冲床上料机械手设计

摘要
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

本次设计的60吨冲床上料机械手根据规定的动作顺序，完成对机械手的设计，对机械手的工作原理，结构使用范围，特点参数选择等方面进行了阐述。

此60吨冲床上料机械手主要是给冲床进行上料和从储料框中取料；机械手的抓重1Kg；1个自由度三个具体动作，自由度为腰座的转动,采用圆柱坐标；其余两个动作为机械手的升降和伸缩，采用螺母和螺栓调节，可根据生产的需要改变机械手手臂的高度和长度以及更换吸盘。

回转角度：60度；送料频率：50-60次/分；驱动方式为气压传动；机械手的腰座回转采用气缸带动齿条齿轮驱动；本设计主要对手部进行了设计和计算，腰座回转采用回转气缸。

关键词：上料机械手；冲床上料；气压传动
Abstract
Manipulator is imitate the part of the hand, according to the given program, track and for automatic mechanical device to realize the acquirement, handling and operation of the. The manipulator used in the industrial production is called "industrial manipulator". 60 tons punch the design of the manipulator according to the provisions of the action sequence, complete the design of manipulator, the working principle of the manipulator, the use range structure, gives the characteristic parameters. This 60 tons punch manipulator is mainly to press for feeding and from the material storage box material; mechanical hand catch weight 1Kg; 1 degrees of freedom three specific actions, degrees of freedom for rotation waist seat, using cylindrical coordinates; the remaining two of the mechanical hand movements and the expansion, the nut and bolt adjustment, according to production needs to change the mechanical arm height and length and replacing chuck. Because the rotary angle: 60 degrees; the feeding frequency: 50-60 times / points; drive mode for pneumatic drive; waist seat rotary manipulator cylinder is used to drive a rack gear drive; the design of the main part of the design and calculation, waist, rotating the rotary cylinder.
KeyWords：feeding manipulator；punch feeding；pneumatic transmission
目录
1 绪论 (1)
1.1 机械手简介 (1)
1.2 机械手发展现状及应用 (1)
1.2.1国内外发展现状 (1)
1.2.2机械手的应用 (4)
2 机械手的总体设计 (7)
2.1 机械手的总体结构 (7)
2.1.1 机械手组成 (7)
2.1.2 机械手坐标形式的确定 (9)
2.1.3上料机械手的组成及工作原理 (9)
2.2 机械手腰座结构的设计 (11)
2.1.1 机械手的驱动系统的确定 (12)
2.1.2 机械手的机械传动机构的确定 (15)
2.3 机械手手臂的结构设计 (17)
2.4 机械手手部的结构设计 (19)
3 机械手理论分析和设计计算 (21)
3.1 系统设计计算 (21)
3.1.1 确定气压系统基本方案 (21)
3.1.2 气压缸的总机械载荷的计算 (22)
3.1.3 气缸强度的计算及校核 (23)
3.1.4 计算和选择气缸元件 (25)
3.2 吸盘的选择和计算 (25)
总结 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
毕业设计（论文）知识产权声明.............. 错误！未定义书签。

毕业设计（论文）独创性声明.. (33)
1绪论
1.1机械手简介
工机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2机械手发展现状及应用
1.2.1国内外发展现状
机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一
台机械手。

1954年USA
1959年USA
1962年USA
1967年JAN
1970年在USA
1973年
45KG
1980年在JAN
得到了前所未有的发展与提升，在就是后来到台湾再到大陆。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统具有视觉、
使机械手具有感觉机能。

目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系。

并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

a.目前国内外的发展趋势是
(1)研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。

(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。

(3)研制维修维护方便的通用机械手。

(4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。

(5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。

这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。

根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。

用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。

用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。

这样的智能机械手可以由人的特殊
语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。

(6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。

(7)研制具有柔性系统的通用机械手
目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。

如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。

现在研究的机
械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。

现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。

b.机械手的研究意义
随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。

在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。

在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：
(1)可以提高生产过程的自动化程度。

应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。

(2)可以改善劳动条件，避免人身事故。

在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。

而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。

(3)可以减少人力，并便于有节奏的生产。

应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。

因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。

(4)用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。

(5)运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。

工业机械手在经历了长期发展后，已经成为制造业中不可缺少的核心设备。

同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机械手也被开发出来去适应制造领域意外的各个行业。

各种用途的特种机器手纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。

机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义
上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2.2机械手的应用
机械手一般分为三类:
第一类：是不需要人工操作的通用机械手。

它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序以完成各项规定的操作。

它的特点是具备普通机械的性能之外还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二：是需要人工才做的称为操作机。

它起源于原子、军事工业。

先是通过操作机来完成特定的作业后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类：是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上用以解决机床上下料和工件送。

