气缸毕业设计论文整理.doc

毕 业 设 计（论 文）

题目 气压与凸轮组合传动机械手的设计

二0一一年六月一日

摘 要
随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了凸轮传动与气动结合的机械手的设计过程。在工业生产流水线上，机械手得到了广泛的应用，大大提高了生产的自动化，精细化。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高科技技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有可不断重复工作、能在条件比较恶劣的环境下工作、载重量大、定位精确等特点，因此，机械手受到了许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

关键词：新型装置；机械化；自动化

Abstract
With the needs of the development of industrial automation, manipulator in industrial application in more and more important. This paper mainly describes the design process of manipulator. In the industrial production line, manipulator a wide range of applications, enhanced the production of automation and refinement. Manipulator is mechanized, automatic production process in developing a new device together. In recent years, with electronic technology, especially the wide application of electronic computers, robot has become the development and production of high-tech technology developed quickly in a new technology, it is the development of the manipulator promote more, make manipulator with to better achieve organic combination of mechanization and automation. As though the manipulator as flexible hands, but it has may repeat work, is poor in conditions can work under conditions, load, etc, so precise position by many departments, manipulator attention to, and has been applied more and more widely.
Keywords: new device; Mechanization; automation

目 录
引 言 1
第一章、总体技术方案及系统组成 2
1.1 原始数据
2.2 工作要求：
2.3 系统组成
2.4务介绍及意义
第二章、机械手的气动控制部分 2
2.2气控设计任务明细
2.2液压传动的工作特性 3
2.3液压系统的组成 3
2.4 液压系统的优、缺点 3
第三章、机械手直动型弧面凸轮控制部分 4
结束语 8
参考文献 9
致 谢 10

引 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。
间歇传动是自动机械和半自动机械常见的机械传动方式之一，其作用是使设备中某些构件产生周期性的运动和停歇。
近年来，自动机械手发展很快，纯机械的机械手，在可靠性,价格方面具有优越性。弧面凸轮机械手作为一种新型机械手，具有结构紧凑、可靠性好、成本低、精度高的点，在现代生产上仍具有十分重要的地位。
本设计将气控传动和间歇传动这两种现代机械中重要的传动方式结合一起实现两者性能取优，完成在一定工作要求下的机械手运作。

第一章 总体技术方案及系统组成
1.1 原始数据
负载重量：10kg
重复定位精度：±0.1mm
自由度：4（x1的移动，y1轴的移动，x2轴的转动，y2轴的移动）
X1：气臂的左右平移
Y1：气臂的上下移动
X2：凸轮臂左右平移
Y2：凸轮臂上下移动
各轴最大运动速度：
气缸工作移动速度控制——3m/min。
凸轮每半个周期——0.5s
1.2 工作要求：
机械手的工艺流程：
一区工作：机械手原点→气控部分使机械手下移→机械手抓取并夹紧（装货）→气控使机械手后移→机械手松开（卸货）→气控使机械手上移→气控使机械手前移回气缸原点（此时凸轮控制部分工作完成前半个周期运作，到达二区）
二区工作：气缸在原点→气控部分使机械手下移→机械手抓取并夹紧（装货）→气控使机械手后移→机械手松开（卸货）→气控使机械手前移回气缸原点（此时凸轮控制部分工作完成后半个周期运作，到达一区，即机械手原点）。如下图：
凸轮控制部分
气动控制
装货
卸货
卸货
装货
一区
二区
1
1

2
2

机构简图

1.3 系统组成
本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由凸轮机构组成 （气缸装于凸轮手臂上）；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由气压驱动和机械驱动（电机驱动）；控装置主要由自动控制（感控制驱动凸轮电机的停止与运行）和动控制两部分组成。
1.4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。

第二章机械手的气动控制部分
2.1气控设计任务明细
2.1.1．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。
2.1.2．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。
2.1.3．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。

1. 安装于凸轮臂上(气动部分机身) 2.水平臂3.竖直臂4.夹紧手
图1.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
该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为： 升降气缸3下降——抓取工件——气缸2左移卸货——升降气缸3上升——气缸2右移回气缸原点，完成一次物料的搬运。
2.2.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。
2.2.1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
2.2.2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

