自动上料机械手设计

摘要

随着社会的不断进步，科技水平的不断发展，人们对时间的需求越来越大，所以在大

规模的制造业中，通过人力来进行产品的生产，已经不足以支撑企业运转了，所以为了提

高工作效率，同时也为了保证产品的质量，必须尽快实现机械自动化，这样一来，生产过

程能不能自动化，己经成为了当前需要关注的首要问题。随着人力劳动的减少，工业机渊

人代替其站在了自动化生产线上，并且已经受到了多个企业的认可与采用。我们可以看出，

在进行工业机器人的制造时，技术水平以及机器人成功后的应用频率，和国家工业自动化

水平的高低，呈正相关趋势。在一些高温、高压等人类无法工作的特殊环境下，工业机器

人就发挥了自己的作用，在保证产品质量的情况下，替人类克服那些在特殊环境下，无法

完成的困难，同时解放人类的双手，进一步提高劳动生产率。现阶段，工业机器人主要负

责的工作是，像喷绘、焊接、搬运这样要么重复性强，要么工作难度高的工作，并且在进

行工作以前，还需要操作人员进行示教。

此次木文设计的机器人类型，是一个三自由度工业机器人，它的功能主要是可以运输

物料，它的总设计，主要有以下四部分构成：一、总体设计；二、工业机械手怎样组成，

及有哪些应用；三、对机械手的液压系统进行设计；四、对机械手的控制系统进行设计。

其中我们在驱动系统中机械手的驱动，为了保证定位的精准，同时保证操作简单，整体流

程不复杂，便于控制，选用了液压缸来进行操作。空者对控制系统和液压系统也进行了分

析计算，为了对机械手装置的控制系统，进行深化设计，我们这次采用了PLC为核心。使

控制系统通过PLC进行控制，这与现如今工业控制系统设计的大方向不谋而合。并且，硬

件电路与机械手控制程序的设计，必须以工艺流程以及总体设计要求，已经分析完成的基

点上进行。

关键词：工业机器人；控制系统；计算机辅助；专用设备

Abstract

Withthecontinuousprogressofthesocietyandthecontinuousdevelopmentofscienceand

technologylevel,peopledemandmoreandmoretime,soinlarge-scalemanufacturing,the

productionofproductsbymanpowerhasbeeninsufficienttosupporttheoperationofthe

enterprise,inordertoimproveworkefficiency,andensurethequalityoftheproduct,the

enterprisemustrealizemechanicalautomationassoonaspossible,andithasbecomethe

primaryproblemthatneedstobefocusedatthemoment.Withthedecreaseofhumanlabor,

industrialrobotshavereplacedthemontheautomaticproductionlines,andhavebeen

recognizedandadoptedbymanyenterprises.Wecanseethatthenationalindustrialautomation

levelhasadirectimpactonmanufacturingtechnologylevelandapplieddegreeoftheindustrial

robot,Insomespecialenvironments,suchashightemperatureandhighpressure,whichpeople

cannotwork,industrialrobotshaveplayedarole,inthecaseofensuringthequalityofproducts,

itcanhelphumanbeingsovercomethedifficultiesthatcannotbeaccomplishedunderspecial

circumstances,andatthesametimefreetheirhandstofurtherimprovelaborproductivity.Atthe

presentstage,industrialrobotsaremainlyresponsiblefortaskssuchaspainting,weldingand

handling,whichareeitherhighlyrepetitiveordifficulttowork,andworkinthewayof

demonstrationandteachingreproduction.

In(hispaper,athree-degree-of-freedomindustrialrobotisdesigned.hsmainfunctionisto

transportmaterials.Itsoveralldesignismadeupofthefollowingfourparts:thefirstisthe

overalldesign;thesecondisthecompositionandapplicationofindustrialmanipulator;thethird

istodesignthemanipulatorhydraulicsystem;andthelastoneistodesignthecontrolsystem.

Wedriveofthemanipulatorinthedrivesystem,inordertoguaranteetheprecisionof

positioning,atthesametimetoensuretheoperationissimple,theoverallprocessisnot

complicated,andeasytocontrol,soselectingforthehydrauliccylindertooperate.Theauthor

alsoanalyzedandcalculatedthecontrolsystemandthehydraulicsystem,inordertofurther

designthecontrolsystemofthemanipulator,PLCisthecore.Thecontrolsystemiscontrolled

byPLC,whichcoincideswiththegeneraldirectionofdesigningindustrialcontrolsystem.

Moreover,thedesignofhardwarecircuitandmanipulatorcontrolprogramiscarriedoutonthe

basisofprocessflowanddesignrequirementsofthemanipulator.

