套类零件自动上下料机构设计

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目 录

1. 绪论 ........................................................ 1

1.1 自动上下料机构概述 ...................................... 1

1.2 自动上下料的组成分类及特点 .............................. 1

1.3 自动上下料机构设计的意义 ................................ 3

2.总体方案设计 ................................................. 5

2.1 机械手的基本形式的选择 .................................. 5

2.2 自动上下料机构方案的拟定 ................................ 6

2.3 CK6150型数控车床的主要参数 ............................. 8

2.4 驱动方式的确定 ......................................... 10

2.5 机械手的技术参数列表 ................................... 12

3.机械手机械结构设计 .......................................... 13

3.1 手部的设计 ............................................. 13

3.1.1手部的概述 ........................................ 13

3.1.2 机械手部的典型结构 ................................ 14

3.1.3 机械式手爪设计 .................................... 15

3.1.4 手部驱动力计算 .................................... 15

3.2.1 臂部设计的基本要求 ................................ 19

3.2.2 手臂的常用机构 .................................... 20

3.3 机身设计 ............................................... 25

3.3.1 概述 .............................................. 25

3.3.2 俯仰与回转机身的设计 .............................. 25

4.机械手的运动分析 ............................................ 33

4.1机械手的运动规划 ....................................... 33

4.2 机械手的主要部件和运动 ................................. 33

4.2.1 机械手的手爪的运动 ................................ 34

4.2.2 机械手的臂部的运动 ................................ 34

4.3 机械手的整体运动分析 ................................... 35

5.气动控制系统设计 ............................................ 37

5.1 气压传动系统原理图的拟定 .............................. 37

5.1.2气压传动系统原理图的拟定 .......................... 37

5.2 机械手的PLC控制设计（本设计中选用S7—200PLC） ......... 39

5.2.1 机械手自动上下料过程 .............................. 39

5.2.2 机械手的PLC控制设计 .............................. 39

图5.3 梯形图 ................................................. 43

结论与展望 .................................................... 44

参考文献 ...................................................... 45

指导教师简介 .................................................. 46

1. 绪论

1.1 自动上下料机构概述

在自动化加工，装配生产线中,能自动完成将工件向加工或装配机械供给并上下料的装置，称为自动上下料装置，

套类零件自动上下料机构设计

统计表明，在工件的加工装配过程中，工件的供给，上料，下料及搬运等工序所需费用约占全部费用的三分之一，所费工时约占全部工时的三分之二以上，而且绝大多数的事故都发生在这些工序中。在当今工业发达国家，自动上下料装置在各类制造业中比比皆是，生产过程的自动化不仅仅大大提高了生产率，把人们从繁重的劳动中解脱出来，而且对提高产品质量，降低成本，促进产业结构的合理化起到了积极的作用。随着电子技术的发展，现在自动化上下料装置已越来越多的采用传感器等电子设备 ，这样不仅能提高精度，而且能减小设备大小，降低成本。

1.2 自动上下料的组成分类及特点

(1) 自动上下料装置的类型

卷料（或带料）自动上下料装置、棒料（管料）自动上下料装置多用于冲压设备、自动机、单件坯料自动上下料装置用于各种机床，可分为料仓式半自动上下料装置、料斗式自动上下料装置。料仓式半自动上下料装置用于尺寸和重量较大或形状较复杂而难于自动定向排列的工件，或单件工序时间较长的工件，如连杆、曲轴、齿轮等，工件靠人工定向成批排列在料仓中，然后自动送出。

料斗式自动上下料装置用于形状简单、尺寸和重量较小、工序较短的工件，如各种紧固标准件、小型轴、销、套、环类零件，工件任意堆放在装料容器中，由抓取定向机构实现自动定向排列和自动送出。

（2）自动上下料装置的组成

自动上下料装置的组成如下表所示

自动上下料装置组成表

与上述自动上下料装置相比，用程序控制装备起来的工业机器人，是一种更加万能而可快速调节的自动化工具。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

1.3 自动上下料机构设计的意义

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工件效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是发展过程中的重要产物之一。在机械工业中，自动上下料机构的意义可以概括如下：

1、改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低压、有灰尘、噪声、有放射性或者其他毒性污染的场合中，

用人工操作是有危险或者不可能的，而应用自动上下料装置可以代替或者部

分代替人安全的完成工作，改善劳动条件，避免由于操作疲劳或疏忽造成的

人身事故。

2、可以提高生产过程中的自动化程度

它有利于实现材料的传送，工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自

动化的程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。

3、减轻人力，并便于有节奏的生产

综上所述，有效的应用自动化上下料装置，是发展工业的必然趋势。

2.总体方案设计

本课题是一个套类零件自动上下料机构的设计，本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及气动回路的设计。在本章中对机械手的坐标形式，自由度，驱动机构等进行了确定。

2.1 机械手的基本形式的选择

机械手的机械结构部分可看成是有一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节按不同坐标形式组装，机械手可分为四种：直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标形式，关节坐标形式。如下图：

