汽缸的设计计算.doc

气压传动两维机械手设计
气压传动两维运动机械手设计
1.前言
气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质来自于空气，环境污染小，工程容易实现，所以其言传动四一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动系统的应用，引起了世界各国产业界的普遍重视，气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。
可编程控制技器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，他具有机构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点，近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用。

2.设计任务
2.1设计任务介绍及意义
通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：
1．培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知 识领域。
2．培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。
3．培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。
4．树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
2.2设计任务明细
1．该机械手的功能：将货物自动放到坐标位置（300，300）处，并延时1分钟等待卸货，然后返回原点位置，延时1分钟等待装货。
2．任务要求：
执行元件：气动气缸；
运动方式：直角坐标；
控制方式：PLC控制；
控制要求：位置控制；
主要设计参数参数：
气缸工作行程——800 mm；
运动负载质量——100 kg；
移动速度控制——3m/min。
3．具体步骤如下：
（1）先根据参考资料，确定合适的设计方案。
（2）通过计算、分析设计执行元件的参数：气缸的内径、壁厚，活塞杆的直径，耗气量的计算，验算设计结果，导向装置的设计，驱动元件的选择，管路设计，底座的设计.
（3）根据动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，完成机械系统的主要部件图。
（4）应用启动原理图，设计控制电路，编写控制程序，绘制电气控制电路原理图。

3.总体方案设计
方案一：

1. 机身2.水平臂3.竖直臂4.夹紧手
图1.气动机械手示意图

方案二：

1. 垂直臂2.水平臂3.夹紧手4.机座5.导轨
图2.气动机械手示意图
参阅各种气压设计书籍和论文，对照设计任务要求，并通过对以前学习过的课程进行综合考虑，设计出的气动机械手的示意图如图1所示。机械手采用气压传动，选用品质精良的气动元件组合而成，为直角坐标式机械手结构，实现2个自由度，由机身、水平臂、竖直臂、夹紧手组成，可以完成水平臂的伸缩、竖直臂的升降以及抓取等动作，可以方便的通过节流阀调节合适的执行元件的速度，完成物件平面内点对点的移动。机械臂用2个气缸控制，即横向移动气缸和纵向移动气缸，其控制系统采用目前控制领域应用比较普遍、性能优越的PLC，根据需要选用西门子公司的S7-200型PLC作为控制系统的核心。
由于该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为： 升降气缸1下降——抓取工件——升降气缸1上升——气缸2左移——气缸1下降——卸载工件，完成一次物料的搬运。
在设计计算时发现，如用方案一，则横向气缸活塞杆会承受很大的弯矩，影响装置的使用寿命，而且浪费原材料，不经济。故采用方案二，其中导轨分担了纵向活塞的重力，故在设计时可视作横向气缸只受轴向力，不受径向力。
4.机械传动系统设计
本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是实现物料的横向移动，气缸2的作用是实现物料纵向的提升及物品的释放。对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度
气缸的设计流程图如图3所示

图3 气缸设计流程图
气缸按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞反向回程。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力完成。由于单作用液压缸仅向单向运动，有外力使活塞反向运动，而双作用单活塞气缸在压缩空气的驱动下可以像两个方向运动但两个方向的输出力不同，所以该方案采用双作用单活塞缸。

设计及计算
结果
4.1纵向气缸的设计计算与校核:
由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率 β：

由《液压与气压传动技术》表11-1：

运动速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以实际液压缸的负载大小为：F=F0/β=1633.3N
4.1.1气缸内径的确定

D=1.27=1.27 =66.26mm
F—气缸的输出拉力 N；
P —气缸的工作压力Pa
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm
气缸缸径尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630

4.1.2活塞杆直径的确定
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm

4.1.3缸筒长度的确定
缸筒长度S=L+B+30
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm
由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm
导向套滑动面长度A:
一般导向套滑动面长度A，在D<80mm时，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm时, 可取A=(0.61.0)d。
所以A=25mm
最小导向长度H：
根据经验，当气缸的最大行程为L，缸筒直径为D，最小导向长度为：H
代入数据 即最小导向长度H + =80 mm
活塞杆的长度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961 mm
4.1.4气缸筒的壁厚的确定
由《液压气动技术手册》可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算：
式中
—缸筒壁厚（m）；
D—缸筒内径（m）；
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）；
—缸筒材料的许用应力（MPa）；
实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。
参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核
,我们的缸体的材料选择45钢，=600 MPa， ==120 MPa
n为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p≤16 MPa时，P=1.5p；当工作压力p＞16 MPa时，P=1.25p
由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa
==0.3mm
参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 7 mm

4.1.5气缸耗气量的计算
Q = = =
=1.85/s
4.1.6气缸进排气口直径d0
v—空气流经进排气口的速度，可取v=1015） 选取v = 12 m/s
由公式 d0 = 2
代入数据得 d0 = 14.014 mm