Keywords:industrialmachinery;hydraulicsystem;computer-assisted;dedicateddevice

引言

在进行工业生产的过程中，搬运材料、上料下料，这不仅是一项需要大量人力的大

工程，更是一项操作起来非常危险的工作，所以能不能实现机械自动化，决定着这些环

节，能不能解放人类的双手。这样一来，实现自动化过程，不仅可以减少生产的成本，

还能提高工作效率，同时可以减少事故的发生。为了实现这些环节的自动化，所以，设

计人员设计了工业机械手。

国内机器人专家按照应用环境的不同，把机器人分为了特种机器人和工业机器人这

两类。我们分别来对这两类机器人进行解读：一、工业机器人在工业生产领域中，主要

面向多关节机械手或多自由度机器人。二、特种机器人就比较先进了，它可以有特定的

功能C包括：农业机器人、娱乐机器人、军用机器人等C在这些特种机器人中，有些分

支发展的很快，有独立行成体系的趋势，如水下机器人、服务机器人等。在当前，国际

上研究机器人的相关专家，按照应用环境的不同也将机器人分为两类：制造类的工业机

器人和非制造类的服务与仿人型机器人，这与我国的分类是一致的。

根据社会科技水平的不断进步，“高科技”、“高智能”成了工业制造业发展的主

要方向，并且各个部门也在积极的对自动化技术进行试用和推广。在工业部门眼里，自

动化也就是一个可以应用于各种生产制造过程的，在计算机和自动化装置的基础上，通

过对过程变量的调和（例如温度、浓度等可变量），来保证最后结果符合要求，并且对

整个生产过程，可以进行合理的协调，来进行自动化生产的一种生产技术。

我们可以列出在进行实现锻压过程自动化的时候，会面临的以下几个问题：一、怎

样进行产品质量的提高，和产品稳定性的保证；二、由于我们进行自动化的生产目的，

就是达到经济最优化，所以怎样提高锻压机等设备的使用效率迫在眉睫；三、怎样让工

业机器进行人类无法进入的一些工作环境，并且在没有技术人员在旁边监控的情况下独

立完成作业；四、怎样进一步解放人类的双手，同时降低生产成本，提高工作效率。现

如今，随着我国的科学实力不断加强，人们在进行工业劳动的时候，所采用的机械设备

也越来越多，“机械手”逐步代替了“人类的双手”。锻压过程自动化很明显的一个成

果，就是自动上料机械手，此技术兴起于二十世纪六十年代，随着我国的科学技术不断

提高，和通过不断研究计算机自动控制，我国的锻压技术也有了新层次的突破。

对锻压过程，进行自动化处理，这不但可以让人们摆脱繁琐复杂却又耗费大量力气

的体力劳动，更重要的是利用机器的精密性，保证产品的质量，同时也满足生产技术高

速发展的需要。如果锻压自动化可以实现，那么对工业生产，有以下几点好处：一、对

锻压程序的快速变化，可以跟得上节奏；二、以便于确保数据的精密，减小误差；三、

可以提高锻件尺寸的精度；四、大范围的改变尺寸；五、使生产效率得以大幅度提高。

这次设计的机械手主要与锻造机床相组合一起构成完整的生产线，可以达成在没有

人进行操控的情况下，自动化上料的目标。现阶段，随着我国工业制造业的不断发展，

生产线自动化也越来越受到关注，因此制造业也形成了一个完整的资金链条，越来越多

的厂商进行加盟赞助。本次设计，直接应用了锻造加工工厂的车间，对锻造机床卸载加

工工件的要求进行了满足，从而降低工人劳动强度，节约加工时间，提高生产力和生产

效率。

所谓机械手，就是他可以做人的手臂可以做的动作，以用来代替人的双手。其通过

编写程序,给机器设定运动轨迹和工作指令进行自主搬运,这一行为将人类的双手解放

了出来，使生产变得机械化、自动化，提高了生产效率，并且它可以在有害的环境，对

其进行操作以避免人们受到有害环境的威胁,,因而广泛应用于冶金、机械制造、轻工、

电子和原子能等部门。

通过定向装置，将一些散乱的还没成型的毛坯零件，通过特地动作功能将其进行排

列，然后进行机床的上下料操作，这一系列动作完成以后，进行零件取回的流程，就是

机械手装置，进行自动化上下料的装置。但是像那些操作难度大，自动定向困难的形状

复杂的工件，可以先进性人工定位，在通过上下料装置送到工作地点。

现如今随着工业制造业的不断发展，生产的产品也越来越多，所以在进行大批量的

产品生产的时候，生产效率是非常重要的，如果机动工的时间短，那么通过机械手上下

料是不能够满足要求的，这个时候就需要在机械手上下料这个装置的基础上，研发更加

智能的，更加自动化的机械装置。在一开始，我们主要通过机械装置来完成上下料和搬

运这样的体力活，但是随着生产线越来越自动化，对于机械于的需求也上升到了需要其

可以完成一些简单的工作程序，可以慢慢替代人工，完善工人工作的条件，并且最大程

度的提高生产效率。

到目前为止，我国研究制造和已经在工业上进行使用的机械手，专用机械手占据市

场的大部分领域，通用机械手进行应用的范围还很少。但是因为通用机械手在进行工作

程序的改变，或者操作指令的调整时，非常方便，所以还是很受“多品种”、“小批量”

