轴套类零件自动上下料机构设计详解

目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT (Ⅱ)

第一章绪论 (1)

1.1课题背景及目的 (1)

1.2本课题研究的意义 (1)

1.3自动上下料机构的组成分类及特点 (2)

第二章总体设计方案 (3)

2.1机械手设计要求 (3)

2.2动作要求分析 (4)

2.3机械手的基本形式 (4)

2.4机械手材料的选择 (5)

2.5自动上下料机构布局拟定 (5)

2.6驱动方式的选择 (7)

2.7 CK6140型数控车床的主要参数 (8)

第三章机械手结构设计 (9)

3.1手部的设计 (9)

3.1.1手部的概述 (9)

3.1.2机械手部的典型结构 (9)

3.1.3手爪设计原则 (12)

3.1.4机械式手爪设计 (12)

3.1.5手部驱动力计算 (13)

3.2臂部的设计 (16)

3.2.1手臂的常用机构 (17)

3.2.2手臂设计原则 (17)

3.2.3臂部驱动力计算 (18)

3.3机身的设计 (21)

3.3.1机身的整体设计 (21)

3.3.2机身回转机构的设计计算 (24)

3.3.3机身升降液压缸的设计计算 (26)

第四章机械手的运动分析 (33)

4.1液压缸的设计选择 (33)

4.2 机械手的手爪的运动 (34)

4.3 机械手的臂部的运动 (34)

4.4 机械手的整体运动分析 (34)

总结 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

摘要

本课题主要进行生产线轴套类零件自动上下料机构设计，该设计属于机械手的一部分，生产线轴套类零件自动上下料机构是在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置，实现了胚料的抓取、自动定位、夹紧以及工件的回放。机械手能代替人类重复完成枯燥危险的工作，提高劳动生产力，减轻人的劳动强度。该机构涵盖了位置控制技术、可编程序控制技术、检测技术等。本课题设计的液压机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样。根据工件的变化及生产技术的要求随时更改相关参数，可代替人工在高温危险区进行作业。

关键词：机械手轴套类零件自动上下料机构提升旋转

ABSTRACT

This topic mainly production spool and sleeve type parts automatic feeding mechanism design. The design is part of the manipulator, the production spool and sleeve type parts automatic feeding mechanism is the development of mechanization and automation of the production process of a new type of device to achieve the blank to grab, automatic positioning, clamping and workpiece playback. Mechanical hand can replace the human to complete the boring work, improve labor productivity, reduce labor intensity. The organization covers the position control technology, programmable control technology, detection technology, etc.. This topic design of the hydraulic manipulator can grasp the object in space, flexible and diverse movements. According to the change of workpiece and production technology requirements at any time to change the relevant parameters, can be used to replace manual work in the high temperature danger zone.

Key words：mechanical hand, automatic loading and unloading mechanism, lifting, rotation

第一章 绪论

1.1课题背景及目的

纵观目前我国的发展情况,如果把万能车床改成自动或半自动机床，那么就能充分发挥万能机床的潜力,这对制造业的生产无疑是有重大意义的。机床的自动上下料机构,是制造车间里重要的组成部分。于是，该机构应该与自动机床和自动线一起设计。

在自动化加工的装配生产线中,能自动完成将工件向加工或装配机械供给并上下料的机构，称为自动上下料机构。自动上下料机构就是为完成让毛坯自动地选择加工位置，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的总和。

有关数据显示，在工件的加工装配过程中，工件的供给、上料、下料及搬

运等工序所需要的费用很多，约占全部费用的3

1

，所费的工时也约占全部工时

的3

2

以上，并且绝大多数的事故都发生在这些工序中。而对一些工业相比较发达的国家来说，自动上下料机构大量存在于各类制造业中，自动化的生产过程不但提高了生产率，解放了劳动力，而且对提高产品质量，降低成本，促进产业结构优化起到了一定的积极作用。

伴随着工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，人们对生产工件的效率也有了新的期盼。人力工作显然已经满足不了工业自动化的要求了，所以，我们必须开发新的设备自动生产以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中，机械手是自动化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、提高生产过程中的自动化程度

它有利于完成材料的传送、工件的调整、刀具的替换以及零件的装配等的自动化程度，从而大大地提高了生产率，降低了工业成本。

2、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，工人无法正常工作，而应用自动上下料机构就可以排除环境的不利影响，轻松的完成需要的工作，从而避免了不必要的人身事故的发生。

