长春师范大学学报Journal of Changchun Normal University 2021年2月
Feb.2021
第40卷第2期
Vol.40No.2
张志豪，蒋东霖
(长春师范大学工程学院，吉林长春130032)
［摘要］轮胎自动装配机械手结构设计是针对汽车轮胎搬运、螺栓拧紧的机械结构设计。该设计
包含三部分，分别为螺栓拧紧部分、拧紧机轴前进部分、机械爪抓取部分。三个部分协调配合，在生
产线上将轮胎由一条生产线搬运至另外一条生产线，同时在第二条生产线上将轮胎装配到汽车上，
完成对汽车轮胎的自动装配。轮胎自动装配机械手避免了在汽车轮胎的装配过程中采用人工方式
进行装配产生的诸多弊端，同时能够让汽车的生产满足自动化装配需求，打造未来自动化工厂。
［关键词］汽车轮胎；装配；机械手；结构设计
［中图分类号］TH112［文献标志码］A［文章编号］2095-7602(2021)02-0187-05
1研究背景
在当今社会中，汽车已经成为人们必不可少的交通工具之一。我国汽车行业起步于20世纪50年代，经过多年努力，在技术上有了突飞猛进的发展。汽车装配对汽车的性能、质量等有重要影响，但我国很多汽车配套装配设备仍依赖进口，从国内市场来看，多数汽车生产厂家在安装轮胎时不用自动化装配，而由工人先将轮胎送至汽车旁，然后移送至汽车轮胎安装处，最后手工将轮胎拧紧［1］o汽车轮胎装配时，人工搬运导致的工人劳动强度大、生产效率低、损伤轮毂、轮胎安全系数降低等问题亟待解决。对国内外轮胎装配机械手的研究发现，关于汽车轮胎自动装配机械手系统的技术文献资料较少，关于夹具的设计资料在国内外现有文献中均未到［2］o
2总体设计结构及方案
轮胎自动装配机械手的三维模型如图1所示。轮胎自动装配机械手结构分为三部分，分别为螺栓拧紧机构、拧紧机轴前进机构、机械爪抓取机构。螺栓拧紧机构由伺服电机、三级行星减速器、扭矩传感器、
弹簧、拧紧轴、输出轴、花键联轴器等组成，伺服电机将输出的电机通过精密三级行星减速器、花键联轴器将输出转矩传递给输出轴，完成螺栓的拧紧。为解决拧紧机拧紧轴和汽车螺栓在初接触时产生碰撞、造成汽车螺栓和拧紧轴损坏的问题，在联轴器的输出轴和拧紧机的拧紧轴之间加入弹簧，弹簧保持压缩状态。拧紧机轴前进机构由主螺杆、太阳螺杆、行星螺杆、齿轮组成。主螺杆旋转带动行星螺杆绕轴转动，行星螺杆两侧装配齿轮。主螺杆的旋转转换为太阳螺杆沿直线完成轴向前进。螺栓拧紧机构和拧紧轴前进机构二者相互配合，完成汽车轮胎的拧紧工作。机械爪抓取机构由机械爪、气缸、气缸固定盘等组成，气缸固定盘位于轮胎自动装配机械手的外壳上，在气缸固定盘上放置气缸，气缸和机械爪通过气缸连接件连接，同时机械爪的一端与轮胎自动装配机械手的外壳连接。
［收稿日期］2020-11-07
［基金项目］国家级大学生创新创业训练计划项目“汽车轮胎自动装配机械手”(G20201020504)。
［作者简介］张志豪，男，长春师范大学工程学院学生，从事机械工程研究。
［指导教师］蒋东霖，男，副教授，高级工程师，硕士生导师，从事现代机械设计方法及理论研究。
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3设计原理
在汽车总装车间内，汽车传送带将汽车整车运送
至轮胎安装处，轮胎传送带将轮胎由轮胎仓库运送到
轮胎自动装配机械手抓取区域。轮胎自动装配机械
手开始工作时，机械臂首先调整位置，将轮胎自动装
配机械手垂直于地面，且机械爪位于轮胎轮毂凹槽
