半鋼輪胎定型硫化機(jī)變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

滕輝，孫明，孫賀，張成龍，冷于浩，張瑞華

(青島海爾工業(yè)智能研究院有限公司，山東 青島 266400)

輪胎定型硫化機(jī)作為輪胎生產(chǎn)硫化工藝中的重要設(shè)備，對輪胎的動平衡、均勻性、外觀質(zhì)量等性能起著重要作用。隨著我國汽車工業(yè)和輪胎工業(yè)的發(fā)展，對輪胎動平衡、均勻性提出越來越高的要求，硫化機(jī)的工作精度越來越被人們所重視，特別是機(jī)械式雙模硫化機(jī)抓胎裝置的爪盤中心與卡盤中心的同軸度（±0.5 mm）及抓胎裝置爪盤中心與中心機(jī)構(gòu)的同軸度（±0.5 mm）及其重復(fù)精度（±0.3 mm）低，左右抓胎裝置同步性差，自動化程度低，嚴(yán)重影響硫化輪胎的質(zhì)量及工作效率。輪胎定型硫化機(jī)機(jī)械手通過將生胎從存胎器提起送至下模上定位，定型硫化，其對硫化生產(chǎn)的生產(chǎn)效率和輪胎對中性具有重要影響。

半鋼硫化機(jī)變頻機(jī)械手在東風(fēng)升級改造硫化機(jī)項(xiàng)目中初始借鑒全鋼變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)，但由于半鋼機(jī)械式硫化機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，中心距及空間較小，變頻機(jī)械手采用原來全鋼形式在輕量化設(shè)計后仍難以滿足協(xié)議要求及生產(chǎn)需要（轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出絲杠形式占用空間大，爪盤可調(diào)范圍?。?，且存在生產(chǎn)聲音較大，重復(fù)定中精度較低，最終決定進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，由此本文提出一種新型電動變頻控制的輕量化裝胎機(jī)械手。

1 全鋼輪胎定型硫化機(jī)現(xiàn)有變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)

全鋼輪胎定型硫化機(jī)現(xiàn)有變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示，全部采用電機(jī)驅(qū)動，通過配置接近開關(guān)信號，利用變頻器進(jìn)行速度的控制，可達(dá)到位置的準(zhǔn)確控制。電動抓胎裝置與中心機(jī)構(gòu)的對中度精確，無需人工進(jìn)行精確調(diào)整，只需進(jìn)行接近開關(guān)位置的調(diào)整，降低了工人勞動強(qiáng)度。升降采用帶有抱閘的渦輪蝸桿減速機(jī)帶動滾珠絲杠傳動，絲杠螺母固定在升降架夾上，以實(shí)現(xiàn)升降架的升降運(yùn)動，升降運(yùn)行平穩(wěn)，能準(zhǔn)確進(jìn)行準(zhǔn)停。抓胎裝置轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出采用帶有抱閘的減速機(jī)帶動滾珠絲杠傳動，絲杠螺母固定在轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出支臂上，通過絲杠上的接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的啟停，以實(shí)現(xiàn)支臂的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出動作。爪張閉采用雙行程氣缸，以適應(yīng)不同規(guī)格的變化。為防止?jié)L珠絲杠螺母脫離絲杠，導(dǎo)致急速下降，造成安全事故，特設(shè)計所述安全抱閘裝置。如電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)較大變動時，通過檢測電機(jī)電壓信號、電流信號，開啟安全抱閘裝置，對升降架進(jìn)行強(qiáng)制抱閘，進(jìn)行減速，防止發(fā)生安全事故。

該結(jié)構(gòu)多用于全鋼輪胎定型硫化機(jī)，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定敦實(shí)，全鋼對與定中及重復(fù)精度要求略低于半鋼；轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出電機(jī)一定程度上對空間要求較大，絲杠因考慮對中位置及抓胎位置而設(shè)計較長；轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的啟?？拷咏_關(guān)檢測實(shí)現(xiàn)，電機(jī)收到停止信號后停止，但支臂因慣性導(dǎo)致啟停有延遲。

2 半鋼輪胎定型硫化機(jī)變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

通過對全鋼輪胎定型硫化機(jī)現(xiàn)有變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析，變頻機(jī)械手如圖2所示，采用原來全鋼形式后仍難以滿足協(xié)議要求及生產(chǎn)需要（轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出絲杠形式占用空間大，爪盤可調(diào)范圍?。?，且存在生產(chǎn)聲音較大，重復(fù)定中精度較低，最終決定進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。結(jié)合半鋼輪胎機(jī)械式定型硫化機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，中心距小及空間狹小的特點(diǎn)，在滿足抓胎功能的同時進(jìn)行輕量化設(shè)計，具體改進(jìn)內(nèi)容具體如下：

