自动上料装置的设计

自动上料装置的设计 湖南工业大学科技学院学士学位论文 摘要 很多产品的外壳

都是由美观、轻巧的薄板构成的。例如：电冰箱、洗衣机、空调器等等。这些形状

各异的壳体须经多道工序加工才能成型。如上料、切角、冲孔、折弯等。在大批量

生产中只有采用自动生产线才能保证加工的质量、精度及产品的一致性。而各种生

产线的首道工序都是自动上料。薄板自动上料机就是用于将板料门动送到线体上 以

便顺利地进入证道工序的机器。 本次设计综合运用机械设计、气压设计、机电传动

设计以及 PLC 的相关知识设计出一套能够完成自动上料机。目前 各种生产线的上

料机构的结构形式也很多。这里介绍的是一种结构紧凑、造价版、效率高、简捷实

用的上料机。该机在处理吸料、提升、送进及分离薄板等方面都有独到之处。 关键

词 自动生产线 板料 吸盘 传感器 Abstract 第 1 章 绪论 1.1 课题的来源，目的

及意义 自动上料机构可以看作是自动化生产机器的一种。而自动化是指机器或装置

在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是

“稳，准，快”。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商

业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、

部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，

极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工

业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。 20 世纪 50 年代末起

至今是综合自动化时期，这一时期空间技术迅速发展，迫切需要解决多变量系统的

最优控制问题。于是诞生了现代控制理论。 “自动化Automation”是美国人

于 1936 年提出的他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用

人去搬运就是“自动化”。 自动化的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化

的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的

作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发

展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器包括计算

机不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。

自动化的广义内涵至少包括以下几点：在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：

代替人的体力劳动，代替或辅助人的脑力劳动，制造系统中人机及整个系统的协调、

管理、控制和优化。在功能方面，自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是自动

化功能目标体系的一部分。自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。

在范围方面， 1 湖南工业大学科技学院学士学位论文 制造自动化不仅涉及到具体

生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。 在了解了自动化之后，很容易理

解：自上料机构也就是一种可以能够代替工人工作，可以控制的能够用机器本身完

成上料的一整套过程的机器。 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，

原有的生产上料设备远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生

产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益

是企业生成所必须面临的重大问题。 目前在电器行业自动化生产方面，发达国家早

已经达到完全自动化。国内外大型企业电器生产线也基本都已经达到半自动或全自

动化生产。本次设计主要针对冰箱自动化生产线上的侧板自动上料以及控制的这部

分装置进行设计。设计主要涉及到冰箱侧板自动上料机的机械传动系统、气压系统

以及 PLC（Programmable logic Controller 可编程控制器）控制系统的设计。达到能

减轻劳动强度，提高效率的目的。 1.2 冰箱侧板线上料机概述 冰箱侧板线上料机

是侧板部件成型加工的首道工序，是一种用途广泛的设备。由吸料、提升、送进及

分离薄板等机构组成。 吸料机构主要由气压阀与吸盘组成，提升动作由气压缸来完

成，送进任务由平带带轮来完成，利用薄钢板的磁性来分离。再由电气系统来完成

自动化控制，达到提高效率的目的。 1.3 几种冰箱侧板线上料机的特点及比较 1.3.1

小车式上料机 有的进口设备采用的是小车式上料机，如图 1.3.1 所示。 2 湖南工

业大学科技学院学士学位论文 图 1.3.1 小车式上料机示意图 由四脚吸爪将整块板