处，气缸的缸筒开始充气，带动气缸的活塞直线移动。
由于气缸活塞和机械爪铆接，机械爪和轮胎自动装配
机械手外壳铆接，活塞的直线运动转变为机械爪的定
轴转动。机械爪抓取轮胎，机械臂调整位置，将轮胎
移动至汽车需要装配的区域。螺栓拧紧机构和拧紧
轴前进机构配合工作。螺栓拧紧机构首先开始工作,
松下伺服电机通电以每分钟3000转的速度开始旋 转，电机输出轴和精密行星减速器通过联轴器连接, 1—拧紧机轴前进机构；2—螺栓拧紧部；3—机械爪抓取部分.图1轮胎自动装配机械手三维模型图精密行星减速采用传动比分别为5、5、3的三级减速，行星减速承载能力高，运转平稳可靠，同时输出扭矩大、 效率高。三级行星减速器连接扭矩传感器，检测输出扭矩的大小，同时反馈给伺服电机进行转速调整。行星 减速器的输出轴和拧紧机的拧紧通过花键联轴器连接，花键联轴器能够传递较大的扭矩，同时便于拆卸。花 键联轴器的末端与拧紧机拧紧轴之间设置压缩弹簧，以防止拧紧轴在与螺栓初接触时产生碰撞、损伤汽车转 向轴的配件。开始旋转拧紧后，拧紧机轴前进机构开始运动，行星滚柱螺杆的伺服电机通电开始运动，伺服电 机和主螺杆之间通过梅花联轴器连接。在梅花联轴的带动下，主螺杆开始旋转，主螺杆的旋转带动行星螺杆 绕主螺杆转动，行星螺杆的转动带动太阳螺杆沿轴线直线运动。拧紧轴前进机构沿轴线前进，拧紧机围拧紧 轴旋转，汽车轮胎的固定螺栓开始旋转并且前进，将轮胎安装在汽车上，完成汽车轮胎的自动装配［3］o 4. 1. 1伺服电机
伺服电机是拧紧机构的动力装置元件，设定参数，最大拧紧扭矩T = 150 N ・m，拧紧转速n 二40 rad/min ； P =9 55T n 000 =159 551f0(^)40 =0.628 5 kW 。根据功率选择电动机型号，采用松下A5系列伺服电机规格如 表 1 所示。
4结构设计
轮胎自动装配机械手由螺栓拧紧部分、拧紧机轴前进部分、机械爪抓取部分三部分构成。
4. 1 螺栓拧紧装置设计
螺栓拧紧机构是轮胎自动装配机械手的主要组成部分，主要由伺服电机、三级行星齿轮减速器、扭矩传感 器、拧紧机外壳、弹簧、花键联轴器、花键轴等组成。其二维图如图2所示，拧紧机末端剖视如图3所示［4］。1—三级行星减速器;2—螺栓；3—伺服电机；4—螺栓；5—拧紧轴；6—拧紧套；7—螺母；8—导向套；9—螺栓；10—扭矩传感器.图2螺栓拧紧装置二维图1—花键联轴器;2—拧紧机外壳;3—轴承；4—弹簧；5—花键轴；6—挡片.
图3拧紧机末端剖视
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表1松下伺服电机规格
型号
输岀功率/kW 额定转速/ ( rad • min 一1 )最高转速/ ( rad • min 一1 )编码器规格电源电压/V 有无制动器MSMD082G1B 0. 753 000
4 50020 b 增量式200有4.1.2三级行星减速器
在伺服电机和输出轴之间采用三级行星减速器，其二维工程图如图4所示。行星减速器作为一个用途广 泛的减速设备，其精密程度高，一般用来降低转速增大扭矩和降低负载电机的转动惯量比。行星减速器具有 体积小、重量轻、承载能力高、输出扭矩大、速比大、效率高、性能安全等特点，因此在拧紧机构中采用三级行星 减速[5] 。
根据行星轮系传动比和齿数的关系，得到
z 35 =1+ z 1 -(1)
根据标准齿轮的关系，得到
TT ；=(厂3 -厂；)/2.(2)
采用标准齿轮， 则满足z ； = (z 3 - Z [ ) /2.
