气动说明书.docx

第1章 设计的目的和任务
一、课程设计的目的
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，课程设计的目的在于：
1、综合运用气压传动与控制课程和其它先修课程的知识，分析和解决气压系统设计的问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
2、通过设计实践，逐步树立正确的设计思想，增强创新意识，理论联系实际，培养学生分析问题，解决问题的能力。
3、加强对设计方案分析选择、设计计算、元件结构设计、工艺设计、机械制图、运用标准和规范手册等有关设计资料的技术训练，为毕业设计及以后工作打好基础。
4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
二、课程设计的任务及要求
设计要求：该机械手的功能是，先将棒料放在有滚轮的导轨上，然后进行机械手抓紧、送料、夹紧、进刀、退刀等动作；要求每一分钟落料7个工件；气源压力0.8Mpa。
对气压的要求如下：工作环境为室内，要求运动平稳，工作可靠，操作方便，电控气动阀控制。
名 称
抓 紧
送 料
夹 紧
进 刀
输出力/N
300
300
1200
1200
行程/mm
40
70
20
60
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。
第2章 总体方案计
该机械手的动作过程类似于博世力士乐机电一体化实验室的教学生产线，所以可以仿照该生产线的结构布局进行机械手气压系统的设计。
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，初步决定采用如下图所示的气动系统。

1—气泵 2—油水分离器 3—分水过滤器 4—减压阀
5—气压表 6—油雾器 7—消声器 8—三位五通电磁换向阀
9—节流阀 10、11、12、13—双作用单活塞杆气缸

第3章 机械系统的设计
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抓紧放松，气缸2的作用是实现物料横向输送，气缸3的作用是夹紧放松，气缸4的作用是控制进退刀。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 。
气缸的设计步骤内容
步 骤
内 容
1
选择气缸的类型及安装方式
2
确定气缸的输出力及速度
3
计算和确定气缸主要尺寸参数（如缸筒内径、缸筒壁厚、活塞杆直径、行程、缓冲、耗气量等）
4
根据工作要求及缸的类型，确定气缸各部结构、材料、技术要求等，进行结构设计

3.1 进退刀缸的设计
3.1.1 气缸的类型及安装方式选择
根据缸拖动的工作机构的运动要求选择双作用普通气缸，即双作用单活塞杆气缸。
根据缸拖动的工作机构结构要求及安装位置等选择固定式气缸。
3.1.2 气缸输出力及速度
由已知条件知，气缸输出力为1200N，行程为60mm。
3.1.3 气缸的主要尺寸及结构设计
1、气缸的主要尺寸设计
（1）气缸直径D
气缸的直径也就是气缸的内径，根据外负载F来确定，起源供气压力为p=0.8MPa，推力做功，由实际输出力公式得气缸缸筒内径为：
D=4F1（πpβ）
取β=0.6，则：
D=4*1200（π*0.8*0.6）
= 52.25mm
根据气缸内径尺寸系列（GB/T2348-1993）圆整为标准缸径，取D=63mm。
（2）活塞行程L
活塞行程L一般根据实际需要确定，通常L值取（0.5~5）D，此处L=60mm。
（3）气缸的进、排气口直径d0
气缸进、排气口直径d0的大小，直接决定了气缸进气速度，也决定了活塞的运行速度。设计中，应予以充分的重视，直径d0的确定可根据空气流经排气口的速度[v]来计算，一般取[v]=10~25m/s，因而d0为
d0=4qπ[v]
式中，q为工作压力下输入气缸的空气流量。
一般情况下进排气口直径d0的大小可根据气缸内径D的大小来选取。如下表所示：
气缸进排气口直径
气缸内径D/mm
进排气口直径d/mm
40
50 63
80 100 125
140 160 180
8
10
15
20
故进排气口直径d0=10mm。
2、气缸的主要结构设计
1）气缸筒的结构尺寸设计
气缸筒的主要作用是提供压缩空气的储存与膨胀空间及对活塞实现导向，从而通过活塞将压力能转化为机械能。气缸筒均为圆筒形状，主要要确定的尺寸为
（1）气缸筒直径（即为气缸内径）
D=4*1200（π*0.8*0.6）
= 52.25mm
（2）气缸筒的长度l
长度l应为活塞的行程L和活塞宽度H之和，即
l≥L+H=60+0.7*63=104.1mm
圆整为l=110mm。
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D=0.7*63=44.1mm
取伸出长度40.9mm，则活塞杆的长度为L+B+A+40.9=110+44.1+40.9=200mm
（3）缸筒壁厚
一般气缸缸筒与内径之比δ/D≤1/10,其壁厚通常按薄壁筒公式计算
δ=Dpp2σp+C
D —气缸内径，mm；
pp—试验压力，一般取pp=1.5p（p为气缸工作压力），Pa；
σp—缸筒材料的许用应力，Pa，σp=σb/S；
σb—材料的抗拉强度，Pa；
S —安全系数，S≥6~8；
C —考虑到刚度、加工制造、腐蚀等要求所加的裕量。
也可根据气缸缸筒壁厚表查询，取
δ=6mm