料全部吸起提升，然后小车前行到下一工位，吸爪再下伸将板料置于输送带上。这

种结构机体庞大，机构复杂，动作多效率低，显然不是最佳方案。 1.3.2 自动上料

机 图 1.3.2 所示是自动上料机的剖面简图。压块 3 上下运动由电机 1 带动凸轮 2

运动实现，平拉片复位运动通过液压缸 8 动作完成。电机 7 带动磁性传送带 6 运

动。液压缸的动作由行关控制 当压头作用在板料上产生最大压力后 液压缸 8 动作

开始拉片 当拉片至最大位移时 压块 3 在凸轮带动下向上抬起 同时液压缸动作复

位。自动上料机按着凸轮和液压缸运动规律完成压片→错片→抬片→吸片→送片周

期运动 使单片板料源源不断地通过磁性传送带向前输送 实现了板料上料自动化。

液压光电升降台 5 可保证料堆高度始终不变。 3 湖南工业大学科技学院学士学位

论文 图 1.3.2 自动上料机的剖面简图 1.3.3 上料机 该机的机械部分主要由 1 提

升和夹料装置、2 吸盘及负压阀、3 检测重板机构组成（见图 1） 该装置如图 1.3.3

及图 1.3.4 所示。 提升气缸固定在机架上，气缸活塞杆带动两个吸盘可以上下移动

为了适应料垛的高低不断变化 吸盘也设计成了可伸缩的。当吸盘抓起板料并提升到

送进高度后 摆动气缸就带动摆臂在机架上部的滚轮就会将已提升起来的板料夹住。

4 湖南工业大学科技学院学士学位论文 图 1.3.3 自动上料机 5 湖南工业大学科技

学院学士学位论文 图 1.3.4 提升装置 用摆轮夹住板料 这种持料结构的巧妙之处

有二：一是负压阀停止负压后吸爪放松时板料不会脱落； 二是由电机 M1 带动上

面的夹料轮旋转靠摩擦力可带动板料送进滑轨，以便进入下道工序。为了增大板料

与驱动轮之间的摩擦力，不使传动过程中产生打滑，驱动轮中镶有磁性材料。 这种

提升及夹料装置结构简单，动作少，占地面积小，简捷实用。 6 湖南工业大学科技

学院学士学位论文 1.3.4 总结 该上料机的机械部分主要由 1 提升和上料装置、2

吸盘及负压阀、3 送料小车、 4 平带带轮机构组成（见图 1.3.5 ） 该装置如图 1.3.5

及图 1.3.6 所示。 提升气缸固定在机架上，气缸活塞杆带动四个吸盘可以上下移动

为了适应料垛的高低不断变化 吸盘也设计成了可伸缩的。当送料小车到达指定位置

后，提升装置及吸盘开始下降同时负压阀开始负压，到达临近板料位置静止 2 S，

吸盘抓起板料并提升到送进高度后静止 2 S 并且负压阀停止负压，板料吸在平带带

轮下方外侧，提升装置及吸盘继续上升到指定位置静止，平带带轮开始运转，送出

板料后，提升装置又开始下降，反复循环下去。 用带有磁性平带带轮吸住薄钢板 这

种吸料结构的巧妙之处有二：一是负压阀停止负压后吸爪放松时板料不会脱落； 二

是由电机 M 2 既可以控制提升装置下降和上升及负压阀开始与停止。 这种提升及

吸料装置结构简单，动作少，控制方便，占地面积小，简捷实用。 图 1.3.5 自动上

料机 7 湖南工业大学科技学院学士学位论文 图 1.3.6 提升装置 8 湖南工业大学

科技学院学士学位论文 设计的主要参数 薄钢板厚：1mm 板宽：600mm 板长：

1000mm 节拍：30S/件 直齿锥齿轮的设计步骤 已知：直齿锥齿轮传动（90）。齿

轮传动功率 P4.0KW，转速 n11440、n2或传动比 i 齿数比 u；齿轮采用悬臂支承、

载荷平稳，单向旋转，齿轮寿命 1000h。 0 9 湖南工业大学科技学院学士学位论文

设计：齿轮的材料、热处理及主要尺寸等 步骤： 1、 选择齿轮材料：齿轮材料、

热处理、硬度、选择精度等级（一般 69 级） 注意：HBW1HBW2（30～50） （1

为小齿轮、2 为大齿轮） 硬齿面是指：HRC1 可以等于 HRC2，也可以 HRC1＞

HRC2，即 HBW1，HBW2gt350HBW 选择小齿轮的齿数：Z12040（闭式传动）

Z11720（开式传动） 2arctgi 1902 小齿轮用 40Cr 钢，调质，齿面硬度 310—330HBW

大齿轮用 40Cr 钢，调质，齿面硬度260—280HBW 根据齿面硬度中间值，按袖珍

机械设计师手册图 17-1、图 17-3 中的 MQ 线查的： 小齿轮Hlim1765MPa

lim1320MPa 小齿轮Hlim1715MPa lim1300MPa 根据工作情况，选用 7 级精度齿

轮，齿面粗糙度 RR3.2m 2、 按齿轮接触强度计算小齿轮分度圆直径 3 小齿轮分

度圆直径（mm计算式：d11800 T1K 2 u1 2 2 uHP 1）根据载荷情况、齿轮精度和结

构取 K1.25 2）齿轮比 uR2R11 3）小齿轮HP10.9Hlim1 大齿轮 HP20.9Him2 4）计

算齿轮分度圆直径d177.34mm 3、 设计计算齿轮主要尺寸与参数 1） 由袖珍机械

设计师手册图 17-18，并根据齿轮直径和齿面硬度，选定齿数 R126 则

R2R1u262.872.8，取 R273 2） 确定模数 md1R133） 大端分度圆直径：d1mR178mm

d2mR2219mm 4） 分锥角：1arctanR1R219.60 19019.670.4 5） 锥距：R m2

R1R2116mm 2 2 000 6） 齿轮宽度 bRR38mm 7） 大端齿顶圆直径（haham3mmha1 ）

da1d12hacos183.652mm da2d22hacos2221mm 8） 大端齿顶高和齿根高（其中