(3)在行星轮系中，一般安装两个以上的行星轮，用来分担载荷和平衡行星轮在运转中产生的离心力。为了行星轮不至于碰撞，需要满足邻接条件。设行星轮的轮数为k，行星轮齿顶圆的半径为r a ，则根据邻接条件，应满足
2厂 < 2asin 字.」 k (4)
采用标准齿轮， 则有
1需=；叫+皿；-
(5)a =；肌(Z [ + z ；).(6)
整理得到
z [sin y - 2 k
1 - sin k
行星轮数还要满足安装条件，即要将所有的行星轮能均匀地安装进去。知行星轮系的安装条件为：单排 负号机构中两中心轮的齿数之和应是行星轮数的整数倍。
因为k = 3，所以z/3为整数，取Z ] = 18，则z ； =27 ,z 3 =72。
同理，在传动比为3的行星减速器中，取Z 1 =36，则z ； =18宀=72o
在三级行星减速器与伺服电机输出轴之间配以双螺栓联轴器。联轴器的前端链接三级行星减速器第一
z 〔 + z 3 = nk.(8)
在传动比为5的行星减速器中，已知i，孑=5，行星轮数k =3o
传动条件:
z 3% = 1 + — =5.z 】(9)
同心条件:
z ； = ( z 3 - ) /2.(10)
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汽车螺丝级的太阳轮，太阳轮和行星轮通过行星架啮合。双螺
栓联轴器末端和伺服电机输出轴通过螺栓和螺母的相
互配合连接。
4.1.3扭矩传感器的设计
扭矩传感器对旋转机械部件进行力矩感知的检
测，将扭矩的物理信号变为精确的电信号。基于计算
的扭矩选择Scame 系列扭矩传感器扭矩测量范围为
100 ~200 N ・m 。
4.1.4花键联轴器以及花键轴的设计
在三级行星减速器与输出轴之间的连接中采用花
键联轴器连接。花键联轴器的一段设有键槽，一段没
有键槽，在没有键槽的一段设有与花键轴啮合的齿槽。
花键联轴器的齿槽沿着轴向分布，与花键轴进行无缝
隙啮合。花键连接具有定心精度高、定心稳定性好、同
时传递扭矩大的特点。同时，花键联轴器和花键轴单 1—螺栓;2—螺栓；3—轴器；4-----级齿轮;5—二级齿轮;6—三级齿轮；7—输出轴. 图4三级行星减速器独设计，花键轴可以从联轴器内方便取出。花键轴作为拧紧机的输出轴，具备多齿工作、承载能力高、对中性 好、导向性好、应力集中小等优点，因此选择花键轴作为连接拧紧头的输出轴。
4. 2 拧紧轴前进装置设计
拧紧机轴前进部分由松下低转速大转矩伺服电机、梅花联轴器、主螺杆、行星螺杆、内螺纹圈、齿轮、内齿 圈等组成。低转速大转矩的伺服电机通过梅花联轴器将力矩传送给主螺杆，主螺杆与行星螺杆的配合使内螺 纹圈进行前后移动，同时带动拧紧机沿轴向移动。
4. 2. 1行星滚柱丝杠伺服电机
行星滚柱丝杠伺服电机选用松下伺服电机MGME 系列，MGME 适用于低速大转矩的场合，用作机械手, 可搬运大型设备。MGME 系列额定转速为1 000 rad ・min -1，最高转速为2 000 rad ・min -1。
4.2.2太阳螺杆设计以及行星螺杆的设计
根据丝杠传动大尺寸的机构连接，选取梯形螺纹。查梯形螺纹GB/T 5796. 1 ~4 -2005牙型角a 为30° 的梯形螺纹，牙型高度为0.5 P （单位为mm ），螺纹副的小径和大径处有相等的间隙，与矩形螺纹相比，其效率 略低，但工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好。根据行星杆的外形尺寸以及整体行星滚柱螺杆的尺寸，设 计整体的行星螺杆为①19 mm，长度为150 mm 。为了使行星螺杆与主螺杆配合，选取的行星螺杆的螺纹与主 螺纹相同，采用螺距P =6 mm 、/ = h 3 =3.5 口皿、昭 =0.25 mm^max =0.5 mm 的梯形螺纹⑹。4. 3 抓取设计机构
机械手采用气缸加持，安装方便，不考虑公差、配合关系等，使结构紧凑化，同时速度、力量可以调节。机 械手采用多爪设计，且多爪之间相互独立，每个机械爪可以单独拆分、安装，实现不同轮胎中不同轮毂孔的安 装，使机械手可以进行多种轮胎的抓取。
4. 3. 1 气缸的选型
机械手的抓取过程主要依赖气缸的活塞运动。选用费斯托标准气缸，活塞直径为32 mm，行程为60 mm, 气缸连接处的螺纹为M10 x 1.25，扳手开口宽度为16 mm 。费斯托气缸包括活塞，重量共0. 627 kg 。4. 3. 2 机械爪连杆连接设计