气缸缸筒壁厚 /mm
材料
气 缸 缸 筒 内 径
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
铸铁HT150
7
8
10
10
12
14
16
18
Q235、4520无缝钢管
5
7
8
8
9
9
11
12
铝合金
8～12
12～14
14～17

（4）活塞杆直径
d=0.16~0.4D
则d=10.08~25.2mm，根据气缸活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）圆整为标准缸径，取d=18mm。
2）活塞的结构设计
活塞的功用是将压缩空气的压力能转变为机械能，因此，它要提供足够的转换面积。由于活塞要频繁往复运动，又要间隔两腔空气，因而就必须保证其耐磨和密封。目前多采用铸铁活塞及O形或Y形密封圈实现密封。
活塞的外径即是气缸的内径，二者的配合精度，取决于采用何种形式的密封圈，一般多采用H8/f9配合，活塞表面粗糙度Ra=0.8µm。活塞的宽度H取决于密封圈的排数，一般采用两排密封圈。活塞上沟槽的深度和宽度根据所选用的密封圈来确定。
3）活塞杆及其强度校核
活塞杆的作用是将活塞转换出的机械能以机械力的形式推动负载运动，对活塞杆，不仅要进行结构设计（与活塞和外接负载的连接方式等），还要进行强度校核。
活塞杆在工作中，既要受到轴向拉伸，也往往要受到轴向压缩，因此要做强度校核和稳定性校核。
当活塞杆的长度L≤10d时，要进行强度校核，即活塞杆的直径
d≥4Fπ[σ]
式中，F为活塞杆所受的外力；[σ]为活塞杆材料的许用应力。
当活塞杆的计算长度L>10d时，要进行压杆稳定性校正，以保证活塞杆不产生弯曲。其校核方法可参阅有关手册和资料。
经计算，活塞杆直径d=18mm满足要求。
4）气缸的缓冲机构
为防止气缸在行程末端时，活塞以很大的速度（一般为1m/s左右）撞击端盖，引起气缸振动和损坏，常采用带有缓冲装置的缓冲气缸。
缓冲气缸的缓冲装置通常由缓冲柱塞、柱塞孔、节流阀和单向阀构成。缓冲柱塞要有足够的行程长度x和直径d。
缓冲腔的缓冲条件为
3.19p1（D2-d2）x≥mv2
常用于确定缓冲柱塞直径d和长度x的计算公式。
5）气缸的其他结构设计
（1）缸筒和缸盖
①缸筒和缸盖的连接形式选择双头螺柱连接；
②缸筒为普通型缸筒，材料为20无缝钢管，缸盖为无缓冲气缸前盖和缓冲气缸后盖，材料为铸铁。
（2）活塞和活塞杆
①活塞和活塞杆为O型密封圈密封；
②活塞材料为铸铁HT150，活塞杆材料为45钢；
③活塞的密封依情况而定。
3、气缸的耗气量
气缸的耗气量与气缸活塞直径D、活塞杆直径d、活塞的行程L及单位时间往复次数N有关。单出杆双作用式气缸每分钟活塞运动的耗气量为
V‘=π4（2D2-d2）LN
=π4（2*632-182）*110*7=4.6*106mm3/min=4.6L/min
自由空气的消耗量为

