哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文） 气压传动的不足之处：

（1）由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大；

（2）由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于10～40kN；

（3）气动装置中的信号传递速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程中的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；

（4）噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。

在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业上应用很广。其中不少气动系统应用于机器人，多用于开关控制和顺序控制的机器人。气动执行元件既有直线气缸也有旋转气动马达。

气动系统的工作介质是压缩空气，气动控制阀简单、便宜，而且工作压力也低的多。多数气动驱动用来完成挡块间的运动。气动系统的主要优点之一就是操作简便、易于编程，所以可以完成大量的点位搬运操作的任务。但是用气压伺服实现高精度很困难。不过在能满足精度的场合，气压驱动在所有的机器人及机械手中是重量最轻的，成本也最低。气压系统的动力源由高质量的空气压缩机提供。这个气源可经过一个公用的多路接头为所有的气动模块所共享。安装在多路接头上的电磁阀控制通向各个气动元件的气流量。

综上所述，并结合具体设计的上下料机构抓取工件的尺寸、大小等，本设计最终采用气压驱动。

2.3 CK6140型数控车床的主要参数

床身最大工件回转直径 400 mm 最大车削长度 1000 mm 中心高 205 mm 主轴头形成 6#C型 主轴锥孔 莫式6号 主轴孔径 52 mm

主轴转速范围 100～2500r/min 机床轮廓尺寸

长度 2265 mm 宽度 1050 mm 高度 1466 mm

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哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文） 主轴线与床身边缘的间距 300 mm 主轴线距地面高度 1100 mm 床头箱长度 610 mm

2.4 总体方案设计

机床的上下料，是指将毛坯送到正确的加工位置及将加工好的工件从机床上取下的过程。按自动化程度，机床的上下料装置分为人工上下料装置和自动上下料装置两类。人工上下料通常借助传送滚道或起重机等设施，通过人工操作进行机床的上下料。这类操作需要较长时间，耗费体力，主要适用于单件小批生产或大型的活外形复杂的工件。在大批大量生产中，为了缩短上下料时间，提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，通常采用自动化的上下料装置，如料仓式、料斗式、上下料机械手或机器人等。

本设计所需要完成的针对数控车床的自动上下料机构，主要实现的功能是坯料的抓取、自动定位、夹紧和工件的回放。设计者决定采用单臂机械手，由它的旋转、俯仰和伸缩运动来完成上下料。

机械手是一种能模仿人手的某些工作机能，按照程序要求实现抓取和搬运工件，或完成某些劳动作业的机械自动化装置。有时也称为操作机或工业机器人。上下料机械手依据其安放位置可以分为内装式、附装式和单置万能式机器人三类形式。按照其是否移动又分为固定式和行走式两类机器人。

固定式机器人由于本体是固定的，它只能借助其臂部在可活动范围内进行上下料作业，它的传送距离九受到一定限制。如果能自动更换手部，它就可以抓取工件、刀具或夹具等实现多种操作，是一种具有较大柔性的传送装备。

固定式机器人可分为服务于多台机床与固定机床两类。将小型机器人直接安装在机床的侧面或上部，使它具有搬运与装卸工件所必需的最低限度的运动自由度，可用CNC装置控制机器人的动作。

行走式机器人又称移动式机器人，具有较大的活动范围。

随着柔性制造系统的发展，工业机器人在物流系统中的应用越来越广泛。工业机器人可以在数控机床与工件台架之间完成工件的传送任务；也可以在两三台数控车床之间，以及与工件台架之间完成复杂的工件传送任务；还可以完成刀具交换、夹具交换甚至装配等任务。它将加工与装配、成品与毛坯、工件、刀具和夹具等有机的联系起来，构成一个完整的系统。应该指出的是，工业机器人在这里仅用于上下料，它当然比焊接、喷漆机器人的功能要求要简单一些。

针对数控车床的自动上下料机构，实现的功能是坯料的抓取、自动定位、夹紧和工件的回放。本机构采用单臂机械手，由它的旋转、俯仰和伸缩运动来完成上下料。同时设计一气动弹簧涨胎心轴实现工件的自动定心夹紧与松开。机械手

