轮胎搬运机器人设计

青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计 （论 文）题 目 _指导教师 _辅导教师 _学生姓名 _学生学号 _院（部） _专业_班轮胎搬运机器人设计_年 _月 _日轮胎搬运机器人设计摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本文研究了国内外轮胎硫化机用轮胎搬运机器人发展的现状，通过学习轮胎搬运机械手的工作原理，熟悉了搬运机器人的运动机理。在此基础上，确定了四自由度轮胎搬运搬运机器人的基本系统结构，对轮胎搬运搬运机器人的结构进行了简单的强度计算，完成了轮胎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。设计的搬运机器人运用于自动化生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又节约了成本，提高了工作效率。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：搬运机器人；三维模型；结构设计；TIRE TRANSPORT ROBOET DESIGNABSTRACTIn the recent large manufacturing industry, the industrial robot as an important menber of automatic production lines is gradually accepted and adopted by the enterprises for their sake of improving production efficiency and ensuring product quality. The technology level and appilication of industrial robot reflects the level of a coutry industrial automation in a certain extent. This paper studies the development of the tire conveying robot used on tire vulcanizing machine. .And through learning the pricinple of the tire carrying manipulator, we get familiar with the motion mechanism of the conveyingrobots. On this basis, we confirm the basic system structure of four-degree-of-freedom(4-DOF) tire conveying robot, brieftly calculate the strength of its structure, and complete its mechanical designs(including transmission, excution, and driving )and simple 3D entity modeling. .Applying this designed conveying robot to automatic production lines could achieve automated production and reduce manufacturing workers lots of repetitive work, meanwhile save the cost and bring the efficiency. This paper is a comprehensive introduction and conclution on the entire design.KEY WORDS: Transport robot； strength calculation,；sturcture design；目 录前言11 绪论21.1 搬运机器人概述21.2 搬运机械人的应用简况31.3 搬运机器人的应用意义41.4 机械手的发展概况与发展趋势51.4.1 机器手发展概况51.4.2 机械手的发展趋势61.5 绘图软件71.6 本论文的主要工作82 轮轮胎搬运机器人的总体设计方案92.1 搬运机器人要解决的92.2 胎搬运机器人各方向传动方式设计92.2.1 自由度和坐标系的选择92.2.2 机器人各方向传动方式的设计102.2.2.1 水平和竖直方向直线运动传动方式设102.2.2.2 R 方向旋转运动的设计112.3 本章小结123 轮胎搬运机器人的零部件结构设计133.1 结构总体设计133.2 零部件设计143.2.1 底盘143.2.2 液压马达153.2.3 行星齿轮减速器163.2.4 回转支撑装置173.2.5.回转传动装置203.2.6 中央回转接头213.2.7 机械臂的组成及工作原理223.2.8 机械爪的组成及工作原理233.3 机械臂强度计算与校核264 液压系统294.1 液压传动的工作原理和组成 294.2 液压系统的基本动作分析314.3 液压系统的基本回路分析314.3.1 限压回路314.3.2 缓冲回路324.3.3 节流回路334.3.4 闭锁回路345 总结35参考文献36致谢38前言搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。本文中研究的搬运机器人也是一种机械手，是一种专门与轮胎硫化机相配合的机械手。通过研究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。在轮胎硫化机硫化一次轮胎的总工作时间中绝大部分时间是在进行硫化这个流程，而轮胎搬运机械手的工作时间极短，这就导致了轮胎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。因为本设计中各方向上轮胎搬运机器人伸缩臂的工作范围很大，机械臂有很大的举升范围，回转支承装置采用全回转式，所以从机械结构方面来说本设计中的搬运机器人既是一种专用机器人，也可以作为通用机器人完成其他的工作。因为本文偏重轮胎搬运机器人机械结构方面的设计，所以在 PLC 控制系统、液压系统等方面没有进行很深入的研究。1 绪论1.1 搬运机器人概述搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手 1。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用 。1机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator） 。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的 。2机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成 ，如图 1-1 所示。3执行 机构机器人控 制系统驱动 - 传动系统手部腕部臂部腰部基座部（ 固定或移动）电 、液或气 驱 动 装置单关节 伺服控制器关节协调及 其它信息交换计 算机图 1-1 机器人的一般组成Figure 1-1 general composition of the robot对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约 。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。4位 形检测控 制系统 （ 二）驱动传动装置执行机构工作对象智 能系统控 制系统（ 一 ）图 1-2 机器人各组成部分之间的关系Figure 1-2 the robot between the various components机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。