图2.1 机械手的基本形式

其中，圆柱坐标形式机器人除了简单的“抓--放”作业外还可以用在许多其他生产领域。这种形式的机器人结构紧凑，在垂直方向和径向有两个往复运动，定位精度高。在本次设计中，当料台放出一个套类零件，气动机械手抓取工件，送入机床卡盘，然后退回到一定位置，等到工件加工完后，气动机械手动作抓取零件放回料台上，这些工作都是用电磁铁和行程开关来实现简单的控制。从而完成上下料的总过程。考虑到机械手的工作空间和人工操作空间，通过定性的分析，按下开关，启动工作后，机械手手臂在伸缩气缸的驱动下伸长185mm，手爪在气缸的驱动下夹紧料台上的一个工件后，机械手手臂由正下方的升降气缸驱动，手臂轴线上升300mm。手臂到位后，机械手在旋转缸的

驱动控制下逆时针旋转180°。这样，机械手手臂伸向数控机床的主轴方向，将工件直接送入车床三爪卡盘，手爪在气缸驱动下松开工件，机械手手臂缩回，下降并且停止到一个安全位置。数控机床开始加工工件，加工完毕后，机械手手臂上升300mm，手臂在伸缩缸的驱动下再次伸长185mm，手爪在气缸驱动下夹紧已加工完的工件，车床三爪卡盘松开，机械手由旋转缸驱动顺时针旋转180°后回到料台方向。手臂下降，手爪松开，将工件放于料台上，手臂由伸缩气缸驱动退回到初始位置。

由于本设计针对数控车床的上下料机构，主要实现的功能是毛坯的抓取，自动定位，工件的夹紧和回放。该机械手在上下料时手臂具有升降，伸缩及回转运动。因此，本设计采用圆柱坐标形式机械手，相应的机械手具有三个自由度。

2.2 自动上下料机构方案的拟定

根据生产线布局，可以得到以下三种上下料系统布局位置图。

图2.1

1——桁架 2——升降缸 3——手爪 4——输送带 5——数控机床

（2）输送线与机床有一定夹角

图2.2

1——输送带 2——机床 3——手爪 4

5——升降缸 6——旋转缸

（3）机械手放在车床与料台中间

——伸缩缸

图2.3

1——数控机床 2——伸缩缸 3——手爪 4——升降缸

5——旋转缸 6——料台

对于第一种方案，要在每一台机床前设一立柱来支撑机械手，并且机械手在水平方向移动时，所需的驱动比较麻烦，而且成本高，不宜采用。对于第二种方案虽可以实现对工件的抓取和回放，但是仅适用于普通车床上的零件加工上下料，占用空间较大，手臂的运动较第三种方案较多，比较复杂，不宜采用。第三种方案针对数控车床自动上下料，车床与料台平行布置，机械手在中间位置，与前两种相比，此种方案在可以完成任务的情况下，造价相对低，所占用的空间小，简单易行，且执行速度起来效率更高，所以本次设计采用第三种方案。

2.3 CK6150型数控车床的主要参数

床身上最大回转直径 mm F 520

最大工件长度（二顶尖间距离）mm 1000

最大车削长度（最大加工长度）mm 1000 最大车削直径（卧式刀架）mm 400 滑板上最大回转直径 （卧式刀架）mm 280 滑板上最大回转直径 （立式刀架）mm 300 主轴端部形式及代号 -A8 主轴通孔直径 mm 82 主轴前端锥孔锥度 莫氏 1:20

主轴转速级数-标配双速电机：12级；选配变频电机：自动三档无级

主轴转速范围 r/min 标配双速电机：40-1800；选配变频电机：22-220,71-710.215-2000

卡盘直径-手动 mm F 250 （标配） 卡盘直径-气动 mm F 250 （选配） 卡盘直径-液压 mm F 250 （选配） X轴行程 mm 150 Z轴行程 mm 1000

X/Z轴重复定位精度 mm 0.012/0.016 中心高 mm 距床身：250；距地面；1130 床身导轨宽度（导轨跨度）mm 400

主电机功率 kw 标配双速电机：6.5/8；选频变频电机：7.5 机床净重 kg 2800 机床毛重 kg 3000

机床轮廓尺寸（长x宽x高） mm-2490x1360x1510

2.4 驱动方式的确定

机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种驱动方式各有所长，各种驱动方式的特点见下表：

驱动方案对比表

机械手驱动系统各有优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有： 1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；

2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起动，制动，正、反转切换；

3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）安全可靠； 5）操作和维护方便；

6）对环境无污染，噪声小；

7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。

基于上述驱动系统的特点和本次设计的机械手驱动系统的设计要求，本设计选用气压驱动的方式对机械手进行驱动。 2.5 机械手的技术参数列表

一、用途：车间皮带机与皮带机、料台与料台间的零件的搬运 二、设计技术参数

1、抓重：4kg ，缸套外径在100～400mm之间， 内径在80～380mm之间 2、自由度数：3个自由度 3、坐标形式：圆柱坐标 4、最大工作半径：300mm 5、手臂最大中心高：600mm 6、主要运动参数

手臂伸缩行程：185mm 手臂伸缩速度：185mm/s 机身升降行程：300mm 机身升降速度：100mm/s 机身回转范围：0～180° 机身回转速度：60°/s 7、驱动方式：气压驱动

