半钢轮胎定型硫化机变频机械手结构改进设计

滕辉，孙明，孙贺，张成龙，冷于浩，张瑞华

(青岛海尔工业智能研究院有限公司，山东 青岛 266400)

轮胎定型硫化机作为轮胎生产硫化工艺中的重要设备，对轮胎的动平衡、均匀性、外观质量等性能起着重要作用。随着我国汽车工业和轮胎工业的发展，对轮胎动平衡、均匀性提出越来越高的要求，硫化机的工作精度越来越被人们所重视，特别是机械式双模硫化机抓胎装置的爪盘中心与卡盘中心的同轴度（±0.5 mm）及抓胎装置爪盘中心与中心机构的同轴度（±0.5 mm）及其重复精度（±0.3 mm）低，左右抓胎装置同步性差，自动化程度低，严重影响硫化轮胎的质量及工作效率。轮胎定型硫化机机械手通过将生胎从存胎器提起送至下模上定位，定型硫化，其对硫化生产的生产效率和轮胎对中性具有重要影响。

半钢硫化机变频机械手在东风升级改造硫化机项目中初始借鉴全钢变频机械手结构，但由于半钢机械式硫化机结构紧凑，中心距及空间较小，变频机械手采用原来全钢形式在轻量化设计后仍难以满足协议要求及生产需要（转入转出丝杠形式占用空间大，爪盘可调范围小），且存在生产声音较大，重复定中精度较低，最终决定进行结构改进，由此本文提出一种新型电动变频控制的轻量化装胎机械手。

1 全钢轮胎定型硫化机现有变频机械手结构

全钢轮胎定型硫化机现有变频机械手结构如图1所示，全部采用电机驱动，通过配置接近开关信号，利用变频器进行速度的控制，可达到位置的准确控制。电动抓胎装置与中心机构的对中度精确，无需人工进行精确调整，只需进行接近开关位置的调整，降低了工人劳动强度。升降采用带有抱闸的涡轮蜗杆减速机带动滚珠丝杠传动，丝杠螺母固定在升降架夹上，以实现升降架的升降运动，升降运行平稳，能准确进行准停。抓胎装置转进转出采用带有抱闸的减速机带动滚珠丝杠传动，丝杠螺母固定在转入转出支臂上，通过丝杠上的接近开关实现转入转出的启停，以实现支臂的转入转出动作。爪张闭采用双行程气缸，以适应不同规格的变化。为防止滚珠丝杠螺母脱离丝杠，导致急速下降，造成安全事故，特设计所述安全抱闸装置。如电机负载出现较大变动时，通过检测电机电压信号、电流信号，开启安全抱闸装置，对升降架进行强制抱闸，进行减速，防止发生安全事故。

该结构多用于全钢轮胎定型硫化机，结构较为稳定敦实，全钢对与定中及重复精度要求略低于半钢；转入转出电机一定程度上对空间要求较大，丝杠因考虑对中位置及抓胎位置而设计较长；转入转出的启停靠接近开关检测实现，电机收到停止信号后停止，但支臂因惯性导致启停有延迟。

2 半钢轮胎定型硫化机变频机械手结构改进方案

通过对全钢轮胎定型硫化机现有变频机械手结构分析，变频机械手如图2所示，采用原来全钢形式后仍难以满足协议要求及生产需要（转入转出丝杠形式占用空间大，爪盘可调范围小），且存在生产声音较大，重复定中精度较低，最终决定进行结构改进。结合半钢轮胎机械式定型硫化机结构紧凑，中心距小及空间狭小的特点，在满足抓胎功能的同时进行轻量化设计，具体改进内容具体如下：

（1）转入转出结构如图3所示，采用电机减速机直连驱动扭矩离合器。此机构通过扭矩离合器带动转动轴及支臂实现转入转出功能，解决了机械手转入转出受丝杠角度及空间限制的问题。以前丝杠及导向杆导向装置大都受此限制，反复演示以考虑丝杠及导向装置与硫化机硫化室位置干涉问题。

（2）增加导向杆顶块触碰缓冲器。爪盘器及支臂在即将到达抓胎位及放胎位时，由缓冲导向杆起缓冲作用，停止位由电机收到停止信号后即抱闸急停，但由于惯性作用导致设备运行的平稳性受到影响，进而导致设备的定中准确性。因此设备增加了导向杆顶块触碰缓冲器结构，当导向杆顶块触碰到缓冲器后强制停止，从而保证机械手运行平稳，提高定中准确性。