（1）轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用電機(jī)減速機(jī)直連驅(qū)動扭矩離合器。此機(jī)構(gòu)通過扭矩離合器帶動轉(zhuǎn)動軸及支臂實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出功能，解決了機(jī)械手轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出受絲杠角度及空間限制的問題。以前絲杠及導(dǎo)向桿導(dǎo)向裝置大都受此限制，反復(fù)演示以考慮絲杠及導(dǎo)向裝置與硫化機(jī)硫化室位置干涉問題。

（2）增加導(dǎo)向桿頂塊觸碰緩沖器。爪盤器及支臂在即將到達(dá)抓胎位及放胎位時，由緩沖導(dǎo)向桿起緩沖作用，停止位由電機(jī)收到停止信號后即抱閘急停，但由于慣性作用導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備的定中準(zhǔn)確性。因此設(shè)備增加了導(dǎo)向桿頂塊觸碰緩沖器結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)向桿頂塊觸碰到緩沖器后強(qiáng)制停止，從而保證機(jī)械手運(yùn)行平穩(wěn)，提高定中準(zhǔn)確性。

（3）增加爪盤調(diào)節(jié)功能。爪盤部套采用兩處連接觸胎爪可調(diào)設(shè)計，最大程度上滿足抓胎范圍。采用氣缸推動動盤實(shí)現(xiàn)爪片的漲縮，可根據(jù)胎胚內(nèi)徑通過滑塊螺栓孔迅速調(diào)節(jié)爪片至范圍內(nèi)的各個位置，以適應(yīng)多種規(guī)格的輪胎，實(shí)現(xiàn)通用性；且其重量比傳統(tǒng)機(jī)械手減輕約50%，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手輕量化，輕便的爪盤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)更加便利；運(yùn)行平穩(wěn)，材料成本節(jié)約50%，機(jī)械手穩(wěn)定性、重復(fù)精度更高，可以保證長時間運(yùn)行時的輪胎硫化質(zhì)量；分離式的設(shè)計，各部件更換更加方便，有利于設(shè)備的維護(hù)。

（4）降低設(shè)備成本。電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸底部增加4個感應(yīng)塊，生產(chǎn)調(diào)整角度后由4個接近開關(guān)分別檢測兩個位置的減速位及停止位，減少了電氣編碼器成本。感應(yīng)塊為根據(jù)圖紙機(jī)械加工而成，相比較電氣編碼器成本而言成本可忽略不計。

（5）增加電機(jī)保護(hù)功能。通過對扭矩離合器設(shè)定扭矩范圍，當(dāng)扭矩離合器在許用扭矩范圍內(nèi)時正常聯(lián)軸驅(qū)動，超出設(shè)定扭矩后離合器將打滑空轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的保護(hù)功能。扭矩離合器為優(yōu)選專業(yè)專利廠家根據(jù)使用位置具體設(shè)計定制而成，量程涵蓋其可能使用的最大最小范圍，后期可根據(jù)具體硫化機(jī)及輪胎型號進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體場景具體分析。

3 理論計算與仿真

半鋼硫化機(jī)變頻機(jī)械手轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出電機(jī)到位后接收到接近開關(guān)信號停止，但由于支臂本身及爪盤輪胎帶有慣性，會繼續(xù)運(yùn)行一點(diǎn)位置，此時緩沖導(dǎo)向桿緩沖器頂?shù)巾攭K強(qiáng)制停止，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩420 N.m，此扭矩離合器可調(diào)扭矩范圍為20～500 N.m，調(diào)節(jié)扭矩離合器調(diào)節(jié)限制轉(zhuǎn)矩為420 N.m，在強(qiáng)制停止若超過額定轉(zhuǎn)矩420 N.m則離合器實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑，可以防止支臂轉(zhuǎn)動慣性損壞電機(jī)，也實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制停止保證定中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪盤與中心機(jī)構(gòu)重復(fù)精度Φ0.5 mm以內(nèi)。

4 實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)