3.机械手机械结构设计

3.1 手部的设计 3.1.1手部的概述

工业机器人的手部也叫做末端操作器，它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件

或执行作业的部件。

1、工业机器人手部的特点如下。 （1）手部与手腕相连处可拆卸。 （2）手部是工业机器人末端操作器。 （3）手部的通用性比较差。 （4）手部是一个独立的部件。 2、手部的分类

手爪应具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。 （1）按夹持原理分

按夹持原理可分为机械类，磁力类和真空类三种手爪。机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。磁力类手爪主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。真空类手爪是真空式吸盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘，气流负压吸盘，挤气负压吸盘三种。

（2）按手指或吸盘数目

机械手手爪按手指或吸盘数目可分为：二指手爪、多指手爪。 机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 （3）按智能化分

手部按智能化分为手爪不具备传感器的普通式手爪和手爪具备一种或多种传感器的智能化手爪。

手部设计和选用最主要的是满足功能上的要求，由于本课题中套类零件的尺寸很小，重量轻，设计中采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表面。

1、设计机械手部应注意的问题

（1）机械手手部是根据机械手作业要求来设计的。

（2）机械手手部的重量、被抓取物体的重量及操作力和机械手容许的负荷力。所以，要求机械手手部体积小，重量轻、结构紧凑。

（3）机械手手部的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至难以实现。

（4）通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的手部可以适用于不同的机械手，这就要求手部要有标准的机械接口，使手部实现标准化和积木化。

（5）机械手手部要便于安装和维修，易于实现计算机控制。 3.1.2 机械手部的典型结构

（1）楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件。

（2）滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向右运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

（3）连杆杠杆式手爪

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

（4）齿轮齿条式手爪

这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 （5）平行杠杆式手爪

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两指保持平行运动，比带有导轨的平移手爪的摩擦力要小很多。 3.1.3 机械式手爪设计

（1）驱动。机械式手爪通常采用气动，液动，电动和电磁来驱动手指的开合。气动手爪目前得到广泛的应用，因为气动手爪有许多突出的优点：结构简单，成本低，容易维修，而且开合迅速，重量轻，所以本设计中决定采用气动手爪。 （2）传动。驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合病产生夹紧力。对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。比如平行连杆式手爪和齿轮齿条式手爪可保持爪钳平行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力要求是爪钳开合度不同时夹紧力能保持不变。

（3）爪钳。爪钳是与工件直接接触的部分，它们的形状和材料对夹紧力有很大的影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，对夹持工件来说更显得安全。

3.1.4 手部驱动力计算

（1）设缸套重量 G=4 kg ，α=80°，b=5 mm，c=70 mm，f=0.2.

（2）当工件被竖直夹持时，手指握住工件的夹紧力最大，可得握力的计算式：

N=mxg=4x9.8=39.2 N

N

G

24.5N 2f

3.1 手爪受力图

(3) 由手部结构传动示意图，根据机械设计手册，其驱动力为 0.5 P²b²tgα = N²c P=2Nc/b²tgɑ =2x39.2x70/5xtg80° =193.54 N （4）气缸的有关计算

本气缸属于单作用气缸，由力的平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必需克服活塞杆工作时的阻力，其公式为：

F1

4D2d2

N

F2

4Dd

P

2

2

FZ

式中：

F1——活塞杆上的推力（工作载荷），N; F2——活塞杆上的拉力（工作载荷），N; Fz ——气缸工作时的总阻力，N； D——活塞直径，m； d——活塞杆直径，m；

气缸工作时的总阻力Fz 众多因素有关，如运动部件惯性力，背压阻力，密封处摩擦力等；另一个方面所设计的气缸不但要保证其静特性，也要保证其运动特性符合要求。综合考虑后，为方便设计与计算，将以上的因素以载荷率的形式计入公式，则：

F1= π/4 D2 pη N F2=π/4（D2-d2）pη N

η—载荷率，主要考虑保证气缸动态特性参数及总阻力，气缸动态参数要求一般，工作频率低，基本上为匀速运动，则载荷

4F1

p

当推力做功时，D

m m

当拉力做功时，D



4F2

d2p

在此以推力做功计算，

D

4193.540.631060.8

得：

= 31.32 mm

根据标准化气缸系列的数值进行圆整后，D= 32mm

p=0.63x106 pa，气缸工作压力， 由d/D=0.2～0.3,可得活塞杆直径：

d=（0.2～0.3）D

d=6.4～9.8 mm 取活塞杆直径d= 8 mm 。 按强度条件计算活塞杆直径d， d

4F1

P

F1 ——气缸的推力，N

σp——活塞杆材料的许用应力，σp=120Mpa，σp=σb/S

σb——材料的抗拉强度，pa S——安全系数，S≥1.4 （5）缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压力，需要有一定的厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比δ/D<1/10,所以常可按薄壁筒公式计算： δ=DPt/2[σ]

缸筒材料为ZL3（铝合金），[σ]=3Mpa δ——气缸筒壁厚，m D——气缸筒内径（缸径）

Pt ——气缸试验压力，一般取Pt =1.5P P——气缸工作压力

[σ]——缸筒材料许用应力，[σ]=σb/s

σb——材料抗拉强度

S——安全系数，一般取S=6～8

带入数值得，壁厚δ= 5.04 mm，取δ=6 mm。 则缸筒外径为 D1= 32+6x2=44 mm 。 故该缸筒壁厚满足强度要求。 （6）气缸进排气口螺孔直径的确定