2.2.3活塞杆直径的确定
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm

2.2.4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=80mm
活塞杆的长度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961 mm
2.2.5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

2.2.6气缸耗气量的计算
Q = = =
=1.85/s

2.2.7气缸进排气口直径d0
V-空气流经进排气口的速度，可取v=10 15）选取v=12m/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=10 25
2.3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

2.3.1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

间的
2.3.2活塞杆直径的确定
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=10mm

减速装置，使传动简化。
2.3.3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
2.34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=15p；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

2.3.5气缸耗气量的计算
Q = = =
=0.30/s
2.3.6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）

2.4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。

第三章 机械手直动型弧面凸轮控制部分
3.1 方案的拟定与比较
3.1.1 设计要求
一主要参数，如表1所示
表1 主要参数

项目
相关参数
周期
1s
承载能力
300kg
凸轮与从动盘间的中心距
150mm
水平行程
500mm
竖直行程
70mm
二运动循环要求
此机械手用于冲模送料中，其输出轴的运动轨迹。

1
2
3
4
5
6
停歇期
停歇期

图1 运动循环图
1、3、4、5 是升降运动，其高度就是机械手的竖直行程。3、6 为水平运动。机械手在凸轮控制进行升降与水平运动完成机械手一区和二区的交换工作。首先控制部分在其原点，当气动控制部分完成一次完整操作时凸轮就在传感系统的控制下完成半个周期的动作（图1:1.2.3到达二区工作实现其控制要求。当气控部分完成一次完整操作时凸轮就在传感系统的控制下完成下半个周期的动作(即图1:4.5.6)到达机械手原点实现循环
凸轮机械手的实际运动轨迹是由水平和升降两种直线运动组合而成的，分别靠相应的凸轮来控制实现，要求两个凸轮的运动有良好的配合。
3.2 方案拟定
确定方案：
采用两个弧面凸轮，从动盘上有两个轴线沿转盘径向分布的滚子，跨在凸轮圆环面的突脊上。靠轮廓面推动从动盘摆动，从而实现输出手臂的水平竖直运动。可见右边的示意图：图2所示。

方案结构简单，采用空间凸轮，设计、加工复杂，在数控机床上可加工出高精度的空间凸轮。
3.3 主要运动参数和几何尺寸的确定
3.3.1 凸轮升程角及停歇角分布
本设计根据要求机械手连续运作时每分钟的工作循环 60次，工作循环时间即周期Tp＝1s。
由于凸轮机械手运动曲线由两组独立的弧面凸轮经一定的机构变换组合而成。经分解后，可知其有以下几个时间段组成。如图3所示。

3.3.2 主要运动参数

3.4 主要零件的设计与计算
3.4.1 杆长计算
由图4可看出杆1长度为│BD│的长度
│BD│＝75/sin20°－(60－10)＝169.28mm
│OC│＝75/tan20°＝206.06mm
则滑槽的理论长度为│CE│
│CE│＝│OB│－│OC│＝75/sin20°－ 75/tan20°
＝13.22mm
考虑到竖直行程为 70mm，则滑槽的实际长
度为：
1 个竖直行程 + 滑槽的理论长度 + 滚子半径 +
余量
计算杆2的长度经推算杆2长为 151.56mm

图4 计算杆1的长度
3.4.2 滚子的设计
滚子的要求较高，要有准确的定位，摩擦小、转动灵活、便于润滑。要用一种专用轴承NAKD35型轴承。
3.4.3 水平从动盘设计
此机构上应设有两个安装滚子的孔，由于滚子直接和凸轮接触，所以这两个安装孔的要求较高，特别是垂直度、粗糙度及孔中心线间的夹角等都有严格的要求.为了安装和拆卸的要求，不影响其强度，且便于安装 , 可在其下部再钻一小孔。滚子与从动盘间的配合为 H7/s6，过盈配合。在 A向处要安装连杆 1，为保证足够强度，采用四个M6×20 的内六角螺钉。提升从动盘的结构与形式与此大致一致。

结束语

参考文献

致 谢

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