神经性失眠套类零件自动上下料机构设计毕业设计论文

2021年1月3日发(作者：宝宝用什么开荤最聪明)

哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）


套类零件自动上下料机构设计








哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）

摘 要
针对数控车床设计的一种套类零件自动上下料机构，实现了坯料的抓取、自
动定位、夹 紧以及工件的回放。该机构主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机
械手，动力及控制系统组成。零件的 自动定位、夹紧由弹簧涨胎心轴实现，涨胎
心轴是以工件的内孔表面定位，由气缸驱动弹性筒夹向外扩涨 ，实现工件的定位
和夹紧的。坯料、工件的拾取、回放是由单臂形式的机械手通过伸缩、旋转以及
俯仰等运动实现的，这些运动均由气缸驱动获得。本设计中，为实现工件的自动
上下料，单臂机械手的 运动与涨胎心轴的张合需进行紧密配合。考虑到所夹持工
件的实际尺寸、质量等因素，本机构采用气动、 电气控制实现了坯料和工件的拾
取、安装、回放过程的自动完成。

关键词： 自动上下料；气动机械手；气动夹具；套类零件














II
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Abstract
This paper is aimed at designing a sleeve parts automatic baiting agencies for a
CNC function is processing the crawls, automatic positioning and clamping of
the automatic baiting agencies mainly consist of the automatic fixture,
the manipulator for picking up the workpiece and billets and the drive and control
them,the automatic positioning and clamping of the sets parts is
achieved by the axis fetal heart rate rising to the workpiece centering
clamping the workpiece,flexible tube folder can center and clamp the cylindrical hole
through the expansion and inflation;blank grasping of the workpiece and the intervals
are achieved by the manipulator arm by stretching and the issue,it is
necessary for the movements of the manipulator arm and the automatical fixture Zhang
to require the into account that the actual workpiece size,the
quality and the various features of the driven approach to the system,we decide to adopt
the aerodynamic control,using compressed air to achieve the movements of the
clamping fixture and manipulator.

Keywords:Automatic baiting;Pneumatic manipulator;Pneumatic fixture;sleeve parts






III
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目 录

摘 要
····································· ·················································· ····························I

Abstract
................................. .................................................. .................................................. .............................. Ⅱ

第1章 概述 . .................................................. .................................................. ............. 1
1.1 自动上下料机构设计的背景与目的
..... .................................................. ................. 1
1.2 自动上下料机构设计的意义
... .................................................. .............................. 3
第2章 总体方案设计 . .................................................. ............................................... 4
2.1 方案设计概述
.............................. .................................................. ................................ 4
2.2 驱动方式的确定
...................................... .................................................. .................... 5
2.3 CK6140型数控车床的主要参数
............................. ................................................. 7
2.4 总体方案设计
............................ .................................................. .................................. 8
2.5 本章小结
......................................... .................................................. ............................. 10
第3章 夹具设计 ... .................................................. .................................................. . 11
3.1 机床夹具设计概述
....................... .................................................. ............................ 11
3.2 结构设计
.................................................. .................................................. .................... 12
3.3 气动夹紧装置设计计算
.. .................................................. ........................................ 16
3.4 本章小结
................................ .................................................. ...................................... 16
第4章 机械手设计 ............................................ .................................................. ...... 16
4.1 运动分析
...................... .................................................. ................................................ 16
4.2 结构设计
............................. .................................................. ......................................... 19
4.3 本章小结
................................ .................................................. ...................................... 29
第5章 气动控制系统设计 ......................................... ............................................... 31
5.1 气压传动系统原理图的拟定
........................ .................................................. ......... 31
5.2 电气控制设计
................. .................................................. ........................................... 32
5.3 本章小结
................................ .................................................. ...................................... 34
结 论 .................................................. .................................................. ........................ 35
致 谢 .............. .................................................. .................................................. .......... 36
参考文献 ........................... .................................................. ........................................... 36


I
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第1章 概述

1.1 自动上下料机构设计的背景与目的
数控机床是一种以数字量作为 指令信息、形式，通过电子计算机或专用计算
机装置控制的机床，是在机电一体化技术的基础上发展起来 的一种灵活而高效的
自动化机床，在机械行业中得到了日益广泛的应用，因为它具有如下的特点：
（1） 适应性强
适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。在
数控机床上进行产品加工，当产品改变时，仅仅需要改变数控设备的输入程序（即
工作程序，又 称用户软件）就能适应新产品的生产需要，而不需改变机械部分和
控制部分的硬件，而且生产过程是自动 完成的。这一点不仅满足了当前产品更新、
更快的市场竞争需要，而且较好的解决了单件、小批量、多变 产品的自动化生产
问题。适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速发展的
主要原因。
（2）能实现复杂的运动
普通机床难以实现或根本无法实现轨迹为三次以 上的曲线或曲面的运动，如
螺旋桨、汽轮机叶片之类的空间曲面; 而数控机床则可以实现几乎是任意轨迹运动
和任何形状的空间曲面，适用于复杂异型零件的加工。
（3）加工精度高，产品质量稳定
数控机床是按照预定程序自动工作的，一般情况下工作过程 不需要人工干预，
这就消除了操作者认为生产的误差。在设计制造设备主机时，通常采取了许多措
施，使数控设备的机械部分达到较高的精度。数控装置的脉冲当量可达
0.01—0.00002mm , 同时，可以通过实现检测反馈修正误差或补偿来获得更高的精
度。因此，数控机床可以获得比机床本 身精度更高的加工精度。尤其提高了同批
零件生产的一致性 ，使产品质量获得稳定的控制。
（4）生产效率高
数控机床比普通机床的生产效率能高出许多倍。尤其对某些复杂零件的加工 ，
生产效率可提高十几倍甚至几十倍。其原因如下：
①数控机床具有较高的刚性，可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中
的切削时间。 ②具有自动变速、自动换刀河其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间
的检验和测量，使辅助时 间大为缩短。

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③工序集中、一机多用的数控加工中心，在一次装夹工件后几乎可以完成零
件的全部加工，这样不仅可 减少装夹误差，还可减少半成品的周转时间，生产效
率的提高更为明显。
④减轻劳动强度，改善劳动条件
数控机床的工作是按预先编制好的加工程序自动连续完成的， 操作者除输入
加工程序及相关的操作之外，不需进行繁重的重复手工操作，劳动条件和劳动强
度 大为改善。
⑤有利于科学的生产管理
采用数控机床能准确地计算产品生产工时，并有效地建 华检验、工夹具和半
成品的管理工作。数控机床采用标准的信息代码输入，这样有利于于计算机连接，< br>构成由计算机控制和管理的生产系统，实现制造和生产管理的自动化。
数控机床与普通机床相比 具有许多优点，其应用范围正在不断扩大，但目前
它并不能完全替代普通机床，也还不能以最经济的方式 解决机械加工中的所有问
题。在实际选用时，一定要充分考虑其技术经济效益。数控机床最适合加工具有
以下特点的零件：
（1）多品种小批量生产的零件。
（2）形状结构比较复杂的零件。
（3）需要频繁改型的零件。
（4）价格昂贵，不允许报废的关键零件。
（5）需要最短周期制作的急需零件。
（6）批量较大精度要求很高的零件。
由于数控机床的自动化程度、生产效率都很高，可最大 限度地减小操作工人。
因此，大批量生产的零件采用数控机床加工，在经济上也是可行的。
车 床主要是用于车削加工，在机床上一般可以加工各种回转表面，如内外圆
柱面、圆锥面、成形回转表面及 螺纹表面等。在数控车床上还可以加工高精度的
曲面与端面螺纹。用的刀具主要是车刀、各种孔加工工具 （钻头、铰刀、镗刀等）
及螺纹刀具。车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面。数
控车床加工零件的尺寸精度可达IT5~IT6，表面粗糙度可达1.6μm以下。
数控车床 的种类很多，各种卧式车床都有数控化的。数控车床主要可分为数
控卧式车床、数控立式车床和数控专用 车床（数控凸轮车床、数控曲轴车床、数
控丝杠车床等）；或分为普通数控车床和车削加工中心。
数控车床与卧式车床相比，有以下几个特点：
（1）高精度 数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床
精度日益提高。
（2）高效率 随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效
率、主轴转速、传动功率不断提高，使得新 型数控车床的空转动时间大为缩短。

