目录1. 绪论 01.1 自动上下料机构概述 01.2 自动上下料的组成分类及特点 01.3 自动上下料机构设计的意义 (2)2.总体方案设计 (4)2.1 机械手的基本形式的选择 (4)2.2 自动上下料机构方案的拟定 (5)2.3 CK6150型数控车床的主要参数 (7)2.4 驱动方式的确定 (8)2.5 机械手的技术参数列表 (11)3.机械手机械结构设计 (12)3.1 手部的设计 (12)3.1.1手部的概述 (12)3.1.2 机械手部的典型结构 (13)3.1.3 机械式手爪设计 (14)3.1.4 手部驱动力计算 (14)3.2.1 臂部设计的基本要求 (18)3.2.2 手臂的常用机构 (19)3.3 机身设计 (24)3.3.1 概述 (24)3.3.2 俯仰与回转机身的设计 (24)4.机械手的运动分析 (32)4.1机械手的运动规划 (32)4.2 机械手的主要部件和运动 (32)4.2.1 机械手的手爪的运动 (33)4.2.2 机械手的臂部的运动 (33)4.3 机械手的整体运动分析 (34)5.气动控制系统设计 (36)5.1 气压传动系统原理图的拟定 (36)5.1.2气压传动系统原理图的拟定 (36)5.2 机械手的PLC控制设计（本设计中选用S7—200PLC） (38)5.2.1 机械手自动上下料过程 (38)5.2.2 机械手的PLC控制设计 (38)图5.3 梯形图 (41)结论与展望 (42)参考文献 (43)指导教师简介 (44)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2.11——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2.21——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2.31——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 150Z轴行程 mm 1000X/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-2490x1360x15102.4 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：300mm5、手臂最大中心高：600mm6、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°/s7、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。