机油冷却器装配线上料装置及装配机械手设计

李连升 机油冷却器芯分子总成装配机械手设计

第一章 绪 论

引言

随着我国现代化进程的加快，汽车工业的迅猛发展，对圆盘式机油冷却器的市场需求量越来越大。可是长期以来，其装配过程一直靠手工操作，效率低，劳动强度大，为改变圆盘式机油冷却器手工装配的状况，提高装配质量与效率，扬州通洋机油冷却器厂委托我们为其设计圆盘式机油冷却器自动装配线。

通过对该装配线的设计，将促进机油冷却器制造企业的技术进步，降低产品的制造成本，保证产品的装配质量，提高产品的装配工作效率从而提高产品的质量和生产率。以适应企业扩大生产规模，及时应对国内外客户的订货需求。因此本课题的实施对企业的发展、技术进步及创造良好的经济效益与社会效益都具有十分重要的意义。

1.1圆式机油冷却器装配技术现状及趋势

1.1.1圆盘式机油冷却器简介

扬州通洋机油冷却器厂给出的圆盘式机油冷却器如图1-1所示。

在高速的情况下，机油温度升高，机油高温下油气产生的压力也高，从而影响到机油的物理稳定性，造成润滑不良，增加机车内部零件的磨损，所以需要在机车上加上机油冷却器对机油进行有效的降温冷却。圆盘式机油冷却器带有独立水套，结构紧凑，传热系数高，安装使用极为方便。

冷却器中有一个芯子集成，它由多层空心圆盘状散热片组成，各层之间有一层水隔板，他们交替地堆叠起来并通过铜片焊接在一起。芯子总成与冷却器下壳之间也是以铜片实现连接与密封的。各层散热片的空心部分由两根上下串通的孔道相连，一个圆孔，一个方孔，分别作为进、出油孔，机油通过这两根管道在芯子内部流动，而水在芯子与冷却器外壳之间的空腔循环。二者是完全隔开的，这样就实现了机油和水的热交换。

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图1-1 机油冷却器图

1.1.2机油冷却器装配技术现状及趋势

圆盘式机油冷却器的装配工艺过程是其制造过程中非常重要的环节，装配质量的好坏直接影响机油冷却器的密封性能。长期以来，这一工艺过程一直靠人手工操作，效率较低，工人的劳动强度大，且装配质量过多地受到人为因素的影响，致使机油冷却器质量的稳定性和可靠性不高。随着企业用户需求量的不断增加，装配工艺过程已成为制约产量提高和企业发展的瓶颈。要形成规模化生产，其装配工艺过程必须实现自动化, 这样才能提高生产率，降低生产成本，保证产品质量，在不久的将来，自动化装配将逐渐替代手工装配。

1.2课题的来源、意义及主要内容

1.2.1课题的来源

本课题是扬州通洋机油冷却器厂的委托项目。该厂现有采用的是人工装配。在芯子总成装配中，工人仅用一面一孔定位（套筒固定散热片中心孔），周向定位完全是靠人工调整，最后用带有长销的托盘，利用散热片的圆孔矫正定位。然后再由另外一名工人拿到压力机上，加压块和螺母（长销的另一端加工有螺纹，

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垫入一块压块后，旋入螺母），按动气动按钮对机油冷却器进行压紧，手工旋紧螺母，最后通过按钮松开冷却器。可以看出整个装配过程显得很复杂，而且对人的基本技能要求较高，存在很大的不确定性，容易对生产效率产生影响。

基于市场的需求，必定要扩大生产规模，因此扬州通洋机油冷却器厂要制造一套自动装配线，来提高生产率，降低生产成本，保证产品质量，减轻工人的劳动强度。

1.2.2课题的意义

该课题的创新之处在于采用自动化技术来解决制约机油冷却器产品质量和产量提高的瓶颈—装配工艺，实现由人工装配向自动化装配的转变。随着我国现代化进程的加快，汽车工业得到了迅猛的发展，圆盘式机油冷却器在汽车市场中的需求将越来越大，该课题的研究正好应对了市场的需求。

通过本课题的研制开发，将促进圆盘机油冷却器产品制造企业的制造装备的技术进步，降低产品的制造成本，保证产品的装配质量，提高产品的装配工作效率从而提高产品的质量和生产率。以适应企业扩大生产规模，及时应对国内外客户的订货需求。因此本项目的实施对企业的发展、技术进步及创造良好的经济效益和社会效益都具有十分重要的意义。

1.2.3课题的内容

本课题的内容为机油冷却器装配自动化。机油冷却器包括水隔板、散热片、焊料铜片、上下盖、上下盒等零件的装配，装配后机油冷却器的压紧等。我在本次毕业设计中主要内容为机油冷却器的上料装置与装配机械手的设计，其它的包括传送线和整体方案及压力机的设计由几个同学共同完成。上料装置的研制与开发是本课题的重点。本课题设计的产品是由9片散热片和10片水隔板以及20片焊料铜片和下盖下盒以及上盖上盒组成。考虑到上下盖、上下盒自动化装配技术比较难实现，故考虑由手工装配。另外在散热片和水隔板交替装配过程中焊料铜片较薄不易自动化装配，所以由手工先将其和水隔板作为一体。最后本课题的难点就集中在如何实现自动上散热片和水隔板，以及对于不同零件机械手的设计。

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1.3装配线上料装置的概述

随着自动机、自动线的高速、高度自动化，对上料装置的生产率、上料准确性等提出了更高的要求，同时也要求上料装置更加灵活、柔性化，已适用供送不同的物品，这使得机械手在自动机、自动线上得到愈来愈广泛的应用。

1.3.1上料装置设计要求

上料装置的任务是把代加工的物品（工件）从存料器（料箱）分离出来，按照自动机的加工要求，定量、定时、定向地送到加工位置。

1.3.2上料装置的基本组成

上料装置主要由四部分组成： 1．定时装置

定时装置主要是按照自动机生产节拍，使上料装置定时工作，准时供料。 在定时装置设计中，主要是解决工件供送与自动机加工节奏协调的问题。一般由上料装置与相关的其他机构（如工艺执行机构）之间的运动传动链（内联传动链）来保证，所以上料装置的运动循环必须与自动机工作循环相协调。也可以采用独立驱动的上料装置，例如电磁振动供料器、供料机械手，但要由控制系统或者设计诸如闸门等隔离装置，使上料装置停止或送料。

2．定量装置

定量装置是根据自动机加工工艺的要求，在每一个工作循环送出规定数量的工件。

定量可以分为量（如重量、体积）和数（如件、个），例如酒类、洗衣粉等物料主要是定量，螺钉、香皂、香烟等主要是定数，成卷的塑料带、薄铁皮、细刚棒等物料则是定长度。设计时要根据供送物料的形、性态等来确定。定量装置往往需要隔离装置、计数机构等来配合。

3．定向装置

保证工件按照工艺加工的方位要求送出。

定向送料在单件物品加工中是一个关键问题。定向机构一般与纠正、剔除机构等配合工作。

4．其他装置

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例如，定位装置、隔离装置、卷料的校直机构、带状料的纠偏调位装置、不符合要求工作的剔除机构、缺料检测机构、计数机构等等。