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其加工效率比卧式车床高2~5倍。加 工零件形状越复杂，越体现出数控车床的高
效率加工特点。
（3）高柔性 数控车床具有高柔性，适应70%以上的多品种、小批量零件的
自动加工。
（4）高可靠性 随着数控系统的性能提高，数控车床的无故障工作时间迅速
提高。
（5）工艺能力强 数控车床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装
夹中完成零件全部或大部分工序。
（6）模块化设计 数控车床的设计多采用模块化原则设计。
现在，数控车床技术还在不断 向前发展着。随着数控系统，机床结构和刀具
材料的技术发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主 轴转速、刀具快速移
动以及转位换刀速度；工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床向多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向全自动化方
向发展；机床的加工 精度向更高方向发展。同时，数控车床也向简易型发展。
随着工业自动化程度的提高，工业现场的很 多重体力劳动必将有机器代替，这一
方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。 随着机械制
造业的日益发展和数控车床的普及使用，工件的装夹往往成为制约提高加工效率
的主 要原因，而普通车床常用的夹紧送料方式是采用手工送料，利用装在机床主
轴法兰上的三爪卡盘或四爪卡 盘进行夹紧工件，装夹时间较长，工人的劳动强度
大。对于数控车床而言，人工装夹时间往往比加工时间 还长，为此，在数控车床
上曾开发出液压或电机夹紧送料装置。液压夹紧装置虽然体积小，但必须每台车
床配备一套液压站，所以其成本较高，且送料机构采用重物提拉方法，结构大，
占用地方多，另 外液压站使用的介质为液压油，维护保养时易污染环境等。电机
夹紧装置的体积较液压夹紧装置稍微大些 ，较经济，但一般只有夹紧装置而只有
送料装置，使数控车床无法实现自动连续工作，从而降低了数控车 床的加工效率。
套类零件自动上下料机构主要包括自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手，
动 力及控制系统。在数控车床加工过程中，该机构用于实现坯料的抓取、自动定
位夹紧以及工件的回放等功 能，可以实现数控车床的自动连续工作，操作简便，
大幅度提高了工作效率和加工的自动化程度。
1.2 自动上下料机构设计的意义
该自动上下料机构利用压缩空气作为动力源，取之不 尽，用之不竭，可以节
约能源，气体不易堵塞流动通道，用过后可随时排入，不污染环境，成本较低，< br>维护保养容易气动动作迅速，反应快，气动机械手与气动夹具相互配合工作，能
够实现数控车床的 自动连续工作，从而提高了加工成本，降低了工人的劳动强度。

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第2章 总体方案设计
2.1 方案设计概述
机械产品的设计过程由三个相互影响的步骤组成，称为方案设计阶段 （或称
概念设计阶段）、技术设计阶段（或称初步设计阶段）和施工设计阶段（或称详细
设计阶 段）。
2.1.1 方案设计
方案设计阶段的主要任务是根据计划任务书，在经调研进一 步确定设计要求
的基础上，通过创造性思维和试验研究，，克服技术难关，经过分析、综合与技术
经济评价，使构思和目标完善化，从而确定出产品的工作原理与总体设计方案。
2.1.1.1 明确设计要求

设计要求主要是功能要求、使用性能要求、工况适应性要求、宜人性要求、
外观要求、环境适应性要求、工艺性要求、法规与标准化要求、经济性要求等等。
2.1.1.2 功能分析
技术系统是由构造体系和功能体系构成的。建立构造体系是为了 实现功能要
求。对技术系统从功能体系入手进行分析，有利于摆脱现有结构的束缚，形成新
的更 好的方案。功能分析的目标是通过分析，建立对象系统的功能结构，通过局
部功能的联系，实现系统的总 功能。功能分析过程是设计人员初步酝酿功能原理
设计方案的过程。这个过程往往不是一次能够完成的， 而是随着设计工作的深入
进行不断修改、完善。
2.1.1.3 功能原理设计
此阶段的落脚点是为不同的功能、不同的工作原理、不同的运动规律匹配不
同的结构，这就是通常所说的 型、数综合，而且通过上述的排列组合，会出现非
常多的功能原理解，产生很多的运动方案，这就为优选 方案提供了基础。
2.1.2 技术设计
技术设计的任务是在功能原理设计所取得的优化 方案的基础上，使原理构思
转化为具有实用水平的具体结构，其中包括确定基本技术参数，进行总体布局 设

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计和结构装 配图设计。对所设计的产品应满足如下要求：制造和维护经济、操纵
方便安全、可靠性高、使用寿命合理 。为了达到这些要求，零件应满足强度、刚
度、抗振性、耐磨性、耐热性和工艺性等原则。
2.1.2.1 确定基本技术参数
（1）主要尺寸参数 工作尺寸标志着机械的工作范 围和主要性能，一般包括
工作尺寸、外形尺寸、工作装置尺寸等。应根据产品需满足的工艺要求及尺寸范
围来确定。
（2）质量参数 包括整机质量、各主要部件质量、质心位置等。
（3）功率参数（包括运动参数、动力参数） 机械的运动参数有移动速度、
加速度和调速范 围等，主要取决于机器要实现的工艺要求。机器的动力参数包括
承载力、原动机功率。工作装置是载荷直 接作用的构件，力参数是其设计计算的
依据，也是机械性能的主要标志。原动机功率反映了机械的动力级 别，它与其他
参数有函数关系，常是机械分级的标志，也是机械中各零部件的尺寸设计计算的
依 据。
（4）技术经济指标 包括机械的生产率，机械的精度、效率、寿命、成本等。
技术经 济指标是评价机械设备性能优劣的主要依据，也是设计应达到的基本要求。
2.1.2.2 机械结构设计
机械结构设计的任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上给出
具体 的结构图，结构设计包括机器的总体结构设计和零部件的结构设计。
结构设计的基本原则是明确（功能 明确、工作原理明确、使用工况及应力状
态明确）、简单、安全（结构构件安全、功能安全、运行安全、 工作安全和环境安
全）。另外，结构设计原理提供了用具体结构实现预定功能的策略和方法。
2.2 驱动方式的确定
驱动系统是带动操作机各运动副的动力源，常用的驱动方式包括电 动机驱动、
液压驱动和气压驱动三种。
2.2.1 电动机驱动
电动机驱动是利 用各种类型的电动机经过机械传动（或直接）驱动操作机构
以获得各种运动。其应用类型大致可分为普通 交、直流电动机驱动、直流伺服电
动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。
普通 交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性
大，适用于中型或重型机器人。伺 服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制