x10x20c0.2） ha11x1m3mmhh11cx13.6mmha21x2m3mm hh21cx23.6mm 9） 齿根

角 10 湖南工业大学科技学院学士学位论文 h1arctan hh1R hh2 R1.770 1.77

00h2arctan 10） 齿顶角 a1h21.77a2h11.77 0 11） 顶锥角 a101a119.61.8021.40 000

a22a270.41.872.2 12） 根锥角 h110h119.61.8017.80 h2002h270.41.868.60 13） 冠顶

距 Ad1 K12ha1cos136.2mm Ad2 K22ha2cos2108.5mm 4、 大小齿轮结构图设计 11

湖南工业大学科技学院学士学位论文 平带带轮结构设计： 电动机为 Y112M-4，额

定功率 P4.0KW，转速 n11440 r/min ，每天工作 24h ，载荷变动较小，要求中心

距约 2800mm。 1） 计算功率 pcpAp 由《袖珍机械手册》表 15-6 查的工况系数

pA1.3。 2） 带轮基准直径 由表 15-29 得：孔径：d06000ddn280mm ， 带轮直径

d 280mm ，结构形式：辐板轮，辐 12 湖南工业大学科技学院学士学位论文 板厚

度 C22mm 轮缘宽度 B224mm。 3） 平带带宽：dmin280mm，宽度：b200mm，

带厚：8.4mm，胶帆布层数：R7， 胶帆布平带粘接接头。 4） 带轮结构与尺寸，

如下图所示： 带轮轴设计： 该轴采用两端支承，由大齿轮带动轴转动，轴两端安

装两个相同的平带带轮。 1、轴的扭转强度条件为： 9550000p 3TTWT0.2dT 式中：

T——扭转切应力，MPa； T——轴所受的扭矩，Nmm ； WT——轴的抗扭截面系

数，mm； n——轴的转速，rmin； p——轴传动的功率，KW； d——计算截面处

轴的直径，mm； 313 湖南工业大学科技学院学士学位论文 T——许用扭转切应力，

MPa。 由上式可得轴的直径 3 d 2、轴的校核 1）校核轴的强度

955000P00.2Tn39550000P0.2T33nA0Pn 针对某些危险截面，按第三强度理论，计算

应力 ca 2）校核轴的刚度 轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆轴扭转角单

位为0/m的计算公式为： 光轴 5.73104224 T GIp 阶梯轴 5.731041 LGR i1TiliIpi 式

中：T——轴所受的扭矩，Nmm ； G——轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于钢

材，G8.1104MPaG dd 324 Ip——轴截面的极惯性矩，mm，对于圆轴，Ip L——阶梯

轴受扭矩作用的长度，mm； 4G Ti、li、Ipi——分别代表阶梯轴第 i 段上所受的扭

矩、长度和极惯性矩，单位同前； Z——阶梯轴受扭矩作用的轴段数。 轴的扭转

刚度条件为 为轴每米长的允许扭转角，式中，与轴的使用场合有关。对于一般传动

轴，可取0.51对于精密传动轴，可取 0.250.5000mG mG 对于精度要求不高的轴，可

大于 1m 。 3、轴的尺寸设计 采用深沟球轴承 6216； 1） 平带带轮孔径 d080mm，

轮缘宽度 B224 mm； 2） 大锥齿轮孔径 d065mm，宽度 B33 mm； 14 湖南工业

大学科技学院学士学位论文 3） 两带轮中心轴向相距 400mm。 4） 绘制平带带

轮结构图，如下图所示： 从堆积的薄钢板中分离出单张板材 是处理大量钢板的问

题之一。通常薄钢板上由干涂有油层而互相牢固地枯附着。当操作者要把它们分开

是很费时间 而且大大增加损坏的可能。 一个巧妙的解决问题的办法是利用烧结结

构的永久磁铁。磁铁放置在一堆钢板的一边使每张板材带有相同的磁极性。于是 板

材将沿此边互相排斥迫使上面的几张板材上升并分开 使它们处于机器操作者容易

拿取的位置。 这种装逻最近已成功地用在冲压车间的压弯机手工送料 加工各种形

状的 18 号线规（英制 相当于 1.219 毫米） 的薄钢板 尺寸达 450 1250 毫米。以

前操作者采用带在手指上的橡胶真空吸盘将板材从堆中提起是既慢而效率低的办

法。而用上述装置 价规低廉结构简单 不需要维修。对于大 15 湖南工业大学科技

学院学士学位论文 型的工件 它们也可以成对使用。 如何从一叠堆放整齐的薄钢板

料中取出一片而不带起第二片这个问题不易解决。本文介绍的薄板自动上料机能可

靠地保证单片板料的抓取输送 16 湖南工业大学科技学院学士学位论文 可广泛地

应用在电机冲片自动生产线及其它薄板料输送自动线上。 上料方法及拉力大小确定

薄板上料关键是保证单片料的抬起。我们采用以下措施:用挡块隔住第二片在第一片

上加一定的压力和水平拉力进行拉片使第一片产生错位然后利用弹簧弹力抬起板

料。步骤如图 1 所示。 17 湖南工业大学科技学院学士学位论文 2 机械抬片结构

的特点 图 2 所示是抬片机构剖面简图。主要由定位块 1、压头 2、压杆 5、压块 6、

顶块 7、磁性传带 8 组成。压块 6 和顶块 7 设置在磁性带 8 缝隙间 压头选用橡

胶材料压力大小可通过螺母 4 调整压块 6 在压杆 5 的带动下可上下、水平左右往

复运动。设计确定定位块 1与板料接触时顶块 7 上表面与板料上表面的间距 a 1.