的生产线的欢迎的。

机械手装置，可以通过特定的数据输入指令，来进行连续的动作，以便于完成物件

的自动夹取运送。所以，机械手的作业范围还是有限的，例如锻压机自动上料机械手，

也只是可以应用在锻压生产上，所以对其进行设计的时候，除了要让它满足基本的工业

手要求，还要照顾到锻压生产的特殊性。

机械手的主要作用就是代替工人，进行一些比较简单，但是耗费体力，繁顼复杂的

工作，它主要有以下几点优点：

(1)可以连续持久的进行工作，不用休息，确保流水线可以正常工作；

(2)可以在任何环境下进行工作，不会因为环境问题耽误生产；

(3)由于是计算机进行操控，所以只要总程序不出问题，就可以精准的完成工作，

运动灵活、机械精度高；

(4)可以完成很多工祚，并不是只有一个工作程序，并且可以通过指令的改变，

进行一些焊接、喷绘等高难度的工作；

(5)可以快速完成工作，减免人力劳动，提高工作效率，降低生产成本。

此次设计的是生产线上的上料机械上装置，此设备主要配套于精锻机研究设计。精

锻机自动化上料机械手主要可以进行专用配套、液压控制以及点位控制。液压驱动上料

机械手，来进行应用圆柱坐标式的操作，此机械手有三个自由度(升降、收缩、回转)，

和一个执行装置。

第1章工业机械手的组成和应用

1.1工业机械手的分类

我国的机械手根据具体功能可以分为两种类型：一、专用机械手；二、通用机械手，

它们都统一称为工业机械手。

那些动作程序是固定的，只能通过特定指令，去做特定的事儿，一般情况下不能进

行变更，且主要用途就是自动抓取和工业操作的机械手，就是专用机械手。

通用机械手比专用机械手的应用范围要广一点，通用机械手的功能不是一成不变

的，它是可以通过改编程序，来进行操作项目的重新设定，并且在进行自动化的抓取操

作时，可以独立进行。

现阶段，对于机械手的分类，国家还未给出一个相对明确的标准，因此我们在进行

分类的时候，主要用以以下两个方法：

根据其可以搬运的工件的重量来进行分类

(1)

型号。所承受重量

小型臂力〈1公斤

中型臂力「30公斤

大型臂力＞30公斤

注；现阶段我国多数机械手，都可以搬运「30公斤的重量。

(2)通过机能进行分类

1)简易型通用机械手

简易型机械手一共有固定程序和可变式程序两种程序形式。我们用挡块进行固定程

序的控制，用插销板给定可变式程序。

简易通用型机械手，结构简单，操作方便，所需成本低，并且在进行工作程序的改

变，和工作指令的调整时很方便，所以多用于气动或液压驱动。但是，它只适用于程序

较简单的点位控制，不能进行太复杂的操作，但是这种重复性操作，单机服务也完全可

以胜任，所以现阶段此类机械手是数量最多的。

2)示教再现性通用机械手

示教就是，工人率先进行一遍工作流程的操作，由机械磁带进行操作记录，然后机

械手会通过记忆功能设置，对刚才的录像进行自动读取筛选出来主要的动作点进行记

忆，然后开始动作循环。

电液伺服控制这种机械手。它的独特性就在于，它可以实现连续轨迹控制，自由度

较多，能够完成一些难度较大，普通机械手无法完成的工作，并且可以通过修改程序，

去让其进行其他作业。

3)具有视觉触觉的通用机械手

此类机械手通过电子计算机系统操作控制，它之所以有视觉、触感等功能，主要是

因为安装了电视摄像管、传感器等。

1.2工业机械手的组成

工业机械手作为一个服务于生产线的，基本工业仪器。虽然在功能上，有的可以进

行一些高难度的工作操作，有的只能进行简单的搬运，但是它们的总体构造是差不多的，

主要都由执行和驱动机构、进行工件位置检测的装置，和控制系统这四部分。

(1)执行机构：

主要构造组分

手部

臂部

腕部

立柱

基体

（执行机构的主要构造组分）

1）手部（手抓和加紧装置构成）一一构建夹持工件

2）腕部一一联结构建手部臂部，还可以支撑手部

3）臂部一一对手部、腕部起到一个支撑作用

4）立柱一一对手臂等构件进行支撑

5）行走机构一一在机械手进行一些，操作距离远的作业时，可以通过增加行走机

构完成

（2）驱动系统

像臂部、腕部等地方的驱动的动力源，主要是驱动系统，驱动系统主要有以下四种

形式：一、气动；二、液压；三、电力；四、机械式。管及管接头；直线缸；回转缸以

及各种阀，共同构成组成部分。

⑶控制系统

机械手的重要组成部分，就在控制系统，所以程序的支配，运动装置的运行，都在

于控制系统的操作，这就要求它必须要有记忆功能，可以对指令信息进行保存，以便于

下次使用。机械手进行下次作业的时候，就靠着指令来完成，我们还可以加入监控系统，

以便于机械手在出现故隙，或者操作失误的时候，进行报警。

（4）行程位置检测装置

机械手的行程位置检测装置，对其运动装置进行操控，并且运动系统位置的测定，

也依靠于此装置。行程位置检测装置将所收集到的信息，反馈给控制系统，控制系统由

此对运动系统的调节，来确保机械手的运动位置的精度，以及产品的要求是否可以满足，

确保生产效率和产品质量。

（5）辅助装置

1）基体：机械手将执行部件、驱动系统都安装在基体上，由其支撑，所以它是机

械手的基础组成部分：

2）油箱：存油、供油、使油散热、沉淀杂志;