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性能好，可实现速度和位置的精确控制 ，适用于中小型机器人。交、直流伺服电
动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制 系统，一般用于
速度和位置精度要求不高的场合。
电动机使用简单，且随着材料性能的提高， 电动机性能也逐渐提高。电力驱
动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、起动力矩大等优 点而被
广泛选用。
2.2.2 气压驱动
气压传动是以压缩空气为工作介质进行 能量传递和信号传递的。气压传递的
工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转化为压 力能，然后
在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的
机械 能，从而完成各种动作，并对外做功。
气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、 轻工、纺织、
食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、
组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在
提高生产效率、自动化程 度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显现
出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、 电气、液压传动传动相比有以
下特点。
气压传动的优点：
（1）工作介质是空气， 与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。
气体不易堵塞流动通道，用过后可将其随时排入大 气中，不污染环境；
（2）空气的特性受温度影响小。在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能；
（3）空气的粘度很小（约为 液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道
中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送 ；
（4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需0.02～0.3s就可
达到 工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为1～5ms，而气体的流速最
小也大于10ms，有时 甚至达到音速，排气时还达到超音速；
（5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭 气阀，但装置
中仍然可以维持一个稳定的压力。液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工
作 或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变；
（6）气动元件可靠性高、寿命长 。电气元件可运行百万次，而气动元件可运
行2000～4000万次；
（7）工作环境适应 性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动
等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制 优越；
（8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。

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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 100～2500rmin
机床轮廓尺寸
长度 2265 mm
宽度 1050 mm
高度 1466 mm

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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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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
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，

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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< br>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。 < br>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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第3章 夹具设计
3.1 机床夹具设计概述
3.1.1 机床夹具及其组成
3.1.1.1 机床夹具
在机械制造各行业的工艺过程中广泛应用着各种不同的，用以固定加工对象
使之占有 正确位置，以便接受施工的工艺装备，统称为夹具。在机械加工、装配、
检验以及焊接等工艺中，都大量 的采用夹具。而在机械加工中应用于金属切削机
床上的夹具，将其称为机床夹具。
机床夹具是 在金属切削加工中用以准确地确定工件的位置，并将其夹紧，从
而保证工件与刀具间正确的相对位置的工 艺装备。由此可以看出，机床夹具是用
来安装工件的设备。
3.1.1.2 机床夹具的组成
机床夹具由下列零部件组成。
（1）定位元件 用来保证工件在夹具中占有正确的位置。如心轴支撑钉、支
撑板、V型块等都是定位元件。
（2）夹紧装置 因工件在加工时会受到切削力、惯性力、冲击力和振动等作
用，为了使工件 不因受力的作用而使位置发生变化，需要有将工件夹紧的机构。
如斜楔、螺旋、偏心等夹紧机构。
（3）对刀及导向元件 用于确定工件相对于刀具的位置。如对刀块、钻套、
镗套等。
（4）夹具体 用于联接夹具中各种元件和装置的基础件。
（5）其他元件及装置 如定向键、操作件、分度装置等。
3.1.2 机床夹具的功能和应满足的要求
3.1.2.1 机床夹具的功能
（1）保证加工精度 工件通过机床夹具进行安装，包 含了两层含义：一是工
件通过夹具上的定位元件获得正确的位置，称为定位；二是通过夹紧机构使工件< br>的既定位置在加工过程中保持不变，称为夹紧。这样，就可以保证工件加工表面

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的位置精度，且精度稳定。
（2）提高生产率 使用夹具来安装工件，可以减少划线，找正、对刀等辅助
时间，采用多件 、多工位夹具，以及气动、液压动力夹紧装置，可以进一步减少
辅助时间，提高生产效率。
（3）扩大机床的使用范围 有些机床夹具实质上是对机床进行了部分改造，
扩大了原机床的 功能和使用范围。如在车床床鞍上安放镗模夹具，就可以进行箱
体零件的孔系加工。
（4）减轻工人的劳动强度，保证生产安全。
3.1.2.2 机床夹具应满足的要求
机床夹具应满足的基本要求包括下面几方面：
（1）保证加工精度 这是必须做到的最基本 要求。其关键的是正确的定位、
夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。
（2）夹具的总体方案应与年生产纲领相适应 在大批量生产时，尽量采用快
速、高效的定位 、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。
在中、小批量生产时，夹具应有一定的可 调性，以适应多品种工件的加工。
（3）安全、方便、减轻劳动强度 机床夹具要有工作安全性考虑 ，必要时加
保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，要有合适的工件装卸位置和空间，使
工人 操作方便。大批量生产和工件笨重时，更需要减轻工人的劳动强度。
（4）排屑顺畅 机床夹具中积 集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量
使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加 辅助时间，降低生产
效率。因此夹具设计中要给予排屑问题充分的重视。
（5）机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性 机床夹具设计时，要方
便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。
3.2 结构设计
3.2.1 夹具定位机构的设计
3.2.1.1 工件在夹具中的定位 < br>工件在加工前必须相对于刀具和机床占有正确的位置，即工件必须定位。当
工件安放在夹具上时， 由于定位元件的限制，使工件在夹具中不能随意摆放，而
是确定在一个既定位置上，从而保证一批工件都 能在夹具中占有同一个正确位置，
这就是工件的定位。需要说明的是，在这里不应该把工件的定位片面的 理解为工
件位置的固定。固定工件的位置，是工件夹紧的含义。工件在夹具中，因偶然事
故而没 有安放在正确位置上，即没有定位，但夹紧机构仍可以将其夹紧而使位置

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固定下来。此时工件虽然被固定在某一 位置上，但工件并没有实现定位。也就是
说，定位与夹紧是两个互相联系，但又不容混淆的概念。 工件在夹具中的定位问题，是夹具设计中首先要解决的重要问题。因为工件
的定位方案为确定，便无 法进行夹紧装置、对刀元件、引导元件及夹具体等的设
计工作。而定位元件一经确定则夹具其他组成部分 的总体配置也就大体上随之确
定。
将工件的有关表面靠紧在夹具的定位元件上，即实现定位。 由此可见，工件
的定位不但与定位方案、定位元件有关，而且还与工件上用于定位的各表面有关。
这些表面是工件定位的基础，即确定工件各表面相互位置的基准。基准是机械制
造中应用的十分广泛的 一个概念，它是指机器零件上用来确定各有关表面相互位
置所用的几何要素（点、线、面），它有基准点 、基准线、基准面（基面）之分。
基准在机器零件的设计、加工、检验、装配等许多方面都会遇到，与夹 具设计有
关的两类基准，即设计基准和工艺基准。
3.2.1.2 常用定位方式
（1）以平面定位 工件以平面为基准定位较为广泛，如箱体、机座、支架、
盖、板类零件等 。定位元件常采用支承钉、支承板，可调支承和自位支承等。其
中平头支承钉用于精基准定位，球头支承 钉用于毛坯面的定位，齿纹式支承钉也
用于毛坯面的定位，齿纹增加摩擦力使定位稳定，为了便于清理切 屑，一般用于
侧面定位。支承板一般用于主要定位面或水平方向上的定位面。可调支承主要用
于 毛坯质量不高，尺寸变化大的粗基准定位，适于中小批量生产。自位支承能增
加定位基准面与定位元件的 接触点数，提高定位稳定性，同时可以减少工件受外
力而产生的变形。另外，还有辅助支承，它只起增加 刚度而不起定位作用。
（2）以外圆柱面定位 以工件的外圆柱面定位，生产中应用广泛，如轴承、
套类零件等。除三爪卡盘和弹簧卡头等自动定心夹具外，还有用平面支承、圆孔
套和V型块等。 V型块定位，装卸方便，对中性好，在生产中应用也比较常见。
（3）以圆孔定位 工件以圆孔定位 ，常用的定位元件是心轴、定位销。心轴
的结构形式很多，如刚性心轴、弹性心轴、液压塑料心轴等。常 用的刚性心轴有
三种：
①锥形心轴 这种心轴的锥度很小，工件在此心轴上定位限制了五个 自由度。
安装工件时，将工件楔紧在心轴上，楔紧后的工件孔有弹性变形，使工件孔与心
轴在长 度上产生紧配合，从而使工件不致于倾斜。加工时，靠楔紧在长度上产生
的摩擦力带动工件，不需另外夹 紧。
②过盈配合圆柱心轴 工件在心轴和轴肩上定位，限制五个自由度。心轴的
定位部分与 工件孔采用过盈配合，安装时，用压力机压入压出，工件定位后没有
间隙，因此定位误差为零。
③间隙配合圆柱心轴 工件在心轴和轴肩上定位，限制五个自由度。当工件