Vsz=Vsp+0.10130.1013
=1.5*4.6*0.8+0.10130.1013=61.4 L/min

3.2 抓料缸的设计
3.2.1 气缸的类型及安装方式选择
根据缸拖动的工作机构的运动要求选择双作用普通气缸，即双作用单活塞杆气缸。
根据缸拖动的工作机构结构要求及安装位置等选择固定式气缸。
3.2.2 气缸输出力及速度
由条件知，气缸输出力为300N，行程为40mm。
3.2.3 气缸的主要尺寸及结构设计
1、气缸的主要尺寸设计
（1）气缸直径D
气缸的直径也就是气缸的内径，为：
D=4F1πpβ=4*300π*0.8*0.6=28.2mm
圆整为标准缸径，取D=32mm。
（2）活塞行程L
活塞行程L一般根据实际需要确定，通常L值取（0.5~5）D，此处L=40mm。
（3）气缸的进、排气口直径d0
一般情况下进排气口直径d0的大小可根据气缸内径D的大小来选取。故进排气口直径d0=8mm。
2、气缸的主要结构设计
1）气缸筒的结构尺寸设计
（1）气缸筒直径（即为气缸内径）
D=32mm
（2）气缸筒的长度l
长度l应为活塞的行程L和活塞宽度H之和，即
l≥L+H=40+0.7*32=62.4mm
圆整为l=70mm。
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D=0.7*32=22.4mm
取伸出长度37.6mm，则活塞杆的长度为L+B+A+37.6=70+22.4+37.6=130mm
（3）缸筒壁厚
一般气缸缸筒与内径之比δ/D≤1/10,其壁厚通常按薄壁筒公式计算
δ=Dpp2σp+C
此处根据气缸缸筒壁厚表查询，取
δ=5mm
（4）活塞杆直径
d=0.16~0.4D
则d=9.6~24mm，根据气缸活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）圆整为标准缸径，取d=12mm。
2）活塞的结构设计
活塞采用铸铁活塞及O形或Y形密封圈实现密封。
活塞的外径即是气缸的内径，二者的配合精度，采用H8/f9配合，活塞表面粗糙度Ra=0.8µm。活塞的宽度H取决于密封圈的排数，采用两排密封圈。活塞上沟槽的深度和宽度根据所选用的密封圈来确定。
3）活塞杆及其强度校核
经验算，活塞杆直径d=12mm满足要求。
4）气缸的缓冲机构
缓冲腔的缓冲条件为
3.19p1（D2-d2）x≥mv2
常用于确定缓冲柱塞直径d和长度x的计算公式。
5）气缸的其他结构设计
（1）缸筒和缸盖
①缸筒和缸盖的连接形式选择双头螺柱连接；
②缸筒为普通型缸筒，材料为20无缝钢管；缸盖为无缓冲气缸前盖和缓冲气缸后盖，材料为铸铁。
2）活塞和活塞杆
①活塞和活塞杆为O型密封圈密封；
②活塞材料为铸铁HT150；活塞杆材料为45刚。
③活塞的密封依情况而定。
3、气缸的耗气量
气缸的耗气量与气缸活塞直径D、活塞杆直径d、活塞的行程L及单位时间往复次数N有关。单出杆双作用式气缸每分钟活塞运动的耗气量为
V‘=π4（2D2-d2）LN
=π4（2*322-122）*70*7=11.7*106mm3/min=0.73L/min
自由空气的消耗量为

