 手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。 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(dòng)生產(chǎn)率的重要因素 ??6 。 2） 可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 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。智能機(jī)器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。 機(jī)器手發(fā)展概況 早在 40 年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。 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(dòng)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。 90 年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 總之，目前 機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重 要一環(huán)。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力 ??8 。 因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。 將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞 。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作??10 。工作時(shí) 機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。 現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) ??11 。所謂簡單化，是指很容易使人上手，一般工程設(shè)計(jì)它已足夠， PRO/E 可能聽的比較多了，但會(huì)的人不很多，它不像 SOLIDWORKS 那樣很容易讓人上手，但它設(shè)計(jì)功能絕對是一流的，特別是曲面設(shè)計(jì)，做的很好； UG 與 MATERCAM 都是與實(shí)際加工相關(guān)聯(lián)的，它們的設(shè)計(jì)功能并不很強(qiáng)大，一般小的模具廠都會(huì)選用 UG 而一般不用 PRO/E，因?yàn)?PRO/E 設(shè)計(jì)的的確很漂亮，但要把它與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，它就不像 UG 那樣方便，如可以直接生成數(shù)控代碼等。 2． 基于特征建模 Pro/E 是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型 。 3． 單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這 種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。 本論文的主要工作 本文研究了國內(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(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。經(jīng)過考慮 ， 最終 確定了 四自由度 搬運(yùn)機(jī) 器人 的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運(yùn)機(jī) 器人 機(jī)械臂 的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了簡單的 強(qiáng)度計(jì)算 ，完成了 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） 和簡單的三維實(shí)體造型 工作 。 旋轉(zhuǎn)，將輪胎放置在 搬運(yùn)機(jī)器人另一側(cè)的 輪胎硫化機(jī)上。完成一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人同時(shí)為多臺(tái)硫化機(jī)工作。 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對于一個(gè)構(gòu)件來說，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人為 4 自由度即：行走裝置 X 方向的移動(dòng)、回轉(zhuǎn)裝置繞 R 軸旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手卡盤 Y 方向的移動(dòng)、機(jī)械手卡盤 Z 方向的移動(dòng)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下： 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖21(a)所示。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。 2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖 21（ b） 。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo) 。但液壓傳動(dòng)中的泄漏和液體的可壓縮性，使這種傳動(dòng)無法保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比；由于液體粘性大，在流動(dòng)過程中有較大的能量 損失（泄漏損失、摩擦損失等），因此，傳動(dòng)效率相對低，不適合做遠(yuǎn)距離傳動(dòng)和控制。但因空氣的可壓縮性較大，使系統(tǒng)的動(dòng)作和工作速度穩(wěn)定性受負(fù)載變化的影響大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，不易實(shí)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(dòng)裝置的體積與液壓傳動(dòng)相比較大，產(chǎn)生的推力小。 齒輪齒條嚙合傳動(dòng) 特點(diǎn)：齒輪齒條傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，它傳遞的功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長，機(jī)構(gòu)緊湊，能保證恒定的傳動(dòng)比。 絲杠螺母傳動(dòng) 特點(diǎn)： 用于距 離較短的高精度定位 ； 電機(jī)和滾珠絲杠只用聯(lián)軸 器 連接，沒有間隙。 R 方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì) （ 1） 液壓 （氣動(dòng)） 馬達(dá) 特點(diǎn)：液壓馬達(dá)又稱油馬達(dá)，它是把液壓能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。 