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精度要求不高时，为了装卸方便，工件和心轴可以采用间隙配合。
④组合定位 工件定位时 ，常需要限制多个自由度，若采用一个表面定位不
能满足加工要求，常需要两个或两个以上表面定位，这 种定位方式称为组合定位。
如采用两个或三个平面定位、一面一孔定位以及最典型的一面两孔定位等。各 种
机器的变速箱、内燃机气缸体、气缸盖及连杆等在加工中多采用一面两孔定位。
这种定位方法 ，能使各工序的基准一致，减少基准转换误差，提高加工精度。


图3-1 车床夹具简图

针对套类零件的特点，其在夹具中是通过内孔表面和端面来定位的。如图3- 1
所示，夹具中采用三个支承钉对工件进行轴向的精基准定位；采用弹簧涨胎心轴
对工件的内孔 表面进行定位。
3.2.2 夹具夹紧机构的设计
3.2.2.1 工件夹紧的基本要求
工件在夹具中定位后，相对于机床和刀具占有了正确的位置，而工件在加工
时受到切削力、惯性力和重力等作用，若要保证工件的既定位置不变，必须使工
件夹紧。所谓工件的夹 紧就是指工件在外力作用下保持原有定位位置不变。另外，
对工件夹紧还有一定的要求：夹紧过程中不能 破坏定位；夹紧可靠、适当，既要
使工件在加工过程中不产生位移或振动，又要避免工件产生变形和损伤 已加工表
面。要满足以上要求，必须正确、合理地确定夹紧力的方向、作用点和大小。
3.2.2.2 典型夹紧机构
机床夹具利用斜楔夹紧原理实现夹紧工件还是比较常见的。 实际应用中，螺
旋夹紧机构和偏心轮夹紧机构，就其作用原理来讲，也是斜楔加紧原理的变型。

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（1）斜楔夹紧机构 斜楔是利用其斜面移动产生压力，使工件得到夹紧的。
其特点是：具有 自锁性、具有增力作用、夹紧行程小、能够改变作用力。实际生
产中很少直接应用单斜楔夹紧工件，因为 单斜楔夹紧既费时又费力，通常与螺旋
或偏心轮夹紧机构联合使用，并采用气动和液压为力源。
（2）螺旋夹紧机构 具有结构简单、增力大、自锁性好等优点，但是夹紧动
作慢。可以直接 用于对工件的夹紧，也可与其他元件或机构组成复合夹紧机构。
螺旋夹紧机构在机床夹具中应用极为广泛 。它实际上相当于一个斜楔绕在圆柱体
上，它的夹紧过程是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔在高度 上发生变化，
实现对工件的夹紧。
（3）偏心夹紧机构 是斜楔夹紧机构的一种变型。可以 把它看成是斜楔包在
圆盘上，因此偏心夹紧机构的结构比斜楔紧凑，夹紧迅速，但是夹紧行程小，增力倍数不大。一般不单独使用，它与压板组成的偏心压板夹紧机构应用较为广泛。
（4）定心夹紧机构 当被加工工件几何对称时，常使用同时定位和夹紧机构，
这种机构称为 定心夹紧机构。其工作原理是：利用定心夹紧元件的等速移动或均
匀弹性变动实现定心夹紧。如车床用的 三爪卡盘、小锥度心轴等都属于定心夹紧
机构。常见的定心夹紧机构还有如下四种：
①双向定心的V形块夹紧机构 定位精度不高，但夹紧力大、装夹范围大，
适用于定心精度要求不高的工件安装。
②滑块斜楔定心机构 夹紧范围较大，夹紧可靠，但定心精度不高，适用于
工件的粗加工。
③弹性筒定心夹紧机构 分为用于外圆柱面的定心弹簧夹头和用于工件内孔
定心弹簧夹头（涨胎）。这类机构的定心-夹紧元件为 弹性筒夹，其前端沿圆周方
向开有三个等分槽（涨胎则在两端开等分槽）。夹压工件时，由于弹性筒夹向 中心
收缩时，即可对工件外圆柱面实施定心并加紧；当弹性筒夹向外扩涨时就可以对
圆柱孔定心 并夹紧。
④液性塑料定心夹具机构 定位精度高，适用于精加工，但薄壁套筒本身较
难加工。
（5）联动夹紧机构 工件加工时 ，由于工件的结构特点、定位夹紧以及生产
率的要求，常对工件施加几个夹紧力，在同一个夹具中安装几 个工件，可用联动
夹紧机构来实现。这种机构，操纵集中、简便，缩短辅助时间，从而提高了生产
率；还可以使各点夹紧力保持相对稳定，既保证了定位又减少了工件的变形，也
减轻了工人的劳动强度 ，因此，得到广泛的应用。但其结构较为复杂，可靠性较
差。联动夹紧机构分为多点、多件夹紧。 采用定心夹紧机构中的弹性筒夹夹紧机构——弹簧涨胎心轴来实现套类零件
的自动定心夹紧。如图3 -1所示，此机构的定心-夹紧元件是弹性筒夹，其前端沿
圆周方向开有四个等分槽，夹压工件时，弹簧 筒夹向外扩涨就可以对圆柱孔定心

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并夹紧。弹性筒夹的外涨是由气缸驱动 拉杆带动心轴沿轴向移动，从而驱动锥形
块移动、夹压弹性筒夹来实现的。拉干与心轴通过螺纹连接并加 以圆螺母进行防
松，锥形块通过普通平键连接在心轴上并且随心轴一起旋转，其顶端由挡圈和螺
栓固定。
3.3 气动夹紧装置设计计算
3.3.1 夹紧力的确定

3.3.2 夹紧气缸的设计计算
3.4 本章小结
车床夹具装在机床主轴上 并带动工件旋转，加工回转面、端面等。以外圆定
位的车床夹具，如卡盘、卡头；以内孔定位的车床夹具 ，如各类心轴；以中心孔
定位的车床夹具，如各类顶尖、拨盘等。本设计中夹具以内孔定位，故采用心轴
与弹性筒夹组合而成。
为保证加工表面的形状、位置精度，夹具与主轴的联结的定心精度要高 ，定
心方式要与选用机床主轴端部结构相符，鼎新后再加以压紧或拉紧，保证可靠和
安全。 < br>车床夹具是在高速回转，即受切削力又受惯性力作用，因此夹紧力必须考虑
充分且大小足够，必须 有可靠的自锁性。