Vsz=Vsp+0.10130.1013
=1.5*0.73*0.8+0.10130.1013=9.8 L/min

3.3 送料缸的设计
3.3.1 气缸的类型及安装方式选择
根据缸拖动的工作机构的运动要求选择双作用普通气缸，即双作用单活塞杆气缸。
根据缸拖动的工作机构结构要求及安装位置等选择固定式气缸。
3.3.2 气缸输出力及速度
由条件知，气缸输出力为300N，行程为70mm。
3.3.3 气缸的主要尺寸及结构设计
1、气缸的主要尺寸设计
（1）气缸直径D
气缸的直径也就是气缸的内径，为：
D=4F1（πpβ）=4*300（π*0.8*0.6）=28.2mm
圆整为标准缸径，取D=32mm。
（2）活塞行程L
活塞行程L一般根据实际需要确定，通常L值取（0.5~5）D，此处L=70mm。
（3）气缸的进、排气口直径d0
一般情况下进排气口直径d0的大小可根据气缸内径D的大小来选取。故进排气口直径d0=8mm。
2、气缸的主要结构设计
1）气缸筒的结构尺寸设计
（1）气缸筒直径（即为气缸内径）
D=32mm
（2）气缸筒的长度l
长度l应为活塞的行程L和活塞宽度H之和，即
l≥L+H=70+0.7*32=92.4mm
圆整为l=100mm。
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D=0.7*32=22.4mm
取伸出长度37.6mm，则活塞杆的长度为L+B+A+37.6=100+22.4+37.6=160mm
（3）缸筒壁厚
一般气缸缸筒与内径之比δ/D≤1/10,其壁厚通常按薄壁筒公式计算
δ=Dpp2σp+C
此处根据气缸缸筒壁厚表查询，取
δ=5mm
（4）活塞杆直径
d=0.16~0.4D
则d=9.6~24mm，根据气缸活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）圆整为标准缸径，取d=12mm。
2）活塞的结构设计
活塞采用铸铁活塞及O形或Y形密封圈实现密封。
活塞的外径即是气缸的内径，二者的配合精度，采用H8/f9配合，活塞表面粗糙度Ra=0.8µm。活塞的宽度H取决于密封圈的排数，采用两排密封圈。活塞上沟槽的深度和宽度根据所选用的密封圈来确定。
3）活塞杆及其强度校核
经验算，活塞杆直径d=12mm满足要求。
4）气缸的缓冲机构
缓冲腔的缓冲条件为
3.19p1（D2-d2）x≥mv2
常用于确定缓冲柱塞直径d和长度x的计算公式。
5）气缸的其他结构设计
（1）缸筒和缸盖
①缸筒和缸盖的连接形式选择双头螺柱连接；
②缸筒为普通型缸筒，材料为20无缝钢管；缸盖为无缓冲气缸前盖和缓冲气缸后盖，材料为铸铁。
2）活塞和活塞杆
①活塞和活塞杆为O型密封圈密封；
②活塞材料为铸铁HT150；活塞杆材料为45刚。
③活塞的密封依情况而定。
3、气缸的耗气量
气缸的耗气量与气缸活塞直径D、活塞杆直径d、活塞的行程L及单位时间往复次数N有关。单出杆双作用式气缸每分钟活塞运动的耗气量为
V‘=π4（2D2-d2）LN
=π4（2*322-122）*100*7=1.05*106mm3/min=1.05L/min
自由空气的消耗量为