1.3.3上料装置的设计要求

1．根据总动机的生产节拍及工位位置，准确、快速、可靠地将工件送到位； 2．供料过程平稳、无冲击，不能损伤工件； 3．适应性强，调整方便； 4．结构简单，工作可靠。

1.3.4上料装置的分类

由于自动机所加工产品的品种繁多、形式多样，工件的尺寸、形状、结构、材料性能亦不同，因此上料装置的种类庞杂，上料原理、结构形式各不相同。从找出共性、便于讨论与设计这个主要目的出发，可按照上料的形、性态把上料装置分为：液体料上料装置、粉粒料上料装置、条带及线棒料上料装置、单件及板片料上料装置、特殊结构物料上料装置。

若按照驱动控制方式分类，则有机械式、电气式、气动式、液压式及各种驱动方式的组合。

1.4装配机械手的概述

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是工业机器人的一个重要分支。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段，但显示出许多特殊的优点，展现了广阔的应用前景。

工业机械手可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

1.4.1 工业机械手的组成和结构

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有

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多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1．机械手的组成

机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：1、自由度的旋转 2、肩的前后动作 3、肘的上下动作 4、腕(手)的动作驱动。

机械手主要由手部和运动机构组成。

（1）手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

（2）运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂，可靠性也越差。一般专用机械手有2～3个自由度。

2、机械手的结构

机械手由以下结构：执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统——远程诊断监控系统，五部分组成。如图1-2所示：

图1-2

1.4.2 机械手的分类

1．按机械手的使用范围分类

（1）专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于

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某种机械或生产线，用以自动地传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，使用于动作比较简单的大批量生产的场合。

（2）通用机器人（也称工业机器人） 即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只能是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。

2．按机械手臂部的运动坐标型式分类

（1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向移动。亦即臂部可以前后伸缩（定为沿Ｘ方向的移动）、左右移动（定为沿Ｙ方向的移动）和上下升降（定为沿Ｚ方向的移动）。

（2）圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的Ｘ和Ｙ方向移动，又可绕Ｚ轴转动（定为绕Ｚ轴转动γ角），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动。

（3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴的Ｘ和Ｚ方向移动，还可以绕Y轴和Ｚ轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿Ｘ方向移动）、上下摆动（定为绕Ｙ轴摆动β角）和左右转动（仍定为绕Ｚ轴转动γ角）。

（4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动α角，大臂可绕肩部摆动（仍定为绕Ｙ轴摆动）β角，手臂还可以左右转动（仍定为绕Ｚ轴转动）γ角。

3．按机械手的驱动方式分类

（1） 液压驱动机械手 以压力又进行驱动。 （2）气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。 （3）电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动。

（4）机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种方式。

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1.4.3机械手在装配线上的应用

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。在自动装配生产线上，机械手往往是必不可少的设备。它模拟人手臂的部分动作，按预订的程序、轨迹共和要求，实现抓取、搬运和装配。在减轻人的劳动强度、提高装配质量和装配效率方面的效果。

1．供送料机械手

供送料机械手可以看作是一种无料槽、滑道的上料装置，它在一个位置抓取物品，然后将其搬运到另一个位置。在自动机、自动线中，物品供送（上料、卸料）过程中的基本动作是：上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将工件放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件、带走、放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。要完成上述动作，供送料机械手的手爪必须到达两点（取料点——料槽；放料点——加工工位），这可通过机械手的立柱和手臂来实现；手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现；方位要求一般通过机械手的手腕来满足。

2．装配机械手

装配机械手是自动生产线上应用极为广泛的一种设备,其驱动主要是由气动系统完成,控制逻辑主要由可编程控制器程控产生。装配机械手程序控制主要由可编程控制器完成。

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第二章 装配线总体方案设计

2.1机油冷却器自动装配线的设计要求

通过在扬州通洋机油冷却器厂的实地考察，我们总结出机油冷却器自动在装配线的具体要求有：

1）装配线要完成每日生产机油冷却器1200件以上（每工作日以8小时记）； 2）装配线的占地面积尽量小，尽量节省制造成本； 3）保证机油冷却器的装配精度，提高装配质量； 4）减轻工人的劳动强度。

根据以上要求，要完成单件产品的装配需耗时：

t?8?3600S?24(S)1200

可知装配线的任何工位耗时都不得超过24秒。这就要求本设计要有紧凑的结构和较高的装配效率，同时尽量减少人为因素对产品装配的影响，以达到较高的装配质量和效率。

2.2装配工艺分析与确定

2.2.1机油冷却器装配工艺分析与确定

本课题的难点在于产品结构比较复杂，机油冷却器的自动化装配，由于受其组成零件的不同类型及形状限制，很难实现其全部零件的全部自动化装配。其中要解决的难题有：零件装配自动化，产品输送自动化，压紧工位的自动化。为此，设计一条半自动化的装配线比较适合该公司的生产水平。该装配线将包括机械手工位，人工工位，压紧工位。

2.2.1机械手工位工艺分析与确定

在本设计开始之前，手工装配效率很低，主要是由于散热片、水隔板、以及铜片的数量比较多（分别为9、10和20片），每层装配都要保证位置精确，并且不能装错数量和顺序，否则产品会不合格。这是多次的重复劳动，耗时很大。因此该工位可以通过机械手交替装配实现自动化。

水隔板焊片（铜片）、水隔板、散热片的交替装配在实现自动化装配的时候要考虑到如何更好的实现机械手的抓取。因为铜片面积小，中间多孔，无法用真

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空吸盘抓取；又因为铜片很薄，质量轻，不易于磁吸盘分料抓取。所以我们在设计前打算对水隔板结构进行适应性改造，取消了水隔板与散热片之间的20层铜片钎料，采用复合材料（水隔板两面镀铜），或用事先由另外一个工序将水隔板和两面铜片焊合的水隔片做成整体取而代之。这样就可实现对水隔片总成和散热片的机械手自动装配。

水隔片总成和散热片都为薄片形状零件，其自动装配通过机械手动作实现。由于水隔片总成零件表面积不大，故考虑采用磁盘式机械手装配；而对于散热片零件，其表面积较大，可采用吸盘式机械手装配。这两个零件的装配顺序通过可编程控制器来控制。

由于机械手的动作是程序化的，为了减少装配时间及提高装配精度，我们设计的机械手臂动作将尽量简单，用时尽量少。因此，我们在机械手工位的上料装置上设计举升机构，将零件放到托盘上，利用举升机构将托盘举升到机械手能抓到零件的位置，从而使机械手每次只需下降到固定的高度就可以抓到工件。后来在对机油冷却器定位装置的设计过程中，我们发现在导轨上也需要一个类似的举升机构，使机油冷却器的下盖上升至机械手刚好能把零件装配上去的高度。考虑到每个工位不得超过24秒，而装配零件数又很多，我们决定把机械装配工位设计为两个机械手工步，以达到减少工时的目的。