所以取气缸排气口直径为15 mm
Q— —工作压力下输入气缸的空气流量（）
V----空气流经进排气口的速度，可取v=1025）

4.1.7活塞杆的校核
由于所选活塞杆的长度L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。
参考《机械设计手册单行本》
由《液压气动技术手册》
稳定性校核：
由公式 FP0 ≤
式中 FP0— 活塞杆承受的最大轴向压力（N）；
FP0=1633N
FK — 纵向弯曲极限力（N）；
nK — 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2
K—活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4
代入数据 K =25/4=6.25mm
由于细长杆比 ≥ 85 即 FK =
实心圆杆： J =
式中 L— 气缸的安装长度 ；
m— 末端系数；选择固定—自由 m = 1/4
E— 材料弹性模量，钢材 E = 2.1 1011 Pa ；
J— 活塞杆横截面惯性矩（m4）；
d— 活塞杆的直径（m）；

L— 气缸的安装长度为活塞杆的长度为961mm
代入数据得 FK =2.685 N
因为 = 1.34 FP0 所以活塞杆的稳定性满足条件；
强度校核：
由公式 d ≥
，n为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)
45钢的抗拉强度，=600 MPa ，= = 120 MPa
则 = 4.16 mm ＜ d ，所以强度满足要求；
综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。

4.2横向气缸的设计计算与校核:
如按原方案横向气缸活塞杆需承受很大的径向力，对活塞杆的强度要求很高，耗费原材料，且寿命减短，极为不合理。故在纵向气缸上端铰接一工型导轨，以分担横向气缸的径向力，使整个系统简约合理。
这样横向气缸的工作载荷主要是纵向气缸和导轨的摩擦力，取摩擦系数 = 0.17。
估算 纵向气缸的重量=7.9=12.30 Kg
活塞杆的重量 = 7.9l=3.72 Kg
活塞及缸盖重量=9 Kg
所以 横行气缸的总载荷为:F总=(12.3+3.72+9+100)= 208.3 N
F= ==347.17N
4.2.1气缸内径的确定

D=1.27= 1.271.27 =30.55mm
F—气缸的输出拉力 N；
P —气缸的工作压力Pa
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=32 mm

气缸缸径尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630

4.2.2活塞杆直径的确定
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=10mm

4.2.3缸筒长度的确定
缸筒长度S=L+B+20
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.732=23mm
由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+20=843mm
导向套滑动面长度A:
一般导向套滑动面长度A，在D<80mm时，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm时, 可取A=(0.61.0)d。
所以A=20mm
最小导向长度H：
根据经验，当气缸的最大行程为L，缸筒直径为D，最小导向长度为：H
代入数据 即最小导向长度H + =56 mm
活塞杆的长度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm
4.2.4气缸筒的壁厚的确定
由《液压气动技术手册》可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算：
式中
—缸筒壁厚（m）；
D—缸筒内径（m）；
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）；
—缸筒材料的许用应力（MPa）；
实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。
参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核
,我们的缸体的材料选择45钢，=600 MPa， ==120 MPa
n为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p≤16 MPa时，P=1.5p；当工作压力p＞16 MPa时，P=1.25p
由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa
==0.12mm
参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 3mm

4.2.5气缸耗气量的计算
Q = = =
=0.30/s
4.2.6气缸进排气口直径d0
v—空气流经进排气口的速度，可取v=1015） 选取v = 12 m/s
由公式 d0 = 2
代入数据得 d0 = 5.643 mm

所以取气缸排气口直径为8 mm
R— —工作压力下输入气缸的空气流量（）
V----空气流经进排气口的速度，可取v=1025）

4.2.7活塞杆的校核
由于所选活塞杆的长度L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。
参考《机械设计手册单行本》
由《液压气动技术手册》
稳定性校核：
由公式 FP0 ≤
式中 FP0— 活塞杆承受的最大轴向压力（N）；
FK — 纵向弯曲极限力（N）；
nK — 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2
K—活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4
代入数据 K =10/4=2.5mm
由于细长杆比 ≥ 85 即 FK =
实心圆杆： J =
式中 L— 气缸的安装长度 ；
m— 末端系数；选择固定—自由 m = 1/4
E— 材料弹性模量，钢材 E = 2.1 1011 Pa ；
J— 活塞杆横截面惯性矩（m4）；
d— 活塞杆的直径（m）；

L— 气缸的安装长度为活塞杆的长度为903mm
代入数据得 FK =3.11 N
因为 = 1.55 FP0 所以活塞杆的稳定性满足条件；
强度校核：
由公式 d ≥
，n为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)
45钢的抗拉强度，=600 MPa ，= = 120 MPa
则 = 1.92 mm ＜ d ，所以强度满足要求；
综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。

F= 1633.3N

D=80 mm

d=25 mm

S=886 mm

A=25mm

l= 961 mm

= 7 mm

Q=1.85/s

d0 =15 mm

F=347.17N

D=32mm

d=10mm

S=843mm

A=20mm

l=903mm

= 3mm

Q=0.30/s

8 mm

4.3连接与密封
气缸的连接与密封直接影响气缸的性能和使用寿命，正确的选用连接和密封装置，对保证气缸正常工作有着十分重要的意义。
缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，本气缸四根采用拉杆式双头螺栓连接，由于工作压力小于1MPa，不需要强度校核。根据许用静载荷，查《机械设计手册单行本》表22-1-58，分别选用M10、M6的螺栓。
对于活塞与气缸筒之间采用两个Y型密封圈，其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，结构简单，摩擦阻力小。O型密封圈安装后，比被密封表面的内径大。Y型密封圈密封可靠，使用寿命长，摩擦阻力较O型圈大。

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