这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工作程序是固定的，因此是专用的。

在国外，目前主要是搞第一类通用机械手。

机械手首先是从美国开始研制的。

1985年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：机体上安装一回转长臂。

端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。

不少球坐标式通用机械手都是在这个基础上发展起来的。

日本式工业机械手发展最快、应用最多的国家。

目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

下面就国内机械工业、铁路部门应用机械手的简况，以及国外机械工业发展和应用机械手的简况，分别介绍如下。

a.热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。

为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，改善热、累的劳动条件。

因此，国内首先是采用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，减轻劳动强度。

后来在精锻机上采用机械手，使精短过程自动化，代替人工喂料。

国外对锻造机械手的研制工作十分重视，如美国采用圆柱坐标式机械手在1300吨锻压机上锻造齿轮毛坯；瑞典采用Unimate型机械手在压力机上锻造曲轴；采用Versatran型机械手生产大型轴承环，机械手在两台液压机间传送轴承环的坯料。

锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢锻造，相当于40CrNi
Mo的材料。

2
同时用空气、水喷雾冷却。

机械手外部装有防热护罩，内部通水冷却。

机械手在锻造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压铸机上下料机械手，上下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。

有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造生产的面貌。

国外对电炉炼钢过程中采用机械手进行了大量的研究。

由于强大电流的干扰，影响了机械手的采用，并由于熔渣和钢水难以区别，往往在浇注过程中容易液、渣不分，需研究带有特殊传感装置的机械手，才能实现浇注的机械化和自动化。

b.冷加工方面
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类零件单机加工时的上下料和刀具安装等。

进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。

最近更在加工生产线、自动线上应用，称为机床、设备上下工序联接的重要手段。

国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专业上采用机械手上下料、减轻工人劳动强度。

如在轴类、螺栓、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。

在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要装备。

并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。

国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。

并和机床设备共同组成一个综合的数控加工系统。

c.拆修装方面
拆修装是铁路工业系统房中体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。

目前国内铁路工厂、机务段等部门。

已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清楚石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。

采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄像机和力的传感装置和微型计算机联接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势
60吨冲床自动上料装置是在一般冲床上改装冲床曲轴，添加上料机械手,升料台和滑道等装置，是冲床自动连续工作。

该装置的特点是由上料机械手来控制冲床动作，能保证冲床有节奏的，安全的生产。

2 机械手的总体设计
2.1 机械手的总体结构
2.1.1 机械手组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。

图1.1 机械手的组成方框图
a ．执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。

(1) 手部
即与物件接触的部件。

(2) 手腕
是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动.一般腕部设有回转运动在增加一个上下摆动即可满足要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，并且要求严格密
封，否则就难保证稳定的输出扭矩。

因此在要求较大回转角的情况，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

(3) 手臂 控制系统 驱动系统被抓取工件
执行机构 位置检测装置
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。

(4) 立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

(5) 行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

(6) 机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

b．驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

c．控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

d．位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

2.1.2 机械手坐标形式的确定
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。

各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下: a．直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。

为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。

直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

b．圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。

这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。

其工作空间是一个圆柱状的空间。

c．球坐标机器人结构
球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。

这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。

主要应用于搬运作业。

其工作空间是一个类球形的空间。

d．关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。

关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。

相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。

此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。

关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

2.1.3上料机械手的组成及工作原理
本气压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式冲压机进行加工。

它的动作顺序是：待料（即原始位置，吸盘在升料台的上方）→升料台上升→吸盘抓取工件→手臂正转→推料爪推料→吸盘放料→手臂反转→冲头下降（手臂反转30°碰触行程开关）→制动器接通，曲轴制动→手臂复位。

图2.1 自动上料装置与冲床配置图
本题目规格参数:
1.抓重：约1公斤
2. 自由度数：1个
3.手臂运动参数：
手臂回转角度：600
手臂送料频率：50～60次/分
4.驱动方式：气压
具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量约1KG，且考虑到冲压机床布局的具体形式及对机械手的具体要求和在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。

该机械手在工作中需要1种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为手动调节,另一个为手臂的回转运动为气动控制,综合考虑，机械手自由度数目取为1，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。

2.2 机械手腰座结构的设计
进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。

它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。

在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：
1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。

2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。

3)机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。

4)腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。

驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

5)腰部结构要便于安装、调整。

腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。

要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。

6)为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.1.1 机械手的驱动系统的确定
a. 驱动系统的类型
工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。

根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。

这三类基本驱动系统的主要特点如下。

(1) 液压驱动系统
由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。

适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。

但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。

(2)气动驱动系统
具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。

适用于中、小负荷的机器人中采用。

但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中。

(3) 电动驱动系统
由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。

这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。

大多数电机后面需安装精密的传动机构。

直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。

但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。

b. 工业机器人驱动系统的选择原则
设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的。