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，已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

业机器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。

此次本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。笔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

With the continuous progress of the society and the continuous development of science and

technology level, people demand more and more time, so in large-scale manufacturing, the

production of products by manpower has been insufficient to support the operation of the

enterprise, in order to improve work efficiency, and ensure the quality of the product, the

enterprise must realize mechanical automation as soon as possible, and it has become the

primary problem that needs to be focused at the moment. With the decrease of human labor,

industrial robots have replaced them on the automatic production lines, and have been

recognized and adopted by many enterprises. We can see that the national industrial automation

level has a direct impact on manufacturing technology level and applied degree of the industrial

robot, In some special environments, such as high temperature and high pressure, which people

cannot work, industrial robots have played a role, in the case of ensuring the quality of products,

it can help human beings overcome the difficulties that cannot be accomplished under special

circumstances, and at the same time free their hands to further improve labor productivity. At the

present stage, industrial robots are mainly responsible for tasks such as painting, welding and

handling, which are either highly repetitive or difficult to work, and work in the way of

demonstration and teaching reproduction.

In this paper, a three-degree-of-freedom industrial robot is designed. Its main function is to

transport materials. Its overall design is made up of the following four parts: the first is the

overall design; the second is the composition and application of industrial manipulator; the third

is to design the manipulator hydraulic system; and the last one is to design the control system.

We drive of the manipulator in the drive system, in order to guarantee the precision of

positioning, at the same time to ensure the operation is simple, the overall process is not

complicated, and easy to control, so selecting for the hydraulic cylinder to operate. The author

also analyzed and calculated the control system and the hydraulic system, in order to further

design the control system of the manipulator, PLC is the core. The control system is controlled

by PLC, which coincides with the general direction of designing industrial control system.

Moreover, the design of hardware circuit and manipulator control program is carried out on the

basis of process flow and design requirements of the manipulator.

Key words: industrial machinery; hydraulic system; computer-assisted; dedicated device

目录

摘 要 .................................................................................................................................................1

Abstract .........................................................................................................................................2

引言 .................................................................................................................................................3

1 工业机械手的组成和应用 ..........................................................................................................7

1.1 工业机械手的分类 .......................................................7

1.2 工业机械手的组成 .......................................................8

1.3 工业机械手在生产中的应用 ...............................................9

1.4 国 内外 发展 状 况 ................................................................................................................10

2 设计方 案 的总体设计 ................................................................................................................12

2.1 设计的目的和 任务......................................................12

2.2 机械手的设计 参数......................................................13

2.3 机械手整体 结 构 形式 的选 择..............................................13

2.3.1 机械手的组成 ..........................................................................................................................13

2.3.2 机械手的自由度及 坐标形式 ...................................................................................................14

2.3.3 机械手的动作 顺 序 ..................................................................................................................15

2.4 手部 形式 的设计 ........................................................16

2.4.1 概述 ..........................................................................................................................................16

2.4.2 手部的 结 构 ..............................................................................................................................16

2.5 机械手 臂 的设计 ........................................................19

2.5.1 概述 ..........................................................................................................................................19

2.5.2 伸缩夹紧 缸的选 取 ..................................................................................................................19

2.5.3 升降 缸的选 取 ..........................................................................................................................20

2.5.4 回 转缸的选用 ..........................................................................................................................20

2.5.5 精度 ..........................................................................................................................................20

3 机械手液压系统设计 ................................................................................................................21

3.1 概述..................................................................21

3.2 元 器件 各种 性能的选 择.................................................25

3.2.1 流量的计算 ..............................................................................................................................25

3.2.2 工作压力的计算 ......................................................................................................................26

4 控制系统的设计 .....................................................................................................................28

4.1 概述..................................................................28

4.2 梯形图 以及程序的 编 制 .................................................29

4.2.1 动作的 顺 序与控制 ..................................................................................................................29

4.2.2 梯形图 的 编 制 ..........................................................................................................................30

4.2.3 P LC 程序的 编 制 .......................................................................................................................33

结论 ...............................................................................................................................................35

致谢 ...............................................................................................................................................36

参考 文 献 .......................................................................................................................................37

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。 包括 ： 农 业机器人、 娱乐 机器人、 军 用机

器人等。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，对于机械手的需求也上 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，

繁琐 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 多工作，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。

1 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：

（ 1 ）根据 其可以搬运的工件的重量来进行分类

注；现阶段我国多 数 机械手， 都 可以搬运 1~30 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：

（ 执 行机构的主要构造组分 ）

1 ） 手部 （ 手 抓 和 加紧 装置构成 ） —— 构 建 夹持 工件

2 ） 腕 部 ——联 结 构 建 手部 臂 部，还可以支撑手部

3 ）臂 部 —— 对手部、 腕 部 起 到一个支撑作用

4 ）立 柱—— 对手 臂 等构件进行支撑

5 ） 行 走 机构 —— 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。

（ 3 ） 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 障 ， 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，基本上我国工业机械生产线上，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 零 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

产自动化。

（ 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：

1 ） 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。