2.2.2手工工位工艺分析与确定

机油冷却器包含有上下盖和上下外壳，其装配量很小（各为1片），而且结构不利于机械手的抓取，因此采用人工装配。

在装配之初，先由工人将下盖、铜焊片、下外壳依次放到工作台上，当芯子在机械手工位装配完成之后，再由另一位工人加上上盖、铜焊片、上外壳。同时，因为机油冷却器在下一工位需要实现自动夹紧，所以还要加上一个压块。现有的人工装配时该工序是通过螺旋夹紧，即把机油冷却器通过中心孔套在一个中间插有长销（长销的另一端加攻有螺纹）的底座上，垫入一块压块后，按下气动压头开关，在压头压紧冷却器时手工旋入螺母进行夹紧。

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图2-1 机油冷却器爆炸图

2.2.3压力机工位工艺分析与确定

在机油冷却器装配完成主要所有零件的装配后，需要对机油冷却器进行压紧，完成零件的最后装配。现在自动化装配线上，为了有利于实现装配自动化，节约装配时间，以及保证装配的可靠性和稳定性，我们通过压力机来实现机油冷却器的自动压力压紧。

2.3装配线传送方案比较与确定

按照自动装配的要求，装配线的结构可设计为圆盘回转式、直进式和矩形环转式。在设计之初，我们对各种方案做了比较和分析，最终确定了实施方案。

方案一：回转式结构较简单，定位精度易于保证，装配工位少，适用于装配零件数量少的中小型部件和产品，基础件可连续传送或间歇传送。但是在本装配中，我们还有两个手工工位，它不宜与手动装配一起组合装配。且其占地面积较大，也不可驻料工作，工时较长，可行性差。

方案二：直进式，直进式包括非同步直进式和同步直进式。非同步直进式装配工位数不受限制，调整较灵活，基础件间歇传送。适用于自由节拍、装配工序复杂、手工装配与自动装配相组合的装配线上。同步直进式的每个工位的生产节拍是同步的，相对自由性较小。本装配线上要用随行夹具定位，并且解决随行夹具的返回装置。这里随行夹具在压紧工位的与工件分离之后的自动上装是设计的

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难点。在本设计中该类型的装配线可行。

方案三：矩形环转式，拥有直进式的优点，占地面积大，可以两组装配线同时工作，节省工时。并且无需设计随行夹具的返回装置，只要一个换向装置。在本设计中该类型的装配线也可行。

通过比较，直进式传送占地面积小，造价低且能很好的满足生产要求，所以设计的装配线将采用步伐式直进装配线，用推杆推动夹具和工件步伐式间隙传送，其中要解决的难题是机油冷却器的定位。

2.4机油冷却器定位方案的分析与确定

图2-2 散热片

通过机油冷却器结构的分析，我们提出了几种定位方案。

方案一：机油冷却器各层散热片的空心部分由两根上下串通的孔道相连，一个圆孔，一个方孔，可以在夹具体上设置一个圆形销或方形销，用中心孔和销来实现精确定位，但是经过讨论发现，两个空分别作为进、出油用，机油通过这两根管道在芯子内部流动，而在机油冷却器的下盖上则没有圆孔，在上盖上的方孔又比散热片上的要小，两者都不适合用来定位。

方案二：在考虑第一方案的时候，我们发现在机油冷却器的中心孔附近有两个3毫米的小孔，且上下不通，经过询问，该小孔是在散热片加工过程中产生的，将其做成上下贯通的通孔，不影响产品的任何性能，可行性强。

经过讨论，具体的定位方案确定为：将两个小孔做成上下贯通的通孔，在夹具体上设置两个长销，这样就实现了装配线的自动定位。但是由于定位销过于细长，装配中这定位销的导向部分会太细，刚度和强度会较弱。鉴于两小孔在冷却器的工作中不起任何作用,可对其结构适当修改加粗，即将小孔直径由原来的３

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毫米扩大到５毫米，这样改进后用其定位的可行性大大提高。

2.5总体方案的确定

结合以上对机油冷却器的装配工艺的分析，机油冷却器自动装配线的装配工序和装配方法确定为：

第一工位：这一工位是在随行夹具到位后人工放上底座、托盘、下盖、下盒以及铜焊丝。

第二工位：这一工位使用两个机械手装配散热片和水隔片。其中散热片用吸盘式，水隔板用电磁式机械手。二者交替动作，进行芯子总成的装配。为提高效率，本工位采用两个同样的机械手工步，第一工步装配5片散热片和5片水隔板，剩余的由第二工步完成。

第三工位：手工装配上壳、上盖以及焊片和压块。

第四工位：压力机自动压紧装配好的工件，并夹紧。最后压头复位，工件由工人取下。随行夹具也由一个气缸抽走，等待回送到装配线起点，以再次利用。

经过比较以后，我们最终确定的总体布置方案如图2-3所示。

水隔板料仓散热片料仓工人定位装置压力机装配机械手传送装置定位装置工人装配机械手水隔板料仓 第一工位第二工位第一工步散热片料仓第三工位第四工位第二工位第二工步

图2-2 装配线总体布置图

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第三章 上料装置与装配机械手方案设计

3.1上料装置与装配机械手的设计要求

在参观扬州通洋机油冷却器厂的圆盘式机油冷却器手工装配线，我们发现手工装配效率很低，其主要原因是由于散热片、水隔板、以及铜片的数量比较多（分别为9、10和20片），每层装配都要保证位置精确，这是多次的重复劳动，耗时很大，因此该工位可以通过机械手交替装配实现自动化。由于水隔板与散热片之间的焊料铜片中间多孔而且又薄又轻，难以用机械手抓取，所以考虑将焊料铜片与水隔板作为一体，这样就可实现对水隔板总成和散热片的机械手自动装配。

在该设计中最主要的任务就是要实现机械手与上料装置动作的匹配，即上料装置能实现不间断的供料，以便于机械手能连续不断的抓取工件，从而达到既能降低工人的劳动强度，又能提高生产效率、降低生产成本的目的。这是我们在设计中要解决的基本问题。

3.2上料装置的方案设计与比较

3.2.1上料装置的方案设计

上料装置一方面要实现连续不断的供料，另一方面要保证其与机械手动作的协调，使机械手能连续不断的抓取工件。这既是我们设计的重点也是我们设计的难点。

为了实现上述功能，我们选用回转工作台作为上料装置。在回转工作台上均匀分布四个上料工位，每个工位上有两个定位销安装在工作台上，以此来保证工件放置在工作台上时的定位精度。另外还设有四个托盘，每个托盘下部有两个小孔，以保证它们能穿过定位销放置与工作台上，每个托盘上放置有六十片工件。

为了保证机械手运动控制系统简单而稳定，机械手的动作应尽可能简单。这就要求机械手每抓取一个工件后，托盘就应上升一个高度，从而使工件的上表面保持在一个固定的高度，为机械手的下一次抓取做好准备，保证机械手每次只需下降一个固定的高度就可抓到工件。

