轮胎搬运机器人设计.docx

轮胎搬运机器人设计.docx

《轮胎搬运机器人设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轮胎搬运机器人设计.docx（49页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

轮胎搬运机器人设计

青岛科技大学

本科毕业设计（论文）

轮胎搬运机器人设计

题目__________________________________

__________________________________

指导教师__________________________

辅导教师__________________________

学生姓名__________________________

学生学号__________________________

_______________________________院（部）____________________________专业________________班

______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；

TIRETRANSPORTROBOETDESIGN

ABSTRACT

Intherecentlargemanufacturingindustry,theindustrialrobotasanimportantmenberofautomaticproductionlinesisgraduallyacceptedandadoptedbytheenterprisesfortheirsakeofimprovingproductionefficiencyandensuringproductquality.Thetechnologylevelandappilicationofindustrialrobotreflectsthelevelofacoutryindustrialautomationinacertainextent.

Thispaperstudiesthedevelopmentofthetireconveyingrobotusedontirevulcanizingmachine.  .And through learning the pricinple of the tire carrying manipulator, we get familiar with the motion mechanism of the conveying robots. 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.

KEYWORDS:

 Transportrobot； strength calculation,；sturcture design；

前言……………………………………………………………………1

1绪论…………………………………………………………………2

1.1搬运机器人概述……………………………………………………2

1.2搬运机械人的应用简况……………………………………………3

1.3搬运机器人的应用意义……………………………………………4

1.4机械手的发展概况与发展趋势……………………………………5

1.4.1机器手发展概况…………………………………5

1.4.2机械手的发展趋势………………………………………6

1.5绘图软件………………………………………………………7

1.6本论文的主要工作………………………………………………8

2轮轮胎搬运机器人的总体设计方案…………………………………9

2.1搬运机器人要解决的……………………………………………9

2.2胎搬运机器人各方向传动方式设计……………………………9

2.2.1自由度和坐标系的选择…………………………………………9

2.2.2机器人各方向传动方式的设计…………………………………10

2.2.2.1水平和竖直方向直线运动传动方式设……………10

2.2.2.2R方向旋转运动的设计………………………………11

2.3本章小结……………………………………………………12

3轮胎搬运机器人的零部件结构设计………………………13

3.1结构总体设计…………………………………………………13

3.2零部件设计…………………………………………………………14

3.2.1底盘…………………………………………………………………………14

3.2.2液压马达……………………………………………………………………15

3.2.3行星齿轮减速器………………………………………………………………16

3.2.4回转支撑装置………………………………………………………………17

3.2.5.回转传动装置………………………………………………………………20

3.2.6中央回转接头………………………………………………………………21

3.2.7机械臂的组成及工作原理…………………………………………………22

3.2.8机械爪的组成及工作原理…………………………………………………23

3.3机械臂强度计算与校核…………………………………26

4液压系统…………………………………………………………29

4.1液压传动的工作原理和组成……………………………………29

4.2液压系统的基本动作分析……………………………………31

4.3液压系统的基本回路分析………………………………………31

4.3.1限压回路……………………………………………………………………31

4.3.2缓冲回路……………………………………………………………………32

4.3.3节流回路……………………………………………………………………33

4.3.4闭锁回路……………………………………………………………………34

5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

。

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

。

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“MechanicalHand”，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

。

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。

图1-1机器人的一般组成

Figure1-1generalcompositionoftherobot

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。

图1-2机器人各组成部分之间的关系

Figure1-2therobotbetweenthevariouscomponents

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

。

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

。

1.3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

。

1.4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。

50～60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。

60～70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（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）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

。

1.4.2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

。

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

。

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

。

1.5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