气缸进排气口螺孔大小与空气消耗量（缸径、活塞杆直径、活塞的平均速度等）及供气压力均有关系，故难于准确计算。由机械设计手册，按缸径查取。根据D=32mm，查得进排气口螺孔直径规格为d=M14x1.5. （7）活塞的厚度取决于密封圈的种类和排数。

气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖，活塞杆与气缸盖之间均选用O形橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为标准值。 （8）连接螺栓直径的确定与验算

根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=6 mm，螺栓材料Q235，性能等级4.6，查表得屈服极限σs=240Mpa，S=1.5，[σ]=σs/S=160Mpa，故螺栓符合要求。 3.2 臂部设计

工业机器人的臂部一般具有2～3个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部总重量

较大，受力较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的精、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位的准确性。

3.2.1 臂部设计的基本要求

臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动

精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况，油（气）缸及导向装置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计手臂时一般要满足以下要求。

（1）刚度要求高

为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。 （2）导向性要好

为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 （3）重量要轻

为提高机器人的运动速度，熬尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。

（4）运动要平稳，定位精度要高

由于臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计上要求结构紧凑、重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。 3.2.2 手臂的常用机构 （1）手臂直线运动机构

机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞油（气）缸的体积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用较多。 （2）手臂回转运动机构

实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。 3.2.3 臂部运动驱动力计算

计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机器

人工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。 （1）臂部水平伸缩运动驱动力的计算

臂部做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油（气）缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。 ① 驱动力Pq（N）可按下式计算： Pq =Fm + Fg

式中：Fm——各支承处的摩擦阻力（N）;

Fg——启动过程中的惯性力（N），其大小可按下式计算：

Fg =ma

式中：m——包括负载质量在内的手臂伸缩部件的总质量（kg）； a——启动过程中的平均加速度（m/s2），其大小可按下式计算： a=△v/△t

式中：△v——速度增量（m/s），如果臂部从静止状态加速到工作速度v时，则这个

过程的速度变化量就等于臂部的工作速度；

△t——升降速过程所用时间（s），一般为0.01～0.5s。 由上面公式： 工件质量 m1=4 kg

摩擦系数：设计气缸材料为ZL3，活塞材料为45钢，查阅相关手册可知，f=0.17

标准气爪材料为铝合金ZL3，密度ρ=2.75x103kg/m3，则气爪的质量为：

m爪=ρV爪=2.75x103 x0.048x0.087x0.066 =0.76 kg

连接板材料为45钢，ρ=7.85x103kg/m3，

m板=ρV板 =7.85x 103 x0.086x0.08x0.05

=2.7004 kg

另外，伸缩手臂导杆伸出件质量约为0.5 kg，

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根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为250mm 。

气爪抓重为4kg，加上末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为8kg。 Fm=uFN=0.17x m1g=0.17x8x9.8=13.328N Fg =ma=8x（△v/△t）

设要求手臂平动时，V=250mm/s，在计算惯性力时 设置启动时间△t=0.1s，则启动速度 △v=v=250mm/s

则Fg =ma=8x0.25/0.1=20 N 所以，驱动力Fq= Fm+ Fg

=13.328+20=33.328 N

由机械设计手册，由预算确定的所需气缸驱动力为33.328 N。

4Fqp

由上述可得，活塞式气缸内径 D



433.3280.631060.4

=12.67 mm 根据标准化气缸系列的数值进行圆整后，D=25 mm ② 活塞杆直径的确定与长度的验算 取活塞杆直径d =16 mm，L= 360 mm

当活塞杆长径比L/d > 10时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径，而活塞杆直径稳定性条件是Fpu ≤Fk /nk

气缸的压杆稳定极限力与气缸的安装型式、活塞杆直径及行程有关。 当长细比K/L≥85√m 时，Fk = mπ2EJ/L2 当长细比K/L≤85√m 时，FK

fAL1K2

对于实心活塞，由上式：

K85m时，LK其中，

Fpu—— 气缸承受的轴向负荷，即气缸的理论输出推力，N Fk——气缸的压杆稳定极限力，N

nk ——气缸压杆稳定性安全系数，一般取nk—=2～6 Lk——活塞杆的计算长度

K——活塞杆横截面回转半径，m。K=d/4 J——活塞杆横截面惯性矩，m4，J=πd4/64 A——活塞杆横截面面积，A=πd2/4

m——由安装连接条件决定的系数（固定——铰支 m=2） f——材料试验强度值，pa，钢材取f=4.91x108 pa a——系数，钢材取a=1/5000

E——活塞杆材料弹性模量pa，钢材取E=2.1x1011pa

mEd2

nkFpu8

LK

400

85m120.283

LK

mEd2

nkFpu8

=πx122x10-6/8x（πx2x2.1x1011/4x197.92）=2308 mm L≤Lk 故活塞杆长度满足要求。 ③ 缸筒壁厚的确定与验算

一般气缸筒壁厚与内径之比 δ/D ≤1/10 δt= DPt/2[σ]