在设计的过程中我们共考虑了四种方案，现表述如下： 方案一：

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在方案中我们用一个中心轴来支撑回转工作台，并带动回转工作台转动。该轴通过齿轮副与减速器相连，再与三相异步电机相连。通过三相异步电机的通断电来保证工作台旋转的角度。另外，用一个支撑轴穿过托盘正下方工作台上的孔来撑起托盘，支撑轴每次上升的高度通过与其相连的一个汽缸来保证。

该方案具体的原理如图3-1。

回转工作台托盘支撑柱子三相异步电机减数器齿轮轴汽缸轴承

图3-1上料装置方案一

方案二：

在该方案中，中心轴通过同步带与步进电机相连，通过步进电机来控制工作台的回转角度。另外，是用丝杠螺母副来控制托盘的上升。丝杠的一端与花键轴相连，另一端则穿过托盘正下方的工作台上的孔来托起托盘。花键轴则通过同步带与步进电机现连。在该机构中，螺母是固定在箱体上的，当步进电机开始工作时，丝杠在花键轴的带动下边旋转边上升，其穿过托盘正下方工作台上的孔将托起托盘。

该方案具体的原理如图3-2。 方案三：

在该方案中，在该方案中，中心轴通过同步带与步进电机相连，通过步进电机来控制工作台的回转角度。另外，是用丝杠螺母副来控制托盘的上升。在此处丝杠轴用轴承固定在箱体上，它的一端通过同步带与步进电机相连，另一端与螺母现连。当机械手抓取一个工件后，步进电机在控制系统的作用下开始工作，从

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而通过丝杠

回转工作台托盘丝杠螺母轴花键轴套筒轴承轴承同步带步进电机同步带步进电机

图3-2上料装置方案二

带动螺母沿导柱上升。螺母上均匀分布的三个支撑柱穿过工作台上的小孔将托盘托起一定的高度。在机械手抓完一个托盘上最后一个工件时，螺母再上升时会触动安装在箱体上的一个行程挡块，控制机构便会发出信号使步进电机反转，从而带动螺母下降。当螺母下降到一定高度时，又会触动另一个行程挡块，电机随即停止作用。此时，中心轴所连步进电机开始作用，带动工作要旋转到下一个工位，然后停止作用，进入下一个循环中。

该方案具体的原理简图如图3-3。 方案四：

在该方案中，在该方案中，中心轴通过同步带与步进电机相连，通过步进电机来控制工作台的回转角度。另外，是用丝杠螺母副来控制托盘的上升。在此处丝杠轴用轴承固定在箱体上，它的一端通过同步带与步进电机相连。此处螺母处于丝杠上两个轴承之间部位。当机械手抓取一个工件后，步进电机在控制系统的作用下开始工作，从而通过丝杠带动螺母沿导柱上升。螺母上均匀分布的三个支撑柱穿过箱体及工作台上的小孔将托盘托起一定的高度。在机械手抓完一个托盘上最后一个工件时，螺母再上升时会触动安装在箱体上的一个行程挡块，控制机构便会发出信号使步进电机反转，从而带动螺母下降。当螺母下降到一定高度时，

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又会触动另一个

回转工作台托盘支撑柱丝杠螺母丝杠轴轴承轴套筒同步带轴承同步带步进电机步进电机

图3-3上料装置方案三

行程挡块，电机随即停止作用。此时，中心轴所连步进电机开始作用，带动工作要旋转到下一个工位，然后停止作用，进入下一个循环中。

该方案具体的原理简图如图3-4。

定位销 托盘回转工作台支撑柱轴丝杠螺母轴承丝杠同步带轴承同步带步进电机步进电机

图3-4上料装置方案四

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3.2.2 上料装置设计方案的比较及确定

在方案一中，三相异步电机不能保证工作台旋转的精度。另外，工件每次上升相当与散热片或水隔板厚度的高度，因此每次上升的高度很小，汽缸达不到这个精度。

在方案二中，步进电机可以保证工作台的回转精度。但是在此结构中，丝杠要一边旋转一边上升，结构不是很合理。

在方案三中，步进电机可以保证工作台的回转精度，丝杠只需做旋转运动。但是螺母位于丝杠的一端，是一个悬臂机构，从结构和受力角度来看均不合理。

在方案四中，步进电机可以保证工作台的回转精度，丝杠只需做旋转运动，螺母位于两固定轴承之间，轴的结构和布置更合理。但是相较于第三种方案，螺母位置的改变将导致托盘尺寸的增加，从而使回转工作台占用空间加大。

我们从工厂实际所给的安装空间及结构和受力角度综合考虑后，最终确定用第四种方案。但仅是利用步进电机并不能保证回转工作台的回转精度，因为步进电机也必定存在工作误差。因此，我们在工作台的侧面设有定位销来保证其回转精度。

3.3机械手的设计方案

3.3.1机械手手臂的设计

由于整个装配线的装配效率主要取决于散热片和水隔板的装配，为了提高效率，我们选用的是回转式双臂机械手。机械手的两个手臂成90度，一个手部在抓取时，另一个正好在间工件放在装配线上的规定位置。

机械手和上料装置的布置简图如图3-5。

3.3.2 机械手的手部设计

1．常见的手部结构形式

根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其它一些特征（如易碎性、导磁性、表面光洁度等）的不同，常见的手部结构形式可分为以下几种：

（1）夹钳式手部：手指是夹钳，利用夹钳的开闭来完成抓取和松开功能。 （2）气吸式：手指是橡胶吸盘和塑料吸盘，利用控制真空吸力或负压吸力的大小吸住和松开工件。

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（3）磁吸式：手指是电磁或永久磁铁，利用磁吸力来吸住铁磁性材质的工件。

（4）其它型式：如在手部安装喷枪、焊枪、扳手、电动螺钉（母）拧紧器、电钻等工具的专用机械手。

图3-5 机械手与料仓布置简图

2．机械手部的选用 （1）钳抓式手部

钳抓手部应用最广泛，一般由手指、传力机构和驱动装置组成。

①手指：手指是直接与物件接触的构件，也是传力机构的构件。常用的手指运动型式可分为回转型和平移型两种。如图4-2、4-3所示，回转型手指因结构简单，易于制造而得到广泛应用，常用于夹持圆形工件，但因其开闭角小，且当工件直径变化时，其轴心位置也随之变化而变化，故回转型手指当所夹持工件直径变化大时，受到一定限制。平移型手指常用来抓取方形工件，当用手抓取圆形工件时，工件直径变化不影响其轴心位置，故适应于不同直径的工件，但因其结构复杂而较少采用。

为了适应被抓取工件的尺寸、重量、表面形状和抓取部位（外圆或内孔）的变化，其结构形式又分为平面型手指和V型手指，三抓和二抓手指。外卡式和内卡式手指等几种。

② 传力机构：传力机构型式较多，常用的有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。

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（2）气吸式手部

气吸式手部是利用吸盘（用橡胶或软性塑料制成的皮碗）内形成负压将工件吸住的。

气吸式手部一般由相当于手指的吸盘，支架和控制气体的阀或进排气管路组成。

气吸式手部适用于搬运一些不受材质影响的薄片状轻型工件，如矽钢片、薄铁片、板材、纸张及薄壁易碎的玻璃器皿，弧形壳体等表面平整光滑、无孔无油的零件。它的优点是结构简单、重量轻、惯性小。手部与支撑之间的连接可用弹性连接，也可用螺纹连接。工作时，只要手部内腔达到一定的真空度，便可以吸取物件。

