轮胎搬运机器人设计毕业设计(编辑修改稿)

轮胎搬运机器人设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。 这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 本论文的主要工作 本文研究了国内外 轮胎硫化机用搬运机器人的发展 现状，通过学习机械 手 的工作原理，熟悉了搬运机 器人 的运动机理 ，继而发现现有的硫化机上配置的搬运机械手存在不合理的地方。 在硫化机的总工作时间中绝大部分时间是在进行硫化这个流程，而机械手的工作时间极短，这就导致了硫化机大部分的工作时间中机械手都是闲置状态，本文的主要工作就是设计一款轮胎搬运机械手，将 之从单个的硫化机中分离出来，在一台硫化机进入硫化流程是机械手可以通过驱动系统移动到下台硫化机的工作位置，为其放置轮胎，安置完成后可以依次为其他的硫化机安置轮胎，这样就可以达到充分提高搬运机械手的工作效率，实现一台机器人为多台硫化机服务，还可以简化硫化机的结构，进而达到降低成本的目的。 经过考虑 ， 最终 确定了 四自由度 搬运机 器人 的基本系统结构，对搬运机 器人 机械臂 的结构 进行了简单的 强度计算 ，完成了 搬运 机 器人 机械方面的设计（包括传动部分、 执行部分、驱动部分） 和简单的三维实体造型 工作。 本课题将要完成的主要工作如下 : 1） 选取机械手的座标型式和自由度； 2） 确定四自由度搬运机器人驱动系统的类型； 3） 确定四自由度搬运机器人的整体结构设计方案； 4） 设计出机械人的各执行机构； 5） 零部件结构强度计算与校核； 6)绘制机器人的各零部件图，并完成搬运机器人装配图，最后运用三维软件画出实体图； 2 轮胎搬运机器人的总体设计方案 搬运机器人要解决的问题 简而言之轮胎搬运机器人要解决的问题就是用机械手从 搬运机器人一侧 的传送带上抓取轮胎，然后工作台完成绕 Z 轴 180176。 旋转，将轮胎放置在 搬运机器人另一侧的 轮胎硫化机上。 等硫化机进入硫化工作时间后，机器人沿 X 轨道轨道方向，进入下一台硫化机的工作位置，完场轮胎的抓取与放置，依次循环。 完成一台搬运机器人同时为多台硫化机工作。 轮 胎搬运机器人各方向传动方式设计 该设计的目的是为了设计一台轮胎搬运机器人，本章主要对搬运机器人的的运动形式部分进行分析。 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。 各运动部件自由 度的总和为机器人的自由度数。 本次设计的搬运机器人为 4 自由度即：行走装置 X 方向的移动、回转装置绕 R 轴旋转、机械手卡盘 Y 方向的移动、机械手卡盘 Z 方向的移动。 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。 各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下： 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图21(a)所示。 由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度 （ μm级 ）。 但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对 机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。 因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。 直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。 2)圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 21（ b）。 这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。 其工作空间是一个圆柱状的空间。 3)球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和 一个直线运动来实现的，如图21（ c）。 这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。 主要应用于搬运作 业。 