=1.5PD/2[σ] [σ]=3 Mpa = 1.5x0.63x106x20/2x3x106 =3.15 mm 经过圆整之后，取δ= 3 mm 。 ④ 气缸进排气口螺孔直径的确定

由机械设计手册，按缸径 D= 25 mm，查得气缸最小气口螺纹为 M10x1。

⑤气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖，活塞杆与气缸盖之间均选用O形橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为标准值。活塞的厚度取决于密封圈的排数。 ⑥ 连接螺栓直径的确定与验算

根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径 d =6 mm，

d

4F



40.6310206

2

160X106

= 1.3 mm

故螺栓直径符合要求。

为使设计的标准化和简便化，在本设计中，水平伸缩手臂采用CM2系列双作用标准气缸,如下图所示。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，安装方便。根据以上所计算的数据，查取机械设计手册，选择缸径为25mm，型号为CM2B 25-300的气缸为机械手的水平伸缩手臂。

3.3 机身设计 3.3.1 概述

工业机器人机械结构有三大部分：机身、手臂（包括手腕）、手部。机身，又称立柱。机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是工业机器人的机座，机座往往与机身做成一体。机身是支撑臂部的部件，一般实现升降、回转和俯仰等运动，常有1～3个自由度。机身设计时要注意下列问题： （1）要有足够的刚度和稳定性；

（2）运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般要有导向装置；

（3）机身布置要合理。 3.3.2 俯仰与回转机身的设计

（1）升降臂部的设计

机械手升降手臂是直接支撑和驱动水平伸缩手臂的部件，实现机械手的竖直升降运动。这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。按照设计要求，机械手要实现竖直方向300mm的升降运动，实现该运动的机构一般设计在机身处。为了设计合理的运动机构，要和回转臂一起综合考虑、分析。常用的机械手手臂结构有一下几种：

 回转臂置于升降手臂之下的结构。这种结构的优点是能够承受较大偏重力矩。其缺点是升降手臂在回转臂之上，回转臂需承受较大的压力。

 回转臂置于升降手臂之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑，但回转臂与伸缩手臂一起升降，运动部件较大。

 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动时通过齿条齿轮机构来实现，齿条的往复运动带动手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 经过综合考虑，本设计选用回转臂置于升降手臂之下的结构。 （2）臂部升降运动气缸的设计计算 ① 俯仰运动驱动力的计算

作垂直运动时，除克服机身自身运动部件的重力和其承受的手臂，手腕，手部、工件等总重力以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力F驱可按下式计算：

F驱=Fm+Fg±W

Fm——各支撑处的摩擦力，N Fg——启动时总惯性力，N W—— 运动部件的总重力，N ± —— 上升时为正，下降时为负。

手臂的升降运动用的活塞杆位于手臂下方，其活塞杆和手臂用铰链连接。缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。

②气缸举重的总质量

M举= 8+1.919+9.38+2.26+0.5 =22.05 kg

W = M举g=22.05x9.8=216.09 N Fm=uFN=u W

=0.17x216.09 = 36.74 N 其中惯性力可以忽略不计。

运动部件包括升降运动气缸，水平伸缩气缸，气爪，夹持重物以及连接各个气缸的连接板。上边已计算过气爪，水平伸缩气缸、夹持物以及连接各个气缸的连接板的重量，总质量约为8 kg。

水平伸缩气缸，旋转缸和气爪的制造材料是一样的，为铝合金，其密度ρ=2.75x103kg/m3，连接板材料为45钢，密度ρ45=7.85x103 Kg/ m3。 水平伸缩气缸质量 m=ρ

铝合金

铝合金

v1 =2.75x103x0.285x0.036x0.068

=1.919 kg 竖直升降气缸质量 m=ρ

铝合金

v2=2.75x103x0.146x0.146x0.16

=9.38 kg 连接板质量为 m= ρ

铝合金

v3 =7.85x103x0.12x0.12x0.02

=2.26 kg 所以，驱动力F驱 =216.09+36.74=252.83 N ③ 活塞式气缸内径

根据双作用气缸计算公式：

D

4F

p

4252. ≈35.74 mm

经过圆整后， D= 40 mm ④ 活塞杆直径的确定与验算

0.631060.4

取活塞杆直径d =20 mm，按强度条件计算活塞杆直径，

4F

d



4306. =1.8 mm

120106

⑤ 气缸筒壁厚的确定与验算

气缸内径确定后，由机械设计手册，选取壁厚为t =8 mm，按下式进行强度验算： t ≥DPt/2[σ] = 1.5 PD/2[σ]

=1.5X0.63x106x40/2x3x106 ⑥ 气缸进排气口螺孔直径确定

由机械设计手册，按缸径D=40 m选取，进排气口螺孔直径规格为d=M14x1.5 ⑦气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖，活塞杆与气缸盖之间均选用O形橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为标准值。活塞的厚度取决于密封圈的排数。 ⑧ 连接螺栓直径的确定与验算

由螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d= 6mm，按下式验算：

d4F



40.6310621601064402

= 2.5 mm

成立，故符合要求。

根据前面部分的设计和机械手结构尺寸可知，机械手升降速度为100mm/s，本设计的升降手臂选用MB系列的标准气缸，如下图所示。缸径为D=40mm

，型号为MBB40-200 的气缸。

（3）回转臂的设计

回转臂位于机械手结构的最低底端，它承担着机械手的全部重量，因此对回转臂的承载能力要求较高。又由于回转臂要带动整个机械手转动，因此要求在回转时要保证其平稳性。按照设计要求，机械手要实现180°范围内的回转运动。实现手臂的回转运动

机构一般设计在机身处和底座固定。

（4）臂部回转运动气动装置的设计计算

回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩，机身自身运动部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力矩。故其驱动力矩Mq可按下式计算：

Mq =Mm +Mg

Mm——总摩擦阻力距，N²m

Mg——各回转部件总惯性力矩（N²m），其大小可按下式 计算：

Mg=Jo △ ω/ △t

△ ω——在升速或者制动过程中角速度增量（1/s）

△t——回转运动升速或者制动过程时间（s）

JO——全部回转零件对机身回转轴的转动惯量（kg²m2 ），如果零件外廓尺寸不大，重

心到回转轴线距离又远时，可按质点计算它对回转轴线的转动惯量。

 回转部件的总质量

Mg =26.974+9.9+2.26+2.26+0.5

=41.68 kg

Jo =Mgr2 =41.68x（40x10-3）2 =6.67 kgm2

那么，Mg=Jo △ ω/ △t =6.67x 0.1/0.1=6.67 N²m

回转气缸的质量：M回=ρV回=2.75x103x0.15x0.15x0.16

=9.9 kg

连接板的质量： M连=2.26 kg R=0.08 kg

Mm=∫ 0R µFN2πr2/πR2 dr

=ʃ00.08 0.17x41.68x 9.8x2xπr2/πx0.082

=21699.65ʃ00.08 r2dr

=21699.65x0.083/3

= 3.70 N²m

则驱动力矩为： Mq =Mm +Mg

=3.70+6.67

=10.37 N²m

 气缸驱动力

F驱=Mq /L

L——偏重力臂（臂部重心到机身立柱轴的距离，m）

F驱=10.37/（2x10-3）=324.1N

根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力——推力Q=345.7 N  活塞式气缸内径

D4Fqp

D4345.7 =40.4 mm 0.631060.4

根据标准化气缸系列圆整得：D=40 mm。

④ 缸筒壁厚的确定与验算

根据机械设计手册，选其壁厚为δ= 8 mm，由下式进行强度计算，

δ≥DPt/2[σ]=1.5PD/2[σ]

=1.5x0.63x106x40/2x3x106

= 6.3 mm

所以，缸筒壁厚符合要求。

⑤ 气缸进排气口螺孔直径确定

由机械设计手册，按缸径D=40 m选取，进排气口螺孔直径规格为d=M14x1.5

⑥ 气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖，活塞杆与气缸盖之间均选用O形 橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为标准值。活塞的厚度取决于密封圈的排数。

⑦连接螺栓直径的确定与验算

由螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d= 6mm，按下式验算：

4F d

40.63104062

160X106

= 2.5 mm

成立，故螺栓直径符合要求。

本设计的回转臂叶片式摆动气缸DSM型，如下图所示，此类回转气缸结构紧凑，占用空间小，模块化设计，有多种安装形式，整个转角范围内可以实现无级转角调速，终端位置可安装液压缓冲装置已吸收能量，终端位置挡块上止动螺钉可进行微调，转动力矩大。此种气缸有基本型和派生型，基本型的成本较低，运动精度能满足本设计要求，因此选用基本型即可。根据以上的计算值，在此选用缸径D=40mm，型号为DSM-12-180°-P的摆动气缸。

4.机械手的运动分析

4.1机械手的运动规划

机械手运动规划包括序列规划、路径规划和轨迹规划3各部分。序列规划是指在一个特定的工作区域自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作用点，再回到起始点的最有工作序列。路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机械手运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间，形成各关节的运动轨迹。

序列规划为机械手的所有作业点生成一个最优的工作序列。作业点是机械手为完成工作必须达到的位置和姿态。机械手的一次作业任务往往有几十个到上百个作业点，这些作业点的加工次序通常是任意的，或者仅仅存在局部的限制（即某几个作业点之间存在着固定的前后关系），序列规划的目标就是通过某种算法生成一个能满足作业限制的最优作业序列，一般以时间作为规划优劣的度量标准。

当机械手再有障碍物的环境中运动时，为了从当前作业位置到达下一个位置，需要在机械手工作空间确定一条无碰撞的运动路径，即这条路径应处于机械手的自由空间中。因此，路径规划的过程实际上是一个带几何约束的问题求解过程。

从上面的论述的可以看出，机械手运动规划主要包括两个方面，一是生成所有作业点的最优工作序列的序列规划，二是在相邻作业点的之间生成无碰撞路径的路径规划。序列规划和路径规划的总体目标是作业时间最短，规划的约束条件是作业顺序的限制以及碰撞的避免。

目前，两个刚性物体之间的距离计算有很多算法，其中对凸多面体的计算最为成熟。凸多面体之间的距离有两类：分离距离和嵌入距离。目前，凸多面体间的距离范数主要有平移距离，成长距离，收缩距离、伪平移距离等。在现实环境中，机器人及障碍物一般是凹几何体，可以采用分割的方法把凹几何体分割为多个凸几何体，如球、圆柱等，可以紧包围它的凸多面体来近似。