根据形成负压的方法不同，可将气吸式吸盘分为三种：

①．挤压式 是利用外力作用将吸盘压在物件表面上，迫使吸盘变形挤出盘内空气形成负压依靠与大气的压力差而吸住物件的。当吸盘与大气相通时，即将物件放下。这种方法结构较简单，但吸力较小，一般用于吸取轻型物件。

②气流负压式 是借助喷嘴所喷射的高速压缩空气，将吸盘内部的空气带走形成负压（真空）而吸住物件的。这种吸盘由于结构简单，气源方便，吸力可靠，故应用较多。

③真空泵式 是利用真空泵抽出吸盘内部的空气而吸住物件的，这种方法工作可靠性强，使用方便。但需要真空泵设备，成本较高，具有真空泵的进排气系统。

（3）磁吸式手部

电磁式吸盘是安装在手臂的前端，通过电磁吸力把工件吸住。

当线圈通入电流后，在铁芯内外激起磁场，由线圈出来的磁力线经过铁芯、空气隙和被磁化的衔铁而形成闭合回路。

电磁铁主要由铁芯、绕在铁芯上的线圈及原来不显磁性的铁磁物质制成的衔铁所组成。

具体选用哪种手部必须根据所装配零件的外形尺寸来选择。由于隔板是铁制品故选用磁吸式手部，而散热片材料中不含铁不能用电磁式手部的抓取，散热片和水隔板的尺寸都很小，都是薄片状（散热片厚3.2mm，水隔板厚1.8mm）的，

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并且在抓取后放置时还要实现精确的定位，因此选用钳抓式手部。 具体方案见图3-6：

图3-6 钳抓式手部方案

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第四章 上料装置与装配机械手的结构设计

4.1上料装置的结构设计

4.1.1回转工作台的设计

4.1.1.1回转工作台尺寸的确定

上料装置我们采用圆形回转工作台，尺寸：直径550mm，高度40mm。由于回转工作台主要是承受工件的重量，然而工件的重量又很轻，对其承重能力没有特别要求，故回转工作台的材料用45钢即可。

工作台的质量 ： m1???55.02?4?7.9?300.15kg(??7.9g/cm3) 工件的总质量 ： m2?60?6.94?4?1.11kg 所以总的质量 ： m总＝m1?m2?301.26kg 即总重量 ： G?m总g?301.26?9.8?2952.34N 工作台转速 ：n?16r/min，则 ??工作台绕主轴旋转的转动惯量 ：

222J?J?J?mr?(mr?m??d) 1211222

222?300.15?0.55?(1.11?0.55?1.11?0.174)

2?91.2kg.m

2?n2??16??1.675rad/s 60604.1.1.2钳抓式手部的设计

钳抓式手部只需承受工件的重量，但工件的重量很轻，所以钳抓式手部材料选45钢即可。

其具体尺寸如图4-1所示：

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图4-1 托盘

4.1.1.3定位装置的设计

1．弹簧的设计：

此处所选弹簧为压缩弹簧，其作用于定位销，通过定位销对工作台产生一个力矩，推动工作台做微小转动，从而使工作台准确定位。由经验可知，所需的弹簧的弹力为F?13N,由《简明机械零件设计手册》表17－3得：弹簧的极限工作载荷Flim?1.67F?1.67?13?21.71N。

由表17－14中，根据Flim?21.71N，选取弹簧尺寸如下：d?0.8mm，

P?5.04mm，D2?9.0mm

d－材料直径

D2－弹簧中径 P－节距 2．定位销的设计

定位销的头部可以是锥形的，也可以是圆形的，或是其它形状。需根据具

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体使用条件来确定。此处为了便于加工及安装，选用头部为锥形的定位销。 先假设定位销头部的锥角为60o，则F1?F?13?2?26N OCOS60

4.1.2轴及其相关部件的设计

4.1.2.1.轴的设计

1．轴的材料

轴的材料主要是碳钢和合金钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能，应用于需传递大的动力，并要求减少尺寸和质量，提高轴径的耐磨性，以及处于高温或低温条件的情况。但是碳钢比和合金钢低廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴更广泛，而且最常用的是45钢。此处为一般轴，故采用45钢即可。

2．轴的结构设计

（1）轴上零件的装配方案确定

方案一：上下端轴承，上端轴承盖，回转工作台均从上向下安装，下端盖和带轮从下向上安装。

方案二：上端轴承，上端轴承盖，回转工作台从上向下安装，下端轴承，下端盖和带轮从向上安装。

由于方案一中两个轴承之间的间距较大，采用套筒定位时要考虑到套筒的质量及材料用量，不可取。方案二中两个轴承通过轴肩定位，不必用到套筒。故选方案二。

（2）轴上零件的定位

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①零件的轴向定位

轴承利用轴肩和轴承端盖来定位，带轮和工作台均是用轴肩和螺母来定位。 ②零件的轴向定位

轴承利用过盈配合来定位，工作台和带轮均是利用键来定位。应注意同一根轴上的键槽应设计在同一母线上。

③轴的结构工艺性

1)安装轴承处需留有砂轮越程槽； 2)需制螺纹的轴段，留有退刀槽;

3)为了减少装夹工件的时间，该轴上不同轴段的键槽布置在同一母线上； 4）为了减少加工刀具的种类和提高劳动生产率，轴径相差不大的轴上的砂轮越程槽和退刀槽采用相同尺寸。

3、轴的计算 （1）轴径的确定

装工作台处的轴径相对最小，从此处通过计算确定该处轴径。

F1?f/cos60o?13?2?26N

M1?F1?sin60o?R?26?3?0.275?6.20N.m 2PW 1?M1???6.20?1.675?10.39由《机械设计》公式15－2得： 轴的直径d?39550000P

0.2[?P]?n由表15-3查得：[?P]?25~45MPa,，取[?P]?35MPa

?39550000?10.39?10则 d0?3?9.6mm

0.2?35?16应当指出的是，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。由于直径d?100mm，且有两个键槽时，轴径应增大10％～15％。故： d?(1?12%)d0?11.52，经圆整后取d?20mm，则各段轴径具体尺寸见零件图。

（2）各段轴的长度的确定

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各段轴径确定以后即可选定所需轴承，然后依次确定各段轴的长度，具体尺寸见零件图。

（3）轴的校核

由于轴径最小处直径通过扭矩计算来确定的，故不需要进行弯扭强度校核。但是由于该轴要承受工作台及工件的总重量对其的压力作用，并且此力相对较大，故需进行压杆稳定性校核。