Vsz=Vsp+0.10130.1013
=1.5*1.05*0.8+0.10130.1013=13.96 L/min

3.4 夹紧缸的设计
3.4.1 气缸的类型及安装方式选择
根据缸拖动的工作机构的运动要求选择双作用普通气缸，即双作用单活塞杆气缸。
根据缸拖动的工作机构结构要求及安装位置等选择固定式气缸。
3.4.2 气缸输出力及速度
由条件知，气缸输出力为1200N，行程为20mm。
3.4.3 气缸的主要尺寸及结构设计
1、气缸的主要尺寸设计
（1）气缸直径D
气缸的直径也就是气缸的内径，为：
D=4F1（πpβ）=4*1200（π*0.8*0.6）=56.4mm
圆整为标准缸径，取D=63mm。
（2）活塞行程L
活塞行程L一般根据实际需要确定，通常L值取（0.5~5）D，此处L=20mm。
（3）气缸的进、排气口直径d0
一般情况下进排气口直径d0的大小可根据气缸内径D的大小来选取。故进排气口直径d0=10mm。
2、气缸的主要结构设计
1）气缸筒的结构尺寸设计
（1）气缸筒直径（即为气缸内径）
D=63mm
（2）气缸筒的长度l
长度l应为活塞的行程L和活塞宽度H之和，即
l≥L+H=20+0.7*63=64.1mm
圆整为l=70mm。
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D=0.7*63=44.1mm
取伸出长度45.9mm，则活塞杆的长度为L+B+A+37.6=70+44.1+45.9=160mm
（3）缸筒壁厚
一般气缸缸筒与内径之比δ/D≤1/10,其壁厚通常按薄壁筒公式计算
δ=Dpp2σp+C
此处根据气缸缸筒壁厚表查询，取
δ=5mm
（4）活塞杆直径
d=0.16~0.4D
则d=10.08~25.2mm，根据气缸活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）圆整为标准缸径，取d=18mm。
2）活塞的结构设计
活塞采用铸铁活塞及O形或Y形密封圈实现密封。
活塞的外径即是气缸的内径，二者的配合精度，采用H8/f9配合，活塞表面粗糙度Ra=0.8µm。活塞的宽度H取决于密封圈的排数，采用两排密封圈。活塞上沟槽的深度和宽度根据所选用的密封圈来确定。
3）活塞杆及其强度校核
经验算，活塞杆直径d=18mm满足要求。
4）气缸的缓冲机构
缓冲腔的缓冲条件为
3.19p1（D2-d2）x≥mv2
常用于确定缓冲柱塞直径d和长度x的计算公式。
5）气缸的其他结构设计
（1）缸筒和缸盖
①缸筒和缸盖的连接形式选择双头螺柱连接；
②缸筒为普通型缸筒，材料为20无缝钢管；缸盖为无缓冲气缸前盖和缓冲气缸后盖，材料为铸铁。
2）活塞和活塞杆
①活塞和活塞杆为O型密封圈密封；
②活塞材料为铸铁HT150；活塞杆材料为45刚。
③活塞的密封依情况而定。
3、气缸的耗气量
气缸的耗气量与气缸活塞直径D、活塞杆直径d、活塞的行程L及单位时间往复次数N有关。单出杆双作用式气缸每分钟活塞运动的耗气量为
V‘=π4（2D2-d2）LN
=π4（2*632-182）*70*7=3.03*106mm3/min=3.03L/min
自由空气的消耗量为

Vsz=Vsp+0.10130.1013
=1.5*3.03*0.8+0.10130.1013=40.4 L/min

3.5 气泵的选择
根据上面各缸自由空气耗气量的计算，参考液压气动技术速查手册，可选择V型空气压缩机。
空气压缩机典型产品概念
产 品
类 型
排气量
/(m3·min-1)
排气压力/MPa
驱动电机功率/kW
转速
/(r·min-1)
总质量
/kg
V型空压机
0.1~3
0.7~1.5
1.1~1.5
555~1450
93~1038
Z型风冷移动式空压机
0.55~1.6
0.7~1.4
5.5~13
685~1370
273~400
W型风冷移动式空压机
0.25~0.34
0.7
0.37~5.5
950~1440
57~160
HP型滑片式风冷空压机
0.15~0.60
0.5~0.8
1.5~4.0
730~1420
32~70
活塞式无油空压机
0.015~3
0.3
0.18~22
1400
50~820