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哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文） 与气动夹具相互配合完成数控机床的自动化加工。上下料系统包含料台放出一个套类工件、气动机械手抓取工件，送入机床夹具内然后退回到一定位置，等到工件加工完之后，气动机械手动作抓取零件放回料台，这些动作都用电磁铁和行程开关实现简单的开关控制。从而完成上下料的总过程。机械手上下料与机床弹簧涨胎心轴的松开、夹紧及车刀运动有联锁关系，其程序如下：隔料器放出一个工件——机械手手臂伸出到指定位置——开关发出信号、手爪夹紧工件——机械手手臂上仰到指定高度——开关发出信号、机械手逆时针旋转180°将工件送到弹簧涨胎心轴上——开关发出工件到位信号——弹簧涨胎心轴外涨夹紧工件——机械手手爪松开工件——开关发出信号、手臂缩回——行程开关发出信号、手臂俯下——加工工件——开关发出信号、机械手手臂上仰到指定高度——开关发出信号、手臂伸出到指定位置——手爪夹紧工件——开关发出信号、夹具松开——开关发出信号、机械手顺时针旋转180°将工件放回料台——机械手回到初始位置——隔料器放出下一个工件——机械手再完成工件的上下料——循环。

1—料台 ２—手爪 ３—伸缩缸 ４—数控

机床 ５—升降缸 ６—旋转缸 图２-1 上下料系统简图

根据数控机床的机构参数可知，料台高800 mm，料台和机床主轴线之间的距离为1800mm。如图2-1所示，数控机床与料台平行布置；单臂形式的气动机械手置于车床与料台的中间位置，固定在平台上；弹簧涨胎心轴安装在数控机床的主

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哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文） 轴上，随主轴一起旋转。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3的驱动下伸长347mm，手爪2在气缸驱动下夹紧料台上的一个工件后，时间继电器发出信号，机械手手臂由位于其正下方的升降气缸5驱动，上仰一定角度，使得手爪所抓取工件的中轴线上升300mm，此时升降缸5上升28mm。手臂到位后，行程开关发出信号，机械手在旋转缸6的驱动和行程开关的控制下逆时针旋转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夹具。弹簧涨胎心轴外涨夹紧工件后，手爪在气缸驱动下松开工件，在时间继电器和行程开关的控制下，机械手手臂缩回、下俯并且停止到安全位置。数控机床开始加工工件，加工完毕后，时间继电器发出信号，在行程开关控制下，升降缸5上升28mm，使得机械手臂上仰一定角度，手臂在伸缩缸3的驱动下再次伸长347mm，手爪2在气缸驱动下夹紧已加工完的工件，夹具松开，时间继电器发出信号，在行程开关控制下，机械手由旋转缸6驱动顺时针旋转180°后回到料台方向。手臂随着升降缸5的下降而俯下，手爪在气缸驱动下松开，将工件放于料台上，时间继电器发出信号后，手臂由伸缩缸3驱动退回到初始位置。机械手的上述一系列运动与车床夹具的夹紧、松开相配合，实现了机床的上下料。

气动机械手机构中，伸缩缸3驱动手臂实现伸缩运动。升降缸5位于旋转缸6的顶端、机械手臂的正下方。机械手伸缩臂的尾部具有吊耳支撑机构，通过升降缸5的升降运动，机械手伸缩臂可绕尾部支撑旋转，从而实现俯仰运动。旋转缸6位于机身底部，驱动机械手实现180°的回转运动。

2.5 本章小结

随着机械制造业的发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。为了更有效地提高产品质量、生产效率，降低生产成本，改善工人的劳动条件，数控机床的使用越来越普遍，因而对自动上下料机构的设计也就变得越来越重要。

本设计中的自动上下料机构的工作对象是套类零件，主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手和动力及控制系统组成。其中，自动安装夹具为自动定心夹紧的涨胎心轴，机械手是单臂式的，动力及控制采用气压驱动和电气控制。普通气缸驱动的机械手可实现柔性自动上下料，送料精度较高，能节约人力、降低加工成本。气动机械手与气动夹具相辅相成实现自动上下料，不但省事，减少投资，节约时间，而且工作可靠。

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