1.2 搬运机械人的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线 。5国内外机械工业机搬运械手主要应用于以下几方面：1）热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2）冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3）拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素 。61.3 搬运机器人的应用意义在机械工业中，搬运机器人的应用意义可以概括如下：1）可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3）可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械人代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机器人是发展机械工业的必然趋势 。71.4 机械手的发展概况与发展趋势专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。1.4.1 机器手发展概况早在 40 年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。6070 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90 年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90 年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力 。81.4.2 机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元 。9在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作 。10触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年，全世界约有 50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态 。11.5 绘图软件工程中所用的绘图软件有许多，如AUTOCAD、SOLIDWORKS、PRO/E、UG、CATIA 、CAXA、MASTERCAM等，每个软件都有自己的侧重点，在二维绘图应用中，AUTOCAD 应用最为广泛，最适合出二维工程图，而像三维绘图软件 SOLIDWOKS、PRO/E 等虽说可以从三维生成二维工程图，但因为它把二维只是作为一个辅助项目，因而它缺少很多应有的标准等其它项目，有些还没有国标库；但随着工业化速度的加快，三维实体必然是一个趋势，人们最先想看到的是根据自己的想法做出来的会是一种什么结果，即所想即所看，而不是必须要实际做出来才能看到；三维设计软件中 SOLIDWORKS 做的很简单化。所谓简单化，是指很容易使人上手，一般工程设计它已足够，PRO/E 可能听的比较多了，但会的人不很多，它不像SOLIDWORKS 那样很容易让人上手，但它设计功能绝对是一流的，特别是曲面设计，做的很好；UG 与 MATERCAM 都是与实际加工相关联的，它们的设计功能并不很强大，一般小的模具厂都会选用 UG 而一般不用 PRO/E，因为PRO/E 设计的的确很漂亮，但要把它与实际生产结合，它就不像 UG 那样方便，如可以直接生成数控代码等。在本次轮胎搬运机器人结构设计中，用到了 AUTOCAD、SOLIDWORKS等绘图软件，因为是作为一般的工程设计，这些软件已经足够满足要求了，并且 SW2012 功能也很强大，它主要有如下一些功能 3：1参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2 基于特征建模Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3 单一数据库（全相关）Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC （数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特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。1.6 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2.1 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 180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。2.2 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。2.2.1 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2-1(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（m 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 2-1（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 2-1（ 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 2-1（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 2-1 四种机器人坐标形式Figure 2-1 four kinds of robot coordinate form2.2.2 机器人各方向传动方式的设计2.2.2.1 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(a)直角坐标型（ b）圆柱坐标型（ c）球坐标型（ d）关节型特点：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（0.50.8MPa），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。2.2.2.2 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 3000rmin 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 300rmin ，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 90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2.3 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 180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。3.1 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 3-1 是对该机器人机械结构的三维立体图。图 3-1 搬运机器手机械结构的三维立体图Figure 3-1 Handling robot mechanical structure of the three-dimensional map1-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。