第4章 机械手设计
4.1 运动分析
套类零 件自动线大多数为一台机床配备两台结构完全相同的单臂机械手，分
别承担工件的上下料运动。也有设计 成在一台机械手上采用了两只机械臂的形式，

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这样一台双臂机械手就能承担两台单臂 机械手的工作。在本设计中，为了减少机
械手的数量同时由于要加工的零件尺寸和质量不大，仅采用一台 单臂机械手来承
担工件的上下料运动。



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图4-1 机械手机构简图

如图4-1所示，本设计所采取的结构中，机械手工作时，首先机械手手臂 伸长，
手爪从料台夹紧工件后，手臂上仰，然后机身逆时针旋转180°，将工件送入数控
机床 夹具上夹紧，手臂缩回后俯下到料台高度完成上料过程，此时数控机床开始
对工件进行加工。当机床加工 完工件后，机械手手臂开始上仰一定角度后，手臂

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伸出到机床主轴中心线的高度，然后手 爪夹紧工件，机床夹具松开后，机械手顺
时针旋转180°后，手臂俯下到料台高度并将工件放在料台上 ，手臂缩回，机械手
回到原始位置，从而完成下料过程。上下料过程循环进行，实现工件的连续加工。
从上述运动过程可以看出，机械手需要三个自由度：机身回转、手臂俯仰和
伸缩。具体的分析过 程如下：从上一章的数控机床有关参数以及确定的机械手和
机床之间的位置关系可以知道，料台高800 mm而机床主轴中心线高为1100mm，
因此机械手爪的升降高度应为300mm（这一动作是由升降 缸升降28 mm，带动手
臂俯仰一定角度实现的）。机械手位于数控机床和料台的中间位置，而机床主 轴与
料台之间间隔为1800mm，所以机械手手臂伸长之后应为947mm，这样才能在旋
转 180°后准确地将工件放入机床夹具内或放在料台上。
一台单臂机械手同时承担工件的上下料运动， 比采用两台单臂机械手的优点
在于，结构简单、紧凑，定位精度高，维修方便。在本设计中，驱动系统为 机床
夹具和机械手提供运动的动力，是动力源。驱动系统按驱动介质的不同，可以分
为液压驱动 、气压驱动、电机驱动、机械传动，也可以采用几种方式联合驱动。
经过分析比较，本设计采用气压驱 动控制机床夹具和机械手。同其他驱动方
式相比，气压驱动具有以下优点：动力源为压缩空气，成本低， 而且维护保养容
易，无污染等。
电控线路辅助气压回路控制机械手自动完成工件的上下料。机 械手的电控系
统有多种类型，除专用机械手外，大多数要专门进行电控系统地设计。根据控制
程 序的不同，电控方式分为固定程序，包括继电器线路，半导体逻辑线路；可编
程序，包括顺序控制器，示 教再现式计算机。
在本设计中，因为是专用机械手，考虑到实际的生产情况，要求设备的使用
寿命高，工作可靠，成本低，经过分析比较，采用半导体逻辑线路控制机械手和
机床夹具，在工作精度一 定的前提下，半导体逻辑不仅能满足生产的实际需要，
而且价格较低，并且在必要时可以改换成PC单片 机控制。
综上所述，启动工作后，机械手臂伸长，手爪抓取坯料，手臂上仰一定角度，
逆时针 旋转180°，将工件送入夹具夹紧后，手爪松开，手臂缩回、落下后完成上
料动作；机床加工完工件后 ，机械手臂再次上仰后伸长，手爪夹紧工件，夹具松
开，机械手顺时针旋转180°后，手臂俯下相同角 度后，将工件放在料台上，手臂
缩回到初始位置，从而完成下料动作。
4.2 结构设计
4.2.1 手部设计
4.2.1.1 概述

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手爪应具有一定的通用性，其主要功能是：抓住工件，握持工件和释放工件。
手爪按夹持原理 可以分为机械类，磁力类和真空类三种。机械类手爪有靠摩
擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪， 后者是无指手爪。产生夹紧力的驱
动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。磁力类手爪主要是磁力吸盘 ，有电磁
吸盘和永磁吸盘两类。真空类手爪是真空式吸盘，根据形成真空的原理可以分为
真空吸 盘、气流负压吸盘、挤气负压吸盘三种。磁力手爪及真空手爪是无指手爪。
机械手爪按手指数目分为二指 手爪和多指手爪，按手指关节分为单关节手指手爪
和多关节手指手爪。手爪按智能化分为普通式手爪（手 爪不具备传感器）和智能
化手爪（手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器、滑觉传感器等 ）。
手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，由于本课题中的套类零件尺
寸很小，自身 的重量很轻，设计中决定采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表
面。
4.2.1.2 机械式手爪设计
（1）驱动 机械式手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。其中，气动手爪有许多突出优点：结构简单、成本低、容易维修、而且开合迅速，
重量轻。故气动手 爪目前应用广泛。设计中决定采用气动手爪。
（2）传动 驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开 合并产生夹紧力。传动
机构有多种形式，如平行连杆式、齿轮齿条式、拨杆杠杆式、滑槽式等等。本设< br>计中的机械手爪采用双支点连杆杠杆式的，驱动杆末端与连杆有铰销铰接，当驱
动杆作直线往复运 动时，则通过连杆推动两杆手指各绕支点作回转运动，从而使
手指松开或闭合。
（3）爪钳 爪钳是与工件直接接触的部分，它们的形状和材料对夹紧力有很
大的影响。夹紧工件的接触点越多，所要 求的夹紧力越小，对夹紧工件来说更显
得安全。所设计的手爪爪钳具有V形表面，有四条折线与工件相接 触，形成力封
闭形式的夹持状态，安全可靠。
4.2.1.3 夹紧气缸的设计计算 （1）工件质量
m1?
?
4
（2）当工件被竖直夹持时，手指握住工件时 所需要的夹紧力最大，工件质量
(80
2
?30
2
)?10
?6
?0.15?7.82?10
3
?5kg

为5kg，则夹紧力为 ：N=mg=5×9.8=49N
（3）手部的驱动力计算


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图4-２ 手爪受力分析简图

如图4-2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，
知
1
Qbtg
?
?Nc

（4—1）
2
其中，b=5mm,c=75mm,α=80°，代入数值得
活塞杆推力
Q?
2Nc2?49?75
??259.2N


btg
?
5?tg80?
（4）根据机械设计手册，由预算确定的 所需气缸轴向输出力—推力Q=259.2N
得：
活塞式气缸内径
D?
4QQ259.2

4—2）
?1.26?1.26??26.19mm

（



6
?
p
?
p
0 .6?10
根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=32mm。
（5）活塞杆直径的确定与验算
取活塞杆直径d=10mm，按下式进行验算：
d ?
4p
?
?
?
?
?1.13
p
?
?
?