其工作空间是一个类球形的空间。 4) 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 21（ d）。 关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。 相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。 此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。 图 21四种机器人坐标 形式 Figure 21 four kinds of robot coordinate form 机器人各方向传动方式的设计 水平和竖直方向直线运动传动方式设计 能够实现直线传动的传动形式有； 液压传动 特点：液压传动传递运动的动力大，运动平稳， 换向冲击小，便于实现频繁换向 ； 在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。 但液压传动中的泄漏和液体的可压缩性，使这种传动无法保证严格的传动比；由于液体粘性大，在流动过程中有较大的能量 损失（泄漏损失、摩擦损失等），因此，传动效率相对低，不适合做远距离传动和控制。 气压传动 特点：以空气为工作介质，来源方便，工作压力较低，用后可直接排入大气而无污染，处理方便，洁净环境；与液压传动相比，气压传动反应快、动作迅速、维护简单、工作介质清洁、管路不易堵塞，不存在工作介质变质、补充和更换等问题；而且成本低，能实现过载保护。 但因空气的可压缩性较大，使系统的动作和工作速度稳定性受负载变化的影响大，运动平稳性较差，不易实现准确的速度(a)直角坐标型 （ b） 圆柱坐标型 （ c） 球坐标型 （ d） 关节型 控制和很高的定位精度；而且气动装置的体积与液压传动相比较大，产生的推力小。 其主要原因是气压系统工作压力低（ ~），不易获得较大的输出力或转矩。 齿轮齿条啮合传动 特点：齿轮齿条传动将旋转运动转变为直线运动，它传递的功率大，速度范围广，效率高，工作可靠，寿命长，机构紧凑，能保证恒定的传动比。 但是，这样的运动也可以反向驱动，也就是齿条作直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传递，如机床导轨底下带动托板箱移动的就是齿轮齿条传动，齿轮齿条机构需要外加锁紧装置，因为之论之痛机构不能自锁，并且齿轮齿条不适用于两轴中心距过大的传动及振动冲击较大的场合。 丝杠螺母传动 特点： 用于距 离较短的高精度定位 ； 电机和滚珠丝杠只用联轴 器 连接，没有间隙。 通过以上，综合考虑，为了使机械手在负载方面有更大的承载能力， x 轴 y轴 z 轴方向均采用液压传动， x 方向选用液压马达， y、 z 方向选用液压缸。 R 方向旋转运动的设计 （ 1） 液压 （气动） 马达 特点：液压马达又称油马达，它是把液压能转变成旋转机械能的一种能量转换装置。 液压马达按输出转矩的大小和转速高低可以分为两类：一类是高速、小转矩液压马达，转速范围一般在 3000r／ min 或更高，转矩在几百牛顿米以下；另一类是低速、大转矩液压马达，转速一 般低于 300r／ min ，转矩为几百至几万牛顿米。 气动马达的原理类同于液压马达，它以压缩空气为动力输出转矩，驱动执行机构作旋转运动。 （ 2） 齿轮传动 特点：功率和速度范围大，通用性强，工作可靠，效率高，对中心距误差的敏感性小，易于制造和精确加工，可进行变为切削和修行。 （ 3） 蜗杆传动 特点：蜗杆传动能实现传动比大，传动平稳，但效率较低，适用于中小功率或间歇运转的场合；当它与齿轮传动同时应用时，若蜗杆传动布置在高速级，使其传递较小的转矩，以减小蜗轮尺寸，节约有色金属，且传动效率较高。 若蜗杆传动布置在低 速级，则齿轮传递转矩较小，而是整个传动装置的尺寸减小。 （ 4） 带传动 特点：带传动靠摩擦力工作，承载能力较小，传递相同转矩时，结构尺寸较其它传动形式大，但传动平稳，能缓冲吸振，应布置在高速级，使所传递的转距 小。 （ 5） 链传动 特点： 链传动由于多边形效应，瞬时传动比不断变化，产生冲击、振动，而使转速不均匀，故不宜用于高速级，应布置在低速级。 通过以上，综合考虑，因为机械爪需要的力矩不是很大，而且摆动只是一个固定角度 90︒ ，所以机械爪选择一个摆动角度 90176。 的摆动气缸。 