（3）增加爪盘调节功能。爪盘部套采用两处连接触胎爪可调设计，最大程度上满足抓胎范围。采用气缸推动动盘实现爪片的涨缩，可根据胎胚内径通过滑块螺栓孔迅速调节爪片至范围内的各个位置，以适应多种规格的轮胎，实现通用性；且其重量比传统机械手减轻约50%，实现机械手轻量化，轻便的爪盘结构，调节更加便利；运行平稳，材料成本节约50%，机械手稳定性、重复精度更高，可以保证长时间运行时的轮胎硫化质量；分离式的设计，各部件更换更加方便，有利于设备的维护。

（4）降低设备成本。电机带动转轴底部增加4个感应块，生产调整角度后由4个接近开关分别检测两个位置的减速位及停止位，减少了电气编码器成本。感应块为根据图纸机械加工而成，相比较电气编码器成本而言成本可忽略不计。

（5）增加电机保护功能。通过对扭矩离合器设定扭矩范围，当扭矩离合器在许用扭矩范围内时正常联轴驱动，超出设定扭矩后离合器将打滑空转，实现对电机的保护功能。扭矩离合器为优选专业专利厂家根据使用位置具体设计定制而成，量程涵盖其可能使用的最大最小范围，后期可根据具体硫化机及轮胎型号进行调节，具体场景具体分析。

3 理论计算与仿真

半钢硫化机变频机械手转入转出电机到位后接收到接近开关信号停止，但由于支臂本身及爪盘轮胎带有惯性，会继续运行一点位置，此时缓冲导向杆缓冲器顶到顶块强制停止，电机额定转矩420 N.m，此扭矩离合器可调扭矩范围为20～500 N.m，调节扭矩离合器调节限制转矩为420 N.m，在强制停止若超过额定转矩420 N.m则离合器实现空转打滑，可以防止支臂转动惯性损坏电机，也实现了强制停止保证定中，从而实现机械手爪盘与中心机构重复精度Φ0.5 mm以内。

4 实物验证试验

（1）半钢轮胎定型硫化机变频机械手机械手摆入将机械手摆入到中心机构如图4所示，调整同轴度Φ1 mm。调整支臂轴心下方感应块角度，使停止位接近开关刚好灯亮，（接近开关距离感应块建议6～8 mm）支臂转出到位液压缓冲器压缩到底（旋转缓冲器后端调节旋钮建议在7～8之间），液压缓冲器位置多次调节确认最终恰当位置并固定，支臂停止稳定无晃动。机械手摆出将机械手摆出到抓胎位，按以上同样步骤调节。调整机械手电机摆动程序，控制速度且调整至平稳运行，调整两机械手减速位感应块角度至摆入摆出同步。机械手感应块位置旋转角度微调至合理范围，即便小角度旋转会导致支臂转动幅度过大，可多次摆入支臂调节确定位置，并调节左右机械手至同步。

（2）机械手升降速度通过电气程序调节，调节好定位轴的高度，螺母紧固；调节两机械手减速位、停止位、极限位接近开关高度位置一致，保证两侧机械手同步。调整抓胎爪扩张收缩气缸的节流阀以及气缸上的缓冲，使气缸运行平稳无冲击、爬行现象。抓胎爪行程调整好位置，保证轮胎能在抓胎爪上滑动，并且保证轮胎不掉落。把调整杆螺母备紧，达到防松目的。机械手摆动气缸压力不得改动，调整速度只需要调整节流阀和流量即可，盲目调整压力会导致气缸启停不稳速度过快。

（3）调节完毕后将三检测表如图4固定至爪盘上，每次转入后分别检测与中心机构（工装）的X、Y、Z向的检测值，X为横向位移，Y为纵向位移，Z为垂直位移。试验机重复运行，每天取10次记录，制作表格，记录每次检测值并制作散点图，每天检测10次的X、Y、Z向的检测值最大最小值作差，差值小于0.5 mm即为合格，即重复精度小于50丝以内，可以满足生产需求。本次试验为实地论证试验，具有现场实物及可依靠的现场凭据，验证现场记录如图5所示，为以后的批量化生产提供可靠的可行性保证。

5 结论

半钢轮胎定型硫化机变频机械手结构上更大程度上适应了小尺寸半钢双模硫化机配置，可调范围及角度更大，为升级改造硫化机提高了通用性、互换性，运行平稳，定中准确。因为结构轻便，占用空间较小等优点，基本解决了机械手整体结构庞大、笨重且调整维修不便的问题，提高了现场轮胎硫化机装卸胎的重复精度，可根据现场状况适配各形式机械式、液压式硫化机。经现场调试验证，在满足生产需求的基础上，已实现升降及转入转出电机节约能源消耗大于20%，对中性误差在Φ0.05 mm/20 000次，对于轮胎定型硫化机机械手是一种结构性调整，在进一步调试优化后也将陆续参与到市场项目中。