3）汽缸：将空气进行压缩，然后储存。

1.3生产中工业机械手的应用

现阶段，基本上我国二业机械生产线上，到处都是机械手的影子，并且其进行的工

作领域也多了，具体有以下几方面：

（1）建造旋转各件体自动线方面

通过机械手来进行机床之间工件的传送，以此来建造旋转零件体自动线。

（2）在实现单机自动化方面

1）各类半自动车床的功能也是非常多的，例如：自行加紧、切削、松开等，但是

还是要在人工进行上料下料的基础上进行，如果想实现机械的全自动化生产，需要加入

机械手。

2）加上机械手，可以实现注塑机自动工作循环的全自动生存。

3）机械手上下料过程，结合冲床自动上下冲压循环系统，实现冲压生产自幼化。

（3）铸造、锻造、焊接、热处理等方面

综上所述，我们可以了解到，工业机械手作为新时代发展的产物，紧随科技发展的

潮流，并且满足社会生产的需要，通过提高工业生产效率和产品质量，带动了我国整体

经济效益的增长，它主要有以下几方面的特点：

D可以在恶劣环境中，进行生产操作，代替人们进行高危工作和一些对身体有所

损害的工作；

2）机械手在进行工作的时候，可以长久单一的重复同一个动作，节约了人工的休

息时间，提高了生产效率；

3）机械手动作准确，且进行工件操作时，可以精准完成操作，避免人工误差，保

证了产品的质量；

4）有很好的通用性，尤其是通用机械手，可以通过对工作指令的修改，迅速投入

到下一个工作环境，很好的满足了“柔性生产”这一理念；

5）机械手解放了人类双手，代替了人力劳动，这样一来，不仅提高了产品的生产

效率，还减小了生产成本，实现了效益最大化。

1.4国内外发展状况

工业机械手可以说是工业机器人的一个组成部分，是他的一个重要分支，此自动化

设备主要随着近几年科技的不断生长发展起来的，可以说是高科技下产物的代表。我们

可以通过计算机进行程序的编订，来达到我们想要的工作动作，以便于完成预期的工作

目标。工业机械手结合了人和机器的共同优点，尤其是他具有人的智能性。工业机械手，

依靠可以在任何环境下作业，和操作精准的优点，在国内外工业领域都有着广阔的发展

前景。

工业机械手最先由德国启用，德国在1970年，开始用其进行焊接、运输等简单的

重复性工业作业。1985年，美国联合控制公司研制出了第一台机械手。虽然日本起步较

晚，但是自1969年从美国引进了两种工业机械手后，就开始对其进行大力研究，现如

今，日本已经通过精湛的制造研制技术，在这一领域中占据了“领头羊”的位置，并且

日本的此行业，也成为了带动日本整体经济的龙头行业。

现阶段，工业机器人的控制系统，主要有以下几点发展方向：一、在PC机的基础

上，进行开放型控制器的研究；二、控制柜日渐小巧，器件集成度提高，三、使结构模

块化、标准化、网络化，以便于提高系统的可靠性，使系统可以操作简单，后期维修方

便。

相比于国外，我国的机械手发展历史短，且关于机械手技术了解不够，我国机械手

正式进行启用，已经到了20世纪90年代后。且当时，机械手主要用于电视、等家用电

器的生产线上进行作业，并且我国通过跟国外进行交流讨论，将自己的科技技术层次又

进行了一个阶段的提高，我国的机械手也在近几年进军了电子产品的生产线。

第2章设计方案的总体设计

2.1设计的目的和任务

当前工业机械生产的重中之重，就是大力投入科研，提高我国的工业机械科技技术，

早日实现“机械化”、“自动化”。因为工业机械生产只有实现了自动化，才能提高产

品的生产效率和对设备的利用率，同时也可以充分保证产品质量，减少人工劳动力，改

善工人的工作条件，降低生产成本。所以说，我国今后工业机械生产的主要发展方向，

就是机械化与自动化。

笔者基于水平分模平锻机，完成了此次机械手的设计。水平分模平锻机作为一种新

型结构，是以垂直分模平锻机为基础发展起来的。水平分模平锻机生产率高，且结构简

单紧凑，操作容易，并且占地面积小，机械化和自动化属性较强，它可以加工长棒料和

由棒料剪成的定长坯料，具有很广的工艺用途，在锻造生产中，是不可忽视的重要机械

设备，且广泛应用于进行车辆制造的各个工业部门。

此次设计的自动上料机械，主要以锻造自动化为基础。通过对它的应用，可以代替

人力劳动，且降低生产成本，保证产品质量，消除人工操作的误差，提高经济效益。

通过用液压缸来进行机械手的驱动，可以使工件的定位，更加精准。并且机械设备

在进行工作的时候，不产生噪音，低能耗，寿命周期长，不仅符合现代生产需求，还迎

合了保护环境的理念。

2.2机械手的设计参数

基本要求如图二:

抓重40KG

42

抓取工件直径240mm

f

工作频率3次/分钟

（图二）

笔者一共给锻压机自动上料机械手设计了以下九个步骤，为上料流程：1、伸长；2、

夹紧；3、升高；4、旋转；5、松手；6、回缩；7、降低；8、回转；9、等待循环。

行程的选用为：

夹紧距离50mm0.4s0.8s

伸缩距离300mm2s4s

升降距离300mm2s4s

摆动角度100°Is4s

注：各段时间可以〈规定时间（20s

2.3机械手整体结构形式的选择

2.3.1机械手的组成

执行机构:

机械手的执行机构

手爪

手腕

手臂

立柱

行走机构

（机械手的执行机构）

手爪是夹持工件的一个组成部分，其主要是仿造人类的双手进行制造，它的有像手

一样夹紧和松开的功能。

我们通过手腕进行手爪和手臂的连接，手腕通过对手抓的控制，然后对工件可以进

行空间位置的挪动。手腕主要有以下三个运动：一、俯仰；二、左右摆动；三、绕自身

轴线旋转。

像被夹持工件、手爪、手腕，都依靠手臂进行支撑固定，手臂可以按照一定的运动

轨迹，进行工件的搬运。手臂可以进行以下几种运动：一、进行前后仰缩运动；二、臂

部可以上下抬放；三、臂部关节可以左右回转；四、进行旋转摆动。

手臂通过立柱支撑，一般情况下，立柱是不可动的，但是有时候为了工作需要，我

们采用移动式立柱。

行走机构，机械手在进行远距离的操作时，如果机臂不够长，这一动作无法完成，

我们可以通过增加行走机构，进行辅助完成。

本文在进行锻压机自动上料机械手的设计时，选用了夹持手爪，立柱是固定的，可

进行手臂运动，没有手腕和行走机构。

2.3.2机械手的自由度及坐标形式

所谓机械手的自由度，就是指机械手的整个机体、手腕及手臂，可以在一定的领域

范围，进行独立运动。一个执行机构优良，对工件的位置可以精准定位的机械手，它的

整个机体已经手臂、手腕的运动都是非常灵活的，它的控制系统也相对严格，应用范围

的广泛更是与其形成正相关。此次笔者，设计的锻压机自动上料机械手，一共有伸缩夹

紧、

升降和手臂的回转这三个自由度。

我们可以根据手臂具有的运动自由度和组合的形状，来进行机械手的结构和运动有

什么关系的研究探讨，我们据此可以把机械手划分为四种坐标形式：一、直角坐标型；

二、圆柱坐标型；三、球坐标型；四、多关节型。

(1)直角坐标式

手臂可以围绕直角坐标系做前后伸缩、上下升降和左右移动这三种直线移动。(图

1所示)

(2)圆柱坐标式

手臂可做水平内摆动动作，如：前后伸缩、上下升降。(图2所示)

(3)极坐标式

手臂可做以下三个动作：一、进行前后的伸缩运动；二、可进行上下的抬放；三、

能够左右摆动。(结构一图3)

(4)多关节式

手臂由大臂和小臂两部分组成，肘关节进行连接，大臂和立柱共同组成肩关节，如

果手腕可与小臂构成腕关节，那么关节式机械手就跟人的手臂非常相似了，动作也可以

基本仿照而成。(图4所示)

我们选用圆柱坐标式手臂，作为本次设计的锻压机自动上料机械手的手臂。因为此

手臂占地面积小，工作范围广的优点，符合本次设计的设计理念。

2.3.3机械手的动作顺序

以下九个步骤为锻压机自动上料机械手动作的一个循环，一共分为以下几个步骤:

1、伸长；2、夹紧；3、升高；4、旋转；5、松手；6、回缩；7、降低；8、回转；9、

等待循环。

数字代表作用

1.运送工件的小车.机板手将夹持工件

放到此处

2.机械手.取工件后，机械手通

过角度旋转，将工件

故到目的地

3.工作台机械手将夹持工件

运诺到此处

（如图5所示）

图5机械手工作简图

2.4手部形式的设计

2.4.1般

手指是机械手最关键的部件了，一个机械手性能好不好，全靠手指是不是可以灵活

准确且快速牢固的抓住工件来决定。

手爪是安装在手臂的前端的，由于在进行工件抓取的时候，手臂不仅要承受工件的

重量，还有承受手爪的重量，所以手札一定要满足体积小、重量轻，以便于保证机械手

在进行工作时减少振动，精准定位。

2.4.2手部的结构

我们可以根据机械手的手指抓取工件的方式，将其分为央钳式和吸盘式。

其中，最常见的就是两指式的夹钳式手指，特殊工作时，也会需要三指式的。手指

夹持工件的方式分为外卡式，内卡式两种形式。夹钳式手指主要适用于具有一定形状和

高度的工件，一般不用其抓取平板件。

平板状的工件，主耍由吸盘式手指抓取，必要情况下采用电磁吸盘吸取磁性材料。

此次设计，我们主要进行夹取的工件，主要就是棒料，两指夹钳式手指对此类工件

进行夹取最为擅长，所以我们进行机械手的选用时，选用，两指夹钳式手指。其包括滑

槽杠杆式、连杆杠杆式等很多种类，所以依照此次设计的需要，我们选择结构简单，抓

力强的滑槽杠杆式手指。

由于本次设计，我们并没有手腕回转运动，所以只采用一个伸缩缸，就可以完成伸

缩、夹紧，这样一来不仅去掉了夹紧缸的重量，还缩小了机械的整体体积，简化了结构，

使其便于操作，满足设计需求。（其结构如图6所示）

图6机械手指

这部分设计，主要运用了以下工作原理：加导杆在夹紧缸，利用挡铁制定300mm的

行程，加两个弹簧在手部方面。由于导杆的摩擦力有2kgf,弹簧所具有的力，必须大于

摩擦力，所以弹簧预紧力，我们给它调整到lOkgf,并且手部连接件连导杆端、手部连

杆连活塞杆头，连接件和连杆用弹簧连接，这样一来活塞杆就可以在伸长的时候，带动

连杆前行。夹紧和回程工作都依靠活塞杆和挡铁进行。

2.4.3手部夹紧力的的计算

如图6所示，N与P的公式为（2-1）:

N="P如图（2-1）

ZO

公式各字母代表，见图三

N手指夹紧力

P活塞杆上的驱动力

ad手指的回转支点到对称中心线的距离。

b手指的回转支点到钳口中心线的垂直

距离

（图三）

注:

N=KiK2K3

G式中：

G工件的重量

安全系数

K

工作情况系数

K2

方位系数

K3

注（图四）

字母所注意事项

Ki一般情况卜范围在1.2〜2,依照设计，

本式取L50

通过考虑惯性力的影响，估算取值为

K2

1.10

K3通过考虑工件在手指间的夹持方位，

我们取值为4

（图四）

同时根据公式（2-1）,我们可以演算出公式（2-2）:

n2bK】K2K3G

P=——-(2-2)

2x300x1.5x1.1x4x40x9.8

ISO

=9408N

2.5机械手臂的设计

2.5.1概述

手臂不仅可以通过运动来进行工件的传运，还是支撑手爪和手腕的重要部件，所以

说手臂是机械手的重要组成部分，并且手臂的运动形式，决定了手爪可以够取多远距离

的工件。所以机械手的工作性能，和手臂结构是否坚定、承载能力是否优良、位置精度

是否准确，呈正相关。

手臂部件由以下几部分组成：

(1)动作元件

启动手臂运动，主要依靠于动作元件，动作元件包括回转缸、液压马达、直线油缸

等。我们这次设计，就选用了直线油缸和回转缸。

(2)导向装置

由于在进行作业的时候，手爪容易晃动，所以为了保证手爪可以减少晃动准确定位，

以及动作元件可以减少弯曲力，在手部需要设置导向装置。此次设计，我们把导向装置

安装在了伸缩夹紧缸上。

(3)手臂

不管是导向装置，还是其他装置都需要起到支撑连接机械，和承受外力的作用，所

以它们都要安装在手臂上。

2.5.2伸缩夹紧缸的选取

通过上面的描述，我们已经知道了，夹紧缸所需要9408N的夹紧力，并且通过查表

可得，这个力量用最小的缸就可以达到，可是工件的重量基数是非常大的，所以为了避

免缸承受不了弯曲力，我们尽量选用大一点儿的油缸。(参数见图a)。同时我们在受

力方向加了一个导杆，在在缸底加了一个48kg的配重件，配重件的主要作用就是可以

使机械手的质量中心稳定在缸头附近，以便于顺利完成作业。

参数数值

缸径50mm

杆径25mm。

行程330mm

工作压力6.3MPa

(Sa)

2.5.3升降缸的选取

我们通过数据分析处理，可以得出缸和手部都可以再加一些部件来进行机械的稳

定，我们可以知道杆可以承受的最大质量为170kg,所以此次设计的油缸参数如下图:

参数数值

缸径100mm

杆径50mm

工作压力6.3MPa

行程300nun

（图b）

注：在此S础上，笔者进行了增加两个导杆的设计。

2.5.4回转缸的选用

由于回转摆角的角度为100°，所以选用BM型双叶片型回转油缸（缸径一45mm、

轴径-20mm）o

2.5.5精度

此次设计的机械手在水平分模平锻机上进行工作时，锻压机进行作业的工件，是直

接在模具上拿取的，所以不能很好的保证产品的精准性，这个时候就需要用到液压缸，

并且用液压缸代替定位装置。

第3章机械手液压系统设计

3.1概述

机械手进行驱动的方式多种多样，例如：机械驱动；液压驱动；电动机驱动；气

压驱动。并且可以根据工作需要，选择只用一种或者用多种方式驱动。

驱动方式可以的选择多种多样，机械手可以抓重多少、自由度的多少、运动的快慢

都可以成为依据。为了使驱动方式可以实现最优利用，我们可以注意以下几点：

(1)如果运动速度高、运动自由度也少，就采用机械驱动。既方便维修，还可以

和主机同步。

(2)气压驱动适用于运动速度快，运动自由度多的情况。既可以快速启动，又低

能耗。

(3)液压驱动适用于负载种，但是运动自由度多的情况。

(4)气压驱动可以在任何环境里工作，所以气压驱动可以让机械手在恶劣环境下

依然正常工作。

(5)如果定位点多且运动轨迹复杂，我们就采用液压伺服或电器伺服系统驱动。

此次使用液压系统来进行对机械手的驱动，可以满足机械对压力流量的控制，实

现运动轨迹的控制，并且占地面积小，反应灵敏，耐振动，方面后期维修。

液压驱动系统的计算在机械部分的设计之后，所以在进行计算之前，必须了解整

个液压系统。

由图7液压系统图所示：

1Y带电伸缩夹紧缸伸长

2Y带电伸缩夹紧缸缩回

3Y带电升降缸生起

4Y带电升降缸降落

5Y带电回转缸开始摆动

6Y带电回转缸开始回转

（图7）

注：电磁铁带电的循环顺序为：1Y-3Y-5Y-2Y-4Y-6Y。

在控制系统中压力继电器控制缸的伸长夹紧动作和升起动作，行程开关控制其

他。

油泵采用双联泵供油模式。这样做的主要原因是避免由于直线缸和会转缸两缸之

间的流量产生较大的“流量差”，使升降速度过慢，或回转速度过快，影响产品质量。

机械手工作进行顺序参考图7:

图7液压系统图

P电磁铁阀进油路回油路/

伸缩夹紧缸伸长夹电磁铁1Y得电阀8换至左位泵1、2f单向阀5、伸缩夹紧缸右腔f

紧6、7f换向阀8左单向调速阀9-换

位一伸缩夹紧缸左向阀8左位一油箱

腔

升降缸升起电磁铁3Y得电阀10换至左位泵1、2f单向阀5、升降缸上腔一单向

6、7f换向阀10左调速阀13—换向

位一单向调速阀阀1()左位一油箱

11-单向顺序阀

12一升降缸下腔

回转缸旋转电磁铁5Y得电阀14换至左位/泵2—单向阀7-回转缸回转腔一单

换向阀14左位f向调速阀16f换

单向调速阀15-向阀14左位-*油

回转缸旋转腔箱

伸缩夹紧缸松开收电磁铁2Y得电阀8换至右位泵1、2f单向阀伸缩夹紧缸左腔一

缩5、6、7f换向阀换向阀8右位一油

8右位单向调速箱

曲

阀9-伸缩夹紧缸

右皖

升降缸降落电磁铁4Y得电阀10换至右位。泵1、2f单向阀升降缸下膜一单向

5、6、7一换向阀顺序阀12f单向

10右位一单向调调速阀11一换向

速阀13f升降缸阀10右位-*油箱

上腔

回转缸回转电磁铁6Y得电阀14换至右位0泵2f单向阀7f回转缸旋转腔一单

换向阀14右位一向调速阀15—换

单向调速阀16-向阀14右位一油

回转缸回转腔。箱

4

3.2元器件各种性能的选择

3.2.1流量的计算

笔者设计了双联油泵系统，为此机器的供油系统，所以我们需要对各缸所需流量进

行计算伸缩夹紧缸的流量公式：

xx玲xh60

r-X而(3-1)

3.14X{―}X35060

---------------2-------------X

2.4

2

3.14X(当X3OO60

=------------2-------------X

2106

升降缸的流量公式为（3-2）为:

fDi4

.KXxh60

L=——2--------X—(3-2)

t106

3.14x{y}X30060

X--

2106

=17.7L/min

由于我们要依照一个“不能慢只能快”的原则,所以需要进行要向多选，我们首先

设定两缸供油的油泵的流量为=18I/inin。

根据公式(3-3),我们可以计算出回转缸的流量：

._叫格户令卜卜10060

L=--------X-"X—T(3-3)

t360106

_3.14x((y)2-(y)2]x9010060

L=--------&--------《-------X----X----

t3601。6

=7.7L/min

由于机械原则是“可快不可慢”，所以我们需要“要向多选”，我们首先设定第一

个回转缸供油的泵流量为8L/min,根据公式另一个为

综上所述，loL/mE和8L/mm分别为两个泵的流量。

3.2.2工作压力的计算

工作压力主要作用于伸缩夹紧缸，所以想要知道溢流阀的调定压力，就必须先对工

作压力进行计算，然后在此基础上进行基数的增加。

由(3-4)我们可计算出工作压力：

F

P=->4)