3、减轻人力，并便于有节奏的生产

总体来说，合理的利用自动化上下料机构，是工业发展的必经之路。

1.2本课题研究的意义

（1）通过对轴套类零件自动上下料机构的设计，使我们对大学期间学过的

知识进行了复习和回顾；

（2）使我更深入的学习了液压缸和PLC的有关知识；

（3）增强了自我学习，自我解决问题的能力。

1.3自动上下料机构的组成分类及特点

⑴自动上下料机构的类型

自动上下料机构可用于各种机床，它可分为料斗式自动上下料机构、料仓式半自动上下料机构。

料斗式自动上下料机构用于形状简单、尺寸较小、重量较轻的工件，如小型轴、套、销、环类零件，工件在装料容器中不需要固定位置，由抓取机构来自动排列和送出。

而料仓式半自动上下料机构则用于尺寸和重量较大或形状较复杂而自动排列困难的工件，或需要工序时间较长的工件，如连杆、齿轮、曲轴等，工件由工人在料仓中排列好，然后就可以自动送出了。

⑵自动上下料机构的组成

自动上下料机构的组成如表1-1所示：

表1-1 自动上下料装置组成表

第二章总体设计方案

2.1机械手设计要求

轴套类零件的加工是生产过程中的重要组成部分，机械手要实现的就是降低非切削处理的时间，提高生产率，从而提高机器乃至整个生产线的效率。自动上下料机构相对来说比较复杂，多个零件之间的协调行动，因此需要自动上下料机构灵活、准确、精度高。

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统等三部分组成，它们之间的关系如图2-1所示：

图2-1 机械手的组成方框图

2.2动作要求分析

动作一：送料

动作二：预夹紧

动作三：手臂上升

动作四：手臂旋转

动作五：小臂伸长

动作六：手腕旋转

图2-2 机械手动作简易图

2.3机械手的基本形式

机械手的机械组成部分可以当作是由一些连杆依靠关节组合起来的。机械手有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节的组装可以有不同的坐标形式，共有四种：直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标形式，关节坐标形式。各坐标形式如图2-3所示：

图2-3 机械手的基本形式

由于本课程设计主要针对数控车床的上下料机构，需要实现的功能是胚料的抓取、自动定位、夹紧和工件的回放，机械手的运动方式有：伸缩、升降、旋转。因此，本次设计选择圆柱坐标式机械手更为合理，相应的机械手具有三个自由度。

圆柱坐标形式的机械手除了简单的“抓--放”作业外，还可以用在很多其它的地方。圆柱坐标形式的机械手的结构比较紧凑，在垂直方向和径向有两个

往返运动，定位精度很高。在本次课程设计中，当料台上放置一个轴套类零件时，机械手的手臂在伸缩液压缸的驱动下伸长，手爪在液压缸活塞的驱动下张开，夹紧工件。然后升降液压缸启动，手臂上升一定高度后，机械手在旋转液压缸的驱动下，逆时针旋转180°。这样，机械手臂就指向了数控机床的主轴方向，然后将工件放在车床的相应位置，接着，液压缸的活塞回拉，手爪松开，机械手臂缩回，并且降到一个核实的位置。数控机床加工完成之后，机械手臂上升、伸长，夹取工件，然后车床上的三爪卡盘松开，机械手臂再次旋转180°之后，将已经加工好的工件放在料台上，接着，手爪松开、缩回、下降，回到原始位置。至此，一个完整的自动上下料过程完成了。

2.4机械手材料的选择

机械手的材料应该根据自动上下料机构的工作条件来决定，以此来满足机械手的设计和制造要求。从设计的角度分析，机械手需要移动，完成各种动作，首先它要满足重量轻以便于移动。另外，在工作过程中，手臂会产生振动，这就是的运动精度下降。因此，它的材料、硬度、刚度、弹性模量的选择都要认真考虑。本课程设计的机械手，没有承受高的负载，也不需要高的弹性模量和强度，结合材料成本、加工及其他因素来分析，初步选定此机械手的材料为45钢。

2.5自动上下料机构布局拟定

根据生产机构的布局，自动上下料机构的位置分布图有以下三种：

（1）机械手放在车床与料台中间

图2-4 机械手放在车床与料台中间的布局

（2）桁架形式

图2-5 桁架形式的布局

（3）输送线与机床有一定夹角的布局

图2-6 输送线与机床有一定夹角的布局

对于桁架形式的布局来说，每一台机床前的立柱必不可少，以用来支撑机械手，并且机械手沿着水平方向移动时，驱动的要求复杂，而且成本高，因此不提倡采用。对于有夹角的布局，虽可以实现对工件的抓取和回放，却仅适用于普通车床，适合对象范围小，占地还大，手臂的运动多且复杂，不提倡采用。机械手放在车床与料台中间的布局，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，相比较而言，这个方案在可以完成任务的情况下，成本相对较低，所占用的空间也比较小，简单易行，且执行速度起来效率更高，所以本次设计采用此方案。

