雷海波，王時敏

(山河智能裝備有限公司，湖南 長沙 410000)

隨著世界“工業(yè)4.0”及“中國智造2025”戰(zhàn)略的升級，各大輪胎廠都將如何提高生產線自動化程度作為未來工作的重中之重。輪胎硫化機作為輪胎工業(yè)生產中最重要的工藝設備之一，其自動化程度直接影響輪胎廠生產線的自動化水平，而其裝胎機械手的先進性、穩(wěn)定性及自動化水平則是制約輪胎硫化機自動化水平的關鍵因素。郭良剛等為了提高裝胎機械手的精度，開發(fā)了電動變頻機械手[1]。旺明等對硫化機機械手結構進行了改進，采用電動擺臺調整機械爪，提高重復對中精度及自動化水平[2]。

輪胎硫化機裝胎機械手停止轉動時因慣性存在一定的振動，嚴重影響效率及抓胎爪片的對中精度。而關于裝胎機械手振動控制方面鮮有研究。本工作主要從理論上研究裝胎機械手上氣缸安裝位置、緩沖機構對振動控制的影響，同時結合實際生產，驗證理論分析的正確性。

1 裝胎機械手簡介

以某型號輪胎定型硫化機為研究對象，輪胎硫化機裝胎機械手示意圖見圖1所示，主要包括機械爪、轉進轉出氣缸、機械臂、升降支架等。其功能為把輪胎生坯抓起，然后轉到與輪胎硫化機中心機構同軸位置，將生胎套入硫化膠囊中，并且能在生胎定型過程中起定位導向作用[3]。

輪胎硫化機裝胎機械手轉進轉出用氣缸缸徑d1為80 mm，氣體壓力P為0.7 MPa，活塞桿直徑d2為25 mm，則活塞桿伸出時氣缸提供的推力F及活塞桿縮回時氣缸提供的推力F′分別為：

圖1 輪胎硫化機裝胎機械手示意圖

2 裝胎機械手振動控制分析

輪胎硫化機裝胎機械手振動影響因素較多，主要包括氣缸減震設計及選型、限位及緩沖機構設計、氣缸與機械臂安裝角度等。由于氣缸已定型，故本研究主要從氣缸安裝位置、緩沖機構方面進行分析。

2.1 氣缸安裝位置對振動控制影響

圖2為優(yōu)化的氣缸安裝位置與轉臂受力關系示意圖，當氣缸支點在轉臂起點和轉臂終點連線延長線上時，氣缸在起點位置和終點位置提供給轉臂的力相等，且最大，以保證機械手轉動時具有足夠的起始推力。整個行程中其他位置氣缸提供的力均大于起點和終點位置。

回程時氣缸提供的起始和最終推力F2為 :

圖2 氣缸安裝位置與轉臂受力關系示意圖

假設機械手質量m為350 kg（包括輪胎），轉臂行程為θ=94°，轉臂從起點到終點需要時間t1=3 s，則轉臂平均角速度ω為：

轉臂從靜止達到角速度ω所需時間t2為0.5 s，機械爪重心到轉動支點距離r=0.8 m，轉臂l=0.26 m（根據氣缸行程380 mm計算得），轉動軸承摩擦力產生力矩忽略不計，計算得機械手轉動所需最小推力Fmin為：

根據前面計算，80 mm缸徑氣缸去程及回程時氣缸提供的垂直轉臂的最小推力F1=2 399 N 、F2=2 164 N，均大于機械手轉動所需最小推力1 421.6 N，滿足使用要求。

2.2 緩沖機構對機械手振動控制影響

裝胎機械手使用的緩沖形式可以概括為3類：擺動式緩沖機構、拉桿式單緩沖機構以及拉桿式雙緩沖機構。擺動式緩沖機構因碰撞瞬間作用力很大，使用壽命較短；拉桿式單緩沖機構的拉桿在轉出位時受拉力，在轉入位時受推力，2個緩沖器在滑塊上必須反向安裝，而且是獨立工作，這樣滑塊只有一邊受力，對滑塊的軸以及拉桿都會產生額外的扭矩，影響結構的穩(wěn)定性和使用壽命。拉桿式雙緩沖機構的拉桿在轉出位和轉入位都受拉力，2個緩沖器在滑塊上同向對稱安裝，同時工作，使滑塊受力對稱，不會產生額外的扭矩，滑塊的軸以及拉桿的受力情況都會遠遠優(yōu)于拉桿式單緩沖結構。

圖3為優(yōu)化的拉桿式雙緩沖機構原理圖，當緩沖器拉桿支點移到轉臂運動軌跡的外面，且拉桿上力的方向與旋轉速度的方向共線并相反時，拉桿上的力可以全部用作有效力（機械手的緩沖、減速），此時拉桿、旋轉軸、緩沖器等受力是最優(yōu)、最小的，2個緩沖器同時吸能，可以選用較小型號的緩沖器。圖4為優(yōu)化的拉桿式雙緩沖機構三維模型。

圖3 拉桿式雙緩沖機構原理圖

圖4 拉桿式雙緩沖三維軸側視圖

氣缸提供的垂直作用力F1=2 399 N，機械爪重心到轉動支點距離r=800 mm，角速度ω=0.55 rad/s，假設緩沖器行程s=16 mm，則轉動動能Ek為：

作用在緩沖器上的力f為：

做功能量Ew為：

機械手總能量E總為：

同時使用2個緩沖器，則單個緩沖器需要吸收的能量E單為 ：

設計所選緩沖器最大單次吸收能量必須大于計算的E單值，一般取安全系數1.2，建議選用韓國KOBA的KMA20-16LV型號緩沖器（Etmax=61 N.m）或其他品牌Etmax大于54 N.m的緩沖器。

3 結果驗證

根據上述理論分析結果，對該型號輪胎硫化機機械手進行設計優(yōu)化，在其他結構不變的前提下，將氣缸支點設計在轉臂起點和轉臂終點連線延長線上，并設計新的拉桿式雙緩沖機構，確保拉桿上力的方向與旋轉速度的方向共線并相反，試制一套裝胎機械手并投入試用，發(fā)現優(yōu)化后的機械手振幅很小，較原機械手有很大改進，得到客戶的高度認可。

4 結論

當氣缸支點在轉臂起點和轉臂終點連線延長線上時，氣缸在起點位置和終點位置提供給轉臂的力相等，且最大，以保證機械手轉動時具有足夠的起始推力。

當緩沖器拉桿支點移到轉臂運動軌跡的外面，且拉桿上力的方向與旋轉速度的方向共線并相反時，拉桿上的力可以全部用作有效力，緩沖效果最好。

[1] 郭良剛，張曉琳，宋瑞華，等．機械雙模硫化機電動變頻機械手的研制開發(fā)[J]．橡塑技術與裝備，2016(42):37～38．

[2] 汪明，李新勝，王鵬．數字化調整在硫化機機械手上的應用[J]．橡塑技術與裝備，2014(40):35～37．

[3] 呂柏源，洛少寧，何月梅，等．橡膠機械(上冊)[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2014:1 021．