=心

9408

-3.处审

=4.8Mpa

液压缸的额定压力——46.3Mpa

预设溢流阀的调定压力——5Mpao

第4章控制系统的设计

4.1概述

控制系统可以说是机械手的半个生命，占据着重要地位，它可以调控机械手的运动

工作和协调动作。其中，动作轨迹，时间间隔，动作的循环顺序等，共同构成了控制

系统的控制内容。

机械手的控制方法各式各样，我们大致可以列出有以下四种：

(1)继电器一接触器控制系统

按钮开关、行程开关、继电器和接触器这四部分，共同组成了继电器一接触器控制

系统。继电器一接触器控制系统的工作原理和结构都很简单，容易操作，且方便后期

的维修处理，并且成本低。但是它的缺点也十分明显，例如：系统功能有限、无法进

行连续的轮廓控制，工作程序变更困难。除此之外，它服务不了工作程序多、自动化

要求高的设备，所以一般情况下，只有自动化程度不高的通用机床，才对其进行使用。

(2)计算机控制系统

通过计算机进行控制的机械手，不仅可以解决因运动轨迹复杂，不好操作的问题，

更可以进行精准定位，但是使用计算机控制，成本要远远高于其他控制系统，并且我

们当前的技术不足以完善计算机控制系统，会导致很多功能无法进行运行，并且计算

机控制系统不能在恶劣的环境下进行工作，相对利用起来，没有那么方便。

(3)单片机控制系统

说到单片机，其实它的控制功能，和继电器一接触器控制功能基础上，增加了对高

难度动作的控制，且性价比较高。

单片机作为一种大众化控制系统，确实优于其他系统，但是它的通用性不强，操作

起来也比较麻烦，不太适合于在工厂进行使用。

(4)可编程控制器(PLC)控制系统

虽然可编程控制器的普及率，和应用范围，赶不上单片机，但是它们在工业领域的

控制作用，大致相同。

可编程控制器可以代替继电器一接触器控制系统。所以在进行工作的时候，它不

需要进行数据的运算。并且它的操作原理和代替继电器一接触器控制系统的操作原理

相差无儿，容易上手。

机械手所需要控制的参数参考图五：

机械手所需要控制的参数：

动作程序

动作时间

运动轨迹

运动速度

（图五）

此次设计，笔者采用液压、电气联合控制模式。其中，各部位动作的力和速度由液

压控制；电气负责控制各部位动作的顺序。

4.2梯形图以及程序的编制

4.2.1动作的顺序与控制

通过液压系统图，我们可以了解到，压力继电器只控制升起动作，其他动作都由行

程开关进行控制，对于动作顺序，在笫二章，笔者有进行详细的介绍。笔者以电控原

理图为基点，由X400〜X407输入压力继电器及行程开关，Y430-Y435输出各电磁

铁，以此来完成对梯形图的编制。

4.2.2梯形图的编制

我们要着重分析一下系统的特殊点（进行编制之前）。

首先就是启动问题，在每一次启动的时候，都必须结束上一次动作过程，否则机械

手很容易因为上一次动作的结束点不是终点，而不能回到初始位置，引发机器故障，

为了杜绝此类事件，笔者在进行Y430〜Y435的输出控制时，采用了M300〜M305的

六个保持继电器。这样一来再次启动使，如果上一次动作未完成，机械手会首先完成

上一次动作，在进行下一轮动作的运行。

其次，我们应该注意时间继电器的问题，通常我们都从机器开始运行，进行计时，

但是如果有上一次动作未完成的情况，就会出现计时不准的情况，所以为了消灭这样

的误差情况，我们给计时器添加了各个动作的长闭开关后再自锁功能。

受机械手动作特殊性的限制，在机械手进行运动的时候，两个动作同时进行很容

易引发事故，所以在机械手作业的时候，是不允许两个动作同时进行运行的，所以为

了保证每个机器的独立性，给机器增加互锁装置

图8为程序的梯形图：

图8梯形图

我们根据对照电控原理图来进行对图8分析。

动作开始结束

从没有动作开始

伸长夹紧动作一个循环的初始SQ即X403带电

升起动作SQ即X403带电ST2即X404带电

旋转动作ST2即X404带电ST3即X405带电

松开收回动作ST3即X405带电ST4即X406带电

降落动作ST4即X406带电ST5即X407带电

回转动作ST5即X407带电ST1即X402带电

注：计时器的信号输出间隔为20s,需要有自锁功能，从一个动作也没有开始一个

循环。

4.2.3PLC程序的编制

程序编制在梯形图编制之后

指令语程序（表1）,根据梯形图（图8）进行编写

表11PLC程序

步序指令器件号步序指令器件号

1LDX40134ANDM305

20RMl0035ANDX403

3ANDX40036OUIM300

4OUTMl0037LDX403

5LDM30038ORM301

6ANDM30139ANDM300

7ANDM30240ANDM302

8ANDM30341ANDM303

9ANDM30442ANDN304

10ANDM30543OUTM305

11ORM10144ANDX401

12ANDMl0045OUTM301

13OUTM10146LDX404

14I.DM10147ORM302

15ANDT450