数学模型：

此处轴的约束可看作两端铰支，如图4-2。

l?232mm

图4-2压杆模型

材料力学：

I???dA??A20.0190.01112??3d????4|0.019??3.14?(0.0194?0.014)?4.1?10?4m40.0122

查《机械零件设计手册》表1-6得：E?200GPa

由欧拉公式

FCR??2EIl2 ?F，符合条件。

4.1.2.2轴承的选用

1．轴承类型的确定

由于此处轴承主要承受轴向力，只有在主轴开始和停止旋转的时候才会产生少量的径向力，故选用圆锥滚子轴承。

圆锥滚子轴承主要承受以径向载荷为主的径轴向联合载荷，而大锥角可承受

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以轴向载荷为主的径轴向联合载荷。圆锥滚子轴承为分离型轴承，其内圈（含圆锥滚子和保持架）和外圈可以分别安装。在安装和使用过程中可以调整轴承的径向和轴向游隙，也可以预过盈安装，单列的在径向载荷作用下，会产生附加轴向力。因此，一般应成对配置（同名端面相对安装）。如单独使用，其外加轴向力应大于附加轴向力。

锥角??100~180的小锥角圆锥滚子轴承3000型主要承受径向载荷，锥角

??270~300的小锥角圆锥滚子轴承3000B型主要承受轴向载荷并能承受少量径向载荷。按照需要此处应选用3000B型轴承，但是由于此处受轴向力不大，故选用3000型即可。.

2．按额定动载荷选择轴承

当量动载荷 ： P?(xFr?yFa)fp，其中fp为载荷系数，Fr纯径向载荷，Fa纯轴向载荷，x径向动载荷系数，y轴向动载荷系数。此处Fa很小，计算时由《机械设计》表13－5：Fa/Fr?e，故选取y?0.4mmFr?0,Fa?2952.34N。

13－6：fp?1.1

所以P?fp(xFr?yFa)?1.1?0.4?2952.34?1299.03N?Ca，符合条件。 根据轴径不能太小，由《机械设计手册－轴承》表6－2－79，选取d?40mm的30208型单列圆锥滚子轴承。

3．轴承的配置

由于此处轴两端悬臂部分相对于整根轴相对较短，故采用正装，以提高轴的支承刚性。

对于圆锥滚子轴承，一般采用双支点各单向固定的定位方式。安装时，通过调整轴承外圈的轴向位置，可使轴承达到理想的游隙或是所要求的预紧程度。

4．轴承的轴向固定

轴上轴向零件的轴向定位是以轴间，套筒，轴承挡圈，轴承端盖和圆螺母来定位的。

此处利用轴肩和轴承端盖的方式来固定。 5．轴承的游隙调整

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征对不同的情况有不同的游隙调整方法，其中最长用的使加调整垫片。此处，利用轴承端盖处的调整垫片厚度的改变来调整游隙。

6．轴承的预紧 轴承预紧的方式有：

（1）夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧；

（2）在一对轴承中间加入套筒而预紧，预紧力可有套筒的长度来调整； （3）安装时通过调整外圈的轴向位置来进行预紧；

（4）此处通过调整轴承外圈的轴向位置，使轴承达到所要求的预紧程度。 7．滚动轴承的润滑

由《机械设计》表13－10得：

dn?16?40?640mm.r/min?16?104mm.r/min,故选用脂润滑。

8．轴承端盖和密封装置的设计 （1）轴承端盖的设计

由《机械设计实践》表4.14：根据D?80mm，确定轴承端盖各尺寸如下：

d3?10，n?4，d0?d3?(1~2)?12， D0?D?2.5d3?80?25?105， D4?(0.85~0.9)D?70，

D5?D0?(2.5~3)d3?105?30?75，

e?1.2d3?12， e1?(0.1~0.15)D?12，

??8，m?20

（2）密封圈的设计由《机械设计实践》表15.10：根据d0?40，确定密封圈各尺寸如下：

d?39,D?52,b?5,b1?4,b2?5.5,d1?41,D1?53

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4.1.2.3轴上伺服电机的选择

1．传动功率和扭矩的计算

N?G?cos75o?2952.34?cos75o?764,12N 由《简明机械零件设计手册》表1－12查得：

??0.04

f1??N?764.12?0.4?305.65N

M2?f1?cos15o?0.02?305.65?cos15o?0.02?5.92N.m

P总＝（M1?M2)???(5.92?6.20)?1.67?20.24W

2．电机的选择 （1）电机类型的选择

伺服系统是指输出量能够按一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、准确地复现输入指令的变化规律。伺服系统中驱动元件伺服电机包括步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。由于此处为开环控制，故选用步进电动机即可。步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的一种机电或数模转换器。其转子的转角（或位移）与电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电动机用电的顺序所决定的。

步进电动机按力矩产生的原理可分为反应式和励磁式。我国目前使用的步进电动机多为反应式步进电动机。它的结构简单，性能可靠，同步运动特性好，分辨率高，定位精度高，价格适中等优点，故广泛用于开环数控系统执行元件和驱动元件。在此处，我们选用反应式步进电动机。

（2）电机的确定

由《简明机械零件设计手册》表23－10得：

M总＝M1＋M2＝5.92＋6.20＝12.12N?m

选取150BF001型反应式步进电动机，其最大静转矩为

M0?13.72N?m?M总，符合要求。

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4.1.2.4同步带装置的选用

同步带传动机构利用同步带的齿形与带轮的轮步依次相啮合传递运动和动力。它兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传递，传动过程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，且同步带的强度高，厚度小，重量轻，故可用于低速及告诉传动；同步带无需特别张紧，作用在轴及轴承处的载荷小，传动效率高。

1．同步带的选用：

同步带的齿形可分为梯形同步带和齿形同步带，而梯形同步带又可分为周节制、模数制和特殊节距制。此处选用周节制同步带。根据P?13.65W，由《机械设计手册传动装置》表12－1－50，选取MXL型周节制同步带，其主要参数：基准带宽为6.4mm，基准带宽所传递功率范围为0.0009～0.15kw,节距为2.032mm

2．同步带轮的选用：

由表12－1－60选取：小轮Z＝32的MXL型同步带轮 大轮Z＝72的MXL型同步带轮 3．带轮挡圈的选用：

由表12－1－63选取：挡圈最小宽度K＝0.5mm 挡圈厚度t=0.5~1mm,取t=0.8

4.1.3丝杠及其相关部件的设计

4.1.3.1丝杠的设计

1．丝杠的运动形式的选择

螺旋传动按螺纹间摩擦状态可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋三大类。滚动螺旋和静压螺旋的使用性能、力学性能等相对更好，但是结构复杂，成本较高。此处丝杠只是旋转使螺母上的立柱上升顶起托盘上工件以便于机械手的抓取，并不要求很高的精度，故选用滑动螺旋即可，既可达到要求，又降低了成本。