（1）半鋼輪胎定型硫化機(jī)變頻機(jī)械手機(jī)械手?jǐn)[入將機(jī)械手?jǐn)[入到中心機(jī)構(gòu)如圖4所示，調(diào)整同軸度Φ1 mm。調(diào)整支臂軸心下方感應(yīng)塊角度，使停止位接近開關(guān)剛好燈亮，（接近開關(guān)距離感應(yīng)塊建議6～8 mm）支臂轉(zhuǎn)出到位液壓緩沖器壓縮到底（旋轉(zhuǎn)緩沖器后端調(diào)節(jié)旋鈕建議在7～8之間），液壓緩沖器位置多次調(diào)節(jié)確認(rèn)最終恰當(dāng)位置并固定，支臂停止穩(wěn)定無晃動。機(jī)械手?jǐn)[出將機(jī)械手?jǐn)[出到抓胎位，按以上同樣步驟調(diào)節(jié)。調(diào)整機(jī)械手電機(jī)擺動程序，控制速度且調(diào)整至平穩(wěn)運(yùn)行，調(diào)整兩機(jī)械手減速位感應(yīng)塊角度至擺入擺出同步。機(jī)械手感應(yīng)塊位置旋轉(zhuǎn)角度微調(diào)至合理范圍，即便小角度旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致支臂轉(zhuǎn)動幅度過大，可多次擺入支臂調(diào)節(jié)確定位置，并調(diào)節(jié)左右機(jī)械手至同步。

（2）機(jī)械手升降速度通過電氣程序調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)好定位軸的高度，螺母緊固；調(diào)節(jié)兩機(jī)械手減速位、停止位、極限位接近開關(guān)高度位置一致，保證兩側(cè)機(jī)械手同步。調(diào)整抓胎爪擴(kuò)張收縮氣缸的節(jié)流閥以及氣缸上的緩沖，使氣缸運(yùn)行平穩(wěn)無沖擊、爬行現(xiàn)象。抓胎爪行程調(diào)整好位置，保證輪胎能在抓胎爪上滑動，并且保證輪胎不掉落。把調(diào)整桿螺母備緊，達(dá)到防松目的。機(jī)械手?jǐn)[動氣缸壓力不得改動，調(diào)整速度只需要調(diào)整節(jié)流閥和流量即可，盲目調(diào)整壓力會導(dǎo)致氣缸啟停不穩(wěn)速度過快。

（3）調(diào)節(jié)完畢后將三檢測表如圖4固定至爪盤上，每次轉(zhuǎn)入后分別檢測與中心機(jī)構(gòu)（工裝）的X、Y、Z向的檢測值，X為橫向位移，Y為縱向位移，Z為垂直位移。試驗(yàn)機(jī)重復(fù)運(yùn)行，每天取10次記錄，制作表格，記錄每次檢測值并制作散點(diǎn)圖，每天檢測10次的X、Y、Z向的檢測值最大最小值作差，差值小于0.5 mm即為合格，即重復(fù)精度小于50絲以內(nèi)，可以滿足生產(chǎn)需求。本次試驗(yàn)為實(shí)地論證試驗(yàn)，具有現(xiàn)場實(shí)物及可依靠的現(xiàn)場憑據(jù)，驗(yàn)證現(xiàn)場記錄如圖5所示，為以后的批量化生產(chǎn)提供可靠的可行性保證。

5 結(jié)論

半鋼輪胎定型硫化機(jī)變頻機(jī)械手結(jié)構(gòu)上更大程度上適應(yīng)了小尺寸半鋼雙模硫化機(jī)配置，可調(diào)范圍及角度更大，為升級改造硫化機(jī)提高了通用性、互換性，運(yùn)行平穩(wěn)，定中準(zhǔn)確。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)輕便，占用空間較小等優(yōu)點(diǎn)，基本解決了機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)龐大、笨重且調(diào)整維修不便的問題，提高了現(xiàn)場輪胎硫化機(jī)裝卸胎的重復(fù)精度，可根據(jù)現(xiàn)場狀況適配各形式機(jī)械式、液壓式硫化機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試驗(yàn)證，在滿足生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，已實(shí)現(xiàn)升降及轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出電機(jī)節(jié)約能源消耗大于20%，對中性誤差在Φ0.05 mm/20 000次，對于輪胎定型硫化機(jī)機(jī)械手是一種結(jié)構(gòu)性調(diào)整，在進(jìn)一步調(diào)試優(yōu)化后也將陸續(xù)參與到市場項(xiàng)目中。