3.6 气动辅件选择
气动辅件包括后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器、过滤器、油雾器、自动排水器、消声器、转换器、管件（包括管道、管接头、管路布置等）。
该设计中选择撞击折回式油水分离器，置于冷却器后的气源管道上；二次过滤器，即分水滤气器，装在减压阀之前；396系列油雾器，使润滑油雾化，并随气流进入到需要润滑的部件，达到润滑目的；吸收型消声器。
其它元器件选用：
元 器 件
型 号
数 量
单向节流阀
QLA-L6
4
三位五通电磁换向阀
3K35D2-L6
4
消声器
QXS-L10
8
油雾器
QY2
1
气压表

1
减压阀
QP3
1
分水过滤器
QL2
1
油水分离器
AFM20
1
气压泵
2V-0.4/10
1

第4章 控制系统组成
1.PLC端口地址分配表如下：
输 入
输 出

现场信号
端口地址
说 明

现场信号
端口地址
说 明
1
SB0
X000
急停按钮
1
YA1
Y001
机械手张开
2
SQ1
X001
判断有无工件
2
YA2
Y002
机械手收紧
3
SQ2
X002
抓紧
3
YA3
Y003
输送到位
4
SQ3
X003
放松
4
YA4
Y004
输送缸归位
5
SQ4
X004
送料缸归位
5
YA5
Y005
夹紧缸夹紧
6
SQ5
X005
送料到位
6
YA6
Y006
夹紧缸放松
7
SQ6
X006
刀具回位
7
YA7
Y007
进刀
8
SQ7
X007
进刀到位
8
YA8
Y008
退刀
9
SQ8
X010
放松

10
SQ9
X011
夹紧

11
SB1
X012
开始按钮

12
SB2
X013
复位按钮

13
SA1-1
X014
自动选择

14
SA1-2
X015
复位选择

2、控制流程图如下：

3、梯形图：

4、源程序：

第6章 设计小结
此次课程设计培养学生了综合运用所学知识的能力，是提高分析和解决问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础之上的，是学生根据所学课程进行的基本工程训练，课程设计达到了如下目的：
1、综合运用气压传动与控制课程和其它先修课程的知识，分析和解决气压系统设计的问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识；
2、通过设计实践，逐步树立正确的设计思想，增强创新意识，理论联系实际，培养学生分析问题，解决问题的能力；
3、加强了对设计方案分析选择、设计计算、元件结构设计、工艺设计、机械制图、运用标准和规范手册等有关设计资料的技术训练，为毕业设计及以后工作打好基础；
4、树立了正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
通过此次课程设计,使我了解到各门知识融会贯通的重要性，此次课程设计不仅涉及气压、CAD制图等基本知识，还涉及了机电控制、PLC编程以及一些很久以前学过的知识。以前的很多知识没有复习感觉记得不是很清楚了，而这次我们是通过复习以前的教材并和同学相互讨论才一一解决了这些问题。“温故而知新”正如古人所说，在复习了旧知识的基础上也使我对所学习的新知识有了更加深刻的理解。只有经常复习,经常巩固,才能使知识真正的扎根在你的脑海中。

参考文献
1 张利平等主编.液压气动技术速查手册.北京：化学工业出版社，2007
2 吴振顺主编.气压传动与控制.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003
3 左建民主编.液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2005
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5 马恩、高佩川主编.液压与气压传动.北京：高等教育出版社，2010
6 郁汗琪、郭健主编.可编程序控制器原理及应用.北京：中国电力出版社，2004
7 张州、张广义等主编.基于PLC控制的气动机械手系统.机电产品与开发
8 张建民主编.机电一体化设计.北京：高等教育出版社，2007
9 潘先耀.燕山大学硕士论文:气动机械手的开发研究与实验
10 肖兴明、丁保华、陈军编.机电控制及自动化.北京：中国矿业大学出版社
11 成大先主编.机械设计手册—气压传动.单行本.北京：化学工业出版社,2007
12 吴宗泽主编.机械设计师手册.北京：机械工业出版社，2005
13 还有大量资料来源于网络搜索
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