（4—3）



代入数值，得
d?1.13
269.2
?2.4mm
，
成立。

58?10
6
故活塞杆直径满足强度要求。
（6）气缸筒壁厚的确定与验算

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气缸内径确定后，根据机械设计手册，其壁厚选取为t=5mm,根据下式进行强
度验算：
t?
代入数值得
pD

（4—4）


2
?
?
?
0.6?10
6
?32
t??3.2mm
，
成立。
6
2?3?10
故该缸筒壁厚满足强度要求。
（7）气缸进排气口螺孔直径的确定
气缸进排气口螺孔的大小与空气消耗量（缸径、活塞杆直 径、活塞的平均速
度等）及供气压力均有关系，故难于准确计算。根据机械设计手册，按缸径查取。
根据D=32mm，查得，进排气口螺孔直径规格为d=M6×1。
（8）活塞的厚度取决于 密封圈的种类和排数。气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、
气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间均选用0形 橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为
标准值。
（9）连接螺栓直径的确定与验算
根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=6mm，按下式进行验算：
d?
代入数值，得：
2Ap

（4—5）



?
b
xn
2?
d?
?
4
?32
2
?0.6?10
6
?2.2mm
，成立。
1
4?10
8
??4
8
故螺栓直径符合要求。
4.2.2 臂部设计
工业机器人的臂部一般具有2～3个自由度，即伸缩、回转或俯仰。 臂部总重
量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的
静、动 载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，
影响定位的准确性。
4.2.2.1 臂部设计的基本要求
臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动

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精度等因素来确定。同时，设计时必须 考虑到手臂的受力情况，油（气）缸及导
向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计手 臂时一般要注意
下述要求：
（1）刚度要求高
为防止臂部在运动过程中产生过大的 变形，手臂的截面形状要合理选择。工
字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度 都比实心轴大
的多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。
（2）导向性要好
为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置， 或
设计方形、花键等形式的臂杆。
（3）重量要轻
为提高机器人的运动速度，要尽 量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手
臂对回转轴的转动惯量。
（4）运动要平稳，定位精度要高
由于臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越 大，运动既不平
稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外，同时
要采用一定形式的缓冲措施。
4.2.2.2 手臂的常用机构
（1）手臂直线运动机构
机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机
构形式比较多，常用 的有活塞油（气）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连
杆机构等。由于活塞油（气）缸的体积小、重 量轻，因而在机器人的手臂结构中
应用比较多。
（2）手臂回转运动机构
实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、
齿轮传动机构、 链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。
机械手手臂需完成的是伸缩运动，故采用活塞气缸。
4.2.2.3 手臂伸缩运动气缸的设计计算
计算臂部运动驱动力，要把臂部所受的全部 载荷考虑进去。机械手工作时，
臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。
臂部作水平 伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括气缸与活塞之间的摩擦
阻力及导向杆与支撑滑套之间的摩擦阻力 等，还要克服启动过程中的惯性力。其
驱动力Pq可按下式计算
Pq=Fm+Fg

（4—6）



式中，Fm—各支撑处的摩擦阻力，N；

23
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
Fg—启动过程中的惯性力，N,其大小可按下式估算
Fg=Ma （4—7）



式中，M—手臂伸缩部件的总质量，kg；
a—启动过程中的平均加速度，ms
2
。
而平均加速度a可按下式计算
?v
a?

（4—8）



?t
式中，
?v
—
速度增量，ms；

?t
—
升降速过程所用时间，s，一般为0.01～0.5s。
（1）工件质量m1=5kg
手爪部件质量m2=0.58+0.41+0.09=1.08kg
手臂伸出的总质量M1=5+1.08+0.79+0.15+0.98+0.05=8.05kg
取动摩擦系数f=0.18，则
Fm=fM1g=0.18×8.05×9.8=14.2N
由于手臂的运动速度很小，启动过程中的惯性力可略去不计。那么，驱动力
Pq=Fm=14. 2N
（2）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力—推力Q=14.2N
得：
活塞式气缸内径
D?1.26
Q14.2
?1.26??6.1mm

（4—9）



p
0.6?10
6
根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=32mm。
（3）活塞杆直径的确定与长度的验算
取活塞杆直径d=20mm，L=400mm
Ld＞10且活塞杆受压时，其长度按下式进行验算：
L?L
k
?3.6?10
5
d
mA

（4—10）



pn
式中，m—与气缸安装方式有关的安装系数；
A—活塞杆的横截面积，mm
2
；
p—活塞杆承受的轴向压力，N；
n—安全系数，一般取n=2～4.
代入数值，得
2?
L? L
k
?3.6?10
5
?20?10
?3
?
?4
14.2?3
?20
2
?10
?6
?27644mm
，
成立。


24
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
故活塞杆长度满足要求。
（4）气缸筒壁厚的确定与验算
气缸内径确定后，根据机械设计手册，其壁厚选取为t=5mm,根据下式进行强
度验算：
t?
代入数值得
pD

（4—11）


2
?
?
?
0.6?1 0
6
?32
t??3.2mm
，
成立。
6
2?3?10
故该缸筒壁厚满足强度要求。
（5）气缸进排气口螺孔直径的确定
根据机械设计手册，按缸径D=32mm，查得，进排气口螺孔直径规格为d=M6
×1。 < br>（6）气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间
均选用0形橡胶密封 圈，其沟槽尺寸皆为标准值。活塞的厚度取决于密封圈的排
数。
（7）连接螺栓直径的确定与验算
根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=6mm，按下式进行验算：
d?
代入数值，得：
2Ap

（4—12）



?
b
xn
2?
d?
?
4
?32
2
?0.6?10
6
?2.2m m
，成立。
1
4?10
8
??4
8
故螺栓直径符合要求。
4.2.3 机身设计
4.2.3.1 概述
机身，又称为立柱。机器人必须 有一个便于安装的基础件，这就是工业机器
人的机座，机座往往与机身做成一体。机身是支撑臂部的部件 。一般实现升降、
回转和俯仰等运动，常有1至3个自由度。
机身设计时要注意下列问题：

25
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（1）要有足够的刚度和稳定性；
（2）运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般
要有导向装置；
（3）结构布置要合理。
通常机身具有回转、升降、回转与升降、回转与升降以及俯仰共5种 运动，
采用哪一种自由度形式由工业机器人的总体设计来定。比如，圆柱坐标式机器人
把回转与 升降2个自由度归属于机身；球坐标式机器人把回转与俯仰2个自由度
归属于机身；关节坐标式机器人把 回转自由度归属于机身；直角坐标式机器人有
时把升降，有时把水平移动一个自由度归属于机身。 机械手机身需要完成回转及俯仰运动。回转运动采用活塞气缸与齿轮齿条组
成的机构驱动；手臂的俯 仰运动采用活塞气缸与连杆机构来实现。驱动手臂俯仰
运动的活塞气缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂 用铰链连接，缸体通过采用尾
部耳环方式与支撑立柱相连接。
4.2.3.2 臂部俯仰运动气缸的设计计算
作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服自身运动部件的重力和其承 受
的手臂、手腕、手部、工件等的总重力以及升降运动的全部部件惯性力，其驱动
力可按下式计 算
Pq=Fm+Fg+W

（4—13）



式中，Fm—各支撑处的摩擦力，N；
Fg—启动时的总惯性力，N；
W—运动部件的总重力，N。 < br>（1）气缸举升的总质量为M2=8.05+0.68+0.5+2.7+0.29+0.05=12.2 7kg
W=M2g=12.27×9.8=120N
Fm=fW=0.18×120=21.6N
那么，驱动力Pq=21.6+120=141.6N
（2）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力—推力Q=259.2N
得：
活塞式气缸内径
D?1.26
Q141.6
?1.26??19.4mm

（4—14）



p
0.6?10
6
根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=32mm。
（3）活塞杆直径的确定与验算
取活塞杆直径d=20mm，按下式进行验算：
d?