考虑到工作台负重较大，工作回转台选择液压马 达 本章小结 本章主要内容是对搬运机器人运动形式进行分析，并通过对现在工业生产中常见的各种运动传递方式进行分析与比较，确定了该工业机器人三个方向上的运动的传递方式。 X 轴方向：此方向为导轨方向，在此方向上行走装置要实现相邻硫化搬运机器人工作位置之间的移动，故此方向行走装置承受的载荷很大，所以选择液压传动，驱动轮搭配减速器与液压马达实现 X 轴方向上的移动。 Y 轴方向：此方向为伸缩臂伸缩的方向，工作状态中此方向受力不大，但是为了保持伸缩臂在工作过程中的稳定程度，在此方向上伸缩臂与动臂搭配液压缸一起工作。 Z 轴方向：此方向为机械爪竖直移动的方向，此方向上需要承担的载荷为轮胎的重量、部分机械臂自身的重量和机械爪的重量，所以此方向上选择液压传动，两个液压缸为机械臂竖直方向上的动力。 绕 R 轴方向：此方向为工作台回转的方向，需要有较大的扭矩带动工作台与负重进行 180176。 的回转，故此方向选择液压马达与行星减速器配合。 机械爪的动力选择：机械爪卡盘上的滑块工作需要的动力较小，且轮胎的重量并不是滑块的动力源直接承担。 故机械爪的动力来源为气压传动。 3 轮胎搬运机器人的零部件结构设计 通过上一章对该物料搬运机器人运动形 式部分进行分析，确定了该机器人在三个方向上传递运动的方式，本章就对这三种传递运动方式进行具体的设计。 结构总体设计 搬运机器人由行走装置、回转装置、抓取工作装置、液压装置四部分组成。 下图 31 是对该机器人机械结构的三维立体图。 图 31 搬运机器手机械结构的三维立体图 Figure 31 Handling robot mechanical structure of the threedimensional map 1液压马达 1； 2减速器； 3驱动轮架； 4机械臂配重； 5动臂液压缸； 6中央回 转接头； 7机械臂动臂； 8回转驱动装置 2； 9伸缩臂液压缸； 10伸缩臂； 11机械爪； 12轨道； 13驱动轮； 14车架； 15电机； 16联轴器； 17液压泵； 18液压控制阀； 19液压油箱； 20回转支承装置； 本设计整体思路： 工作台以上部分：轮胎搬运机械手工作装置、动力装置、液压装置等都在工作台上。 工作装置：工作装置由机械臂跟机械爪组成。 7机械臂动臂和 10伸缩臂在9伸缩臂液压缸的作用下可以改变机械臂伸出部分的长度。 9伸缩臂液压缸为机械臂 Y 轴方向的移动提供动力。 5动臂液压缸的作用是 在工作状态中举升机械臂，为机械臂 Z 轴方向的移动提供动力。 4配重的作用是抵消因为机械臂自重而产生的负载，减小 5动臂液压缸的工载荷，提高工作效率。 11机械爪与 10伸缩 臂通过轴连接，工作状态中通过机械爪与轮胎的自重使自身保持竖直。 液压装置： 15电机通过 16联轴器 与 17液压泵连接，与 18液压控制阀、19液压油箱共同组成液压系统。 工作台以下部分：包括行走装置和回转装置。 行走装置： 1液压马达、 2减速器、 13驱动轮 组成行走装置，液压系统为1液压马达提供动力， 1液压马达通过 2减速器驱 动 13驱动轮在 12导轨上沿 X 轴移动。 回转装置：回转装置由 20回转支承装置和 8回转驱动装置组成。 零部件设计 与选择 底盘结构设计 行走机构的基本结构采用两个液压马达，两个液压马达位于两侧的横梁上，与两个减速器配合将动力传输到驱动轮。 图 32底盘机械结构三维立体图 Figure 32 Chassis mechanical structure of threedimensional map 1液压马达； 2减速器； 6中央回转接头； 13驱动轮； 14车架； 20回转支承装置 底盘 包括 车架 和行走机构 , 主要由 14车架 、 1液压 马达及其管路 2减速器 、13驱动轮组成。 其功能为支承 轮胎搬运机器人 的重量， 1液压马达将液压能转化为机械能通过 2减速器 转变为牵引力，实现 搬运机器人 X 轴方向 的行走。 14车架总成为整体焊接件。 采用 X 形结构，其主要优点是具有高的承载能力 . 车架总成由左纵梁、主车架、右纵梁三部分焊接而成。 行走机构由 1液压马达、 2减速器、 13驱动轮组成。 6中央回转接头将液压能从工作台上部传输到底盘的 1液压马达。 1液压马达将液压能转换为机械能，通过 2减速器降低转速将动力传输到驱动轮上，最终将液压能转换为轮胎搬运机器人沿轨道 X 轴方向的移动。 液压马达的选择 液压马达（ hydraulic motor）是将压力能转变成机械能的并对外做功的执行元件。