2.6驱动方式的选择

机械手常用的驱动方式有气压驱动、液压驱动和电机驱动三种类型。这三种驱动方式的特点如表2-1所示：

表2-1 自动上下料机构驱动方式对比表

以上驱动方式各有千秋，一般对机械手驱动系统的要求如下：

⑴反应灵敏，即要求力矩转动惯量比和力矩质量比要大，反复地启动、制动、正反转可以顺利进行；

⑵质量尽可能要轻，所占空间小，单位质量可输出高的功率和效率；

⑶驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；

⑷安全可靠，操作和维护方便；

⑸成本低，对环境无污染，噪声小。

由表2-1和本次设计对于机械手驱动系统的要求，初步决定采用液压驱动的方式。

2.7 CK6140型数控车床的主要参数

机床轮廓尺寸（长×宽×高） 2265mm×1050mm×1466mm 主轴线距地面高度 1100 mm

床身最大工件回转直径 400 mm

最大车削长度 1000 mm

主轴头形成 6#C型

床头箱长度 610 mm

主轴转速范围 100～2500r/min

中心高 205 mm

主轴孔径 52 mm

主轴锥孔莫式6号

主轴线与床身边缘的间距 300 mm

第三章机械手结构设计

3.1手部的设计

3.1.1手部的概述

后部的操作器也可以理解为机械手所在的手的位置，可以用来完成作业和抓住工件，其被装在机器人的手爪位置。其中手爪有所谓的通用性，其主要作用是抓握、持握及释放被抓的工件。

按照夹持原理的不同可以将手爪分成三大类，它们分别是真空类，机械类和磁力类。其中真空类是真空式的呈吸盘样式，真空类有可以根据不同形成真空的原理分为三种，它们分别是挤气负压式,气流负压式以及真空吸盘。机械类又可以根据关节的数量分为单关节与多关节类手爪，按手指的数目可以被分为二指与多指的手爪。而磁力类就是所谓的的真空式手爪，也叫做无指类手爪。

3.1.2机械手部的典型结构

（1）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或放松运动，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。

图3-1 连杆杠杆式手爪

（2）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，来实现抓取工件的动作。

1-杠杆 2-弹簧 3-滚轮 4-楔块 5-驱动器

图3-2 楔块杠杆式手爪

（3）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。

图3-3 齿轮齿条式手爪

（4）平行连杆式手爪

采用平行四边形结构，不需要导轨就可以保证手爪的两指保持平行运动，且比带有导轨的平移手爪的摩擦力要小很多。

图3-4 平行连杆式手爪

（5）滑槽杠杆式手爪

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。

图3-5 滑槽杠杆式手爪

3.1.3手爪设计原则

⑴具有足够的夹紧力

应该考虑到手抓在工作过程中产生的惯性力和振动的原因，以及工件质量也是一个很重要的因素，由此学确定手抓的夹紧力，这样才会保证工件不脱落或松动。

⑵具有足够的强度和刚度

在工作的过程中，手抓会受到惯性力与振动的作用，还会受到工件被夹持而产生的反作用力作用，因此为了有效预防手爪发生断裂或变形，需要手抓本身有很好的刚度和强度。

⑶手指间应具有一定的张开范围

所谓手指间的开闭角就是两只手指在闭合与张开的过程中形成的极限角度。然而开闭角需要满足能使得工件顺畅被松开或夹取，需要考虑到被夹取工件的最大尺寸问题当夹持的工件直径不同时。

⑷保证工件准确定位

需要依照被抓前取得工件的外形的不同而选择不同的手指的形状，目的是为了使得被夹持工件跟手指之间保持相对精准的位置。

⑸为了减小手臂的负担载荷，尽力使重量变轻，结构变得相对紧凑。

3.1.4机械式手爪设计

⑴在机械手中，驱动机构是非常重要的部分，其中驱动装置及其方案在比较的程度上决定了某种机械手所具有的性能价格等。手指张合一般采用气动，机械驱动，电动和液压的方式来控制。当利用液压的方式时有很多的优点，比如说驱动力足够大，控制相对方便，重量相对较轻，尺寸非常紧凑以及结构相对简单。因此，本次设计选择液压驱动。

⑵在驱动源中，传动机构可以通过使得机械手上的爪钳打开与合上而实现夹紧力的产生。通常传动机构可以分为齿轮齿条形式，滑槽式以及杠杆式等好多种形式。在本文的设计中，采用的是双支点，杠杆连杆式，其中连杆跟驱动杆的尾端是由销轴联系起来的，为了实现手指的闭合与松开运动，需要通过驱动杆件在做往复直线的运动过程中，利用连杆推得两指各自绕着支点进行回转的动作。