2．滑动螺旋传动计算： 取d?20，P?4，ac?0.25则

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H1?0.5P?0.5?4?2h3?H1?ac?0.5P?ac?2.25HP?H1?ac?2.25H1?22d2?d?2Z?d?0.5P?20?0.5?4?18Z?0.25p?b2?d?2Z?d?0.5P?18d3?d?2h3?20?2?2.25?15.5D1?d?2H1?d?P?20?4?16D4?d?2ac?20?2?0.25?20.5由于为梯形螺纹,查看国标GB/T5796.1－1986得b?0.65P?2.6

ac－牙顶间隙 H1－基本牙型高度 h3－外螺纹牙高 H4－内螺纹牙高

Z－牙顶高 d2－外螺纹中径

D2－内螺纹中径 d3－外螺纹小径 D1－内螺纹小径 D4－内螺纹大径

b－牙根部宽度

3．螺母的设计

（1）螺母的高度：H?4d2，但由于此处是利用螺母上的立柱来支撑起托盘和工件的，而托盘和工件的重量很轻，故由经验可知，H?15mm即可。则旋合圈数n?H15??3.7?10~12，满足条件。 P4（2）立柱的设计：我们选用的是直径为10mm的圆柱作为立柱，共有三根，均匀分布在直径为124mm的圆上，与螺母通过螺纹联结。

4．材料的选用

滑动螺旋传动的主要零件是螺杆和螺母。螺杆的材料应有足够的强度和耐磨性，以及良好的工艺性。不重要的螺杆可以不经过淬硬处理，材料一般用Q－275、45、50、Y40和Y40Mn等。由于此处的螺杆要求不高，所承受的力也很小，故选用45钢。而此处的螺母为低速轻载，故选用耐磨铸铁即可。

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5．丝杠轴的校核

丝杠在此处主要承受轴向力为：

F?G托盘＋G工件＝7.9?3.14?0.82?0.015?9.8?1.11?9.8＝10.9N （1）螺杆的耐磨性验算：

由《机械设计手册机械传动》表11－1－4中式（3）得 工作压强P?F10.9??0.026N/mm2

?d2H1n3.14?18?2?3.7考虑螺杆的升降速度小于（0.1～0.2）m/s，并且不是连续工作，由表11－1－9，取PP?7N/mm2，可见P远小于PP，满足耐磨性要求。

（2）螺纹的强度校核：

根据螺母的材料查表11-1-10，取?P?40N/mm2,?P?50N/mm2 螺母的剪切强度由表11-1-4进行验算：

??F10.9??0.018N/mm2

?D4bn3.14?20.5?3.7?2.6螺纹的弯曲应力由表11-1-4得：

?b?3FH13?10.9?22 ??0.029N/mm22?d4bn3.14?20.5?2.6?3.7经验算，???P,?b??bp，螺纹强度足够。 4.1.3.2轴承的选用

由螺纹部分的公称直径d?20mm，查《机械设计手册轴承》表6-2-79，选取d?15mm的30302型圆锥滚子轴承。

1．轴承类型的确定

由于此处轴承主要承受轴向力，只有在主轴开始旋转和停止旋转的时候才会产生少量的径向力，故选用圆锥滚子轴承。

圆锥滚子轴承主要承受以径向载荷为主的径轴向联合载荷，而大锥角可承受以轴向载荷为主的径轴向联合载荷。圆锥滚子轴承为分离型轴承，其内圈（含圆锥滚子和保持架）和外圈可以分别安装。在安装和使用过程中可以调整轴承的径向和轴向游隙，也可以预过盈安装，单列的在径向载荷作用下，会产生附加轴向

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力。因此，一般应成对配置（同名端面相对安装）。如单独使用，其外加轴向力应大于附加轴向力。

锥角??100~180的小锥角圆锥滚子轴承3000型主要承受径向载荷，锥角

??270~300的小锥角圆锥滚子轴承3000B型主要承受轴向载荷并能承受少量径向载荷。按照需要此处应选用3000B型轴承，但是由于此处受轴向力不大，故选用3000型即可。

2．轴承的选择

由螺纹部分的公称直径d?20mm，查《机械设计手册轴承》表6-2-79，选取d?15mm的30302型圆锥滚子轴承。

由于此处所受轴向力很小，由经验可知，所选轴承必能满足受力。

3．轴承的配置

由于此处轴两端悬臂部分相对于整根轴相对较短，故采用正装，以提高轴的支承刚性。

对于圆锥滚子轴承，一般采用双支点各单向固定的定位方式。安装时，通过调整轴承外圈的轴向位置，可使轴承达到理想的游隙或是所要求的预紧程度。

4．轴承的轴向固定

轴上轴向零件的轴向定位是以轴间，套筒，轴承挡圈，轴承端盖和圆螺母来定位的。

此处利用轴肩和轴承端盖的方式来固定。 5．轴承的游隙调整

征对不同的情况有不同的游隙调整方法，其中最长用的使加调整垫片。此处，利用轴承端盖处的调整垫片厚度的改变来调整游隙。

6．轴承的预紧 轴承预紧的方式有：

（1）夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧; 用弹簧预紧：

（2）在一对轴承中间加入套筒而预紧，预紧力可有套筒的长度来调整； （3）安装时通过调整外圈的轴向位置来进行预紧。

（4）此处通过调整轴承外圈的轴向位置，使轴承达到所要求的预紧程度。

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7．滚动轴承的润滑 由《机械设计》

.r/min?16?104mm.r/min,故选用脂润滑。 表13－10dn?16?40?640mm8．轴承端盖及密封圈的设计

由《机械设计实践》表4.14得：螺纹直径d3?8,螺钉数n?4,D?42

d?d3?2?10D0?D?2.5d3?42?20?62D2?D0?(2.5~3)d3?84D4?(0.85~0.9)D?36D5?D0?(2.5~3)d3?42e?1.2d3?9.6由e1?e,取e?12mm,??8,m?20调整垫片尺寸由表15.10得：

d?41,D?54,b?5,D1?55,d1?43,b?4,b2?5.5

1.4.3.3电机的选取

1．功率、转矩的计算

丝杠上升的过程中是缓慢并且间断性工作的，此时转速很低，只有

n?60?h/P?60?3.2/4?48r/min

h－丝杠每次上升的高度 P－螺距

但当机械手抓取该处托盘的最后一个工件后，丝杠需快速瞎讲，然后工作台旋转90o到下一个工位，为机械手的下一次抓取做好准备。因为机械手抓取工件线上升，然后用1秒钟旋转，再下降，所以丝杠的瞎讲和工作台的旋转必须在1秒内完成。

工作台旋转90o所用时间为：t1?60/60?0.25?0.25s 丝杠下降所用时间为：t2?1?t1?0.75s，

丝杠在该时间内下键高度为：h?128?25?5?158mm， 故丝杠的线速度为：v?158?210.67mm/s， 0.75李连升 机油冷却器芯分子总成装配机械手设计

此处采用单头螺纹，导程s?P?4mm， 故螺纹升角为：??arctan由表11-1-3或v?n?s4?arctan?4o30'， ?d23.14?18??dns?2tan?得： 2?6060v60?210.67?3158.8r/min，

?d2tan?3.14?18?0.072?n3.14?3158.8?330.62rad/s 6030??由《简明机械零件设计》表1-12得：

??0.4

N?G?cos75o?10.9?cos75o?2.82Nf?0.4?2.82?1.28NM0?f?cos15o?R?1.28?cos15o?0.0075?0.0093N.mP0?M??0.0093?330.62?3.07W