氣動(dòng)馬達(dá)的原理類同于液壓馬達(dá)，它以壓縮空氣為動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （ 3） 蝸桿傳動(dòng) 特點(diǎn)：蝸桿傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)，但效率較低，適用于中小功率或間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的場合；當(dāng)它與齒輪傳動(dòng)同時(shí)應(yīng)用時(shí)，若蝸桿傳動(dòng)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(dòng)效率較高。（ 4） 帶傳動(dòng) 特點(diǎn)：帶傳動(dòng)靠摩擦力工作，承載能力較小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸較其它傳動(dòng)形式大，但傳動(dòng)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。 通過以上，綜合考慮，因?yàn)闄C(jī)械爪需要的力矩不是很大，而且擺動(dòng)只是一個(gè)固定角度 90? ，所以機(jī)械爪選擇一個(gè)擺動(dòng)角度 90176?？紤]到工作臺(tái)負(fù)重較大，工作回轉(zhuǎn)臺(tái)選擇液壓馬 達(dá) 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是對搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分析，并通過對現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常見的各種運(yùn)動(dòng)傳遞方式進(jìn)行分析與比較，確定了該工業(yè)機(jī)器人三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)的傳遞方式。 Y 軸方向：此方向?yàn)樯炜s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(dòng)臂搭配液壓缸一起工作。 繞 R 軸方向：此方向?yàn)楣ぷ髋_(tái)回轉(zhuǎn)的方向，需要有較大的扭矩帶動(dòng)工作臺(tái)與負(fù)重進(jìn)行 180176。 機(jī)械爪的動(dòng)力選擇：機(jī)械爪卡盤上的滑塊工作需要的動(dòng)力較小，且輪胎的重量并不是滑塊的動(dòng)力源直接承擔(dān)。 3 輪胎搬運(yùn)機(jī)器人的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過上一章對該物料搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形 式部分進(jìn)行分析，確定了該機(jī)器人在三個(gè)方向上傳遞運(yùn)動(dòng)的方式，本章就對這三種傳遞運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。下圖 31 是對該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維立體圖。 工作裝置：工作裝置由機(jī)械臂跟機(jī)械爪組成。 9伸縮臂液壓缸為機(jī)械臂 Y 軸方向的移動(dòng)提供動(dòng)力。 4配重的作用是抵消因?yàn)闄C(jī)械臂自重而產(chǎn)生的負(fù)載，減小 5動(dòng)臂液壓缸的工載荷，提高工作效率。 液壓裝置： 15電機(jī)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)。 行走裝置： 1液壓馬達(dá)、 2減速器、 13驅(qū)動(dòng)輪 組成行走裝置，液壓系統(tǒng)為1液壓馬達(dá)提供動(dòng)力， 1液壓馬達(dá)通過 2減速器驅(qū) 動(dòng) 13驅(qū)動(dòng)輪在 12導(dǎo)軌上沿 X 軸移動(dòng)。 零部件設(shè)計(jì) 與選擇 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)液壓馬達(dá)，兩個(gè)液壓馬達(dá)位于兩側(cè)的橫梁上，與兩個(gè)減速器配合將動(dòng)力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪 。其功能為支承 輪胎搬運(yùn)機(jī)器人 的重量， 1液壓馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能通過 2減速器 轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?，?shí)現(xiàn) 搬運(yùn)機(jī)器人 X 軸方向 的行走。 采用 X 形結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)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。 6中央回轉(zhuǎn)接頭將液壓能從工作臺(tái)上部傳輸?shù)降妆P的 1液壓馬達(dá)。 液壓馬達(dá)的選擇 液壓馬達(dá)（ hydraulic motor）是將壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的并對外做功的執(zhí)行元件。 （ 2）馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速分為高速和低速兩類，額定轉(zhuǎn)速高于 5000r/min 的屬于高速液壓馬達(dá)，額定轉(zhuǎn)速低于 500r/min 的屬于低速液壓馬達(dá)。葉片式液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩與液壓馬達(dá)的排量和液壓馬達(dá)進(jìn)出油口之間的壓力差有關(guān)，其轉(zhuǎn)速由輸入液壓馬達(dá)的流量大小來決定。為了使葉片根部始終通有壓力油，在回、壓油腔通人葉片根部的通路上應(yīng)設(shè)置單向閥，為了確保葉片式液壓馬達(dá)在壓力油通人后能正常啟 動(dòng)，必須使葉片頂部和定子內(nèi)表面緊密接觸，以保證良好的密封，因此在葉片根部應(yīng)設(shè)置預(yù)緊彈簧。因此葉片式液壓馬達(dá)一般用于轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小和動(dòng)作要求靈敏的場合。在柱塞與定子接觸處，定子對柱塞的反作用力為。當(dāng)作用在柱塞底部的油液壓力為ｐ，柱塞直 徑為ｄ，力和之間的夾角為X 時(shí)，力對缸體產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，使缸體旋轉(zhuǎn)。 （ 3）軸向柱塞馬達(dá)軸向柱塞泵除閥式配流外，其它形式原則上都可以作為液壓馬達(dá)用，即軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達(dá)是可逆的。當(dāng)壓力油經(jīng)配油盤的窗口進(jìn)入缸體的柱塞孔時(shí)，柱塞在壓力油作用下外伸，緊貼斜盤斜盤對柱塞產(chǎn)生一個(gè)法向