⑶手爪是指其材料和形状对夹紧力有重大影响的并与工件直接接触的部分。一般来说，夹紧工件的接触点与所要求的夹紧力呈反比，越低的夹紧力对夹紧工件越安全。为了满足功能上的需求，考虑到本设计中的套类零件尺寸大小，其自身的重量，因此我们采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表面。

3.1.5手部驱动力计算

⒈手指夹紧力的计算

图3-6 手爪受力分析简图

（1）设工件重量m=4kg ，α=80°,b=5mm ，c=80mm ，f=0.2 （2）当工件被夹持时，夹紧力可由下式计算：

0321G K K K N

≥ （3-1）

式中 1K —安全系数，取1K =1.5 2K —工况系数，取2K =2 3K —方位系数，取3K =1 由公式3-1计算得 0321G K K K N

≥

=1.5×2×1×4×9.8 =117.6N

(3)如上图所示所示，Q 为活塞杆推力，N 为手指夹紧工件的夹紧力，则由力矩平衡条件，知

Nc Qb =?αtan 2

1

（3-2）

其中，α=80°,b=5mm ，c=80mm

代入数值得 N b Nc Q 55.66380tan 580

6.1172tan 2=?

???=?=

α ⒉液压缸内径的计算

由机械设计手册，液压缸的内径可有下式计算：

η

πp 4Q

D =

（3-3） 式中 η—机械效率，考虑密封件的摩擦阻力损失，橡胶密封常取η=0.95 p —液压缸工作腔的工作压力，由表3-1，取a 10

0.8p 6

P ?=

表3-1 按负载选择工作压力

代入数值得

mm p Q D 34.3395

.0108.055

.663446

=????==

πηπ 表3-2 液压缸内径系列（JB826-66)

根据标准化液压缸内径进行圆整，取D=40mm ⒊活塞杆直径的设计与校核

液压缸传递力主要靠活塞杆，它的主要作用有承受压力、弯曲力、拉力、冲击振动等，但必须有充足的强度和刚度。所以，在此我们取材料Q235，抗拉强度b σ=375~460MPa ，取400MPa 。

根据《液压传动与控制手册》，可得活塞杆直径的选取原则：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3~0.5；当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5～0.7

根据表3-3，取d=20mm

表3-3 活塞杆直径系列

活塞杆的直径d 按式（3-4）进行校核

[]

σπF

d 4≥

（3-4）

式中 F —活塞杆上的作用力

[σ]—活塞杆的许用应力，[]S

b

σσ=，

b σ—材料的抗拉强度 S —安全系数，S=1.4 代入数值得

mm d 25.310

8055

.66346

=???≥

π成立 故活塞杆直径满足强度要求。 ⒋缸筒壁厚的计算与校核

缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高或缸体内径较大时，需要进行强度校核。本设计选用45号钢作为缸体的材料，抗拉强度

b σ=600MPa 。取壁厚δ=5mm

当D/δ<10时，壁厚δ按下列公式进行校核:

[][]???

? ??--+≥13.14.02t

t

p p D σσδ （3-5） 式中 δ—液压缸筒壁厚 D —液压缸内径

Pt —液压缸试验压力，取Pt=1.5P P —液压缸工作压力

[σ]—缸筒材料许用应力，[σ]=σb/s σb —材料的抗拉强度 S —安全系数，一般取S=5 代入数据得

m m 17.018.05.13.11208.05.14.0120240=???

? ??-??-??+?≥δ成立

故缸筒壁厚满足强度要求。 ⒌液压缸外径的确定

d D D 21+==40+5×2=50mm

表3-4 标准液压缸外径（JB1068-67）

⒍连接螺栓直径的确定与校核

根据载荷的大小，初定螺栓直径d=6mm ，螺栓材料为Q235，性能等级为4.6，查表得材料屈服极限σs=240Mpa ，安全系数S=1.5，[σ]=σs/S=160Mpa

液压缸盖固定螺栓直径可按下式计算：

[]

σπZ kF

d 2.5≥ （3-6）

式中 k —螺纹拧紧系数，k=1.12~1.5 F —液压缸负载 Z —固定螺钉个数

[σ]—螺杆材料的许用应力 σs —材料的屈服极限 S —安全系数，S=1.2~2.5 代入数据得

mm d 5.0160

48

.03.12.5=????≥

π成立

故螺钉符合强度要求。 ⒎密封与防尘

通常我们常见的活塞杆的密封形式不仅有O 形、Y 形、V 形、U 形密封圈。考虑到设计与维护等多方面因素，本设计选用O 形密封圈。

3.2臂部的设计