4.2 机械手的主要部件和运动

在本设计中，自动上下料装置已经确定为圆柱坐标形式机械手的方案，根据设计的任务，为满足设计要求，此设计的机械手具有3个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和4个气缸组成：（1）手部，采用一连杆式气动手爪，通过机构运动实现手爪的张开和闭合。（2）臂部，采用直线往复气缸来实现手臂的伸缩。（3）机身，采用一个直线缸和一个回转气缸来实现手臂的升降和回转。

4.2.1 机械手的手爪的运动

机械手手爪多为多指手爪，按手指的运动方式可以分为回转型和移动型，按夹持方式分为外夹式和内撑式两种。本机械手手爪采用气动驱动方式，由于被抓取的工件是圆柱形的，所以手爪采用V字形结构，即手爪的内表面设计成与圆柱斜度相同的表面，保证了抓取的稳定又不影响套类零件的表面质量，机械手部采用连杆式结构，其结构简单，传动可靠。当无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，压缩空气作用在活塞右端面上的力克服各种反作用力，推动活塞杆前进，使活塞杆伸出；当活塞杆排气时，有杆腔进气时，活塞杆缩回到初始位置。通过活塞杆的往复运动来实现手爪的张开与闭合。如下文图4.1中，夹紧气缸15驱动手爪，抓取和放开工件。

4.2.2 机械手的臂部的运动

机械手手臂运动的主要目的就是：把手部送到空间运动范围的任意一点。如果改变手部的姿态（方位）则用腕部的自由度实现。因此，一般来说，臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，即手臂伸缩，左右回转和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构个各种驱动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。

在本设计中机械手手臂采用直线往复气缸来实现手臂的伸缩，机身结构采用回转装置置于升降手臂之下的结构，竖直升降手臂是完成气动机械手竖直方向运动的动力元件。回转装置位于机械手结构的最低底端，它承担着机械手的全部重量，因此对回转臂的承载能力要求较高。又由于回转臂要带动整个机械手转动，因此要求在回转时要保证其平稳性。按照设计要求，机械手要实现180°范围内的回转运动。实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处和底座固定。如下图4.1中水平伸缩气缸16驱动手臂水平伸

缩，旋转气缸18驱动立柱旋转，带动手臂旋转180°，升降气缸17驱动大臂升降来带动手臂升降来完成所要求的任务。

4.3 机械手的整体运动分析

套类零件自动上下线大多数为一台机床配备两台结构完全相同的单臂机械手，分别承担工件的上下料运动，也有设计在一台机械手上采用了两只机械臂的形式，这样一台双臂机械手就能承担两台单臂机械手的工作。在本设计中，为了减少机械手的数量的同时由于要加工的零件尺寸和质量不大，仅采用一台单臂机械手来承担工件的上下料运动。

图4.1 机械手整体装配图

如上图所示，本设计所采取的结构中，机械手工作时，首先机械手手臂伸长，手爪从料台夹紧工件之后，手臂上升，然后机身逆时针旋转180°，将工件送入数控机床三爪卡盘上夹紧，手臂缩回后俯下降到料台高度完成上料过程，此时数控机床开始对工件进行加工。当机床加工完工件后，机械手手臂上升一定高度后，手臂伸出到机床主轴中心线的高度，然后手爪夹紧工件，机床三爪卡盘松开后，机械手顺时针旋转180°后，手臂下降到料台高度并将工件放在料台上，手臂缩回，机械手回到原来位置，从而完成下料过程。上下料过程循环进行，实现工件的连续加工。

上述的运动过程可以知道，机械手的三个自由度：机身旋转，手臂升降，手臂伸缩。具体的分析过程从第二部分的数控机床的有关参数以及确定的机械手和机床之间的位置关系可以知道，料台高830mm，而机床主轴中心线高为1130mm，因此机械手手爪的升降高度应为300mm，机械手位于数控机床和料台的中间位置，而机床主轴与料台之间间隔为1700mm，所以机械手手臂伸长之后应为850mm，这样才能在旋转180°后准确的将工件放入机床三爪卡盘内或放在料台上。

5.气动控制系统设计

5.1 气压传动系统原理图的拟定

气压传动系统原理图是表示气压传动系统的组成和工作原理的重要技术文件，它对生产装备自动化、省力化，对系统的性能及设计方案的合理，经济有重要影响。 本设计中的机械手由大臂伸缩夹紧，立柱升降，立柱回旋等执行机构组成，各执行机构用气缸驱动。由于气缸中的活塞在接近末端时，如果未采取任何缓冲装置，则会应为 没有降低速度，活塞可能与气缸发生冲击，引起振动，磨损机件，或引起薄壁工件变形。因此大多数气缸都用缓冲装置，为防止这种现象发生，可设缓冲装置，由于本设计中气缸直径都较小，则选用外缓冲装置。机械手气动回路的设计主要是选择合适的控制阀，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力，流量和方向使气动执行机构获得必要的力。动作和改变运动方向，并按规定的程序工作。