2．电机的选取

由表23－10选取36BF003型BF系列反应式步进电动机，其最大静转矩

M?0.078N.m?M0

4.1.3.4同步带装置的选用

1．带的选取：

由P0?3.07W,从《机械设计手册机械传动》表12—1－50选取MXL型同节制同步带，其基准带宽所传递功率范围为0.009～0.15kw，基准带宽为6.4mm。

2．带轮的选取：

由《机械设计手册机械传动》表12－1－60：大带轮Z?30的MXL型带轮 小带轮Z?20的MXL型带轮

4.1.4箱体的设计

箱体的加工采用铸造，材料选用HT200.从铸造的角度来考虑，壁厚要均匀，故均取d?20。为了便于起模，垂直于分型面的平面均取1：10的拔模斜度。

为了便于装配，将箱体做成上下两部分，用螺栓联接而成的形式。为了保证

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上下箱体安装轴承处孔的同轴度，应先用螺栓将上下箱体紧固后，再同时一次性加工上下孔。为了定位，在加工完上下孔后，在紧固的情况下配钻一个销孔。装配时，在该销孔内打入销，进行准确定位。

4.2 装配

4.2.1气缸的选择

1．气缸的选择要点

可根据主机的需要进行设计，但尽量直接选用标准气缸 （1）．安装形式的选择

安装形式由安装位置，使用目的等因素决定。在一般场合下，多用固定式安装方式：轴向支座前法兰（MS1?MF1式）后法兰（MF2式）。在要求活塞直线往复运动的同时又要缸体作较大圆弧摆动时，可选用尾部耳轴（MP4式或MP2式）和中间轴销（MT4式）等安装方式。如需要在回转中输出直线往复运动，可采用回转气缸。有特殊要求，可选用特殊气缸

（2）．输出力的大小

根据工作力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力和拉力，从而确定气缸内径。气缸由于其工作压力较小（0.4～0.6MPa）其输出力不会很大，一般在10KN左右，输出力过大其体积（直径）会太大，因此气缸在气动设备上应尽量采用扩力机构，以减少气缸的尺寸。

（3）．气缸行程

气缸（活塞）行程与其使用场合及其工作机构的行程相比有关，多数情况下不应使用满形成，以免活塞与气缸盖相碰，尤其用于夹紧等机构，为保证夹紧效果必须按计算行程多加10～20mm的行程余量。

（4）．气缸的运动速度

气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定。要求速度缓慢，平稳时，宜采用气液阻尼缸或采用节流调速。节流调速的方式有：水平安装推力载荷推荐使用排气节流，垂直安装举升载荷推荐使用进气节流；用缓冲气缸可使缸在行程中点不发生冲击现象，通常缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果

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才明显，如果速度高，行程终端往往会产生冲击。

2气缸的选择与校核

在机械手上我们需要采用两种不同类型的气缸，一种是QGS尾部法兰安装型气缸，另一种是QGK-2小型齿轮齿条摆动气缸。我们初选它们的缸径?40mm， 估

＝G手臂＋G吸盘＋G螺母＋G套筒＝11kg，由算气缸推（拉）的总重量G总《机械设计手册 单行本 气压传动与控制》得：当推力做功时，气缸直径

D?4F1，已知数据： ??0.3,P?0.5MPa，解得 F1?188.4N,即 ?pηF1?19kg，估算?40mm气缸推（拉）的总质量小于校核?40mm气缸实际gm?推（拉）的总质量，所以选择缸径?40mm的气缸是符合要求的。

4.2.2机械手维护说明

1．维护的任务

维护的中心任务是保证供给气动系统清洁干燥的压缩空气；保证气缸得到规定的工作压力；保证气动系统的密封性；保证气缸执行按预定的要求工作。

2．管理的方法

维护工作可以分为日常的维护工作与定期的维护工作。前者是每天必须进行的维护工作，后者是每周，每月或每季度进行的维护工作。维护工作应该有记录，以利于今后的故障诊断与处理。维护管理者应能充分了解元件的功能、构造、性能。在购入元件时应根据生产厂家的样本等技术资料对元件的功能、性能进行调查。因生产厂家的试验条件与用户的实际使用条件有所不同，所以，有必要进行实际测试，根据数据进一步掌握元件的性能。

3．维护的原则

（1）理解元件的原理、构造、性能、特征 （2）检查元件的使用条件是否恰当 （3）事先掌握元件的使用方法及其注意事项 （4）事先掌握元件的寿命及其相关的使用条件

（5）事先了解故障易发发的场所、发现故障的方法和预防方法

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（6）准备好管理手册，定期进行检修，预防故障的发生 （7）做好能正确、迅速修理并且费用最低的备件

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第五章 设计工作总结

通过设计我掌握了设计的基本步骤，查阅资料的能力也得到了提高，另外在设计中我们和其他两个小组通力合作，无论是从方案的构思选定，还是从某一机构的设计，甚至零部件的选用，尺寸的确定，论文的成文，我们都在一起讨论完成，使我认识到团结协助的重要性。

机油冷却器的自动装配线由工件的自动输送、机械手装配、自动上料装置、定位装置、以及压力机构等实现。本设计主要研究机械手装配和自动上料装置。要实现装配自动化，首先要实现上料装置的自动换料。设计中采用圆盘式回转料仓，由步进电动机带动其运动，并用PLC进行控制。机械手准确无误的抓取工件也是实现装配线自动化的关键问题。根据散热片的结构特征，采用较合理的定位方案，并由托盘带动散热片上升，这些都可以保证机械手能够连续、准确地进行装配，从而在这一环节上实现自动化。

当然设计中还存在许多不足之处：圆盘工作台转动过程如何实现精确定位，虽然步进电机精度很高，但不排除误差的可能，在本设计中我采用弹性插销定位的方法，是否有更好的方法就有待实践的证明。另外，由于机油冷却器芯子机构和机械手抓取能力的限制，必须对芯子的结构作出改进才能实现装配自动化，这无形中加大了零件的成本，所以，我们的装配线还需要很大的改进。

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致 谢

在这两个多月的毕业设计过程中，通过李老师的悉心指导，我增长了许多知识。在这里我要特别感谢陈启银老师。在毕业设计中，无论什么时候，当我遇到问题时，陈老师总会不厌其烦、热心的讲解，引导我向正确的方向思考。在思考，发现问题、然后解决问题的过程中，我学会了很多东西。

我们与同组同学与在设计中互相帮助，共同讨论，解决了许多遇到的问题。通过这次设计中的相互协作，我更深刻的体会到团队的力量。

通过查阅大量设计资料，我对机械产品设计的基本过程有了进一步的了解。同时对大学阶段的课程也进行了系统的复习，对专业课也有了更深的认识。这些对于我以后的学习和工作都有很大的帮助。

最后我要感谢所有为我们毕业生付出辛勤劳动的老师们，谢谢你们了

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参考文献

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