4p
?
?
?
?
?1.13
p
?
?
?

（4—15）



26
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代入数值，得
d?1.13
141.6
?1.8mm
，
成立。

6
58?10
故活塞杆直径满足强度要求。
（4）气缸筒壁厚的确定与验算
气缸内径确定后，根据机械设计手册，其壁厚选取为t=5mm,根据下式进行强
度验算：
t?
代入数值得
pD

（4—16）


2
?
?
?
0.6?1 0
6
?32
t??3.2mm
，
成立。
6
2?3?10
故该缸筒壁厚满足强度要求。
（5）气缸进排气口螺孔直径的确定
根据机械设计手册，按缸径D=32mm，查得，进排气口螺孔直径规格为d=M6
×1。 < br>（6）气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间
均选用0形橡胶密封 圈，其沟槽尺寸皆为标准值。活塞的厚度取决于密封圈的排
数。
（7）连接螺栓直径的确定与验算
根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=6mm，按下式进行验算：
d?
代入数值，得：
2Ap

（4—17）



?
b
xn
2?
d?
?
4
?32
2
?0.6?10
6
?2.2m m
，成立。
1
4?10
8
??4
8
故螺栓直径符合要求。
4.2.3.3 回转运动气动装置的设计计算
回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的 摩擦总力矩；机身自身运动部件
和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力矩，故驱动力矩可按下式 计算
Mq=Mm+Mg

（4—18）




27
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式中，Mm—总摩擦阻力矩，N·m；
Mg—各回转运动部件总惯性力矩，N·m。
?
?
而，
Mg?J
0

（4—19）



?t
式中，
?
?
—在升速或制动过程中角速度增量，1s；
?t

—回转运动升速或制动过程的时间，s；
J
0
—
全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量,kg·㎡。如果零件外廓尺
寸不大，重心到回转轴线 距离又远时，可按质点计算它对回转轴线的转动惯量。
（1）回转部件的总质量M
3
=12.27＋1.88＋0.66＋1.3＋7.86=23.97kg
J
0
=M
3
r
2
=23.97×0.45
2
=4.85kg·㎡
?
?
0.1
?4.85??4.85N?m

那么，
Mg?J
0
?t0.1
Mm?
?
R
0
0.08< br>0.18?23.97?9.8
?
N
22
2
?
rdr ??2
?
rdr
22
?
0
?
R
?
?0.08

0.08
0
?13213.46
?
1
r
2
dr?13213.46??0.08
3
?2.26N?m
3< br>则驱动力矩Mq=2.26+4.85=7.11N·m
气缸的驱动力Q=7.110.025=284.4N
（2）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力—推力Q=284.4N
得：
活塞式气缸内径
D?1.26
Q284.4
?1.26??27.4mm

（4—20）



6
p
0.6?10
根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=32mm。
（3）活塞杆直径的确定与验算
取活塞杆直径d=28mm，按下式进行验算：
d ?
4pp
?
?
?
?
?1.13
?
?
?

（4—21）



代入数值，得
d?1.13
284.4
?2.5mm
，
成立。

58?10
6
故活塞杆直径满足强度要求。
（4）气缸筒壁厚的确定与验算
气缸内径确定后，根据机械设计手册，其壁厚选取为t=5mm,根据下式进行强
度验算：

28
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
t?
代入数值得
pD

（4—22）


2
?
?
?
0.6?1 0
6
?32
t??3.2mm
，
成立。
6
2?3?10
故该缸筒壁厚满足强度要求。
（5）气缸进排气口螺孔直径的确定
根据机械设计手册，按缸径D=32mm，查得，进排气口螺孔直径规格为d=M6
×1。 < br>（6）气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间
均选用0形橡胶密封 圈，其沟槽尺寸皆为标准值。活塞的厚度取决于密封圈的排
数。
（7）连接螺栓直径的确定与验算
根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=6mm，按下式进行验算：
d?
代入数值，得：
2Ap

（4—23）



?
b
xn
2?
d?
?
4
?32
2
?0.6?10
6
?2.2m m
，成立。
1
4?10
8
??4
8
故螺栓直径符合要求。
（8）齿轮轴
取模数m=2.5，齿数Z=20，则分度圆直径d=mZ=2.5×20=50mm
齿顶高ha=ha*m=1×2.5=2.5mm
齿根高hf=(ha*+c*)m=1.25×2.5=3.125mm
由于气缸的工作压力足以旋转齿轮轴，且转速小，质量轻，尺寸小，故不必
校核轴的强度。
4.3 本章小结
在生产周期中，工件有85%的时间处于等待状态，另外5%的时间用于 运输和
检测，只有10%的时间用于加工和调整；在一般情况下，通过改进加工过程最多再
缩短 生产周期的3%～5%。由此可见，提高机床的自动化程度，提高机床的加工效

29
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
率，对缩短生产周期是有限的。因此， 采用合理的自动化上下料装置，缩短机床
的辅助时间，才能更有效的提高劳动生产率。





30
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）

第5章 气动控制系统设计
5.1 气压传动系统原理图的拟定
气压传动系统原理图是表示气动系 统的组成和工作原理的重要技术文件。拟
定气压传动系统原理图是设计气动系统的第一步，它对系统的性 能及设计方案的
合理性、经济性具有决定性影响。
由于气缸中的活塞在接近行程末端时，如未 采取任何措施，由于速度高，会
撞击缸盖，引起振动甚至损坏机件，或因冲击导致被夹紧的薄壁工件变形 。这种
现象在行程较长的气缸里尤为严重。为防止这种现象，可在气缸内部或气缸外部
的回路中 设置缓冲装置。由于本设计中的气缸直径较小，不宜在缸内设缓冲装置，
故把它装在外部，构成缓冲回路 。
气压传动系统的具体工作原理如图5-1所示。由于受机床本身布局的限制，
为操作安全， 要求机床的X、Z轴均在“回零参考点”处，才可启动气压系统进行
自动上下料。在弹簧涨胎心轴静止的 状态下，图5-1中气源启动后缸19动作，向

1—气源 2—气动三联件 3—溢流阀 4，5，6，7，8—减压阀 9，10，11，12，13，14，
15，16，17，18—单向节流阀 19—伸缩缸 20—手爪夹紧缸 21—旋转缸 22—升降缸
23—夹具夹紧缸
图5-1 气压系统原理图

