套类零件自动上下料机构设计.docx
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套类零件自动上下料机构设计
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
2.3CK6150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。
自动上下料装置就是为实现将毛坯自动选入加工位置，准确的定位，夹紧以及取下加工完的零件所必须的许多功能机构的总和。
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
名称
主要作用
料仓式
料斗式
1.装料容器
贮存工件
必有
必有
2.料道
将工件从伫料器上传送至上料机构
可能有
必有
3.上料机构
将定向好的工件按一定的生产节拍送往机床或夹具
必有
可能有
4.下料机构
将加工完毕的工件从机床或夹具中卸下并运出
可能有
可能有
5.抓取定向机构
使散乱的工件定向排列并送出
无
有
6.二次（或多次）定向机构
使某些料斗送出的工件最终达到完全定向
无
有
7.隔料器
逐个的从料道中放出工件（可由上料机构兼）
有
有
8.搅拌器（消除堵塞机构）
消除工件堵塞或搅拌工件，增加定向或然率
可能有
有
9.剔除器（抛料机构）
将定向不正确或多余的工件抛回料斗
无
可能有
10.检测机构
检测工件定向情况并发出指令控制自动上下料装置的工件
一般无
可能有
11.驱动机构
驱动抓取定向机构或其他机构运动
有
有
12.安全机构
当发生故障或料道中工件积存过多时自动停车
一般无
有
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。
（1）采用桁架形式1
2
3
4
5
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——伸缩缸
5——升降缸6——旋转缸
（3）机械手放在车床与料台中间
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。
2.3CK6150型数控车床的主要参数
床身上最大回转直径mmF520
最大工件长度（二顶尖间距离）mm1000
最大车削长度（最大加工长度）mm1000
最大车削直径（卧式刀架）mm400
滑板上最大回转直径（卧式刀架）mm280
滑板上最大回转直径（立式刀架）mm300
主轴端部形式及代号-A8
主轴通孔直径mm82
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mmF250（标配）
卡盘直径-气动mmF250（选配）
卡盘直径-液压mmF250（选配）
X轴行程mm150
Z轴行程mm1000
X/Z轴重复定位精度mm0.012/0.016
中心高mm距床身：
250；距地面；1130
床身导轨宽度（导轨跨度）mm400
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kg2800
机床毛重kg3000
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
内容驱动方式
液压驱动气动驱动电机驱动
输出功率
很大，压力范为5～14Mpa
大，压力范围为0.4～0.7Mpa
较大
控制性能
利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制
控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续控制，伺服特性好，控制系统复杂
响应速度
很高
较高
很高
结构性能及体积
结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动。
功率/质量大，体积小，密封问题较大
结构适当，执行机构可标准化，系列化，通用化，易实现直接驱动。
功率/质量大，体积小，结构紧凑，密封问题较小
伺服电机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，无密封问题
安全性
防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险
防爆性能好，高于1000kpa时应注意设备的抗压性
设备自身无爆炸和火灾的危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差
对环境的影响
液压系统易漏油，对环境有污染
排气时有噪声
无
在工业机械手中的应用范围
适用于重载，低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手
适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手，如冲压机械手本体的启动平衡及装配机械手气动夹具
适用于中小负载，要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手。
弧焊机械手等
成本
液压元件成本较高
成本低
成本高
维修及使用
方便，但油液对环境温度有一定要求
方便，使用寿命长，可靠性高
较复杂
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=4kg，α=80°，b=5mm，c=70mm，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=39.2N
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
0.5P·b·tgα=N·c
P=2Nc/b·tgɑ
=2x39.2x70/5xtg80°
=193.54N
（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：
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/4D2pηN
F2=π/4（D2-d2）pηN
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
当推力做功时，
m
当拉力做功时，
m
在此以推力做功计算，
得：
=31.32mm
根据标准化气缸系列的数值进行圆整后，D=32mm
p=0.63x106pa，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=6.4～9.8mm
取活塞杆直径d=8mm。
按强度条件计算活塞杆直径d，
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=5.04mm，取δ=6mm。
则缸筒外径为D1=32+6x2=44mm。
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=6mm，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
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