2D D - 板料厚度 此间距保证当压头 2 错片时第二片被顶块 7 挡住仅第一片

产生错位完成错片后压杆 5 向上抬起复位 这时顶块 7 在弹簧力作用下向上抬片

最后由磁性传送带 8 把单片料吸在带下表面上向前送片。 2.吸盘及负压阀 吸料采

用两脚吸盘（见图 4）来实现。其吸力来自负压阀。负压阀的结构如图 5 所示。 图

4 吸盘结构 18 湖南工业大学科技学院学士学位论文 图 5 负压阀结构图 当压缩

空气通入负压阀时，由于流量是不变的，所以当阀孔截面减小时流速会陡然?龃蟆８

萘魈辶ρе械谋磁Ψ匠蹋梢哉页霾貉沟睦砺垡谰荩?P rd2 2gRc 其中 p r

d2---------流体中某截面上的静压能 2g---------流体中某截面上的动压能 Z------------

流体中某截面上的势能 C------------常数 -----------液体的重度 此公式表明，在忽略

一些次要因素影响的情况下，流体中任意一截面上的静压能，动能与势能之和为一

常数。在图 5 中的截面 I 与截面 Ⅱ中，首先忽略 Z1 与 Z2 的微小差异。再考

虑 因 d1 ＜ d2 所以 p1 ＜ p2 又因 p1 已接近大气压，即相对压力近于 0，所以

p2 的相对压力是负值。即产生一定的真空度。 因通入的空气压力有限（一般工厂

通用 0.8MPa 及管路封闭不严等，所以产生的负压还不能达到真 19 湖南工业大学

科技学院学士学位论文 空状态。但其作用于直径为 φ120 的吸盘上的吸力已达到

15Kg 左右，用于一般小于1mm 的薄板上料，吸力已足够。尤其是本机采用吸板料

前半部分，坯料垛会撑起后部，这样吸盘所受重力会大大减轻，这对于较长的板料

提升会更显示出其优越性。 有的上料机的负压是由真空泵产生的，这样吸盘中的真

空度能大一些，但成本要增加很多。 安装真空泵及电机也要占很大空间位置。泵与

电机要频繁起停、磨损很快。而且真空泵的漏油与噪音也常常带来环境的污染。 20

湖南工业大学科技学院学士学位论文 3 气压系统设计 3.1 气压系统初步设计 与

机械传动、电气传动、液压传动相比，气压传动具有以下优点：用空气做介质， 取

之不尽，来源方便，用后直接排放，不污染环境，不需要回气管路因此管路不复杂；

空气粘度小，管路流动能量损耗小，适合集中供气远距离输送；安全可靠，不需要

防火防爆问题，能在高温，辐射，潮湿，灰尘等环境中工作；气压传动反应迅速；

气压元件结构简单，易加工，使用寿命长，维护方便，管路不容易堵塞，介质不存

在变质更换等问题。 综合考虑，在本设计中的提升装置采用一套气压系统： 在薄

刚板堆正上方用一个气压缸驱动提升装置用来完成把薄钢板提升到指定位置， 并控

制吸盘及负压阀来配合提升装置将薄钢板提升到指定位置。（如以下二图）21 湖南

工业大学科技学院学士学位论文 图 3-1 提升装置俯视图 22 湖南工业大学科技学

院学士学位论文 图 3-2 提升装置示意图 3.2 气压系统原理图 在经过了初步设计

后，开始进行气压系统的整体设计： 确定供油方式：考虑到该机床在工作进给时负

载较大，速度较低，而在快进、快退时负载较小，速度较高，从节省能量，减少发

热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油，现采用带压力反馈的限压式变量

叶片泵。 调速方式的选择：在中小型专业机床的液压系统中，进给速度的控制一般

采用节流阀或调速阀。根据钻孔类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有