机械手的抓取依据连杆设计，其机构简图如图5所示。各结构之间通过铆钉连接。轮胎需要抓取时，气 缸开始充气，气缸2带动活塞3沿气缸轴向方向进行直线运动，活塞3直线运动带动机械爪D 绕B 做定轴转 动， 机械爪定轴转动， 开始对轮胎轮毂处进行抓取。
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1—轮胎自动装配机械手外壳；
；—费斯托气缸;3—活塞;4—机械爪.
图5机械爪连杆设计 图6机械爪总布置图
4.3.3机械爪安装布置
为保证轮胎自动装配机器人适用于多种轮毂的夹取，查询现存的所有轮毂，发现轮毂的轮毂孔大多数为 三孔、四孔、五孔、六孔、八孔。在机械爪的抓取过程中，采用对称抓取。机械爪的摆放遵循图6所示位置。
机械爪抓取部分由10个机械爪构成，可独立拆卸,10个机械爪可任意拆分变为3爪、4爪、5爪。机械爪 通过气缸带动连杆机构，使机械爪完成对轮胎的夹取。在进行三孔、六孔乃至九孔的夹取时，机械爪10、3、7 保留，其他机械爪去除；在进行四孔、八孔乃至需要两孔对称的夹取时，机械爪2、8、5、10保留；在进行五孔以 及十孔的夹取时，机械爪1、4、6、9、10保留。
5结语
轮胎自动装配机械手解决了汽车轮胎装配工厂中人工搬运轮胎、人工安装造成的工人劳动强度大、生产 效率较低、损伤轮毂、轮胎安全系数降低等问题。轮胎自动装配机械手能够完整地完成轮胎装配过程，节约大 量的人力、物力。轮胎自动装配机械手采用螺栓连接，各机械结构易于拆卸和更换。随着智能化工厂的普及 以及汽车需求量的增加，汽车的装配车间将会越来越智能化、自动化，轮胎装配问题将成为今后的研究热点。［参考文献］
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(1):14-16.
Structure Design of Automatic Tire Assembly Manipulator
ZHANG Zhi - hao, JIANG Dong - lin
(School of Engineering , Changchun Normal University , Changchun 130032, China)
Abstract : The structure design of tire automatic assembly manipulator is aimed at the mechanical structure design of vehicle tire handling and bolt tightening. The design includes thr
ee parts , which are the bolt tightening part , the forward part of tightening shaft and the me chanical claw grasping part. The three parts coordinate to transport the tire from one production line to another in the production line , and assemble the tire to the car in the second production line to complete the automatic assembly of the car tire. Tire automatic assembly manipulator avoids many disadvantages of manual assembly in the assembly process of automobile tire , and can make the automobile pro duction meet the requirements of automatic assembly , and build the future automatic chemical plant.
Key words : automobile tire ； assembly ； manipulator ； structure design
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