5.1.1 工作程序

执行元件为四个气缸，实现大臂伸出，缩回，工件夹紧、松开，立柱下降、上升，立柱旋转等动作。气动机械手的工作程序如下图所示：

启动 大臂伸出→手抓夹紧工件→立柱上升→立柱旋转 ↓

立柱上升←立柱下降←手臂缩回←手爪松开工件←卡盘

↓

手臂伸出→手爪夹紧工件，卡盘松开工件→立柱旋转

↓

手臂缩回←手爪松开工件←立柱下降

5.1.2气压传动系统原理图的拟定

气压传动系统的具体工作原理如下图所示。由于手机床布局限制，为了使机床的X ， Z轴均回零参考点出，才可气动气压系统进行自动上下料。本设计的气动机械手完成各个选择两位五通的换向阀控制，各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向节流阀通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。

图5.1气压传动系统图

1—气源 2—气动三联件 3、4、5、6—减压阀

7、8、9、10、11、12、13、14—单向节流阀 15—手臂伸缩缸 16—手爪夹紧缸 17—升降缸 18—旋转缸

气源启动后，缸15动作，向外伸出阀控制的行程后，缸16动作，手爪夹紧工件，

然后缸17动作使机械手手臂上升一定的行程后，缸18动作，机械手带动工件旋转180°，三爪卡盘夹紧工件，缸16动作，手爪松开工件，接着机械手在缸15和缸17的动作下回到一个指定位，机床加工零件。上料过程完毕。

下料过程：工件加工完后，机械手要完成工件下料。首先缸17动作，手臂上升一定行程，缸15动作，手臂伸出达到机床主轴中心线的高度，缸16动作，手爪夹紧工件，三爪卡盘松开工件，然后缸18旋转180°，缸17动作，机械手下降至初始位置，将工件放在料台上。此时缸16动作，手爪松开工件，缸15动作后，手臂缩回。机械手回到最初上料时的位置。接着机械手又进入下一个循环，这对零件的加工效率显著提高。

5.2 机械手的PLC控制设计（本设计中选用S7—200PLC）

气动系统在工业自动化中越来越广泛的应用，机械手的控制和驱动方式基本上都是采用高精度的伺服电机，成本高，结构复杂。这些问题阻碍了装卸料机械手在实际中的应用。本设计中采用PLC控制，成本低，高速的气动机械手，实现自动生产线上的工件的自动装卸。

5.2.1 机械手自动上下料过程

机械手自动上下料由PLC可编程逻辑控制器协调控制，经过各个气缸配合进行动作处理。整个自动上下料过程包括四大部分：

 工件输送

 机械手取料

 卡盘上下料

④ 机械手送料

5.2.2 机械手的PLC控制设计

（1）机械手的工作流程

按下启动按钮I0.0后，手臂向右伸出，碰到右限位开关I0.1后，手爪夹紧工件，立柱上升，碰到右限位开关I0.2后，立柱旋转180°，碰到旋转开关I0.3后，手爪松

开，手臂缩回，碰到缩回限位开关I0.5，立柱下降，碰到下限位开关I0.6后，机械手先停止1分钟（设加工零件一分钟完成）。当加工完零件后，手臂向左伸出，碰到左限位开关I0.7后，手爪夹紧工件，之后立柱旋转180°，立柱下降，碰到下限位开关I0.6后，手爪松开，手臂缩回到初始位置。

（2）I/O分配表

I/O分配表

(3)机械手上下料工作的顺序功能图

图5.2 顺序功能图

（3）由机械手I/O分配表和顺序功能图，可以得到梯形图，如下：

图5.3 梯形图

结论与展望

本次设计是套类零件自动上下料机构，主要由气动机械手组成，气动机械手机构比较简单，功能也比较简单，可以满足本次设计要求。其设计主要考虑以下几个方面：

（1）机械手末端执行器的设计

末端执行器采用气动夹持式手爪，结构简单，可对不同种类的工件实现夹取，安装。

（2）驱动方案的选择

气压传动动作迅速，反应灵敏，可实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化而影响传动，不污染环境，成本低廉。

（3）机械手气动回路设计

选用合适的气动元件，通过控制和调节各个气压缸压缩空气的压力，流量，方向来使气动执行机构获得必要的力运动速度，并按预定的程序工作。

（4）PLC控制设计

机械手采用PLC控制，可靠性高，改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是进行程序控制都可以通过设定PLC程序实现，使机械手的通用性强。

参考文献

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[15] 李云江主编，机器人概论，机械工业出版社，2011

指导教师简介

指导教师简介

周新民，男，1955年5月出生。毕业于昆明理工大学机电学院，工学硕士学位。西南林业大学机械与交通学院院长，教授职称，硕士研究生导师。现任全国高等林业院校机电学科教学指导委员会委员；“中国振动工程学会机械动力学学会”理事；中国林学会林业机械分会常务委员；云南省机械工程学会常务理事。

主要从事本科生、研究生的教学，以及科学研究工作。近年来发表学术论文40余篇。获省部级科技进步二等奖两项。合作出版学术专著：《现代机械动力学及其工程应用──建模、分析、仿真、修改、控制、优化》，机械工业出版社出版。

目前从事的主要研究领域为：机械系统动力学，现代设计与制造，机械工程测试技术及试验，状态监控与故障诊断。

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