一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速

回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承

受负切削力的能力。 速度换接方式的选择：本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，

它的特点是结构简单、 23 湖南工业大学科技学院学士学位论文 调节行程比较方

便、阀的安装也较简单，但速度换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，

则可改用行程阀切换的速度换接回路。 最后，把所选择的液压回路组合起来，即可

组合成液压系统原理图：（如图 3-3） 二、气动系统 因气动系统自动控制比较繁

琐故一般情况下各种复杂的时间和逻辑控制都是由电控系统来完成的。气动系统只

是通过电磁阀来带动各执行元件（如气缸等）动作。这样就使气动系统非常简捷。 气

动系统原理图见图 6 图 3-3 气压系统原理图 24 湖南工业大学科技学院学士学位

论文 图 3-3 气压系统动作表 三、运行动作过程及控制特点 1、运行动作过程 提

升气缸带动吸盘下伸时传感器 1 检测料架上是否有料。若无料则提升气缸退回 报

警器报警提示。若有料则负压阀送气产生负压使吸盘吸住板料并将其提起 提升到位

后，提升气 缸上部的磁控开关给出信号，使摆动气缸带动摆臂上摆 夹住板料，然

后吸盘松开，并启动电机 M1 带动上面的磁性轮转动，将板料送入轨道，轨道入口

处的传感器 2 测出板料进入后， 则启动轨道中的送料电机 M2，继续向前送料。

当板料尾部离开传感器 1 时说明此张板料已经送完， 此时放下摆臂开始下一循环

的上料过程。 2、 控制系统的待点 a、 控制系统采用可编程控制器（PLC） 控

制，工作可靠， 功能修改方便，调试容易。 b、 气缸的动作到位与回位情况由气

缸上的磁控开关检测并发出信号。此种磁控开关比 起行程开关等要安装方便且容易

调整。 C、检测板料位置的传感器 1 与传感器 2 用的是 OB 一 M1212NA 型光

电传感器。检测时不用与板料接触 使用上安全、可靠且安装与调整都很方便。其中

传感器 1 为吸料传感器。其检测距离须调整到两吸盘水平面下 30mm 处。 这样，

当吸盘吸上板料或没吸板料时就能迅速准确地给出有板或无板的反馈信号了。 一、

概述 随着科学技术的发展 自动化程度的提高 机械手广泛应用于各种工业领域。机

械手中典型手部之一的气流负压吸盘广泛应用于机械、电子、轻工、印刷、建材等

行业。特别在包装食品机械中的搬运、输送、开箱、开袋、上袋、上盒、上盖等场

合都有着广泛的应用前景 尤其是对一些薄片形的物件，如薄铁片、板材、纸盒、纸

盖及薄壁易碎的玻璃器皿等吸附效果更为明显。气吸式手部同机械式手部相比 结构

简单、重量轻、表面吸附力分布均匀 所以 气吸式吸盘对任何具有表面光滑 不透气

25 湖南工业大学科技学院学士学位论文 的物体 特别是不宜采用夹紧办法搬运、输

送的非金属物件非常适亘。 二、结构原理及理论依据 1、结构原理 气流负压吸盘

是利用吸盘内形成负压将工件吸住的一种装置 图 1 为气流喷射式负压吸盘的结构

图。它主要由两部分组成， 即产生真空的装置气流喷射器和用橡胶或软性塑料制成

的皮碗组成。 工作原理如图所示 把空压机供给的经过净化处理的压缩空气 通过喷

射器使其压力能转换为气流的速度能 根据伯努利方程可知 在喷射器喷咀末端 由

于气流速度.