31
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
外伸出由ST1控制的行程后，缸20动作手爪夹紧工件，然后缸22动作使机械手
手臂上仰 到由行程开关ST5控制的行程后，缸21动作，机械手带动工件旋转由行
程开关ST3控制的角度，将 工件送入夹具内，缸23动作夹具外涨夹紧工件，缸20
动作手爪松开工件，接着机械手在缸19和缸2 2的动作下回到一个安全位置，机
床开始加工工件，这就是上料过程；工件加工完之后，机械手要完成工 件的下料
过程，将工件放回到料台。首先缸22先动作手臂上仰由行程开关ST5控制的高度，
然后缸19伸出由ST1控制的距离，达到机床主轴中心线的高度，缸20动作手爪
夹紧工件，同时缸2 3动作夹具松开工件，然后缸21旋转由ST4控制的角度，缸
22动作机械手带动工件俯下至初始位置 ，并将工件放到料台上，此时，缸20动作
手爪松开工件，缸19动作手臂缩回。机械手回到最初上料时 的位置。这样上料、
下料就可以连续循环进行，数控机床对零件的加工效率大大提高。
在气动回路中采用的缓冲回路，减少机械手在每个运动终点的冲击。例如，
机械手在抓取工件后，首先要 上仰，然后整个机身开始回转，手部所走的轨迹是
一条空间曲线，由于机械手手臂自身的惯性导致在旋转 到终点时，会有一定的冲
击，因此必须采取缓冲回路。另外，当工件被夹紧后，由于工件本身很小，气压
回升，工件单位面积上会产生很大的压强，所以必须采用减压回路，预先调整减
压压力，当机械 手指抓紧工件后，由减压阀泄荷，局部压力小于系统压力，这样，
夹持可靠，并且工件不会变形。机械手 的每个动作和机床夹具的夹紧、松开都有
一定的顺序，每个气缸是否动作靠行程开关或时间继电器来控制 三位五通电磁换
向阀上的电磁铁是否得电，这就需要设计电控回路来保证这些动作的顺序进行。
5.2 电气控制设计
气压传动系统中，所使用的电磁控制换向阀利用电磁力的作用来实现 阀的切
换以控制气流的流动方向。由于它可借助于按扭开关、行程开关、限位开关等发
出的信号 进行控制，便于实现电气联合控制，所以操作轻便，易于实现自动化，
因此应用广泛。
机械手 的工作是将工件从料台送到机床上，再从机床取下送回到料台上。机
械手的全部动作由气缸驱动，气缸又 由相应的电磁阀控制，而电磁阀是否得电又
由行程开关来控制。在机械手的手臂伸缩缸、机身旋转缸、实 现手臂上仰的升降
缸上分别装有两个行程开关来控制手臂的伸出和缩回、机身的顺时针和逆时针旋
转、手臂的上仰和俯下。由于机床夹具气缸和手爪夹紧气缸行程很小，所以没有
安装行程开关控制其动 作。而是在电控回路中利用时间继电器来控制机床夹具和
机械手手爪对工件的夹紧和松开。根据有关的电 控设计资料，经过分析设计出该
自动上下料系统电控线路图如图5-2所示。


32
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
a）
b）
图5-2 电控线路图
a） 上料过程 b） 下料过程
33



哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
自动 上料时，按下SB1按钮，机械手开始动作，电磁铁2YA得电，在行程开
关ST1的控制下，机械手手 臂伸出到指定行程，时间继电器KT1得电，发出信号，
电磁铁4YA得电，手爪夹紧工件，触点K3得 电闭合，电磁铁8YA得电，行程开关
ST5控制机械手臂下方的立柱上升到指定位置，实现手臂的上仰 后，电磁铁6YA得
电，行程开关ST3控制机械手逆时针旋转180°，同时将工件送入夹具内，此时 时
间继电器KT2的K5触点闭合，电磁铁3YA、10YA得电，夹具夹紧工件，手爪松开
工 件，通过时间继电器KT2的作用，一定时间后，电磁铁1YA得电，手臂在行程
开关ST2控制下缩回 到指定位置后，电磁铁7YA得电，立柱下降到由行程开关ST6
控制的高度，实现手臂的俯下，至此， 机械手完成上料过程；数控机床进行车削
加工，经过时间继电器KT3设定的一定时间后，工件加工完毕 ，继电器发出电信
号，机械手开始自动下料，电磁铁8YA得电，行程开关ST5控制机械手手臂下方< br>的立柱上升到指定位置后，电磁铁2YA得电，在行程开关ST1的控制下，机械手
手臂伸出到指 定行程，时间继电器KT4得电，发出信号，电磁铁4YA，9YA得电，
机械手手爪夹紧工件，机床夹 具松开工件，通过时间继电器KT4的作用，一定时
间后，电磁铁5YA得电，机械手在行程开关ST4 控制下顺时针旋转180°后回到料
台位置，电磁铁7YA得电，立柱下降到由行程开关ST6控制的高 度，使手臂俯下
到料台高度，在时间继电器KT5控制下，电磁铁3YA得电，手爪松开工件，将工件放于料台上，时间继电器KT5发出电信号，电磁铁1YA得电，机械手臂在行程
开关ST2控制 下缩回到初始位置后，机械手就完成了自动下料过程。在时间继电
器KT6的控制下，一定时间后，发出 电信号，电磁铁2YA得电，机械手继续进行
自动上料和自动下料，配合车床夹具的自动夹紧和自动加工 过程，从而实现上下
料的自动化。
5.3 本章小结
本章主要讨论自动上下 料装置的气动系统原理图和电气控制线路图的设计。
根据所需完成的动作要求及需要考虑的传动特点来设 计气动系统原理图，在气动
系统中采用了缓冲回路及减压回路，从而使机械手的动作更稳定；根据机械手 各
个运动及车床夹具的动作顺序，确定电磁铁得失电的顺序，从而设计出电控系统
线路图，在电 控线路图中利用时间继电器和行程开关来控制电磁阀的得电与失电，
使各个动作顺序进行。从而完成自动 上下料的循环过程。




34
哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
结 论
套类零件自动上下料 机构主要由单臂机械手、弹簧涨胎心轴夹具组成，二者
均由气动驱动并辅以电气控制。其中，单臂机械手 由伸缩气缸、升降气缸和旋转
气缸等通过法兰、螺栓联结而成，能够旋转180°进行机床的上下料。弹 簧涨胎心
轴作为车床夹具，通过夹具体与主轴相连并带动工件回转，它主要由弹性筒夹和
心轴组 成，通过均匀弹性变形实现定心夹紧。
本上下料机构采用气动驱动机械手，实现了内径φ30～40m m、外径φ60～
80mm、长度150mm套类工件、坯料的拾取、回放等功能；采用弹簧涨胎心轴实
现了工件的自动定位、夹紧；通过气动、电气控制系统实现了拾取——送料、定
位——夹紧、拾 取——回放等过程的自动完成。对相关自动输送料系统的设计有
一定的参考价值。
本自动上下 料机构基本满足了所有功能要求，实现了自动化过程，但在其细
节处仍存在一些问题：
（1）上料过程中，机械手将工件送入夹具时，夹具对工件进行精确定位夹紧；
（2）在不损伤工件的前提下，手爪夹紧工件时，夹紧力的精确控制。
上述问题在设计过程中未得到圆满解决，仍需日后继续解决。
















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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）
致 谢
大学三年的生活使我受益匪浅，不管对学习还是生活都有了新的认识。在这
段 旅途中有太多的人值得我用心去感谢。首先，要感谢我的指导老师王杰老师，
在这段时间里，王老师为了 能让我顺利的完成毕业设计倾注了大量的心血，我的
毕业设计从选题、结构设计到绘图、修改都得到了韩 老师的悉心指导，整个设计
过程倾注了老师不少的心血和劳动。韩老师渊博的知识、严谨的治学态度、谆 谆
教导的学者风范，都使我受益终生，在此我衷心地感谢我的导师。
同时我还要感谢母校给我 提供了舒适的学习环境和宝贵的学习机会。感谢大
学三年中对我的学习和生活给予无私帮助的机械学院的 各位老师，谢谢您们的教
导和关怀。感谢我的同窗好友在我平时的日常生活中给予关怀和帮助，在此一一
致谢！









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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）
参考文献
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