3.2 零部件设计与选择3.2.1 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 3-2 底盘机械结构三维立体图Figure 3-2 Chassis mechanical structure of three-dimensional map1-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。3.2.2 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。分类：（1）达按其结构分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其他型式。（2）马达的额定转速分为高速和低速两类，额定转速高于 5000r/min 的属于高速液压马达，额定转速低于 500r/min 的属于低速液压马达。 图 3-3 液压马达三维立体图Figure 3-3 hydraulic motor three-dimensional map液压马达工作原理（1）叶片式液压马达由于压力有作用，受力不平衡使转子产生转矩。叶片式液压马达的输出转矩与液压马达的排量和液压马达进出油口之间的压力差有关，其转速由输入液压马达的流量大小来决定。由于液压马达一般都要求能正反转，所以叶片式液压马达的叶片要径向放置。为了使叶片根部始终通有压力油，在回、压油腔通人叶片根部的通路上应设置单向阀，为了确保叶片式液压马达在压力油通人后能正常启动，必须使叶片顶部和定子内表面紧密接触，以保证良好的密封，因此在叶片根部应设置预紧弹簧。叶片式液压马达体积小、转动惯量小、动作灵敏、可适用于换向频率较高的场合；但泄漏量较大、低速工作时不稳定。因此叶片式液压马达一般用于转速高、转矩小和动作要求灵敏的场合。(2)径向柱塞式液压马达工作原理，当压力油经固定的配油轴 4 的窗口进入缸体内柱塞的底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子的内壁，由于定子与缸体存在一偏心距。在柱塞与定子接触处，定子对柱塞的反作用力为。力可分解为和两个分力。当作用在柱塞底部的油液压力为，柱塞直径为，力和之间的夹角为 X 时，力对缸体产生一转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。（3）轴向柱塞马达轴向柱塞泵除阀式配流外，其它形式原则上都可以作为液压马达用，即轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是可逆的。轴向柱塞马达的工作原理为，配油盘和斜盘固定不动，马达轴与缸体相连接一起旋转。当压力油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时，柱塞在压力油作用下外伸，紧贴斜盘斜盘对柱塞产生一个法向反力，此力可分解为轴向分力及和垂直分力 Q。Q 与柱塞上液压力相平衡，而 Q 则使柱塞对缸体中心产生一个转矩，带动马达轴逆时针方向旋转。轴向柱塞马达产生的瞬时总转矩是脉动的。若改变马达压力油输入方向，则马达轴按顺时针方向旋转。斜盘倾角的改变、即排量的变化，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转 向。斜盘倾角越大，产生转矩越大，转速越低。（4）齿轮液压马达在结构上为了适应正反转要求，进出油口相等、具有对称性、有单独外泄油口将轴承部分的泄漏油引出壳体外；为了减少启动摩擦力矩，采用滚动轴承；为了减少转矩脉动齿轮液压马达的齿数比泵的齿数要多。类液压马达的适用工况与应用范围图 3-4 类液压马达的适用工况与应用范围Figure 3-4 class hydraulic motor and application of the applicable range of operating conditions液压马达的选取：粗略估计本设计中的机器人总重在一吨左右，行走系统单次运动的距离不超过 2M，在行走距离精度上有较高要求，行走速度较低，结合工作环境、成本、总效率等综合考虑选择双作用叶片式液压马达。因叶片式液压马达最低转速较所需转速高，需要搭配减速器作为驱动轮的驱动装置。3.2.3 行星齿轮减速器行星齿轮减速机主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外齿圈。行星减速机因为结构原因，单级减速最小为 3，最大一般不超过 10，常见减速比为：3.4.5.6.8.10，减速机级数一般不超过 3，但有部分大减速比定制减速机有 4 级减速。相对其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到 1 分以内)、高传动效率(单级在 97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。为了配合双作用叶片式液压马达，选择传动比 i=10 的行星齿轮减速器。图 3-5 行星减速器三维立体图Figure 3-5 planetary gear three-dimensional map3.2.4 回转支撑装置回转装置有转台、回转支撑和回转驱动机构组成，回转装置的外座圈用螺栓与转台连接，带齿的内座圈与底架用螺栓连接，内外圈之间设有滚动体工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷、和倾覆力矩通过回转支撑的外座圈、滚动体和內座转传给底架。回转机构的壳体固定在转台上，用小齿轮与回转支撑内座圈上的齿圈相啮合.小齿轮可绕自身轴线旋转，又可绕转台中心线公转，当回传机构工作时就像对底架进行回转。回转装置必需能把转台支承在固定部分（下车）上。不能倾翻倒，并应使回转轻便灵活。为此，设置了回转支承装置（起支承作用）和回转传动装置（驱动转台回转） ，并统称为回转装置。图 3-6 回转支承装置Figure 3-6 slewing device1转柱式回转支承摆动式液压马达驱动的转柱式支承如图 3-7 所示。回转支承又称转盘轴承，是机械的两个部分之间需要相对回转又同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩的的传力基础元件，其基本功能是进行传力和传动，实现机械设备两个部分之间的相对回转。一般情况下，回转支承自身带有安装孔、润滑孔和密封装置，具有结构紧凑、安装与维护容易等特点，可以满足各种机械回转机构不同回转工况的要求。它由固定在回转体 1 上的上、下支承轴 4 和 6，上、下轴座 3 和 7 组成。轴承座用螺栓固定在机架 5 上。回转体与支承轴组成转柱，插入轴承座的轴承中。外壳固定在机架 5 上的摆动液压缸输出轴插入下支承轴 6 内，驱动回转体相对于机架转动。回转体常做“匚”形，以避免与回转机构碰撞。工作装置铰接在回转体上，与回转体一起回转。图 3-7 转柱式回转支承Figure 3-7turn pillar slewing1-回转体；2- 摆动液压缸；3-上轴承座；4- 上支撑轴；5-机架；6-下支撑轴；7-下轴承座2滚动轴承式回转支承滚动轴承式回转支承实际上就是一个大直径的滚动轴承。它与普通轴承的最大区别是它的转速很慢。此外，一般轴承滚道中心直径和高度比为 45，而回转支承则达 1015。所以，这种轴承的刚度较差，工作中要靠支承连接结构来保证。滚动轴承式回转支承的典型构造如图 3-3 所示。内座圈或外座圈可加工成内齿圈或外齿圈。带齿圈的座圈为固定圈，用沿圆周分布的螺栓 4、5 固定在底座上。不带齿的座圈为回转圈，用螺栓与转台连接。装配时可先把座圈 1、3 和滚动体 8 装好，形成一个完整的部件，然后再与底盘组装。为保证转动灵活防止受热膨胀后产生卡死现象，回转支承应留有一定的轴向间隙。此间隙因加工误差和滚道与滚动体的磨损而变化。所以在两座圈之间设有调整垫片 2，装配和修理时可以调整间隙。隔离体 7 用来防止相邻滚动体 8 间的挤压，减少滚动体的磨